To ciekawe

Na co dzień jako jedoczesne traktujemy te zdarzenia, od których jednocześnie dociera do nas sygnał – dźwięk lub światło. Na przykład: jeżeli usłyszymy jednocześnie klakson samochodu, który przejechał 100 m od nas i głos osoby stojącej obok nas, przyjmujemy, że dźwięki te zostały wydane jednocześnie. Nie zauważamy, że sygnał odległego samochodu musiał zostać wysłany wcześniej, ponieważ miał dłuższą drogę do przebycia. Podobnie jest z sygnałami świetlnymi. Jakie zdarzenia są traktowane w fizyce jako jednoczesne?

Warto przeczytać

RcgBy7pCJboMW

Rys. 1. Zdjęcie poglądowe przedstawia wnętrze amerykańskiego ośrodka NASA i cieszących się z lądowania sondy na Marsie kontrolerów lotu. Pracownicy NASA podają sobie ręce, obejmują się z entuzjazmem, w tle widoczna flaga amerykańska i ekran wielkiego monitora.

Zjawiska fizyczne opisuje się określając miejsce i czas zajścia. Według zasad mechaniki klasycznej sformułowanych przez Izaaka Newtona czas był absolutny, niezależny od materii i zjawisk fizycznych. Upływał jednakowo we wszystkich układach odniesieniaukład odniesieniaukładach odniesienia. W szczególności czas trwania zjawisk nie zależał od wyboru układu odniesienia. Zgodnie z koncepcją Newtona, można było bez problemu zsynchronizować wszystkie zegary we Wszechświecie tak, aby pokazywały ten sam czas absolutny bez względu na ruch układu odniesieniaukład odniesieniaukładu odniesienia, w którym znajdował się zegar. Ze względu na istnienie jednego, absolutnego czasu, zdarzenia równoczesne w jednym układzie będą równoczesne w każdym innym.

Według teorii Newtona jednoczesne były zatem te zdarzenia, które zachodziły w tej samej chwili czasu absolutnego. Jednoczesność, zgodnie z tą koncepcją, była absolutna – zdarzenia jednoczesne dla jednego obserwatora były jedoczesne dla każdego innego. Teoria Newtona dopuszczała możliwość nieskończonej szybkości rozchodzenia się informacji i sygnał pochodzący od zjawiska mógł być jednocześnie odbierany przez wszystkich obserwatorów. Oczywiście sygnały, które miały skończoną prędkość (np. dźwięki), od zjawisk zachodzących jednocześnie w różnych odległościach od obserwatora nie dochodziły do niego jednocześnie.

Podstawowym założeniem Szczególnej Teorii Względności (STW) nie jest absolutność czasu, ale absolutność prędkości światła w próżni. Teoria ta zakładała, że we wszystkich układach inercjalnychinercjalny układ odniesieniaukładach inercjalnych prędkość światła w próżni jest taka sama we wszystkich kierunkach i nie zależy od prędkości źródła.

Założenie to prowadzi do szeregu konsekwencji sprzecznych z naszą intuicją. Między innymi:

• prędkość światła w próżni jest maksymalną prędkością, jaką mogą osiągnąć obiekty, a także wszelkiego typu sygnały w przyrodzie;

• czas trwania zjawiska i długość obiektu zależy od układu odniesienia, względem którego jest mierzony.

Także względna jest równoczesność zdarzeń.

Zgodnie ze szczególną teorią względności, podobnie jak w mechanice klasycznej, dwa zdarzenia są równoczesne w pewnym układzie odniesienia, gdy mają w tym układzie tę samą współrzędną czasową.

Ponieważ maksymalna prędkość informacji to duża, ale jednak skończona prędkość światła, zmiana układu inercjalnego – poruszającego się z niezerową prędkością względem wybranego – powoduje, że zdarzenia jednoczesne w jednym układzie odniesienia nie muszą być jednoczesne w innym. Jedno z tych zdarzeń jest obserwowane jako wcześniejsze.

