Цитата(Михаил Полянский @ 30.09.2010, 23:19)
Готов последовательно разобраться в Ваших пунктах.
Давайте свои предложения по пунктам и по порядку
1. Отслеживание логики вывода формул преобразований Лоренца.
С моей точки зрения, все проблемы в понимании СТО кроются в отсутствии четкой, ясной и понятной модели прохождения одного и того же фронта света от вспышки в покоящейся и движущейся системах отсчета. Ландау и Румер в книге 'Что такое теория относительности' (Изд. 3, 1975 г.) на примере поезда и платформы попытались создать такую умозрительную модель (стр.38):
Цитата
Представьте поезд длиной в 5 400 000 километров, который движется прямолинейно и равномерно со скоростью 240 000 километров в секунду.
Пусть в некоторый момент времени в середине поезда зажглась лампочка. В переднем и заднем вагонах устроены автоматические двери, которые открываются в тот момент, когда на них падает свет. Что увидят люди в поезде и что увидят люди на платформе?
Люди, сидящие в середине поезда, увидят следующее. Так как, согласно опыту Майкельсона, свет распространяется относительно поезда с одинаковой по всем направлениям скоростью – 300 000 километров в секунду, то через 9 секунд (2 700 000 / 300 000) он дойдет одновременно до заднего и переднего вагонов и обе двери откроются одновременно.
Что же увидят люди на платформе? Относительно станции свет также распространяется со скоростью 300 000 километров в секунду. Но задний вагон идет навстречу лучу света. Поэтому свет встретится с задним вагоном через 2 700 000 / (300 000 + 240 000) = 5 секунд. Передний же вагон луч света должен догонять, и поэтому достигнет его лишь спустя 2 700 000 / (300 000 – 240 000) = 45 секунд.
Итак, людям на платформе покажется, что двери в поезде откроются не одновременно. Сначала откроются задние двери и лишь спуся 45 – 5 = 40 секунд откроются передние (см. примечание внизу).
Таким образом, два совершенно сходных события – открытие передних и задних дверей поезда – окажутся для людей в поезде одновременными, а для людей на платформе – разделенными промежутком времени в 40 секунд.
В примечании дана ссылка на стр.62, из которой следует, что т.к. обе половины движущегося поезда сокращены 2 700 000 * 0,6 = 1 620 000 километров, абзац с рассчетом времени на стр. 39 должен выглядеть несколько иначе:
'Что же увидят люди на платформе? Относительно
станции свет также распространяется со скоростью 300000 километров в секунду. Но задний вагон идет навстречу лучу света. Поэтому свет встретится с задним вагоном через 1 620 000 / (300 000 + 240 000) = 3 секунды. Передний же вагон луч света должен догонять, и поэтому достигнет его лишь спустя 1 620 000 / (300 000 - 240 000) = 27 секунд.
Итак, людям на платформе покажется, что двери в поезде откроются не одновременно. Сначала откроются задние двери и лишь спуся 27 – 3 = 24 секунды откроются передние'
Формально вроде бы все правильно, все числа соответствуют (с учетом поправки на сокращение длины поезда), а вот общая картинка как-то не складывается. Если в первой части говорится о том, что свет равномерно в обе стороны распространяется относительно движущегося поезда с одинаковой скоростью – 300 000 километров в секунду, то он просто обязан неравномерно распространяться по покоящейся платформе, в направлении движения поезда – скорость света плюс скорость поезда, в противоположном направлении – скорость света минус скорость поезда. Но это противоречит второй части текста, где говорится о том, что и по платформе свет также равномерно в обе стороны распространяется со скоростью 300 000 километров в секунду.
В моем представлении, свет равномерно в обе стороны распространяется только относительно покоящейся СО. В движущейся ИСО скорость света складывается со скоростью ИСО по обычному закону сложения скоростей, но, благодаря таким эффектам СТО как сокращение размеров, замедление времени и рассинхронизация часов, именно
регистрируемая скорость света всегда остается неизменной. Такая модель совершенно не противоречит логическим построениям, а корректное применение формул преобразований Лоренца, позволяет производить любые расчеты в данной модели.
Чтобы нагляднее понять, что же происходит при распространении света в движущейся ИСО поезда, представим, что свет от вспышки распространяется не внутри вагонов, а с внешней стороны по их бортам, а на переднем и заднем вагонах установлены фотоэлементы связанные с таймером. При получении светового сигнала, каждый фотоэлемент автоматически устанавливает таймер на 9 секунд, т.к. именно это время необходимо свету для преодоления расстояния в 9 св. секунд (2 700 000 км) от середины поезда до фотоэлемента в состоянии покоя. У наблюдателей на платформе тоже имеются часы с фотоэлементами, которые при получении светового сигнала автоматически устанавливают таймер на время, соответствующее расстоянию, т.е. соответствующее времени прохода светового сигнала от
станции до наблюдателя.
Итак, вводные данные – длина поезда в собственной СО 18 св. сек, от лампочки в середине поезда до переднего и заднего вагонов расстояние составляет S = 9 св. сек. Поезд движется со скоростью V = 0,8c и коэффициентом сокращений (величина обратная гамме) K = 0,6. Для наблюдателей в СО платформы, длина половины поезда составляет 9 * 0,6 = 5,4 св. сек.
