Физика пространства - времени

Для студента-физика инерциальная система отсчёта представляет собой то же, что сетка линий с севера на юг и с востока на запад на местности для землемера. Землемер изучает положение объектов в пространстве. Студент-физик изучает положение событий в пространстве и во времени. Дневной и ночной землемеры могли отказаться от использования координат в направлениях север — юг и восток — запад и попросту измерять расстояния между каждыми двумя городскими воротами, хотя сначала они даже не подозревали о существовании такой величины, как расстояние. Подобным же образом мы могли бы в этой главе ограничиться при определении положений событий в пространстве-времени измерением интервалов между любыми двумя событиями, не рассматривая по отдельности «пространственных» и «временной» координат ²). Однако следует начать с положения физики до 1905 г., совершенно не опираясь на понятие интервала. Это понятие само привлечёт наше внимание подобно тому, как понятие расстояния привлекла к себе внимание землемера. Так, два человека измеряли координаты в направлениях север — юг и восток — запад в двух разных системах координат, и лишь позднее они заметили взаимосвязь между совсем разными числами в своих записях («инвариантность расстояния»). Мы начнём подобным же образом с пространственных и временных координат событий в лабораторной системе отсчёта и с пространственных и временных координат тех же событий в системе отсчёта ракеты. И тогда у нас будут солидные основания для вывода о тождественном равенстве друг другу интервала между двумя событиями, вычисленного из лабораторных координат, и интервала между теми же двумя событиями, вычисленного из совсем других чисел — значений координат, полученных при измерениях в системе отсчёта ракеты («инвариантность интервала»).

²) Такой подход сформулирован Робертом Ф. Марцке и Джоном А. Уилером в сборнике Gravitation and Relativity, eds. H.-Y. Chiu and W. F. Hofmann, W. A. Benjamin, New York, 1964. (Имеется русский перевод: Гравитация и относительность, под ред. X. Цзю и В. Гофмана, изд-во «Мир», М., 1965, стр. 107.— Прим. перев.)

Определение понятия события

В геодезии основным понятием является место. В физике основное понятие — событие. Событие характеризуется не только местом, но и моментом времени, в который оно произошло. Вот примеры событий: испускание частицы или световой вспышки (взрывы); отражение или поглощение частиц или световых вспышек; столкновения и почти столкновения, именуемые совпадениями.

Как определить место и время, где и когда происходит событие в данной инерциальной системе отсчёта? Представим себе, что мы построили тело отсчёта, собрав из метровых стержней кубическую решётку, вроде того подобия «шведских стенок», которые стоят на детских площадках (рис. 9).

Рис. 9. Решётка из метровых стержней и часов. Опорные часы выделены.

Решётка из часов

Закрепим в каждом узле этой решётки часы. Часы могут быть любой конструкции, но они проградуированы в метрах времени. Возможность такой градуировки обсуждалась в разд. 1, когда мы заставляли световую вспышку бегать, отражаясь между двумя зеркалами, отстоящими друг от друга на полметра. Мы говорили, что такие часы издают «тик-так» каждый раз, когда свет возвращается к первому зеркалу. Между соседними «тик-так» свет проходит замкнутый путь 1 м, и мы условились называть полученную таким образом единицу времени 1 метром светового времени или, проще, 1 метром времени. В обычных единицах скорость света имеет измеренную величину 𝑐=2,997925⋅10⁸ м/сек. Путь 1 м свет проходит за время, равное 1 метр/с = 3,335640⋅10⁻⁹ сек. Значит, 1 метр светового времени равен 3,335640⋅10⁻⁹ секунд или около 3,3 наносекунд, если говорить на языке электроники сверхвысоких частот. Итак, мы полагаем, что все часы решётки, какова бы ни была их конструкция, проградуированы в метрах светового времени.

Синхронизация часов решётки