Main menu:

Измерения времени и расстояния в движущихся системах отсчета

Космические лучи представляют собой потоки высокоэнергетических частиц, влетающих в земную атмосферу из космического пространства. Некоторые из этих частиц приходят от Солнца, большинство частиц, обладающих наибольшей энергией, - из Галактики, а некоторое количество, возможно, даже из межгалактического пространства. Предполагается, что космические лучи - это вторичные продукты взрывных процессов, в том числе тех, которые ответственны за солнечные вспышки, взрывы сверхновых и, возможно, феномен квазаров.

По-видимому, частицы космических лучей ускоряются магнитными полями, которые играют важную роль во всех этих процессах. В результате столкновений частиц высокой энергии с ядрами молекул в верхних слоях земной атмосферы рождается множество короткоживущих частиц, включая ?-мезоны. Все эти короткоживущие частицы в наши дни можно получить в лабораториях высоких энергий, что позволило с большой точностью измерить время жизни большинства частиц, в том числе и ?-мезона.

Рассмотрим эксперимент. Пусть Паула и Петра - близнецы. В тот день, когда Петре исполнилось двадцать лет, она вышла замуж, а Паула на космическом корабле отправилась в путешествие к ближайшей звезде. Паула летела к звезде по прямолинейной траектории 3,5 года со скоростью 24/25 скорости света, затем с той же скоростью - в обратном направлении и вернулась на Землю в тот день, когда ей исполнилось двадцать семь лет. Поздравить Паулу пришли Петра, к тому времени сорокапятилетняя дама, и два ее сына-близнеца: Питер и Поль, которые только что отпраздновали свой двадцать четвертый день рождения.

С точки зрения Петры путешествие Паулы продолжительней, чем по оценкам самой Паулы; это обусловлено той же причиной, по которой длительность полета ?-мезона земному наблюдателю кажется больше, чем самой частице (точнее, движущемуся с ней наблюдателю).

Отсутствие симметрии в опыте с близнецами нередко озадачивает. При этом выдвигаются такие возражения: так как движение относительно, то с точки зрения Паулы двигалась именно Петра, и, следовательно - по тем жё самым расчетам - она должна оказаться моложе Паулы. Поскольку оба заключения должны быть верны одновременно, то оба они неверны; следовательно, Паула и Петра к моменту встречи должны иметь одинаковый возраст.

Эти аргументы основаны на ошибочной предпосылке о наличии симметрии в опыте с близнецами. Продолжительность полета по часам Паулы короче, чем по часам Петры, и это не более удивительно (если учесть правила расчета затраченного времени), чем то, что расстояние между двумя точками, измеренное вдоль собачьего следа, больше, чем расстояние между теми же точками по прямой.

Относительное движение приводит к различию не только измеряемых интервалов времени, но и расстояний. На моментальном снимке мчащегося космического корабля Паулы, сделанном наблюдателем станции, расположенной на окраине Солнечной системы, мы увидели бы несколько размытое изображение, длина которого составляет 7/25 той длины, которую корабль имел в состоянии покоя. Уменьшение длины быстродвижущейся ракеты хорошо согласуется с предсказаниями теории Фицджеральда и Лоренца, разработанной для объяснения отрицательного результата эксперимента Майкельсона - Морли. Однако физическая интерпретация эффекта сокращения длины другая. Согласно Лоренцу и Фицджеральду, объект, движущийся относительно эфира, действительно становится короче, хотя наблюдатель, движущийся в том же направлении и с той же скоростью, этого не может обнаружить, поскольку используемый им для измерения длины эталон укорачивается во столько же раз. В теории Эйнштейна длина стержня (т. е. разность координат его концов, измеренных одновременно в системе отсчета наблюдателя) зависит лишь от относительного движения стержня и наблюдателя.