2.2 Синхронизация часов

В упомянутой статье Эйнштейн проанализировал  свойства времени  и кажущееся "очевидным" понятие одновременности. Он показал, что классическая механика приписывает  времени такие  свойства, которые, вообще говоря, не согласуются  с опытом и являются правильными только при малых скоростях  движения. Одним из центральных пунктов  эйнштейновского  анализа понятия  времени является синхронизация часов, т.е. установление единого  времени в пределах одной инерциальной системы отсчета. Если двое часов находятся  в одной точке  пространства (т.е. в  непосредственной близости), то их синхронизация  производится непосредственно - стрелки ставятся в одно и то же положение (полагают, что часы совершенно одинаковы и абсолютно  точны).

Синхронизацию часов, находящихся  в двух разных точках пространства, Эйнштейн предложил проводить  с помощью световых сигналов. Испустим из точки A в момент t₁ короткий световой сигнал, который отразится от некоторого зеркала B и вернется в точку A в момент t₂. Времена распространения сигнала туда и обратно конечны (скорость сигнала конечна!) и одинаковы (изотропия пространства!). Поэтому часы в точке B будут согласованы с показаниями часов в точке A в моменты испускания (t₁) и возвращения (t₂) сигнала соотношениями

t₁ = tB - h/c, t₂ = tB + h/c,

где h = rAB - расстояние между точками A и B. Отсюда положение, в которое нужно поставить стрелки часов B в момент прихода сигнала: tB = (t₁ + t₂) /2. Таким способом можно синхронизовать показания всех часов, неподвижных друг относительно друга в некоторой инерциальной системе отсчета S.

Мысленные эксперименты с движущимися  часами, аналогичные  только что описанному, показывают, что здесь  синхронизация невозможна и единого для  всех инерциальных систем времени не существует. Расмотрим пример с "эйнштейновским поездом"

Пусть наблюдатель A находится  посередине длинного поезда, движущегося  со скоростью сравнимой  со скоростью света, а наблюдатель B стоит  на земле вблизи железнодорожного полотна. Устройства, находящиеся в  хвосте и в голове поезда на одинаковых расстояниях от A, испускают две  короткие вспышки  света, которые достигают  наблюдателей A и B одновременно - в тот момент, когда  они поравняются  друг с другом. Какие  выводы сделают из одновременного прихода  к ним световых сигналов наблюдатели  в поезде и на земле?

Наблюдатель A: Сигналы испущены из точек, удаленных  от меня на равные расстояния, следовательно, они  и испущены были одновременно.

Наблюдатель B: Сигналы пришли ко мне одновременно, но в момент испускания голова поезда была ко мне ближе, поэтому  сигнал от хвоста поезда прошел больший путь, следовательно он и был испущен раньше, чем сигнал от головы.

Этот  пример показывает, что часы в системе "поезд" синхронизованы только с точки зрения наблюдателя, который  в ней неподвижен. С точки зрения наблюдателя на земле, часы, расположенные  на поезде в разных точках (в голове, в хвосте и в  середине поезда) показывают разное время. События, одновременные в  одной системе  отсчета (световые вспышки  в системе отсчета  поезда), не являются одновременными в  другой системе отсчета  земли. Синхронизация  часов находящихся  в разных системах отсчета невозможна. Этот вывод не исключает  совпадения показаний  часов в отдельный  момент времени - например, наблюдатели A и B в  момент встречи могут  установить одинаковые показания своих  часов. Но уже в  любой последующий  момент показания  часов разойдутся.

2.3 Преобразования Лоренца

Преобразования  Лоренца, обобщающие формулы Галилея  перехода от одной  инерциальной системы  отсчета в другую, можно получить из анализа еще одного мысленного эксперимента. Пусть начала координат  систем отсчета S и S' в начальный момент t = t' совпадают и оси координат в них имеют одинаковую ориентацию. В этот момент времени в их общем начале координат пусть произошла световая вспышка. С точки зрения наблюдателя, находящегося в системе S, в ней распространяется сферическая электромагнитная волна, которая за время t пройдет расстояние r = c t от начала координат.

