Кіріспе
Алыстағы бір мезгілділік абсолютті емес, бірақ бақылаушының координаттық жүйесіне байланысты деген ұғым. Физикада, бір мезгілділіктің салыстырмалылығы – екі кеңістікте бөлінген оқиғаның бір уақытта болатыны – абсолютті емес, бақылаушының координаттық жүйесіне тәуелді. Бұл мүмкіндікті математик Анри Пуанкаре 1900 жылы алға тартты, кейіннен ол арнайы салыстырмалылық теориясының маңызды идеясына айналды.
In physics, the relativity of simultaneity is the concept that distant simultaneity – whether two spatially separated events occur at the same time – is not absolute, but depends on the observer's reference frame. This possibility was raised by mathematician Henri Poincaré in 1900, and thereafter became a central idea in the special theory of relativity.
Сипаттама
Альберт Эйнштейн енгізген арнайы салыстырмалылық теориясына сәйкес, егер екі оқиға кеңістікте бөлініп жатса, олардың бір уақытта орын алғанын абсолютті түрде айту мүмкін емес. Егер бір санақ жүйесі кеңістіктегі әртүрлі нүктелерде болатын екі оқиғаға бірдей уақытты тағайындаса, бірінші санақ жүйесіне қатысты қозғалатын санақ жүйесі, әдетте, оларға басқаша уақыт тағайындайды (тек қана қозғалыс екі оқиға орналасқан жерлерді байланыстыратын түзуге перпендикуляр болған жағдайда ғана ерекшелік болады). Мысалы, Лондондағы және Нью-Йорктегі автомобиль апаттары Жердегі бақылаушыға бір уақытта болғандай сезілсе, Лондон мен Нью-Йорк арасында ұшатын бақылаушыға сәл әртүрлі уақытта болғандай көрінеді. Бұдан әрі, егер екі оқиға себеп-салдарлық байланыста болмаса, қозғалыс күйіне байланысты, Лондондағы апат бір санақ жүйесінде алдымен орын алғандай көрінуі мүмкін, ал Нью-Йорктегі апат басқа санақ жүйесінде алдымен орын алғандай көрінуі мүмкін. Дегенмен, егер оқиғалар себеп-салдарлық байланыста болуы мүмкін болса, басымдық реті барлық санақ жүйелерінде сақталады.
Тарих
1892 және 1895 жылдары Хендрик Лоренц теріс эфирлік дрифт эксперименттерін түсіндіру үшін "жергілікті уақыт" t' = t – v x / c2 деп аталатын математикалық әдісті қолданды. Алайда Лоренц бұл құбылыстың физикалық түсіндірмесін бермеді. Бұл жұмысты Анри Пуанкаре жасады, ол 1898 жылы бір мезгілделіктің шартты екенін атап өтті және барлық бағытта жарық жылдамдығының тұрақтылығын постулаттау ыңғайлы екенін мәлімдеді. Дегенмен, бұл мақалада Лоренц теориясы немесе әртүрлі қозғалыс күйіндегі бақылаушылар үшін бір мезгілделікті анықтаудағы мүмкін даулар талданбады. Бұл 1900 жылы Пуанкаре эфирде жарық жылдамдығы инвариантты деп есептеп, жергілікті уақытты туындытқанда жасалды. "Қосымша қозғалыс принципіне" сәйкес, эфирде қозғалатын бақылаушылар да өздері тынышталып отырғанын және жарық жылдамдығы барлық бағытта тұрақты екенін (v/c-тің бірінші ретіне дейін) қабылдайды. Сондықтан, егер олар сағаттарын жарық сигналдарын пайдаланып синхрондаса, сигналдардың өту уақытын ғана ескереді, бірақ эфирге қатысты өздерінің қозғалысын ескермейді. Осылайша, қозғалатын сағаттар синхронды болмайды және "шынайы" уақытты көрсетпейді. Пуанкаре бұл синхронизация қатесінің Лоренцтің жергілікті уақытына сәйкес келетінін есептеп шығарды. 1904 жылы Пуанкаре салыстырмалылық принципі, "жергілікті уақыт" және жарық жылдамдығының инварианттылығы арасындағы байланысты атап көрсетті; алайда, бұл мақаладағы ойлар сапалық және болжамдық сипатта болды. Альберт Эйнштейн 1905 жылы v/c-тің барлық реттері үшін уақыт трансформациясын, яғни толық Лоренц трансформациясын алу үшін ұқсас әдісті қолданды. Пуанкаре 1905 жылы толық трансформацияны алды, бірақ сол жылғы жұмыстарында өзінің синхронизация процедурасын атаған жоқ. Бұл туынды жарық жылдамдығының инварианттылығы және салыстырмалылық принципіне негізделгендіктен, Эйнштейн қозғалатын денелердің электродинамикасы үшін эфирдің қажетсіз екенін атап өтті. Осылайша, Лоренц пен Пуанкаренің "шынайы" және "жергілікті" уақытқа бөлгені жоғалады – барлық уақыттар теңдей жарамды және сондықтан ұзындық пен уақыттың салыстырмалылығы табиғи салдар болып табылады. 