Физика пространства - времени

Уиллер Джон Арчибальд

Таблица 4. 

Современные критерии для решения вопроса: «Различна ли скорость света на замкнутом пути в разных системах отсчёта?»

ДВЕ СИСТЕМЫ ОТСЧЁТА

Первая система отсчёта

Земля при её движении в одном направлении относительно Солнца, например в январе

Вторая система отсчёта

Земля при её движении в противоположном направлении (по отношению к неподвижным звёздам) в июле

РЕЗУЛЬТАТЫ

ОПЫТОВ

Результаты опыта Майкельсона — Морли

Первоначальный вариант

Ни в какой системе отсчёта наблюдатели (может быть

один и тот же

наблюдатель на Земле, повторяющий свой опыт спустя 6 месяцев) не могут заметить разницы в скорости света на замкнутом пути в любых двух взаимно перпендикулярных направлениях, большей чем

^1

/

скорости движения Земли по орбите

Модернизированный вариант

Ни в какой системе отсчёта наблюдатели не могут заметить разницы в скорости света на замкнутом пути в любых двух взаимно перпендикулярных направлениях, большей чем 3% скорости движения Земли по орбите

Результаты эксперимента Кеннеди — Торндайка

Скорость света на замкнутом пути одинакова в любой из определённых выше «сезонных» систем отсчёта с точностью приблизительно до 2

м/сек

ИСТОЛКОВАНИЕ ОПЫТНЫХ ФАКТОВ

Модернизированный вариант опыта Майкельсона — Морли

Скорость Земли по ее орбите вокруг Солнца равна

30

км/сек

= 1/10 000 скорости света

Тогда

разница

в величине скорости света на замкнутом пути,

измеренной в двух взаимно перпендикулярных направлениях,

меньше 3/100 от 1/10 000 скорости света,

т.е. меньше 3/1 000 000 скорости света.

Итак,

принцип относительности

подтверждается этим модернизированным вариантом опыта с точностью

3 : 1 000 000

Эксперимент Кеннеди — Торндайка

Разница

в величине скорости света на замкнутом пути, измеренной в двух системах отсчета,

меньше приблизительно 2

м/сек

,

т.е. меньше 1/100 000 000 скорости света

Итак,

принцип относительности

подтверждается этим экспериментом с точностью

1 : 100 000 000

Хотя ни один из этих экспериментов не обладал чувствительностью экспериментов Этвёша и Дикке (3 : 10¹¹), их результаты тем не менее изумительно точно подтвердили принцип относительности. К тому же планируется повысить чувствительность эксперимента Кеннеди—Торндайка¹). Такое повышение чувствительности очень важно. Ведь принятие метра в качестве единицы времени имеет смысл, лишь если свет проходит один метр длины за одно и то же время во всех системах отсчёта. Равенство скорости света в системе отсчёта ракеты и в лабораторной системе допускает простой способ сравнения часов в этих системах (разд. 5). Возможность такого сравнения решающим образом зависит от отрицательного результата эксперимента Кеннеди — Торндайка.

¹) Т.S. Jasеja, A. Javan, J. Murray,

С. Н. Townes, Physical Review, 133, А1221 (1964). Подробный анализ экспериментальных оснований частной теории относительности см. в статье Робертсона «Сравнение постулатов и наблюдений в частной теории относительности», Н. P. Robertson, Reviews of Modern Physics, 21, 378 (1949).

Структура пространства-времени приводит к тому, что Станфордский ускоритель стоит 300 миллионов долларов

В 1905 г. принцип относительности был явной ересью, открытым вызовом интуиции и восприятию природы в рамках «здравого смысла», свойственных большинству тогдашних физиков. Потребовались долгие годы, чтобы привыкнуть к нелепой на первый взгляд мысли о том, что некоторая конкретная скорость обладает одной и той же величиной, в какой бы из двух перекрывающихся и движущихся относительно друг друга инерциальных систем отсчёта её ни измеряли. Теперь принцип относительности применяется ежедневно во множестве областей физики, и там он непрерывно и строго проверяется. Например, Станфордский линейный ускоритель электронов (приблизительная стоимость 300 миллионов долларов) должен иметь длину в 2 мили для того, чтобы разгонять электроны до скорости, почти равной скорости света (разница в скоростях всего лишь 8 : 10^1^1). Если бы были справедливы доэйнштейновские, ньютоновские законы механики, то для такого ускорения было бы достаточно» длины менее чем в один дюйм (см. упражнение 55)!

4. КООРДИНАТЫ СОБЫТИЯ

Почему мы используем координаты?

Для студента-физика инерциальная система отсчёта представляет собой то же, что сетка линий с севера на юг и с востока на запад на местности для землемера. Землемер изучает положение объектов в пространстве. Студент-физик изучает положение событий в пространстве и во времени. Дневной и ночной землемеры могли отказаться от использования координат в направлениях север — юг и восток — запад и попросту измерять расстояния между каждыми двумя городскими воротами, хотя сначала они даже не подозревали о существовании такой величины, как расстояние. Подобным же образом мы могли бы в этой главе ограничиться при определении положений событий в пространстве-времени измерением интервалов между любыми двумя событиями, не рассматривая по отдельности «пространственных» и «временной» координат ²). Однако следует начать с положения физики до 1905 г., совершенно не опираясь на понятие интервала. Это понятие само привлечёт наше внимание подобно тому, как понятие расстояния привлекла к себе внимание землемера. Так, два человека измеряли координаты в направлениях север — юг и восток — запад в двух разных системах координат, и лишь позднее они заметили взаимосвязь между совсем разными числами в своих записях («инвариантность расстояния»). Мы начнём подобным же образом с пространственных и временных координат событий в лабораторной системе отсчёта и с пространственных и временных координат тех же событий в системе отсчёта ракеты. И тогда у нас будут солидные основания для вывода о тождественном равенстве друг другу интервала между двумя событиями, вычисленного из лабораторных координат, и интервала между теми же двумя событиями, вычисленного из совсем других чисел — значений координат, полученных при измерениях в системе отсчёта ракеты («инвариантность интервала»).

²) Такой подход сформулирован Робертом Ф. Марцке и Джоном А. Уилером в сборнике Gravitation and Relativity, eds. H.-Y. Chiu and W. F. Hofmann, W. A. Benjamin, New York, 1964. (Имеется русский перевод: Гравитация и относительность, под ред. X. Цзю и В. Гофмана, изд-во «Мир», М., 1965, стр. 107.— Прим. перев.)

Определение понятия события

В геодезии основным понятием является место. В физике основное понятие — событие. Событие характеризуется не только местом, но и моментом времени, в который оно произошло. Вот примеры событий: испускание частицы или световой вспышки (взрывы); отражение или поглощение частиц или световых вспышек; столкновения и почти столкновения, именуемые совпадениями.