Но  наблюдатель в  движущейся системе S' также регистрирует сферическую световую волну, распространяющуюся из начала координат  этой системы (точки 0') со скоростью света  в вакууме c. По его часам за время t' волна пройдет расстояние r' = c t', где. Это связано с тем, что физические явления в инерциальных системах происходят одинаковым образом. Иначе, регистрируя различия, можно было бы найти "истинно" покоящуюся систему отсчета, что невозможно.

Преобразования  Лоренца оставляют  неизменными уравнения  Максвелла, однако проверка этого утверждения  выходит за рамки  школьной программы  по физике.

Легко видеть, что уравнения  Ньютона теперь не сохраняют свой вид  при преобразовании. Поэтому второй закон  Ньютона необходимо модифицировать. Новая  механика, основанная на принципе относительности  Эйнштейна, называется релятивистской (от латинского relativus - относительный).

2.4 Собственное время,  события и мировые  линии частиц

В качестве часов наблюдатели  в системах S, S' могут  использовать любой  периодический процесс, например, излучение  атомов или молекул  на определенных фиксированных  частотах. Время, отсчитываемое  по часам, движущимся вместе с данным объектом, называется собственным  временем этого объекта. Для измерения  длин можно взять  некоторый эталон - линейку. Собственной  длиной линейки называется ее длина l₀ в той системе, в которой она покоится. Величина l₀ равна модулю разности координат концов линейки в один и тот же момент времени.

Совокупность  декартовых координат  и момента времени  в некоторой инерциальной системе отсчета  определяют событие. Событием является, например, нахождение точечной частицы  в момент времени  t в точке пространства, указанной вектором.

Множество всех событий образуют "четырехмерный  Мир Минковского".

Отдельные точки в четырехмерном  пространстве указывают  координаты и время  некоторого "события". Последовательность кинематических состояний  любого тела (его  координаты в разные моменты времени) изображается мировой  линией. Если частицы  движутся только вдоль  оси 0x, то наглядно представить "Мир  Минковского" можно с помощью плоскости координат. Время удобно умножить на скорость света, чтобы обе координаты имели одинаковую размерность. Это можно сделать, поскольку скорость света - универсальная мировая константа.

Мировыми  линиями (в отличие  от траекторий классической механики) обладают не только движущиеся, но и покоящиеся в  данной инерциальной системе отсчета  тела. Так, мировая  линия тела, покоящегося  в начале координат, будет совпадать  с временной осью, а тела, покоящегося  в пространственной точке x_a - является прямой AB, параллельной оси времени. Приходим к выводу, что новая система координат косоугольна! Если попытаться найти связь между отрезками x', c t' и x, c t, просто проектируя отрезки (так как это делается в эвклидовом случае), то получится неправильный результат. Преобразования Лоренца не только поворачивают оси, но и искажают масштабы координат по осям!

Итак, основной результат  состоит в том, что преобразования Лоренца можно  интерпретировать как  псевдоевклидово  вращение системы  координат в пространстве Минковского.

2.5 Замедление времени

Рассмотрим  часы, покоящиеся в  начале координат  движущейся системы (x = 0), которые перемещаются относительно лабораторной системы координат со скоростью V, так что их координата x = Vt пропорциональна времени, определяемому неподвижными часами. Инвариантность интервала позволяет тогда определить показания движущихся часов. Время, измеряемое часами, движущимися относительно лабораторной системы отсчета, замедляется. Как ни покажется странным, но тот же вывод справедлив относительно замедления темпа хода часов в лабораторной системе координат с точки зрения наблюдателя из движущейся системы отсчета, т.е. "движущиеся" и "покоящиеся" часы взаимно отстают друг от друга. С последним замечанием тесно связан широко известный парадокс близнецов. Замедление хода времени в движущейся системе отсчета было экспериментально подтверждено американскими физиками Б. Росси и Д.Х. Холлом в 1941 году. Они наблюдали увеличение среднего времени жизни мюонов, двигавшихся со скоростью v в 6-8 раз по сравнению с временем жизни неподвижных мюонов. Особая ценность этого эксперимента состоит в том, что процесс распада мюонов определяется слабым взаимодействием, в то время как СТО была построена для описания систем с электромагнитным взаимодействием.

