Суть связи пространства, времени и скорости света.

(точка зрения).

 

 

Современные энциклопедии говорят, что "Пространство и время имеют объективный характер, неразрывно связаны друг с другом, бесконечны". Как понимать объективность времени - как реальность, сущность, материальность или как-то иначе? Или время это порождение человеческой мысли, вещь в себе - ноумен? Как время связано с пространством и связано ли вообще?

Человек с самого момента появления на Земле познавал окружающее его ПРОСТРАНСТВО, в основном, с помощью своих органов чувств, в том числе зрения и слуха. Они являлись и являются приемниками информации об окружающем мире. Возьмем, к примеру, такое событие, как грозовой разряд. Событие состоит в возникновении электрического разряда и сопровождающего его звука, которые происходят ОДНОВРЕМЕННО. Однако гром человек слышит ПОЗЖЕ, чем видит молнию, причем тем позже, чем дальше находится от места события. Наблюдается задержка одной информации о событии (грозовой разряд) относительно другой. Это самая простая иллюстрация задержек в получении информации о Пространстве. Понятия раньше, позже, одновременно это время или нет? Строго говоря - нет. Это просто обозначение последовательности событий такие же, как 1, 2, 3. Если наблюдателя не интересует, как информация и события количественно связаны между собой, то речи о времени как таковом, пока не идет. Есть оно или нет, задержка от этого не зависит. Она зависит только от расстояния и скорости распространения информации.

Человек познавал Пространство создавая приборы, расширяя возможности зрения и слуха. Он увеличил чувствительность и разрешающую способность глаза с помощью всевозможных оптических приборов. Расширился и диапазон электромагнитных и звуковых колебаний, которые человек может обнаруживать и фиксировать. Однако задержки остались теми же, что и были. т.к. они являются следствием конечной скорости распространения информации. Человек не может избавиться от нее, как-то повлиять на это свойство Пространства.

Считалось, что свет распространяется мгновенно. Но астроном Ремер обнаружил, что и свет распространяется с конечной скоростью, поэтому информация, получаемая с его помощью, тоже задерживается относительно наблюдаемого события. Обнаружил он это с помощью телескопа и часов. Фактически он измерил численное значение производной задержки - ее изменение при сложении скоростей движения Земли относительно Юпитера. После того, как Ремер определил скорость света, оказалось, что мы видим планеты, и, тем более, звезды не там, где они находятся в момент наблюдения, а в более или менее далеком ПРОШЛОМ.

Вот здесь уже бесспорно появляется понятие времени. Связано это с тем, что Ремер измерял значение такой физической величины, как период обращения и делал это с помощью прибора, который воспроизводил заранее известный и хорошо воспроизводимый период - часы. Ведь часы, по сути, воспроизводят среднее значение периода обращения Земли вокруг своей оси.

Конечная скорость и является той нитью, которая связывает Пространство и Время. Эта связь описывается всем известным и очень простым уравнением.

(1)

где - расстояние (длина),

- скорость.

Применительно к передаче информации это можно записать как

(2)

где - задержка в передаче информации,

- расстояние от источника излучения (объекта наблюдения) до приемника,

- скорость передачи информации.

Вот эта задержка и является непосредственной связью Пространства со Временем. Она искажает результаты наблюдений не только движущихся объектов, но и даже неподвижных. Скорость распространения может различаться на много порядков, в зависимости от носителя информации, но она конечна, во всяком случае, в настоящее время.

Предельной скоростью передачи информации, которой владеет Человек, является скорость света. Таким образом, минимальная задержка определятся как

(3)

где - скорость света.

Это можно назвать основополагающим уравнением связи Времени и Пространства. Время является производной (зависимой) величиной от бесспорно объективного расстояния и фундаментальной константы. Выражение (3) лежит в основе создаваемого в настоящее время единого эталона времени - частоты - длины. Скорость света определяет в нем связь между длиной и временем. Об этой работе можно узнать, обратившись к статье доктора технических наук Анатолия Голубева "В погоне за точностью: " (Наука и жизнь, ?12, 2009г.; http://www.nkj.ru/archive/articles/16859/ ). Эта связь наглядно показывает "человеческое" происхождение понятия Время и источник существующих заблуждений о его материальности. Мы все знаем, что время - одна из трех основных физических величин, а скорость величина производная. На самом деле основной величиной следует считать скорость, а время - производной. Скорость распространения возмущений и взаимодействий есть неотъемлемое СВОЙСТВО ПРОСТРАНСТВА. Это логично, т.к. скорость распространения света, например, фундаментальная константа, но это неудобно при построении математических моделей. Выбор основной физической величины явилось произволом со стороны создателей математических моделей и Систем единиц физических величин, и он может приводить к некоторым недоразумениям.