1908 жылы Герман Минковский өзінің космос моделінде, Минковский кеңістігі деп аталатынында, бөлшектің әлем сызығы түсінігін енгізді. Минковскийдің пікірінше, жылдамдықтың қарапайым түсінігі жылдамдықпен алмастырылады, ал бір мезгілделік туралы қарапайым түсінік жылдамдыққа байланысты кеңістіктік бағыттардың гиперболалық ортогоналдығына тәуелді болады. Осылайша, әрбір инерциялық есептеу жүйесінің жылдамдығы және бір мезгілдегі гипержазықтығы болады. 1990 жылы Роберт Голдблатт "Ортогоналдық және кеңістік-уақыт геометриясы" еңбегін жазды, ол Минковскийдің бір мезгілделік үшін орнатқан құрылымын тікелей қарастырды. 2006 жылы Макс Джаммер MUSE жобасы арқылы "Бір мезгілделік түсініктері: ежелгі заманнан Эйнштейнге дейін және одан әрі" атты кітабын жариялады. Кітап 6-тарапта "Бір мезгілде болудың салыстырмалылық тұжырымдамасына көшу" деп аяқталады. Джаммер Эрнст Махтың Ньютон физикасының абсолютті уақытын демифологизациялағанын көрсетеді. Әрине, математикалық түсініктер физикалық интерпретациядан бұрын пайда болды. Мысалы, конъюгат гиперболаның конъюгат диаметрлері кеңістік пен уақыт сияқты байланысты. Салыстырмалылық принципі кеңістік пен уақытты бейнелеу үшін жазықтықта қандай жұпты таңдаудың кездейсоқтығы ретінде өрнектеледі.
Эйнштейннің пойызы
Эйнштейннің эксперименттің нұсқасы және 1917 жылғы Эйнштейн. Бұл экспериментте бір бақылаушы жылдам келе жатқан пойыз вагонының ортасында, ал екіншісі пойыз өткен кезде платформада тұрады. Екі бақылаушы бір-бірінен өтіп бара жатқанда, пойыз вагонының ортасынан жарық шығарылады. Пойыздың ішіндегі бақылаушы үшін вагонның алдыңғы және артқы жақтары жарық көзінен бірдей қашықтықта болады, сондықтан бұл бақылаушының ойынша, жарық вагонның екі жағына да бір уақытта жетеді. Ал платформада тұрған бақылаушы үшін вагонның артқы жағы жарық шыққан жерге қарай қозғалады (жақындасады), ал алдыңғы жағы одан алыстайды. Жарықтың жылдамдығы шекті және барлық бақылаушылар үшін барлық бағытта бірдей болғандықтан, пойыздың артқы жағына бағытталған жарық, алдыңғы жағына бағытталған жарыққа қарағанда қысқарақ қашықтықты жүзеді. Сөйтіп, жарық сәулелері вагонның екі шетіне әртүрлі уақытта жетеді.
Уақыт-кеңістік диаграммалар
Бұл жағдайды кеңістік-уақыт диаграммаларын қолдану арқылы елестету пайдалы болуы мүмкін. Белгілі бір бақылаушы үшін t осі – x кеңістіктік координатасының бастапқы нүктесі уақыт бойынша қозғалатын нүкте ретінде анықталады және тік сызық түрінде салынады. X осі – t = 0 уақытындағы кеңістіктегі барлық нүктелердің жиынтығы ретінде анықталады және көлденең сызық түрінде салынады. Жарық жылдамдығының барлық бақылаушылар үшін бірдей екенін көрсету үшін, жарық сәулесі, көздің бақылаушыға қатысты жылдамдығына қарамастан, 45° бұрышты сызық ретінде салынады. Бірінші диаграммада пойыздың екі ұшы сұр түсті сызықтармен бейнеленген. Пойыздың ұштары пойыз ішіндегі бақылаушыға қатысты қозғалмайтындықтан, бұл сызықтар тік сызықтар болып келеді, олар уақыт бойынша, бірақ кеңістікте емес, қозғалысын көрсетеді. Жарық шығарылуы 45° бұрышты қызыл сызықтармен көрсетілген. Екі жарық сәулесінің пойыздың ұштарына тиетін нүктелер диаграммада бір деңгейде орналасқан. Бұл оқиғалардың бір уақытта орын алғанын білдіреді. Екінші диаграммада оңға қарай қозғалатын пойыздың екі ұшы параллель сызықтармен көрсетілген. Жарық шығарылуы пойыздың екі ұшының арасындағы орталық нүктеден жасалады және тағы да жарық жылдамдығының тұрақтылығын көрсететін екі 45° бұрышты сызық құрайды. Алайда, бұл суретте жарық сәулелерінің пойыздың екі ұшына бір уақытта тимейтіні байқалады.