Давайте-ка проясним вопрос про измерение времени. Ведь часы с кукушкой (с гирькой) не работают в невесомости и работают неправильно при другой гравитации или испытывая ускорения. На корабле, скажем, часы с гирькой плохая идея, и дело не в опасности гирьки при качке. И в лифте тоже, хотя с лифтом не все ясно: ускорение в среднем нуль, но часы в среднем — правильно ходят?
О чем же идёт речь, когда говорят о замедлении времени движущихся систем отсчёта?
Оглавление рубрики "Гравитация, Вселенная и всё остальное"
Можно начать с того, что период оборота стрелки часов зависит от ускорения свободного падения g: строго говоря, часы будут врать даже на высоких этажах или в глубоких подвалах, или будучи наклонными, например. Но это частности. Есть более важные соображения.
Давайте определим понятие времени несколько наивно: время — это то, что отмеряют правильные часы. Правильные — это исправные, работающие в тех условиях, для которых разработаны. Часы могут иметь разное устройство, но если они ходят правильно, то они все показывают одно время, которое тем корректно определено.
Да, часы могут остановиться, спешить или отставать в иных условиях, при севшей батарейке или если шестеренки заржавели. Но мы про правильные часы: условия какие надо, батарейки заряжены, механизм нов и смазан.
Часы с кукушкой встанут на МКС, и этот факт остается таковым в любой системе отсчета! На Луне они будут тикать медленнее, а на Юпитере быстрее, и тоже с любой точки зрения. Поэтому мы легко можем определить, что часы неправильные (в смысле условий, отличных от земных).
Хорошо, пусть у нас есть набор часов разного типа, и все правильные. Они все показывают одно время (что и придает смысл самому этому понятию). Пусть они движутся, равномерно прямолинейно...
Всё равно, время показывают одинаково! В противном случае либо страдает принцип относительности Галилея: часы в курсе, что движутся?? Или, еще хуже, они в курсе, что наблюдатель движется??! Либо не определено время, ведь часы показывают разное.
Хорошо, добавим в комплект фотонные часы. Это два зеркала, между которыми мечется фотон. Расстояние между зеркалами 30см, так что за секунду имеем миллиард отскоков-тиков.
Но это если часы в покое. Если они движутся и мы принимаем постулат о постоянстве скорости света, то ситуация меняется. Скорость фотона в любой системе отсчета с, но если часы движутся, то фотон летит под углом к зеркалу. По теореме Пифагора, он пролетит больше, чем 30см с той же скоростью, и потратит больше времени, и часы тикают замедленно: миллиард тиков теперь будет на за секунду, а за две, скажем.
Но ведь часы как были, так и остались правильными! Расстояние между зеркалами 30см, его не меняли! Гравитация не влияет. Ничего не влияет! Просто мы смотрим на часы, и всё. Но они тикают замедленно, если мы движемся (или они относительно нас). А летящий с той же скоростью наблюдатель ничего не замечает, его часы ходят правильно.
Все остальные часы тоже замедляются с точки зрения движущегося наблюдателя, мы это уже обсудили: все же показывают одинаково. То есть, по нашему определению замедляется само время.
Пусть каждый прибор на отдельной ракете, и это разные системы отсчета. Но летят в одном направлении с одной скоростью. А их исправные часы для покоящейся системы идут по-разному! И мало ли какой у часов механизм? Может, еще и от ориентации прибора показания зависят?!
Часами могут служить, например, распад радиоактивных атомов, старение организма, гниение/скисание/прочая порча продуктов. Все это будет протекать медленнее с точки зрения наблюдателя в покое, если движется. "На самом деле" двигаться может наблюдатель, движение же относительно. Причем замедление одно и то же для всех процессов.
Вот и всё. Два постулата, и замедление времени логически неизбежно. А как вы там представляете себе время, из чего оно состоит и с чем связано — неважно!
Вопрос: не покоится ли этот колосс на глиняных ногах двух постулатов? А вдруг они окажутся неверны?
Не окажутся. Дело даже не в том, что эксперименты были точны, многочисленны и хорошо поставлены хорошо знающими свое дело людьми. Дело в том, что вариантов построить непротиворечивую теорию не так много. Раз всё сводится к геометрии, посмотрим с этой точки зрения: сколько есть разных геометрий?
Не так много. Евклидова, псевдоевклидова с разными мнимыми радиусами (это скорость с) и одной из двух сигнатур (-+++ или --++), ещё один-два варианта... Часть из вариантов исключается сразу, не описывая никакой разумной физики. Остается, если упрощать, два: евклидова геометрия и псевдоевклидова -+++. Каждая дает набор предсказаний, которые должны наблюдаться в экспериментах.
Эксперименты не обязательно "прямые": нет нужды непременно смотреть в телескоп на часы на корме ракеты. Просто всё множество опытов даёт либо один и тот же исход для двух теорий, либо разные. Те, где они разные, всегда свидетельствует в пользу теории относительности.
Про замедление времени в гравитационном поле расскажу в другой раз! Там тоже все довольно просто.