Но даже при огромном значении скорости света и при незначительных скоростях движения объекта относительно Наблюдателя, при астрономических расстояниях влияние этой задержки становится заметным. Самым простым примером такого искажения является вид звездного неба. Астрономы бывают свидетелями появления новой звезды через многие годы после ее возникновения. Некоторые звезды и галактики наблюдаются в том состоянии, в котором они были, когда человека еще не было на земле. Разница расстояний между звездами так же измеряется многими световыми годами. Мы видим звезды в очень далеком прошлом, причем каждую в разном. Например, свет от всем известной туманности Андромеды идет до нас 2 миллиона 200 тысяч лет. Мы видим ее такой, какой она была, когда по ней ходили австралопитеки, не знавшие огня.

Выявление причинно-следственных связей в таких случаях становится весьма затруднительным, а иногда и вообще невозможным делом. Такое искажение можно назвать статическим. Это искажение легло в основу астрономической единицы длины - световой год. Вот в ней уж точно соединились Пространство и Время, связанные скоростью света. Расстояние выражается в задержках переноса информации!

Наряду с этим существуют искажения, которые вызываются взаимным движением наблюдателя и объекта. Их можно назвать динамическими. Первым такие искажения обнаружил астроном Олаф Ремер при измерении периода обращения Ио вокруг Юпитера. Эти искажения носят теперь название "Эффект Ремера". Тогда же впервые была измерена скорость света. Возникавшую ошибку измерения периода можно описать выражением:

(4)

где - измеряемый период,

- скорость объект наблюдения - наблюдатель,

- скорость передачи информации о событиях начала и конца периода.

Наблюдения, проводившиеся Ремером, следует отнести к виду пассивной локации. Источником информации для него являлся отраженный солнечный свет. Вообще астрономические наблюдения - это пассивная локация. Используется не только отраженный, но и собственный свет, излучаемый звездами. Наблюдатель ОДНОВРЕМЕННО принимает информационные сигналы от объектов, находящихся на разных расстояниях от него, что приводит к различным задержкам, которые мы рассмотрели выше. Если же скорость движения объект-наблюдатель сравнима со скоростью передачи информации, то должно наблюдаться искажение геометрических размеров объекта. Возьмем, например, стержень, на концах которого установлены два излучателя. Предположим, что он удаляется от наблюдателя со скоростью . Его видимый размер должен быть меньше реального потому, что информация о положении дальнего конца стержня должна достичь ближнего, после чего она будет двигаться к наблюдателю ОДНОВРЕМЕННО. За время, которое необходимо для преодоления информационным сигналом расстояния от дальнего до ближнего конца, ближний конец смещается в сторону дальнего, что приводит к кажущемуся укорочению. Если скорость передачи информации равна скорости света, то относительные искажения длины определятся формулой

, (5)

где - отношение скорости движения объект-наблюдатель к скорости света.

Если же объект приближается к наблюдателю, то относительное искажение длины определится выражением

(5a)

При приближении должно наблюдаться удлинение, причем значительно больше зависящее от скорости движения объект-наблюдатель, чем при удалении.

Как мы видим, зависимость геометрических искажений пространства от взаимного движения объект-наблюдатель не включает в себя время. Выражения (5) и (5a) получаются путем решения пропорций между длинами и скоростями. Это является иллюстрацией того, что в основе связи Пространство - Время фактически лежит связь Пространство - Скорость.

Наряду с пассивной существует и активная локация. Конечная скорость передачи информации - это палка о двух концах. Наряду с помехами в наблюдениях она предоставляет и инструмент для измерения расстояний и скоростей движения. Излучая сигнал и получая его отражение от облучаемого объекта, по измеренной задержке вычисляют расстояние до объекта. Этот метод нашел практическое применение во Второй Мировой войне и был назван радиолокацией. Расстояние с помощью активной локации определяют, измеряя интервал времени между отправлением сигнала и получением отраженного отклика. Если скорость движения объекта относительно наблюдателя значительно меньше скорости распространения сигнала локации, то расстояние до объекта определяют по формуле известной каждому школьнику:

, (6)

где - скорость распространения сигнала локации,

- временной интервал между отправлением импульса локации и получением отраженного сигнала.

Точно так же можно и определить геометрические размеры объекта, измеряя интервал между последовательными импульсами отраженного сигнала. Длина стержня, например, определится как

(7)

где - интервал между отраженными импульсами.

Если расстояние между объектом и наблюдателем неизменно, то его можно определить достаточно точно. Однако если объект движется со скоростью сопоставимой со скоростью распространения сигнала локации то встают вопросы:

"Каково расстояние до объекта?"

"На какой момент времени мы определили это расстояние?"

"Каковы истинные размеры объекта?"

