Введение
Концепция, что удаленная одновременность не абсолютна, а зависит от системы отсчета наблюдателя. В физике относительность одновременности – это концепция, согласно которой одновременность двух пространственно разделенных событий не является абсолютной, а зависит от системы отсчета наблюдателя. Эта возможность была впервые высказана математиком Анри Пуанкаре в 1900 году и впоследствии стала центральной идеей специальной теории относительности.
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.
Описание
Согласно специальной теории относительности, предложенной Альбертом Эйнштейном, нельзя в абсолютном смысле утверждать, что два различных события происходят одновременно, если они разделены в пространстве. Если в одной системе отсчета двум событиям, находящимся в разных точках пространства, присваивается одно и то же время, то в системе отсчета, движущейся относительно первой, этим событиям обычно будут присвоены разные времена (единственное исключение – когда движение происходит строго перпендикулярно линии, соединяющей места расположения обоих событий). Например, автомобильная авария в Лондоне и другая в Нью-Йорке, кажущиеся одновременными наблюдателю на Земле, будут казаться произошедшими в немного разное время наблюдателю на самолете, летящем между Лондоном и Нью-Йорком. Более того, если эти два события не могут быть причинно связаны, то в зависимости от состояния движения авария в Лондоне может показаться произошедшей первой в одной системе отсчета, а авария в Нью-Йорке – первой в другой. Однако, если события причинно связаны, то порядок следования событий сохраняется во всех системах отсчета.
История
В 1892 и 1895 годах Хендрик Лоренц использовал математический метод, называемый «локальным временем» t' = t – v x/c², для объяснения отрицательных результатов экспериментов по дрейфу эфира. Однако Лоренц не дал физического объяснения этому эффекту. Это сделал Анри Пуанкаре, который уже в 1898 году подчеркнул условную природу одновременности и утверждал, что удобно постулировать постоянство скорости света во всех направлениях. Однако в этой работе не было обсуждения теории Лоренца или возможных различий в определении одновременности для наблюдателей, находящихся в разных состояниях движения. Это было сделано в 1900 году, когда Пуанкаре вывел формулу локального времени, предположив, что скорость света инвариантна в эфире. В силу «принципа относительного движения», движущиеся наблюдатели в эфире также полагают, что находятся в состоянии покоя, и что скорость света постоянна во всех направлениях (только в первом порядке относительно v/c). Поэтому, если они синхронизируют свои часы с помощью световых сигналов, они учитывают только время прохождения сигналов, но не своё движение относительно эфира. Следовательно, движущиеся часы не синхронны и не показывают «истинное» время. Пуанкаре вычислил, что эта ошибка синхронизации соответствует локальному времени Лоренца. В 1904 году Пуанкаре подчеркнул связь между принципом относительности, «локальным временем» и инвариантностью скорости света; однако рассуждения в этой работе были представлены в качественной и предположительной форме. Альберт Эйнштейн использовал аналогичный метод в 1905 году для получения преобразования времени для всех порядков в v/c, то есть полного преобразования Лоренца. Пуанкаре получил полное преобразование ранее, в 1905 году, но в публикациях того года не упомянул о своей процедуре синхронизации. Этот вывод полностью основывался на инвариантности скорости света и принципе относительности, поэтому Эйнштейн отметил, что для электродинамики движущихся тел эфир излишен. Таким образом, разделение на «истинное» и «локальное» время Лоренца и Пуанкаре исчезает – все времена равноправны, и поэтому относительность длины и времени является естественным следствием. В 1908 году Герман Минковский ввёл понятие мировой линии частицы в своей модели космоса, названной пространством Минковского. По мнению Минковского, наивное понятие скорости заменяется быстротой, а обычное понимание одновременности становится зависимым от гиперболической ортогональности пространственных направлений к мировой линии, связанной с быстротой. Тогда каждая инерциальная система отсчёта имеет быстроту и гиперплоскость одновременности. В 1990 году Роберт Голдблатт написал «Ортогональность и геометрия пространства-времени», напрямую обращаясь к структуре, которую Минковский создал для одновременности. В 2006 году Макс Яммер, через Project MUSE, опубликовал «Концепции одновременности: от античности до Эйнштейна и далее». Книга завершается главой 6 «Переход к релятивистскому пониманию одновременности». Яммер указывает, что Эрнст Мах демифологизировал абсолютное время ньютоновской физики. Естественно, математические понятия предшествовали физической интерпретации. Например, сопряжённые диаметры сопряжённых гипербол связаны как пространство и время. Принцип относительности можно выразить как произвольность выбора пары, представляющей пространство и время на плоскости.
Поезд Эйнштейна
Версия Эйнштейна этого эксперимента и работы Эйнштейна 1917 года. В ней также участвуют два наблюдателя: один находится в середине движущегося вагонного состава, а другой – на платформе, когда поезд проносится мимо. В момент, когда оба наблюдателя оказываются напротив друг друга, в центре вагона вспыхивает источник света. Для наблюдателя внутри поезда передняя и задняя стенки вагона находятся на одинаковом расстоянии от источника света, и, следовательно, свет достигнет их одновременно. Однако для наблюдателя на платформе задняя стенка вагона движется навстречу точке, где произошла вспышка, а передняя – удаляется от неё. Поскольку скорость света конечна и одинакова во всех направлениях для всех наблюдателей, свету, направленному к задней стенке вагона, потребуется пройти меньшее расстояние, чем свету, направленному к передней. Таким образом, вспышки света достигнут концов вагона в разное время.
Диаграммы пространства-времени
Может быть полезно визуализировать эту ситуацию с помощью диаграмм пространства-времени. Для данного наблюдателя ось t определяется как траектория, описываемая началом координат x во времени, и изображается вертикально. Ось x определяется как множество всех точек в пространстве в момент времени t = 0 и изображается горизонтально. Тот факт, что скорость света одинакова для всех наблюдателей, представляется изображением светового луча в виде линии под углом 45°, независимо от скорости источника относительно скорости наблюдателя. На первой диаграмме оба конца поезда изображены серыми линиями. Поскольку концы поезда неподвижны относительно наблюдателя на поезде, эти линии являются просто вертикальными, показывая их движение во времени, но не в пространстве. Вспышка света показана красными линиями под углом 45°. Точки, в которых две вспышки света достигают концов поезда, находятся на одном уровне на диаграмме. Это означает, что события одновременны. На второй диаграмме два конца движущегося вправо поезда изображены параллельными линиями. Вспышка света испускается в точке, точно находящейся посередине между двумя концами поезда, и снова образует две линии под углом 45°, выражающие постоянство скорости света. Однако на этой диаграмме точки, в которых вспышки света достигают концов поезда, находятся не на одном уровне; они не одновременны.