Синхронизация часов и относительность одновременности

Понятие времени исключительно актуально для физики. Поэтому оно привлекает внимание всех исследователей, которые желают понять ее концептуальное устройство. В ряду этих исследователей в качестве подлинного новатора выступил А. Эйнштейн. Он обратил особое внимание на два понятия: "синхронизация часов" и "одновременность". Если рассматривается длительность процессов, а они непременно пространственно протяженны, то время должно быть определено для различных сегментов ("точек") протяженности. Это требование вполне естественно в свете выявленной в релятивистской механике тесной взаимосвязи протяженностей и длительностей. Указанная связь должна найти свое выражение в каком-то особом понятии. Им как раз и стал для Эйнштейна концепт "синхронизация часов". Часы, находящиеся в различных точках той или иной системы отсчета, во-первых, должны быть согласованы друг с другом. Во-вторых, это согласование должно выражать концептуальное устройство специальной теории относительности.

Эйнштейн предложил такую процедуру синхронизации часов. Допустим, что часы, находящиеся в точке А, показывают время t1. Луч света направляется из точки А в точку В, где он отражается от зеркала и возвращается в А ко времени t3. Разумно предположить, что точки В свет достиг ко времени t2:

(3.7)

Поэтому в момент прихода сигнала на часах, находящихся в точке В, должно быть выставлено время t2. Используя описанную процедуру синхронизации, можно привести в соответствие друг с другом все часы данной системы отсчета. Разумеется, требование расставить часы по всем точкам системы отсчета нереально. Но никто и не настаивает на нем. Достаточно требование использования понятия синхронизации часов всякий раз, когда определяется длительность объекта. Эйнштейновская процедура синхронизации часов предполагает использование некоторых динамических факторов. Следовательно, она по самому своему существу имеет динамический характер.

Исторический экскурс

На необходимость синхронизации часов за семь лет до Эйнштейна указывал в 1898 г. А. Пуанкаре^[1]. Но, разумеется, при этом он оставался в пределах его понимания электродинамики Максвелла – Лоренца. Эйнштейн же четко следовал в фарватере концептов, развитых им в специальной теории относительности. Впрочем, было предпринято немало попыток, признавая специальную теорию относительности, тем не менее корректировать его воззрения.

В этой связи особое внимание привлекли рассуждения Г. Рейхенбаха (1928 г.). Будучи прекрасным логиком, он обратил внимание на следующее обстоятельство. Логически недопустимо посредством световых сигналов сначала синхронизировать часы, а затем на основе их показаний определять скорость самого света в прямом и обратном направлении (налицо логический круг). По Рейхенбаху, логический круг в рассуждениях по поводу скорости света преодолевается за счет введения некоторых соглашений. Скорость света постулируется такой, чтобы он прошел весь путь (от А к В и от В к А) за фиксируемый по часам А промежуток времени Δt. В формальнологическом ключе вполне допустимо считать, что скорость света в прямом и обратном направлении не является одной и той же^[2]. В формуле (3.7) одинаковость скорости света в прямом и обратном направлении фиксируется коэффициентом ε = 1/2. Но, строго говоря, его значения располагаются в интервале (0–1). Формула Рейхенбаха имеет следующий вид:

(3.8)

где ε – некотороый произвольный коэффициент , t3 – последовательные моменты времени

Случай ε = 1/3 соответствует условию, что свет по направлению от A к В двигался со скоростью, большей постоянной с, а по направлению от В к А – со скоростью, меньшей чем с.

Вывод Рейхенбаха об условном значении скорости света нашел поддержку у многих философов^[3]. Но физиками он по большей части отвергался. Ведь согласно второму постулату специальной теории относительности скорость света является инвариантной величиной. Возникает также много недоуменных вопросов относительно природы света. Неужели она является такой, что без каких-либо оснований свет движется в прямом и обратном направлении с различными скоростями, отличающимися в несколько раз? Реакция на этот вопрос, например, таких выдающихся ученых, как А. Пуанкаре и А. Эйнштейн, была принципиально различной.

Ученые спорят

Пуанкаре полагал, что экспериментальные данные не противоречат соглашению об инвариантности скорости света^[1]. Эйнштейн же утверждал, что равенство скоростей света для встречных направлений "не является предпосылкой или гипотезой о природе света"^[5]. Видимо, он все-таки считал, что действительная скорость света является вполне определенной. Рассуждения Рейхенбаха относятся, мол, к логике и не имеют физического смысла.

Рассмотрим еще одну позицию по поводу интересующего нас вопроса, которую особенно отчетливо сформулировал Г. Б. Малыкин. Он исходит из идеи Б. М. Болотовского и В. Л. Гинзбурга, которые допускали возможность использования для синхронизации часов так называемых световых зайчиков^[6]. Простые расчеты показывают, что если направить луч света на плоскость, отстоящую от источника сигнала на большое расстояние, то скорость перемещения зайчика по этой плоскости может значительно превышать скорость света в вакууме. Этот факт не противоречит положениям специальной теории относительности, согласно которой взаимодействия не могут распространяться быстрее с, ибо очевидно, что точки, которые освещаются зайчиком, не связаны друг с другом причинными отношениями. Предложение Малыкина состоит в том, что для синхронизации часов следует использовать световые зайчики. В таком случае можно экспериментально проверить равенство скоростей света во встречных направлениях^[7]. Логический круг, о котором писал Рейхенбах, вроде бы размыкается. Конвенциальные возможности, которые пленили стольких философов, отрицаются.

По мнению автора, метод световых зайчиков не отвергает тезис об условном характере скорости света. Трудность ведь возникла не потому, что мала скорость света с, а в силу необходимости определения скорости посредством опоры на концепт времени (скорость измеряется посредством времени, а время – посредством скорости). "Зайчики" не отрицают этой необходимости. Их использование не выводит за пределы специальной теории относительности.

Таким образом, Эйнштейн, не соглашаясь принять тезис об условности скорости света в вакууме, был прав. В соответствии с динамическим принципом физик обязан объяснить возможность распространения света в вакууме с различной скоростью. Отказываясь от указанного объяснения, он, по сути, игнорирует динамический принцип, что недопустимо. Неправомерно признание специальной теории относительности вместе с ее динамическим принципом сопровождать отрицанием указанного принципа при характеристике скорости света. Упоминавшийся выше логический круг имеет место лишь до тех пор, пока игнорируется ОГЛАВЛЕНИЕ динамического принципа.

Понятие "синхронизация часов" органично связано с понятием "одновременности". Два события считаются одновременными, если они произошли при одинаковых показаниях синхронизированных часов. Мысленный эксперимент Эйнштейна убедительно свидетельствует в пользу относительности одновременности. Допустим, что внутри вагона, движущегося равномерно по рельсам платформы, причем точно в его середине, произошла вспышка света. Скорость света одинакова как относительно платформы, так и относительно стенок вагона. Наблюдатель, находящийся внутри вагона, зафиксирует одновременное достижение лучом света двух противоположных стенок. Принципиально другую ситуацию наблюдает человек, находящийся на платформе. Свет раньше касается стенки, которая не удаляется от наблюдателя, а приближается к нему.

Таким образом, одновременность подобно скорости механического перемещения является отношением, а не неизменным свойством времени, якобы не зависящим от системы отсчета. Разумеется, нет мировой одновременности, которая многими людьми, далекими от понимания специальной теории относительности, принимается интуитивно.

Выводы

1. Одновременность подобно скорости является отношением.

2. Смысл измерения времени определяется принципом инвариантности максимальной скорости распространения взаимодействий.