Диоген Лаэртский (начало III в. н.э.): "Наконец, одни философы называются физиками, за изучение природы; другие — этиками, за рассуждение о нравах; третьи — диалектиками, за хитросплетение речей. Физика, этика и диалектика суть три части философии; физика учит о мире и обо всем, что в нем содержится; этика — о жизни и свойствах человека; диалектика же заботится о доводах и для физики и для этики."

О световых часах

О СВЕТОВЫХ ЧАСАХ

Климец А.П.

Рассмотрим так называемые "световые часы" (рис.1а), т.е. систему из двух зеркал А и Б, между которыми путь туда и обратно световой сигнал пробегает за время t0. Тогда расстояние между зеркалами А и Б равно l0 = ct0 / 2

 

Пока "световые часы" покоятся относительно неподвижного наблюдателя, скорость движения светового сигнала между зеркалами равна с. Приведем эту систему зеркал в движение со скоростью v. Из рис.1б нетрудно видеть, что кажущаяся, "поперечная" скорость света между зеркалами А и Б равна c'= (c2 - v2)1/2 . Теперь наклоним систему из двух зеркал под углом a (рис.2а) и приведем ее в движение со скоростью v (рис.2б).

 

 

Из рис.2б видно, что

(c t/2)2 = (c' t/2)2 + (v t/2)2 - 2(c' t/2)(v t/2) cos a

Отсюда

(c' )2 - 2 c' v cosa - (c2 - v2 ) = 0

Решая это квадратное уравнение относительно c', получаем

c' = v cosa ± (v2 cos2a + c2 - v2)1/2 …………(1)

Нетрудно видеть, что если a = 90 0, то c'= (c2 - v2)1/2 (так называемая "поперечная" скорость света, которую мы получили выше, см. рис.1б); при a = 0 0 имеем c' = c - v (световой сигнал распространяется по направлению движения "световых часов" ); либо c' = c + v (световой сигнал распространяется против направления движения "световых часов" ).

Все вышеизложенное не противоречит постулату специальной теории относительности о постоянстве скорости света, так как она постоянна только в инерциальных системах отсчета при измерении по собственным масштабам пространства и времени. Скорость c' есть скорость света в одной (движущейся) инерциальной системе отсчета, измеренная по масштабам пространства и времени другой (неподвижной) инерциальной системы отсчета. В покоящейся системе отсчета все часы синхронизованы и все масштабы одинаковы, поэтому скорости в ней складываются, как в классической кинематике. Скорость светового луча между движущимися зеркалами А и Б, наблюдаемая из покоящейся системы отсчета и равная c + v, не есть скорость сигнала в этой системе отсчета.

Оказывается, в качестве таких "световых часов" мы можем использовать природные объекты, например, мезоны. Действительно, согласно современным представлениям, мезоны состоят из двух кварков, которые взаимодействуют между собой безмассовыми глюонами, аналогами световых сигналов (рис.3). Аналогом зеркал являются кварки.

Очевидно, что самопроизвольный распад мезонов не состоится, если структурные элементы мезона не "узнают" об этом, т.е. не обменяются сигналами распада (например, глюонными сигналами от кварка А к кварку Б и обратно к кварку А), при условии всевозможных законов сохранения. Вероятность обмена такими сигналами подчиняется квантовомеханическим закономерностям. Аналогичным образом мы предполагаем, что и все остальные элементарные частицы являются структурными образованиями, элементы структуры которых существуют как целое благодаря взаимодействиям с помощью фундаментальных сигналов. Из соотношения (1) можно сделать ошибочный вывод, что время обмена такими сигналами будет существенно зависеть от пространственной ориентации мезона по отношению к направлению движения. Однако это неверно!

Мюоны (мю-мезоны) - частицы, которые в среднем через 2,2*10-6 с самопроизвольно распадаются. Поэтому можно предположить, что они тоже обладают внутренней структурой (пока не выявленной). Мюоны приходят на Землю с космическими лучами. Часть космических мюонов распадается еще на большой высоте, а остальные - только после того, как остановятся в веществе. Ясно, что при таком кратком времени жизни мюон не может пройти больше 600 метров, даже если он будет двигаться со скоростью света. Но хотя мюоны возникают на верхних границах атмосферы, примерно на высоте 10 км и выше, их все таки обнаруживают в земных лабораториях среди космических лучей. Как это может быть? Согласно СТО, ответ состоит в том, что разные мюоны летят с различными скоростями, иногда довольно близкими к скорости света. С их собственной точки зрения они "живут" всего лишь около 2 мкс, с нашей же их время распада большее, достаточное, чтобы достигнуть поверхности Земли. Их жизнь удлиняется в с/с'=с/(c2 - v2)1/2 раз независимо от пространственной ориентации мюонов. Почему же пространственная ориентация мюона по отношению к направлению его движения не влияет на время распада? Ведь согласно (1), скорость с', определяющая это время, является функцией угла a .

