Для многих экспериментов важно иметь хорошо синхронизированные часы в разных местах. Синхронизация означает, что часы работают синхронно, т.е. они показывают одно и то же время. Это особенно важно, если эксперимент посвящен измерению времени прохождения сигналов. В спутниковой навигации, например, время распространения радиосигналов измеряется для определения текущего положения приемника.
В этой статье мы кратко обсудим различные методы синхронизации и их значение в физике. Можно грубо отличить внутреннюю синхронизацию внутри инерциальной системы, внешнюю синхронизацию одной инерциальной системы от другой и синхронизацию в общем случае перемещения часов в гравитационных полях.
Внутренняя синхронизация
Инерциальная система - это система координат, в которой каждой точке пространства присваиваются три пространственных координаты и равномерно движущаяся временная координата. Эта конструкция может быть визуализирована как сеть часов в состоянии покоя. Для введения глобального времени в инерциальную систему все задействованные часы должны быть синхронизированы друг с другом. Для этого есть, по сути, два метода:
1. синхронизация с помощью медленного тактового генератора
Наиболее прямой метод синхронизации двух часов друг с другом, безусловно, заключается в том, чтобы расположить их близко друг к другу и синхронизировать их путем прямого сравнения. Если таким образом были получены два синхронизированных часа, то один из них можно аккуратно перенести в другое место, а другие часы можно синхронизировать, сравнивая их друг с другом.
При использовании этого метода, эталонные часы должны транспортироваться очень осторожно, чтобы не потерять синхронизм из-за вибраций или изменений в условиях окружающей среды. Кроме того, транспортировка должна осуществляться медленно, так как быстродействующие часы работают медленнее из-за замедления времени и, таким образом, теряют синхронизм с другими часами.
Этот метод синхронизации часов вряд ли используется сегодня для синхронизации дистанционных часов друг с другом. Но важно отметить, что при медленном часовом транспорте синхронизированное время может быть доставлено в любое место. В принципе, каждый наручный хронометр представляет собой медленно перемещающуюся меру времени.
2. синхронизация посредством обмена сигналами (синхронизация Эйнштейна)
Наверное, самой важной возможностью для синхронизации часов в покое друг с другом сегодня является метод, описанный Альбертом Эйнштейном в его знаменитой работе 1905 года Zur Elektrodynamik bewegter Körper ("Об электродинамике движущихся тел").
Если сигнал, скорость распространения которого не зависит от направления движения, посылается между двумя часами назад и вперед, то для его прохождения необходимо то же время, что и для возврата. Таким образом, если сигнал запускается на первых часах в момент времени t0=0, отражается в момент времени t1 на вторых часах и поступает на первые часы снова в момент времени t2, то часы синхронизируются, если вторые часы для t1 показывают ровно половину времени, которое показывают первые часы для времени t2.
Синхронизация посредством обмена сигналами часто используется в модифицированной форме. Например, два часа запускаются одновременно по сигналу, источник которого находится посередине между часами. Синхронизация после контрольных часов, которые регулярно посылают сигнал времени, также возможна при использовании этого метода, если расстояния до других часов уже известны.
Эквивалентность внутренних синхронизаций
Альберт Эйнштейн в своей вышеупомянутой публикации показал, что приведенная им процедура приводит к тому, что два события, которые одновременно происходят в одной инерциальной системе, происходят в разное время в других инерциальных системах. Но это не так, как можно подумать, из-за процедуры синхронизации.
Можно показать, что обе описанные здесь процедуры внутренней синхронизации приводят к одной и той же одновременности. Только в случае нарушения принципа относительности, синхронизации, достигаемые двумя процедурами, отличаются друг от друга. Сравнивая эти синхронизации, можно проверить специальную теорию относительности.
Внешняя синхронизация
Конечно, можно также потребовать, чтобы нулевая точка времени была одинаковой во всех системах координат. Таким образом, одновременность может быть установлена абсолютной по определению. Для этого необходимо произвольно выбрать инерциальную систему в качестве системы отсчета.
Только в этой инерциальной системе синхронизация может быть выполнена одним из двух методов, упомянутых выше. Для всех других систем либо относительность одновременности должна быть вычтена математически, либо часы других систем установлены на ноль именно тогда, когда локальные часы системы отсчета показывают ноль.
При внешней синхронизации все системы координат, перемещенные в опорную систему, теряют свойство инерционных систем. Из-за неблагоприятного выбора временных координат в них применяются иные физические законы, чем в инерциальной системе. В частности, скорость света в этих системах не зависит от направления.
Внешняя синхронизация на самом деле полезна только в том случае, если часы настроены соответствующим образом. В знаменитой ракете на примере Twin Paradox, астронавт, возможно, захочет носить с собой часы, показывающие время на Земле. Для этого часы не только должны быть установлены один раз после земных часов, но и должны быть отрегулированы таким образом, чтобы они работали быстрее на гамма-факторе скорости ракеты. Эти часы после прибытия на Землю все еще работали бы синхронно с земными часами.
Общий случай: Синхронизация с движением и гравитацией
В наиболее общем случае необходимо также учитывать влияние гравитационного поля на движение часов. Затем используется синхронизация, при которой измерение времени связано с определенной точкой. Подробнее об этом можно узнать из вопроса: Как определить мировое время, если одновременность относительна?
Часы в спутниках навигационной системы GPS синхронизируются с мировым временем, работая так же быстро, как и часы, стоящие на уровне моря. Поскольку эти спутники очень хорошо синхронизированы со своим системным временем, они могут быть использованы для определения положения на Земле путем измерения времени прохождения радиосигналов
