ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Замедление хода движущихся часов . 63. Преобразования Лорентца. Интервал из "Физические основы механики " Таким образом, отступления от исторического пути развития теории относительности позволяют сделать изложение этой теории более конкретным и доступным. [c.241] В теории относительности была впервые отчетливо выяснена та особая роль, которую в физике вообще и в механике, в частности, играет скорость света. Как уже указывалось ( 7), поскольку в механике возникает необходимость отсчитывать момент времени, когда где-то произошло определенное событие, мы должны пользоваться теми или иными сигналами, которые дали бы нам знать, когда там это событие произошло. Если бы мы располагали сигналами, которые распространяются мгновенно, то мы могли бы отсчитывать момент, когда там произошло событие, непосредственно по часам, находящимся здесь . Однако такими сигналами мы не располагаем. Наиболее быстрые сигналы, которые мь[ можем использовать для указанной цели, —это световые сигналы, которые распространяются хотя и с большой (с точки зрения наших обычных масштабов), но все же конечной скоростью. Поэтому в показания часов мы должны вносить поправку на время распространения светового сигнала оттуда — сюда (эта поправка зависит от скорости сигналов). Таким образом, скорость световых сигналов играет существенную роль, если для отсчета времени в разных местах мы пользуемся одними и теми же часами. [c.241] Если же для отсчета времени в разных местах мы пользуемся различными часами, которые находятся в тех местах, где происходят события, то световые сигналы необходимы для того, чтобы синхронизовать часы, находящиеся здесь , и часы, находящиеся там (после их транспортировки), т. е. скорость световых сигналов играет столь же существенную роль. Именно вследствие этого, как уже указывалось в 7, в набор тех основных инструментов , при помощи которых мы производим измерения промежутков времени и расстояний, кроме линеек и часов обязательно должны входить источники световых сигналов. Поэтому наряду с вопросами о постоянстве длины линеек и хода часов возникает вопрос о постоянстве скорости света. [c.241] Как видим, благодаря тому, что в комплект основных инструментов входят три инструмента, оказывается возможным изучать поведение каждого из них при помощи двух других инструментов скорость световых сигналов измерять при помощи линеек и часов, длину линеек измерять при помощи световых линеек (т. е. световых сигналов и часов) и ход часов измерять при помощи световых часов (т. е. световых сигналов и линеек). [c.243] Более того, если речь идет не об измерении, а только о сравнении длин линеек, можно поставить опыт, пользуясь только световыми сигналами и не пользуясь часами. Для этого линейки располагают так, чтобы их начала лежали в одной точке А (направлены линейки могут быть как угодно). На концах линеек (в точках и устанавливают зеркала, которые отражают идущие вдоль линеек световые сигналы в обратном направлении у начала линеек (в точке А) устанавливают источник световых сигналов. Посылая короткие световые сигналы сразу вдоль двух линеек, можно непосредственно (без помощи часов) определить, возвращаются ли сигналы в точку А одновременно. Одновременность возвращения обоих сигналов указывает, что время их распространения вдоль двух линеек туда и обратно одинаково (наоборот, нарушение одновременности возвращения сигналов указывает, что это время различно). Зная скорости распространения сигналов вдоль двух линеек, мы из равенства времен распространения сигналов можем вывести определенные заключения о длине пройденных ими путей, а значит, и о длине линеек. [c.243] Произведя в определенной последовательности описанные опыты в одних случаях с неподвижными, а в других — с движущимися линейками, либо часами, либо источниками световых сигналов, мы сможем определить, как влияет движение на показания того или иного из основных инструментов, т. е. изменяется ли в результате движения длина линеек, ход часов и скорость световых сигналов, и если изменяется, то как именно. [c.243] Обратим внимание, что во всех описанных выше опытах по проверке одного основного инструмента с помощью других участвуют световые сигналы. Без них проверять часы при помощи линеек или, наоборот, линейки при помощи часов невозможно. В отсутствие световых сигналов комплект основных инструментов (в котором остаются только линейки и часы) теряет свою полноту. Без помощи световых сигналов не только нельзя определять момент, когда там произошло событие, но и нельзя проверить на опыте поведение линеек и часов при движении. Таким образом, только присутствие световых сигналов в комплекте основных инструментов обеспечивает возможность экспериментального изучения свойств пространства и времени. При помощи световых сигналов показания линеек и часов могут быть связаны между собой, и благодаря этому могут быть поставлены опыты, в которых проявляются свойства как пространства, так и времени, а не каждого из них в отдельности. Объектом экспериментального изучения являются поэтому не пространство и время (каждое в отдельности), а единое пространство — время. Исключение световых сигналов из комплекта основных инструментов делает невозможным экспериментальное изучение свойств пространства — времени и опытную проверку поведения основных инструментов. [c.244] Солнца различаются на величину ж 4 км сек. Опыт состоял в том, что при помощи очень чувствительного модуляционного устройства сравнивались промежутки времени, в течение которых свет, идущий от одного или другого края Солнца, проходит туда и обратно путь между двумя зеркалами, расположенными у поверхности Земли на расстоянии 1 км друг от