Вадим Матвєєв
Ейнштейнівська синхронізація годин грунтується на довільному, як було зазначено Ейнштейном [1], допущення про рівність швидкості світла в протилежних напрямах і на експериментальних даних про сталість середньої швидкості світла на шляху «туди і назад».
Всі раніше проведені експерименти по вимірюванню швидкості світла здійснювалися шляхом її вимірювання за допомогою одних-єдиних годині за подвоєному відстані між приемопередающим пристроєм і відображає дзеркалом і за часом поширення сигналу на шляху до дзеркала і назад.
Пуанкаре, Рейхенбах, Тяпкін, Брілюена [2 ... 5] та багато інших відзначали, що тільки вимірювання швидкості світла шляхом використання пари попередньо синхронізованих в точках А і В простору годин дало б швидкість світла в одному напрямку - з точки А в точку В . Всі інші методи, включаючи навіть, як показав Карлів [4], метод астрономічних спостережень, використаний Ремер (див. статтю «Олаф Ремер і швидкість світла»), дають середнє значення швидкості світла в протилежних напрямках.
Однак для синхронізації двох просторово рознесених годин необхідно знати ту саму швидкість світла в напрямку від точки A до точки B, яку і необхідно виміряти.
Розглядаючи ейнштейнівської метод синхронізації, Брілюена [5] писав: «Це правило є довільним і навіть метафізичним. Його не можна довести або спростувати експериментально; воно стверджує, що сигнали, що поширюються зі сходу на захід і з заходу на схід, мають рівні швидкості, тоді як досвід Майкельсона (див. електронну версію книги Бернард Джеффа «Майкельсон і швидкість світла») дозволяє виміряти тільки середнє арифметичне цих двох швидкостей. Очевидно, що ми маємо тут справу з несподіваною і непроверяемой гіпотезою ».
Те, що ця гіпотеза непроверяемая в строго інерціальних системах відліку, мабуть, слід вважати правильним. Правильно й те, що, розмістивши, наприклад, один годинник на заході Москви, а інші на сході цього міста, не можна виміряти швидкість світла із заходу на схід Москви без попередньої синхронізації годин.
Але чи випливає з цього, що швидкість світла із заходу на схід (або навпаки) не можна виміряти взагалі?
Те, що такий вимір можливо, і воно не вимагає попередньої синхронізації двох просторово рознесених годин, показують наступні міркування.
Уявімо собі, що поблизу міста Кіто на самому екваторі встановлено короткохвильовий радіолокатор, що відправляє вузьконаправлений сигнал у східному напрямку. Уявімо собі також, що по всій лінії екватора встановлено безліч відбивачів таким чином, що будь-які сусідні відбивачі знаходяться на відстані прямої видимості один від одного. Нехай відбивачі таким чином відхиляють випромінений в Кіто радіолокаційний сигнал, що він, поширюючись по ламаній лінії поблизу поверхні Землі, обходить Землю по екватору і повертається до радиолокатору Кіто із західного боку.
Знаючи довжину ламаної, по якій розповсюджується радіолокаційний сигнал, і час, що треба сигналом для того, щоб обійти Землю, оператор РЛС може розрахувати швидкість розповсюдження сигналу, огибающего Землю зі сходу на захід або у зворотному напрямку. Те, що ці швидкості будуть різні і відмінні від постійної с, показують наступні міркування.
Давайте подумки помістимо у віддалену від Землі точку уявної осі обертання Землі стороні не обертається спостерігача, нерухомого щодо центру маси Землі і розглядає обертається під нами проти годинникової стрілки північну півкулю Землі, подумки відстежуючи поширення сигналу.
У системі відліку стороннього спостерігача швидкість світла, що поширюється по ламаній в просторі, дорівнює фундаментальної постійної c. Якби Земля не оберталася, то сигналу для огибания гіпотетично не обертається Землі було б потрібно час, що дорівнює довжині ламаної, що охоплює Землю по екватору, поділеній на постійну c.
Але Земля обертається!
Коли сигнал повернеться у вихідну точку простору стороннього спостерігача, радіолокатор міста Кіто переміститься приблизно на 62 метра на схід і прибулому з заходу сигналу буде потрібно додатковий час, що дорівнює двом десятимільйонна секунди, для повернення до локатору.
Якщо оператор розгорне антену на 180 градусів і направить сигнал у західному напрямку, то сигналу буде потрібно на дві десятимільйонна секунди менше часу для того, щоб обійти Землю і повернутися до радиолокатору, оскільки за час обльоту сигналом Землі радіолокатор зміститься на 62 м на схід і прибулому з сходу сигналом не доведеться покривати ці 62 метри. Затримка сигналу являє собою ефект першого порядку по відношенню до величини v / c, де v - лінійна швидкість поверхні Землі обертається, і досить велика в порівнянні з релятивістськими ефектами другого порядку малості.