Почему возникают такие вопросы, проиллюстрируем с помощью несложного графика (рис.1). На графике изображено движение жесткого стержня с марками и относительно Наблюдателя. Источник светового локационного сигнала и приемник неподвижны относительно Наблюдателя. Скорость распространения сигнала локации равна скорости света. Масштаб по оси времени (t) - 1 секунда. Масштаб по оси расстояний (S) - 1 световая секунда (сс). Масштабы выбраны из соображений наглядности графика.

В момент времени t=0 стержень длиной 1сс находится на расстоянии 2сс от наблюдателя. Он движется со скоростью равной половине скорости света, удаляясь от наблюдателя. В момент времени Наблюдатель отправляет сигнал локации. Из графика хорошо видно, что скорость распространения сигнала локации и скорость прихода отраженного сигнала существенно различны. Это является следствием фундаментальных свойств светового сигнала - постоянства скорости распространения. Марка объекта является вторичным источником светового сигнала и, следовательно, скорость относительно марки должна быть равной скорости света, что наглядно иллюстрирует график. Фактически происходит алгебраическое сложение скорости распространения света и скорости движения объект-Наблюдатель. Результатом этого оказывается несимметричность времен прихода сигнала к объекту и возвращения к приемнику. Если вычислить расстояние до объекта так же как для неподвижного, то окажется, что расстояние до него в 1,5 раза больше чем в момент отражения сигнала. Если же приписать полученное расстояние к середине интервала, то ошибка составит 25%. Еще большие ошибки получаются при определении длины стержня.

Если определять длину подвижного стержня так же, как неподвижного, то ошибка составит 300% (в 3 раза). Отсюда следует вывод, что знание скорости движения объект-наблюдатель является, в определенных условиях, необходимым условием получения корректных значений расстояний до объектов и их размеров.

Выражение для вычисления расстояний и размеров объектов, движущихся со скоростями соизмеримыми со скоростями распространения сигналов локации можно получить, выразив интервал между моментом отправления импульса локации и получением отклика через расстояние до объекта и скорости сигнала локации.

, (8)

где S - расстояние до объекта;

с - скорость света;

v - скорость объекта.

Положив, что и разрешив выражение относительно , получим

(9)

Это выражение можно записать и иначе:

(10)

Легко заметить, что выражение (6) является частным случаем выражения (10).

Аналогично получается выражение для определения расстояния до объекта, приближающегося к Наблюдателю.

(11)

В этом случае скорость отраженного импульса относительно приемника будет выше скорости света. Кто-то может увидеть в этом несоответствие законам физики и ошибется. Когда говорят о скорости света как о предельной, то речь идет о скорости Распространения, т.е. скорости относительно излучателя. Скорость не может быть одинаковой одновременно относительно излучателя и приемника, если они движутся относительно друг друга. Вот это уже будет нарушение законов физики. Как в случае удаления, так и в случае приближения скорость распространения всегда одна и та же относительно излучателя и отражателя. Относительно же приемника она равна алгебраической сумме скоростей света и скорости излучатель-приемник.

Размеры стержня, получим, приводя расстояния до концов стержня, приведенные одному моменту времени. Проще всего привести расстояния до объекта к моменту посылки импульса локации, используя выражение

(12)

Здесь отчетливо проявляется большая роль понятия ОДНОВРЕМЕННОСТЬ. Не приведя результаты наблюдений к одному моменту времени невозможно получить, в некоторых случаях, достоверные результаты. Одновременностью пронизаны все графики движения. Прямая параллельная оси времени является прямой одновременности и траекторией движения с бесконечно большой скоростью.

В результате, для удаляющегося стержня, получим:

(13)

Сравнив выражения (13) и (7) снова обнаружим, что второе является частным случаем первого.

 

Выводы.

 

1. Время появляется тогда, когда появляется Наблюдатель, желающий установить количественную связь в последовательности событий. Время объективно не существует и не наблюдается. Объективно наблюдается период.
2. По своей сути время - это некий коэффициент связи между объективно существующей длиной и движением (его скоростью относительно Наблюдателя), производная физическая величина.
3. Связь пространства и времени проявляется в виде задержек информационных потоков, обусловленных конечной скоростью переноса информации. Задержки приводят к искажению свойств пространства (его объектов).
4. Связь Пространство - Время фактически является связью Пространство - Движение (Скорость).
5. Когда скорость взаимного движения наблюдатель - объект наблюдения соизмерима со скоростью распространения информации об объекте, должны наблюдаться искажения пространства, пропорциональные отношению скорости движения к скорости распространения.
6. Исправление геометрических искажений, вызванных движением объект наблюдения - наблюдатель, соизмеримым со скоростью распространения информации, невозможно без измерения скорости.

Илья Ильич Кузьмин