Продолжу рассказ про мировые линии. Для ясности подчеркну ещё раз, что «карты событий» нам будут нужны как одно из средств для решения учебных задач о движении, как инструмент для рассуждений и вычислений. Считайте, что движение заданного вида давно свершилось, «все ходы записаны» - имеется подробная таблица значений
, формулы или графики для всех тел; а мы в своё удовольствие, с карандашом, бумагой, и чашкой кофе, размышляем над этими данными. Чертежи послужат и полигоном для теоретических догадок, для фантазии. Т.е. их не надо воспринимать как документальное кино о текущих явлениях за окном, «мощность множества» которых ежесекундно увеличивается :)
Теперь как очередной экспериментальный факт введём в дело
принцип относительности. Он гласит: «инерциальное» движение (т.е. без ускорений) равноценно покою, все инерциальные системы отсчёта равноправны. Эту формулировку можно дополнять и совершенствовать; классическим пояснением служит
текст Галилея из "Послания к Инголи" (1624 г.)Наглядная иллюстрация: наш Заяц, который равномерно и прямолинейно едет направо вдоль оси
со скоростью 5 см/сек, может с полным правом считать себя покоящимся (а линейку под собой - движущейся налево со скоростью 5 см/сек). Представим, что к Зайцу прикреплена такая же линейка с синхронизированными между собой эталонными часами; эти часы неподвижны относительно Зайца и поэтому показывают такое же время
, что и собственное время Зайца. Рискам на линейке Зайца соответствуют значения координаты
; ось
движется вместе с Зайцем и этим отличается от оси
. Координата самого Зайца на этой оси всё время равна нулю (риска
) :
На рис. показано то самое событие Р1, которое уже обсуждалось раньше: оно заключается в том, что Заяц поравнялся с риской «
» в момент «
» по часам линейки под ним. Другими словами: событие Р1 состоит в том, что риска
совпала с риской
в момент
.
Если начало отсчёта на часах Зайца и его линейки никогда не синхронизировалось с другими часами, то в событии P1 значение
, т.е.
может отличаться от нуля. Но поскольку мы будем интересоваться разностями
, то без ущерба для общности можем считать, что
, как и показано на рис. (Это просто избавляет нас от несущественных цифр на рисунках; кому этот шаг кажется сомнительным, тот может повторить всё с другим выбором нуля на
-часах, например, приписав к нулю единичку).
Линейку с часами под Зайцем назовём ИСО-1, а линейку с часами, прикреплённую к Зайцу, назовём ИСО-2. Принцип относительности позволяет утверждать, что, поскольку обе системы отсчёта равноправны, мы можем построить вторую карту
тех же событий - связанную теперь с координатной сеткой ИСО-2. Раз обе карты равноправны, то и метод построения координатной сетки на второй карте мы выбираем такой же,
как для первой карты, но только вместо координатного времени
на второй карте будет
, а вместо пространственной координаты
будет
. Результат:
Здесь добавлены обозначения ещё двух событий:
L1 - риска
поравнялась с риской
. Так как скорость этой риски (
) по условию задачи известна и равна
см/сек, то временная координата события L1 на карте ИСО-2 есть
сек. Однако, если не принять дополнительных гипотез, это не означает, что и на карте ИСО-1 координата
события L1 должна
точно равняться такому же числу; ведь
и
это
показания разных часов - движущихся друг относительно друга.
R1 - часы риски
показали значение
. Эти две координаты очевидным образом определяют положение точки R1 на карте ИСО-1, где отрезок прямой P1R1 изображает кусок неподвижной линейки в момент
. Другими словами, разность
см равна
собственной длине этого куска линейки, находящейся под Зайцем. Однако, значения координат события R1 на карте ИСО-2 не очевидны без дополнительных гипотез, так как здесь они определяются по другим часам и по другой линейке -
движущимся относительно линейки и часов ИСО-1.
Так как обе карты равноправны, то события (точки) L1 и R1, присутствующие на карте ИСО-2, можно отыскать и на карте ИСО-1. Это верно для любых событий. Ведь под «событием» мы подразумеваем объективный локальный факт; в нашем примере это - возникшее в процессе движения совмещение («наезд друг на друга») какой-либо конкретной «риски
» с какой-либо конкретной «риской
»; при этом на табло собственных часов указанных рисок обязательно присутствовали какие-то определённые числа:
и
. Эти числа, как и надпись значений
и
на рисках, - признаки конкретного события, позволяющие изобразить его точкой на каждой из двух карт. Вот, пожалуйста, сравнивайте с предыдущим рис., размышляйте:
Численные значения координат, которые в таблице выше указаны как приближённые, должны определяться либо из какой-то теории с гипотезой о влиянии (или, наоборот, об отсутствии влияния) движения на показания приборов, либо - из эксперимента. Признаюсь: сам я не делал таких опытов с зайцем, линейками и часами
. Но всё, что мы нынче знаем из реальных опытов с быстро и медленно движущимися частицами, показывает: в примере с зайцем погрешность приближённых равенств ничтожно мала; эти равенства станут точными, если добавить поправки всего лишь порядка
от масштабной единицы. Это порядок величины
, где
см/сек (с хорошей точностью),
- скорость движения обеих СО друг относительно друга.
Даже при скоростях
порядка скоростей современных ракет подобные поправки малы. (Но они становятся крайне существенными в физике частиц высокой энергии; в частности, в опытах на ускорителях частиц, где скорости частиц близки к
). Нерелятивистская теория полностью пренебрегает такими поправками. На рассмотренных нами двух картах событий пренебрежение релятивистскими поправками равносильно гипотезе, что в каждой точке выполняется точное равенство
, как будто собственные времена всех тел совпадают с неким «абсолютным временем», единым для всего и вся. С такой гипотезой понятие отдельного собственного времени каждой материальной точки оказывается избыточным, лишним; поэтому оно и не вводится в нерелятивистской механике.
Далее мы рассмотрим карты событий с мировыми линиями для быстрого движения. И разберёмся с другой гипотезой, которая приведёт нас к СТО, к релятивистской механике, применимой в гораздо более широком диапазоне скоростей, чем механика нерелятивистская. Суть гипотезы в том, что на множестве событий действуют правила некоей геометрии: геометрия сопоставляет отрезкам мировых линий тел не зависящие от выбора СО «интервалы». Физический смысл интервалов будет прост - это интервалы собственного времени тела; а если речь идёт о пространственно-подобных линиях, то это будут собственные длины протяжённых в пространстве отрезков (линеек, стержней и т.п.).
Уже сейчас нам должно быть совершенно ясно, что такие величины, - собственные для конкретных тел, - не могут изменяться при переходе от одного чертежа к другому. В результате, на картах событий нам станет понятно, в чём заключаются эффекты, традиционно называемые «замедлением времени» и «сокращением длины».