У разі одночасного випромінювання імпульсів локатором в протилежних напрямах - на схід і на захід, які обійшли Землю і повернулися до радиолокатору імпульси витратять на це різний час і повернуться до радиолокатору в різний час. Різниця часів повернення імпульсу виявиться рівною приблизно чотирьом десятимільйонна секунди. Даний ефект по суті справи є ефектом Саньяка [6] (див. також статтю «Досліди Саньяка, Майкельсона - Гаеля, Міллера»), що використовуються в оптичних гіроскопах [7].
Якщо оператор відправить сигнал на схід і забезпечить прийшов із заходу сигналом можливість відбитися від допоміжного відбивача локатора у зворотний бік і, після проходження дороги назад, повернутися до локатору зі сходу, то час, необхідний для подвійного «кругосвітньої подорожі» сигналу спочатку із заходу на схід , а після відбиття зі сходу на захід, практично не відрізняється від часу, який сигнал витратив би для подібної подорожі навколо гіпотетично не обертається Землі. У цьому випадку вимір швидкості світла на шляху туди і назад дало б значення, щонайменше, з точністю до величини другого порядку рівне фундаментальної постійної c.
Знаючи екваторіальну швидкість світла із заходу на схід або / і у зворотному напрямку, можна синхронізувати будь-яку пару або безліч годин, розташованих на екваторі.
У цьому випадку годинник виявляються синхронізованими таким чином, що згаданий сторонній спостерігач «бачить» однакові свідчення різних годинників, що знаходяться в різних точках екватора. Якщо земні експериментатори спробують синхронізувати яку або пару екваторіальних годин методом Ейнштейна, вважаючи, що швидкість світла із заходу на схід в точності дорівнює постійної c, то вони зіткнуться з серйозними проблемами.
По-перше, синхронізовані таким чином годинник, що знаходяться в абсолютно рівних умовах, в будь-який момент часу будуть давати різні свідчення сторонньому спостерігачеві у вищезгаданій точці земної осі. По-друге, вибравши, наприклад, в якості опорного часу показання годин в Кіто і послідовно синхронізуючи кожну пару сусідніх годин, земні спостерігачі, переходячи від однієї пари годин до іншої, повернуться у вихідну точку до опорних годинах Кіто і виявлять, що опорні годинники в Кіто виходять одночасно самі з собою, причому «не синхронність» становить ті самі дві десятимільйонна секунди.
Синхронізація же годин з урахуванням нерівності швидкостей світла з заходу на схід і зі сходу на захід дає той же результат, що і синхронізація годин за синхронизирующем сигналу, випроміненого стороннім спостерігачем з точки на уявній осі обертання Землі у всі точки екватора. Показання годин, синхронізованих з урахуванням нерівності швидкостей туди і назад, сприймаються стороннім спостерігачем як однакові.
Синхронізація годин на поверхні Землі описаним методом свідчить на користь відсутності конвенціональної складової у швидкості світла, про що йдеться, наприклад, в [8 ... 9]. Швидкість світла щодо поверхні не обертається в світовому просторі кульового об'єкта в усіх напрямках однакова, на обертових ж кульових об'єктах швидкість світла щодо їх поверхонь залежить від напрямку поширення світла, але це є не конвенціональних, а фізичним фактом.
Питання синхронізації стає ще цікавіше, якщо Землю подумки замінити гігантським кільцем як завгодно великого діаметру, на якому розташовані приймач / випромінювач і система відбивачів. У цьому випадку, при заданій лінійної швидкості v кільця і як завгодно малої кутовий швидкості обертання кільця, відхилення швидкості поширення сигналу в одному з напрямків від постійної c в першому наближенні виявиться рівним v.
Якщо уявити собі, що по дотичній до кільця зі швидкістю, що дорівнює лінійної швидкості кільця, летить інерціальна лабораторія, яка при скільки завгодно великому діаметрі кільця протягом як завгодно великого часу опиняється поряд з близько розташованим ділянкою кільця, то протягом цього часу ділянку кільця і лабораторія виявляються практично нерухомими один від одного. Якщо швидкість поширення сигналу в одному напрямку щодо ділянки кільця відрізняється від c, то чому швидкість того ж сигналу (у тому ж напрямку) щодо інерціальній лабораторії неодмінно слід вважати рівною постійної c?
Список літератури
Ейнштейн А. Зібрання наукових праць. Том I. - М.: Наука, 1965, с.7 ... 137, 558 ... 559.
PoincareH. Sur la dynamique de l'elektron. CR Acad. Scien. Paris, 1905, v.140, p.1504.
Тяпкін А.А. Успіхи фізичних наук. 1972, 106, с.617 ... 659.
Karlov L. Australian journal of physics. 23, 1970, p.243 ... 253.
Брілюена Л. Новий погляд на теорію відносності. - М.: Мир, 1972, с.100.
Маликін Г.Б. Успіхи фізичних наук. 2000, тому 170, № 12, с.1325 ... 1349.
Демченко Є. Волоконно-оптичні гіроскопи.
Матвєєв В.М. У третє тисячоліття без фізичної відносності? - М.: ЧеРо, 2000.
Матвєєв В.М. Довільні припущення і вимірювання швидкості світла в одному напрямку.