Заключение

Cпециальная теория относительности" ("СТО") - фундаментальная физическая теория пространственно-временных свойств всех физических процессов. Однако эта гипотеза, получившая официальное признание и вошедшая в учебные программы, с момента своего появления и по сей день вызывает недоумение большой части думающих ученых. Многим авторам было отказано в публикации их работ только на том основании, что предлагаемый ими материал противоречит теории относительности. Более того, многие учёные находят СТО и вообще не состоятельной.

Литература

Какая разница существует между эмпирическими и теоретическими объяснениями?

 
1. Теоретическая и  эмпирическая интерпретация  понятий

1.1 Структура социологического  знания

В современной методологии - и в нашей стране, и за рубежом - научное  знание принято понимать иерархически и мыслить  здание социологической  науки состоящим  из пяти этажей. Верхний этаж - это научная картина мира (философские предпосылки), четвертый - общая теория, включающая категории самого абстрактного уровня, третий - частные, или специальные, теории, обычно формализованные, логически компактные и конкретные модели социальных процессов.

Второй  этаж представлен  эмпирическими исследованиями - сравнительными, крупномасштабными, репрезентативными  исследованиями, соответствующими самым строгим  требованиям науки  и способствующими  приращению нового знания. Основное предназначение эмпирических исследований - не просто собрать  и обработать факты, а обеспечить надежную проверку теории, ее верификацию.

Нижний  этаж - это прикладные исследования, маломасштабные и нерепрезентативные, призванные изучить  конкретную социальную проблему и разработать  практические рекомендации для ее решения. К  прикладной социологии относятся все  политические опросы, изучение общественного  мнения, маркетинговые  исследования, управленческое консультирование, деловые  игры и ряд других направлений, которые  не ориентированы  на проверку фундаментальной  теории и приращение нового знания. Четыре верхних уровня социологического здания представлены фундаментальной  социологией, а нижний, пятый - прикладной.

На  уровне эмпирических исследований определяется такой важный вопрос, как тематическое, проблемное поле науки. Это конкретный уровень  определения предмета исследования. Это  совокупность всех эмпирических исследований, проводимых во всех странах в  данное конкретное время.

Выделенные  пять уровней и  типов знания различаются  двумя параметрами - степенью обобщенности (абстрактности) понятий, используемых на данном уровне, и  степенью распространенности знаний данного уровня, количеством проведенных  исследований или  созданных теорий.

По  степени обобщенности самой абстрактной  является научная  картина мира, а  самым конкретным знанием выступает  прикладное, касающееся одного объекта и  нацеленное на решение  конкретной ситуации, проблемы, задачи.

По  степени распространенности знания самым редким является научная  картина мира, которых  в каждой социальной науке наберется  всего несколько. Общих теорий уже  больше, возможно, около  двух десятков. Частных  теорий в каждой дисциплине насчитываются десятки  и сотни. Проведены  тысячи эмпирических исследований. Количество осуществленных прикладных исследований вообще невозможно подсчитать. Как правило, они  нигде не фиксируются, в научные статьи их результаты не облекаются, единственным источником информации о них  служат отчеты, хранящиеся в архивах предприятий  или фирм.

Эмпирические  и прикладные исследования - разные типы социологического исследования, у них  разные методологии  и технологии. Существуют две отличительные  черты, которые позволяют  их разграничить.