друга. [c.245] К Земле, для того чтобы сделать выводы из этого опыта, не нужно ничего знать о влиянии движения на длину линеек и ход часов. [c.246] Между тем отношение изменения скорости источника А и к скорости света в описываемом опыте составляет t vj 1,3-Ю . [c.246] Значит, относительное изменение скорости света, если оно вообще имеет место, по крайней мере в 60 раз меньше относительного изменения скорости источника света. Единственное предположение о зависимости скорости света от скорости источника, которое удалось разумно сформулировать, состоит в том, что скорость источника складывается с той скоростью с, с которой распространяется свет от неподвижного источника. Но в таком случае в опыте А. М. Бонч-Бруевича относительное изменение скорости света, распространяющегося от двух краев Солнца, Ао /с, должно было бы составлять 1,3-Ю . Между тем опыт не обнаруживает даже в 60 раз меньшего эффекта. Поэтому предположение, что скорость источника складывается со скоростью света, должно быть отвергнуто. [c.246] Поскольку каких-либо других разумных предположений на этот счет сформулировать не удалось, опыт А. М. Бонч-Бруевича следует толковать как экспериментальное доказательство независимости скорости света от скорости источника. Мы могли бы не делать этого обобщающего вывода, а в каждом отдельном случае рассматривать, может ли играть какую-либо роль эффект зависимости скорости света от скорости источника, если величина этого эффекта меньше того порога, который был найден в опыте А. М. Бонч-Бруевича. Однако приведенные только что соображения, а также упоминавшиеся выше астрономические наблюдения, дают основания сделать общий вывод о том, что скорость света не зависит от скорости источника. Этот вывод является одним из двух положений, лежащих в основе теории относительности ). [c.246] Необходимо подчеркнуть, что постулат о независимости скорости света от скорости источника был сформулирован и введен в теорию относительности при ее возникновении, т. е, задолго до того, как А. М. Бонч-Бруевич выполнил описанный опыт. [c.246] После того как на опыте установлено, что скорость световых сигналов не зависит от скорости движения источника этих сигналов, с помощью световых сигналов можно сравнить длину движущихся линеек, по-разному ориентированных относительно скорости движения, т. е. установить на опыте, зависит ли длина линейки от направления и величины скорости, с которой эта линейка движется. Чтобы избежать применения в этом опыте часов (свойства которых еще не изучены), нужно, как указывалось в предыдущем параграфе, расположить сравниваемые линейки так, чтобы их начала лежали в одной точке, а на концах линеек расположить зеркала. Опыт такого рода был впервые осуществлен Майкельсоном в 1881 г., а затем неоднократно повторялся с целью повышения точности полученных результатов. Прежде чем излагать сущность опыта Майкельсона, поясним его идею с помощью следующей наглядной модели. [c.247] Представим себе, что в центре жесткой сферы, внутренняя поверхность которой отражает падающий на нее свет, находятся наблюдатель и источник очень коротких световых сигналов, распространяющихся по всем направлениям. Очевидно, что если все направления равноправны, то световые сигналы одновременно достигнут поверхности сферы и, отразившись от нее, одновременно вернутся обратно. В какой-то момент времени наблюдатель увидит, что вся сфера сразу осветилась. Однако если вся сфера вместе с источником и наблюдателем движется в каком-то направлении, то равноправие всех направлений в пространстве может быть нарушено. Нельзя заранее утверждать, что вся сфера осветится одновременно. Возможно, наблюдатель увидит, что сначала освещаются одни части сферы, а затем — другие. Опыт Майкельсона и должен был дать ответ на вопрос, нарушает ли общее движение сферы, источника света и наблюдателя равноправие всех направлений в пространстве. Ответ на этот вопрос был отрицателен. Как и в случае неподвижной сферы, наблюдатель увидел бы, что вся сфера освещается сразу. [c.247] В опыте Майкельсона вместо такого случая — распространения световых сигналов во всех направлениях —осуществляется распространение световых сигналов только в двух направлениях, вдоль двух одинаковых линеек, расположенных перпендикулярно друг к другу. Цель опыта состоит в том, чтобы выяснить, нарушается ли равноправие направлений вдоль двух линеек при движении всей установки вдоль одной из линеек. [c.247] Основная трудность в осуществлении опыта состоит в том, что влияние движения при малых скоростях не может быть заметно, и для того чтобы его можно было обнаружить, скорость движения должна быть не очень мала по сравнению со скоростью света. [c.247] Представим себе (рис. 120), что на жесткой плите в точке S установлен источник света, посылающий во всех направлениях очень короткие световые сигналы. На двух взаимно перпендикулярных направлениях установлены зеркала Л и В, отражающие световые сигналы обратно в точку S. В этой точке, помимо источника света, находится устройство, позволяющее точно констатировать, одновременно ли возвращаются в точку S световые сигналы, отраженные от зеркал Л и S. [c.248] Пусть сначала установка ориентирована так, что ее скорость относительно Солнца и звезд, т. е. скорость движения Земли по орбите v = 30,кл /се/с), направлена по Зеркала устанавливаются так, чтобы сигналы, отраженные от зеркал Л и S, возвращались в точку S одновременно. После этого установка поворачивается на 90 , так что скорость о оказывается направленной по SB. При этом, как показывает опыт, сигналы, отраженные от Л и В, по-прежнему возвращаются в точку S одновременно. [c.249] Поскольку мы пытаемся обнару- Рис. 121. [c.249] Вернуться к основной статье