Относительный характер одновременности.

Рассмотрим первое предположение. Определяя универсальное время, мы сталкиваемся с необходимостью определения понятия одновременности. Мы можем сравнить и синхронизовать приборы, измеряющие время (часы), только если утверждение «два события А и В одновременны» имеет смысл независимо от системы отсчета. То, что это возможно, является одним из наиболее важных допущений классической физики. Это допущение стало составной частью нашего способа мышления, так что почти каждый испытывает большие трудности при анализе его фактической основы.

Для проверки этой гипотезы мы должны представить себе эксперимент, который позволит решить, являются ли два события одновременными. Без такого эксперимента (котврый может быть осуществлен по крайней мере принципиально) утверждение «два события А к В одновременны» лишено физического смысла.

Если два события происходят в близких точках пространства, мы можем пользоваться прибором, в некоторых

отношениях подобным счетчикам, работающим на совпадениях, которые применяются при исследовании космических лучей. Этот прибор будет реагировать только на события, происходящие одновременно.

Если два события происходят на значительном расстоянии друг от друга, то такой прибор нельзя использовать для наших целей. В этом случае о том, что каждое событие произошло, наш прибор, работающий на совпадениях, должен оповещаться сигналами. Если бы существовали сигналы, распространяющиеся с бесконечно большой скоростью, не возникало бы никаких осложнений. Под «бесконечной скоростью» сигнализации мы понимаем такую ситуацию, при которой сигнал, идущий из точки в некоторую точку и обратно, возвращается в Р, в тот же момент времени, в который он из нее вышел.

К сожалению, сигналов, обладающих такими свойствами, не существует. Все существующие сигналы требуют конечного времени для распространения в некоторую точку и обратно, причем это время увеличивается с проходимым сигналом расстоянием. При выборе типа сигнала мы, конечно, предпочтем сигналы, скорость распространения которых зависит от как можно меньшего числа факторов. С этой точки зрения электромагнитные волны наиболее подходящи, так как для их распространения не требуется присутствия материальной среды, их скорость в пустоте не зависит от направления, длины волны и интенсивности. Регистрирующим прибором могут служить два счетчика фотонов, работающие на совпадениях.

Чтобы учесть потерю времени на передачу сигналов, поместим наш прибор на середине прямой, соединяющей точки, в которых происходят события А к В. Каждое событие, когда оно происходит, сопровождается излучением светового сигнала, и мы назовем события одновременными, если оба сигнала одновременно достигают средней точки. Этот эксперимент может служить для определения одновременности двух событий без использования часов. Предполагается, что одновременность, определяемая этим экспериментом, «транзитивная, т. е., что из одновременности

(по нашему определению) А и В и В и С следует одновременность А и С. Следует подчеркнуть, что это предположение является гипотезой, касающейся поведения электромагнитных сигналов.

Даже в случае верности этой гипотезы, мы еще не можем быть уверены в том, что наше определение одновременности не зависит от системы отсчета, к которой мы относим описание природы. Локализация двух событий и построение средней точки на связывающей их прямой по необходимости предполагают использование определенной системы координат, находящейся в определенном состоянии движения.

Является ли наше определение одновременности инвариантным относительно перехода к другой системе, находящейся в ином состоянии движения? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим две системы отсчета: одну, связанную с Землей (5), и другую, связанную с длинным поездом (5, движущимся прямолинейно с постоянной скоростью. Представим себе двух наблюдателей, одного на земле около пути следования поезда, другого — в поезде. Пусть каждый из наблюдателей сиабжен регистрирующим прибором описанного типа и измерительным масштабом. Их масштабы не должны быть обязательно одной и той же длины; существенно, чтобы каждый наблюдатель мог определить середину расстояния между двумя точками на своем теле отсчета — на земле или в поезде.

Предположим, далее, что ударяют две молнии, каждая поражает поезд и землю, оставляя при этом постоянный след. Пусть после этого каждый из наблюдателей обнаружит, что его регистрирующий аппарат находится как раз посередине между двумя следами, оставленными в его системе отсчета. На фиг. 5 отметки молний обозначены через А, В, А, В, а расположение приборов — через С и С. Возможно ли, что световые сигналы, исходящие из А, А и В, В и приходящие одновременно в С, приходят также одновременно и в С?

В тот момент, когда молния ударяет в А и А, эти две точки совпадают. То же справедливо для В и В.

Если окончательно окажется, что обе молнии ударили одновременно, как кажется наблюдателю на земле (т. е. в системе S), то С должно совпадать с С в тот момент, когда А совпадает с А и В с В (т. е. когда ударяют две молнии)

Фиг. 5. Два события, происходящие в А, А и в В, В, кажутся одновременными наблюдателю, покоящемуся относительно земли (S), но не наблюдателю, покоящемуся относительно поезда (5. В (а) события совершаются, в (Ь) световой сигнал, вышедший из достигает С, в световые сигналы об обоих событиях приходят в световой сигнал из В, В достигает С.

Из-за того, что требуется конечное время для достижения световым сигналом С и С, точка С успеет переместиться влево (фиг. 5, b, с, d). Поэтому сигнал, исходящий из достигает С только после прохождения С (фиг. 5, b, с), в то время как сигнал из В, В достигает С раньше, чем он попадает в С (фиг. 5, с, d). В результате наблюдатель в поезде обнаруживает, что сигнал из А, А достигает его регистрирующей аппаратуры раньше, чем сигнал из В, В (фиг. 5, b, d).

Из этого не следует, что земля обладает свойствами, не присущими поезду. Молния может ударить и так, что световые сигналы придут одновременно в точку С. В этом случае сигналы из А, А приходят в С позже, чем сигналы из В, В. Однако невозможен такой случай, чтобы оба прибора

— в С и в С — указали на одновременность удара молний.

Из этого следует заключить, что два события, одновременные в одной системе отсчета, вообще говоря, не являются одновременными в другой системе отсчета.