Dla niektórych zdarzeń niejednoczesnych w danym układzie odniesieniaukład odniesieniaukładzie odniesienia można znaleźć układ, w których te zdarzenia są równoczesne.

Względność równoczesności ilustruje tzw. pociąg Einsteina.

Zakładamy, że mamy dwa inercjalne układy odniesieniainercjalny układ odniesieniainercjalne układy odniesienia:

A – związany z wagonem pociągu poruszającego się z bardzo dużą prędkością;

B – związany z Ziemią.

Każdy układ ma swój własny czas mierzony przez zsynchronizowane ze sobą zegary (pokazujące ten sam czas). Zegary te mogą być w każdym punkcie danego układu.

Rozważmy bieg promieni świetlnych wysłanych jednocześnie ze środka wagonu w kierunku przeciwległych ścian. Promienie wysyłane są z jednego punku, dlatego w obu układach ich start będzie jednoczesny.

Rozważmy zjawiska – promienie docierają do ścian wagonu, zjawiska te mogą być np. rejestrowane przez detektory światła umieszczane na ścianach wagonu.

W układzie A, związanym z wagonem, światło do obu ścian ma taką samą drogę do przebycia. Zatem czas jej przebycia będzie jednakowy- zegary związane z wagonem wskażą ten sam czas, po którym promienie docierają do ścian wagonu (Rys. 1.).

R10zpr6umyd5e

Rys. 1. Rysunek przedstawia propagację światła wysyłanego ze środka wagonu w trzech chwilach czasu w kierunku przeciwległych krańców wagonu. Na rysunkach zaznaczona jest droga promienia światła w trzech chwilach. Wagony narysowane są jeden pod drugim. Pierwsza chwila opisana małe t równa się zero strat. Droga równa zeru, źródło światła narysowane w postaci kropki. Druga chwila małe t równa się jeden – droga światła w obu kierunkach jest taka sama, zaznaczona w postaci poziomych strzałek o przeciwnych zwrotach. W chwili małe t równa się dwa jednocześnie promienie docierają do krańców wagonu.

W układzie B, związanym z Ziemią, porusza się również wagon (Rys. 2.), a światło, zgodnie z założeniami STW, ma taką samą prędkość w obu kierunkach, jak w układzie wagonu,  równą prędkości światła w próżni. Ponieważ po wysłaniu błysków porusza się wagon, promienie świetlne będą mieć różne drogi do przebycia:  krótszą – promień biegnący przeciwnie do zwrotu prędkości wagonu, dłuższą - promień biegnący zgodnie ze zwrotem prędkości wagonu. Z tego powodu promienie dotrą do obu ścian niejednocześnie – zegary związane z Ziemią wskażą inne czasy dotarcia do nich promienia, ponieważ oba promienie będą miały inne drogi do przebycia.

R6JFxazSuSaDJ

Rys. 2. Rysunek przedstawia ten sam wagon ze źródłem światła w środku, ale poruszający się w prawo, co pokazuje umieszczona nad nim strzałka opisana małą literą v. W chwili małe t równa się zero w wagonie w środku pokazana jest tylko czerwona kropka. W chwili opisanej małe t równa się jeden długości dróg przebytych przez dwa promienie biegnące w przeciwnych kierunkach są takie same, nie różni się to od tej samej sytuacji na rys.1, ale pociąg się przesunął w prawo i prawy promień ma dłuższą drogę do przebycia niż lewy. W chwili opisanej małe t równa się dwa lewy promień dotarł do lewego krańca wagonu, a prawy pokazany w postaci strzałki do prawego krańca jeszcze nie dotarł.

Jak widać z powyższej analizy zdarzenia: promienie światła docierają do przeciwległych ścian wagonów, jednoczesne w układzie wagonu nie są jednoczesne w układzie odniesienia Ziemi.

Słowniczek