Причина подобного положения заключается в том, что с точки зрения покоящегося наблюдателя длина мюона (или длина движущихся "световых часов", см. рис.2б) в продольном направлении движения не равна длине l0 в связи с релятивистским сокращением продольной длины. Эта длина также является функцией угла a . Наблюдаемая продольная длина мюона (a = 0 0 ), согласно СТО, имеет вид

l = l0 (1 - v2 /c2)1/2

где l0 - длина объекта в покоящейся системе отсчета. Действительно, промежуток времени между двумя событиями в собственной системе отсчета - отправкой и возвращением светового сигнала t0 = 2l0 /c. Относительно покоящейся системы отсчета он равен

t = 2l0 /(c2 - v2)1/2 = t0 / (1 - v2 /c2)1/2

(см. рис.1б), если "световые часы" расположены перпендикулярно направлению их движения (a = 90 0 ). При этом l = l0 . С другой стороны, если движущиеся "световые часы" расположены в продольном направлении (a = 0 0, см. рис.2б), то

t = l / (c - v) + l / (c + v)

где l - такое расстояние между зеркалами в продольном направлении, какой ее воспринимает наблюдатель в покоящейся системе отсчета, а два слагаемых - соответственно времена движения светового сигнала от точки А (имеющей в покоящейся системе отсчета скорость v) до точки Б (также движущейся со скоростью v) и обратно. Из равенства

l / (c - v) + l / (c + v) = 2l0 /(c2 - v2)1/2

находим

l = l0 (1 - v2 /c2)1/2

Таким образом, длительность временного процесса в "световых часах" или в мюонах с точки зрения условно-неподвижного наблюдателя не зависит от их пространственной ориентации и в конечном счете определяется только выражением

t= 2l0 /(c2 - v2)1/2 = t0 / (1 - v2 /c2)1/2

Цель этой статьи - методологическая. Дело в том, что в современной литературе по физике пространство и время (особенно в СТО и ОТО) преподносятся как некие самостоятельные сущности, в отрыве от материи. Например, время само по себе может "растягиваться", пространство "искривляться" и т.д.

В одной из книг по СТО читаем: "Может возникнуть подозрение, что взаимное замедление хода часов есть следствие необычной конструкции наших часов. Но если бы мы пользовались не световыми часами, а кварцевыми (или любыми другими точными и надежными хронометрами), то все равно бы обнаружили точно такое же взаимное замедление хода часов.

Чтобы удостовериться в этом, допустим, что кварцевые часы стоят рядом с вашими световыми, а скорость их хода согласно вашим наблюдениям одинакова. Кроме того, представим себе, что "циферблат" ваших световых часов наложен и совмещен с циферблатом кварцевых так, чтобы их секундные стрелки все время совпадали. Следовательно, когда я буду смотреть на эти часы, я тоже обнаружу, что их секундные " стрелки" все время совпадают. Таким образом, если ваши световые часы, по моим наблюдениям, отстают, то точно так же должны отставать и ваши кварцевые часы. Поскольку подобный способ рассуждений применим и ко всем остальным типам точных хронометров, то не остается ничего иного, как допустить, что мы столкнулись здесь не с какими-то характерными особенностями поведения часов, а с неизвестным нам свойством самого времени как такового (выделено мной - А.К.). Оно и называется замедлением времени." [1]

Но я тут же хочу возразить, что времени, как такового, как отдельной самостоятельной сущности, в природе не существует. Есть длительность отдельных конкретных процессов. Поэтому мы должны отыскать истинную причину отставания всех часов, а не только световых. Истинная причина отставания часов любой конструкции заключается в том, что на микроуровне любые часы являются структурными образованиями, состоящими из элементов, связанных между собой взаимодействиями с помощью фундаментальных (безмассовых) сигналов. Уже каждые два взаимодействующих элемента структуры представляют собой не что иное, как микроаналог световых часов, рассмотренных нами выше. Именно поэтому создается иллюзия о времени как таковом и о его замедлении "вообще" во всех движущихся системах отсчета.

Далее там же читаем: "Мюонный эксперимент многогранен. Он подтверждает целых три предсказания теории относительности: замедление хода времени, сокращение длин и сходное релятивистское поведение часов всех типов. Он, кроме того, продемонстрировал применимость теории относительности к явлению распада мюонов, не относящихся по своей сути ни к механике, ни к электромагнетизму."[1]

Замедление времени распада мюонов служит как бы подтверждением отрыва понятия "время" от его конкретных материальных носителей. Даже Р.Фейнман, обсуждая этот опыт в своих "Лекциях по физике", вынужден был признать, что "…нам остается только сказать, что само время в определенном смысле кажется замедленным". Мы же показали, что на самом деле такого отрыва понятия "время" от его материальных носителей при распаде элементарных частиц не существует. Для этого достаточно предположить наличие структуры у микрообъектов, взаимодействующей при помощи фундаментальных (безмассовых) сигналов. Именно фундаментальные сигналы и наблюдаемая (кажущаяся) скорость их движения с' между элементами структуры элементарных частиц в той или иной системе отсчета определяет время их распада.

 

1. Малинин А.Н. "Теория относительности в задачах и упражнениях", Москва, Просвещение, 1983