Loading AI tools
Способ синхронизации часов Из Википедии, свободной энциклопедии
Синхронизация Эйнштейна (или синхронизация Пуанкаре — Эйнштейна) — это соглашение для синхронизации часов в разных местах посредством обмена сигналами. Этот метод синхронизации использовался телеграфами в середине 19-го века, но был популяризирован Анри Пуанкаре и Альбертом Эйнштейном, который применил его к световым сигналам и признал его фундаментальную роль в теории относительности. Ее основная область применения — часы в одной инерциальной системе отсчета.
Согласно предписанию Альберта Эйнштейна 1905 года световой сигнал посылается в момент от часов 1 до часов 2 и сразу же отправляется назад, например, с помощью зеркала. Время его возвращения по часам 1 — . Это соглашение синхронизации устанавливает часы 2 так, что время отражения сигнала определяется как
Та же синхронизация достигается путем «медленного» переноса третьих часов от часов 1 до часов 2 при устремлении скорости движения к нулю[2]. В литературе обсуждаются многие другие мысленные эксперименты для синхронизации часов, дающие тот же результат.
Проблема заключается в том, действительно ли эта синхронизация согласованным образом корректно присваивает метку времени любому событию. Для этого необходимо найти условия, при которых:
Если пункт (a) выполняется, то имеет смысл сказать, что часы синхронизированы. Учитывая (a), и если (b1)-(b3) выполняется, тогда синхронизация позволяет нам построить глобальную функцию времени t. Срезы (или слои) t = const называются «срезами одновременности».
Эйнштейн (1905) не признавал возможности приведения (a) и (b1)-(b3) к легко проверяемым физическим свойствам распространения света (см. ниже). Вместо этого он просто написал «Мы предполагаем, что такое определение синхронности свободно от противоречий и возможно для любого числа точек; и что следующие отношения (b2-b3) являются универсальными».
Макс Фон Лауэ (Max Von Laue)[3] был первым, кто изучил проблему согласованности синхронизации Эйнштейна (за счет ранней истории см. Minguzzi, 2011[4]). Л. Сильберштейн (L. Silberstein)[5] представил аналогичное исследование, хотя он оставил большинство своих претензий в качестве упражнения для читателей своего учебника по относительности. Доводы Макса Фон Лауэ снова были рассмотрены Х. Райхенбахом[6] и нашли окончательную форму в работе А. Макдональда[7]. Решение состоит в том, что синхронизация Эйнштейна удовлетворяет предыдущим требованиям тогда и только тогда, когда выполняются следующие два условия:
Как только часы синхронизированы, можно измерять одностороннюю скорость света. Однако предыдущие условия, гарантирующие применимость синхронизации Эйнштейна, не подразумевают, что односторонняя скорость света оказывается одинаковой по всей системе отсчета. Учитывая
Теорема[8] (происхождение которой можно проследить до фон Лауэ и Вейля)[9] утверждает, что условие перемещения по замкнутому пути Лауэ-Вейля выполняется тогда и только тогда, когда синхронизация Эйнштейна может применяться последовательно (то есть выполняются (a) и (b1)-(b3)) и односторонняя скорость света относительно синхронизированных таким образом часов остается постоянной по всей системе отсчета. Важность условия Лауэ-Вейля заключается в том, что время, указанное здесь, может быть измерено при помощи единственных часом, и, таким образом, это условие не полагается на соглашение о синхронизации и может быть проверено экспериментально. Действительно, экспериментально подтверждено, что в инерциальной системе отсчета выполняется условие обхода Луэ-Вейля.
Поскольку бессмысленно измерять одностороннюю скорость до синхронизации удаленных часов, эксперименты, требующие измерения односторонней скорости движения, часто могут быть интерпретированы как проверяющие условие замкнутого пути Лауэ-Вейля.
Синхронизация Эйнштейна выглядит естественно только в инерциальной системе отсчета. Можно легко забыть, что это всего лишь соглашение. Во вращающихся системах отсчета, даже в специальной теории относительности, нетранзитивность синхронизации Эйнштейна уменьшает ее полезность. Если часы 1 и часы 2 не синхронизированы напрямую, а только через цепочку промежуточных часов, то синхронизация зависит от выбранного пути. Синхронизация по окружности вращающегося диска дает не устранимую разницу во времени, которая зависит от используемого направления. Это важно в эффекте Саньяка и парадоксе Эренфеста. Эти эффекты учитываются в системе GPS.
Основное обсуждение конвенционализма синхронизация Эйнштейна объясняется Райхенбахом. Большинство попыток отрицать условность этой синхронизации считаются опровергнутыми, за исключением аргумента Маламента[англ.], что он может быть получен из требования симметричного отношения причинно-следственных связей. Этот вопрос остается открытым.
Некоторые особенности соглашения о синхронизации обсуждались Пуанкаре[10][11]. В 1898 году (в философской статье) он утверждал, что постулат о постоянстве скорости света во всех направлениях полезен для простого формулирования физических законов. Он также показал, что определение одновременности событий в разных местах является лишь соглашением[12]. Основываясь на этих соглашениях, но в рамках ныне вытесненной теории эфира, Пуанкаре в 1900 году предложил следующее соглашение для определения синхронизации часов: 2 наблюдателя A и B, которые движутся в эфире, синхронизируют свои часы с помощью оптических сигналов. Из-за принципа относительности они считают себя в состоянии покоя в эфире и считают, что скорость света постоянна во всех направлениях. Поэтому они должны учитывать только время передачи сигналов и затем объединить свои наблюдения, чтобы проверить, являются ли их часы синхронными.
Предположим, что в разных точках есть несколько наблюдателей, и они синхронизируют свои часы с помощью световых сигналов. Они пытаются сверить измеренное время передачи сигналов, но они не знают об их общем движении и, следовательно, считают, что сигналы движутся одинаково быстро в обоих направлениях. Они выполняют наблюдения за встречными сигналами, один из которых перемещается от А к В, а другой от В к А. Локальное время - это время, показанное часами, настроены таким образом. Если - скорость света, а - скорость Земли, которую мы полагаем параллельной оси в положительном направлении, то мы имеем: [13].
В 1904 году Пуанкаре проиллюстрировал ту же процедуру следующим образом:
Представьте себе двух наблюдателей, которые хотят отрегулировать свои часы оптическими сигналами; они обмениваются сигналами, но поскольку они знают, что передача света не мгновенная, они осторожны в их объединении. Когда станция B воспринимает сигнал от станции A, ее часы не должны отмечать тот же час, что и для станции A в момент отправки сигнала, но этот час дополняется константой, представляющей продолжительность передачи. Предположим, например, что станция A посылает свой сигнал, когда ее часы отмечают час 0, и станция B воспринимает его, когда ее часы отмечают час . Часы регулируются исходя из того, что задержка, равная t, представляет продолжительность передачи, и для ее проверки станция B тоже посылает сигнал, когда ее часы показывают 0; тогда станция A должна воспринимать его, когда ее часы показывают . Часы считаются настроенными. И на самом деле они отмечают один и тот же час в один и тот же физический момент, но при условии, что обе станции фиксированы (неподвижны). В противном случае продолжительность передачи не будет одинаковой, так как станция А, например, движется вперед, чтобы встретить оптическое возмущение, исходящее от В, тогда как станция В убегает от возмущения, исходящим от А. Часы отрегулированные таким образом, не будут показывать истинное время; они будут отмечать то, что можно назвать локальным временем, так что одни из них будут медленнее других[14].
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.