Вспышка света происходит в середине поезда напротив здания
станции, при этом таймер на здании
станции и таймер в среднем вагоне поезда сброшены в ноль. Через 3 секунды (по часам
станции) луч света встретится с задним вагоном на расстоянии 3 св. секунды от здания
станции, и за эти же 3 секунды поезд пройдет расстояние 3 * 0,8 = 2,4 св. сек (dS = dT * V). Таким образом, через 3 секунды по часам
станции средний вагон окажется на расстоянии 2,4 св. сек от здания
станции, а поскольку время в ИСО движущегося поезда течет медленнее, чем в СО платформы, часы среднего вагона покажут время 3 * 0,6 = 1,8 сек (dT' = dT * K). В этот же момент, получив световой сигнал, фотоэлемент заднего вагона установит таймер на 9 секунд. В таком случае, в момент встречи светового сигнала с задним вагоном, часы наблюдателей платформы покажут dT = 3 сек., часы на среднем вагоне покажут dT' = 1,8 сек., часы на заднем вагоне T
s' = 9 сек, а рассинхронизация часов среднего и заднего вагонов составит 9 – 1,8 = 7,2 сек. что соответствует:
N = V * S,
N = 0,8 * 9 = 7,2 сек
где
S – несокращенное расстояние от вспышки до часов в ИСО поезда.
V – скорость поезда.
N – рассинхронизация часов в движущейся ИСО.
Отсюда:
dT' = T
s' – V * S
dT' = 9 – 0,8 * 9 = 1,8 сек.
dT = (T
s' – V * S) / K
dT = (9 – 0,8 * 9) / 0,6 = 3 сек.
и получаем формулу, эквивалентную формуле преобразований Лоренца, где:
T
s' – показание часов при синхронизации в ИСО поезда.
S – несокращенное расстояние от вспышки до часов в ИСО поезда.
V – скорость поезда.
K – коэффициент сокращений.
dT' – промежуток времени, пройденный часами среднего вагона в ИСО поезда.
dT – промежуток времени, пройденный каждыми часами в СО платформы.
Через 27 секунд (по часам
станции) луч света встретится с передним вагоном на расстоянии 27 св. секунды от здания
станции, и за эти 27 секунд поезд пройдет расстояние 27 * 0,8 = 21,6 св. сек (dS = dT * V). Таким образом, через 27 секунд по часам платформы средний вагон окажется на расстоянии 21,6 св. сек от здания
станции, а поскольку время в ИСО движущегося поезда течет медленнее, чем в СО платформы, часы среднего вагона покажут время 27 * 0,6 = 16,2 сек (dT' = dT * K). В этот же момент, получив световой сигнал, фотоэлемент переднего вагона установит таймер на 9 секунд. В таком случае, в момент встречи светового сигнала с передним вагоном, часы наблюдателей платформы покажут dT = 27 сек., часы на среднем вагоне покажут dT' = 16,2 сек., часы на переднем вагоне T
s' = 9 сек, а рассинхронизация часов переднего и среднего вагонов составит 16,2 – 9 = 7,2 сек. Как видим и в данном случае рассинхронизация часов соответствует формуле N = V * S (0,8 * 9 = 7,2).
Для значения рассинхронизации часов в формуле меняем знак на противоположный, т.к. в данном случае вагон находится в противоположном направлении по отношению к среднему вагону:
dT' = T
s' + V * S
dT' = 9 + 0,8 * 9 = 16,2 сек.
dT = (T
s' + V * S) / K
dT = (9 + 0,8 * 9) / 0,6 = 27 сек.
Поскольку встречный световой сигнал прошел путь от середины поезда до заднего вагона за 1,8 сек., а в попутном направлении за 16,2 сек, то путь туда и обратно в общей сложности займет 1,8 + 16,2 = 18 сек по часам наблюдателя в среднем вагоне. Таким образом, оба сигнала от вспышки (встречный и попутный) вернутся к наблюдателю в среднем вагоне одновременно, причем, ровно через 18 сек. по его часам, как и если бы поезд находился в состоянии покоя.
Теперь произведем расчет расстояний. Итак, вспышка света произошла в середине поезда напротив здания
станции. Через 27 секунд (по часам платформы) луч света догонит передний вагон на расстоянии X = 27 св.сек. от здания станциии, и за те же dT = 27 секунд поезд пройдет (dS = V * dT) 0,8 * 27 = 21,6 св.сек. Отсюда находим путь, прошедший лучом света в ИСО поезда с точки зрения наблюдателей с платформы:
S = X – V * dT
S = 27 – 0,8 * 27 = 5,4 св.сек.
и с точки зрения наблюдателей в поезде:
S' = (X – V * dT) / K
S' = (27 – 0,8 * 27) / 0,6 = 9 св.сек.
Таким образом получаем формулу, эквивалентную формуле преобразований Лоренца для расстояний.
Через 3 секунды (по часам платформы) луч света встретит задний вагон на расстоянии X = 3 св.сек. от здания станциии, и за те же dT = 3 секунды поезд пройдет (dS = V * dT) 0,8 * 3 = 2,4 св.сек. Отсюда находим путь, прошедший лучом света в ИСО поезда с точки зрения наблюдателей с платформы, но поскольку вагон теперь движется не от
станции, а к ней, в формуле изменяем знак на противоположный:
S = X + V * dT
S = 3 + 0,8 * 3 = 5,4 св.сек.
и с точки зрения наблюдателей в поезде:
S' = (X + V * dT) / K
S' = (3 + 0,8 * 3) / 0,6 = 9 св.сек.
Как видим, несмотря на действительную неодновременность событий в движущейся ИСО, благодаря таким эффектам СТО как сокращение размеров, замедление времени и рассинхронизация часов, сопутствующие наблюдатели эти же события воспримут как одновременные.