Найти в Дзене
Блокнот математика

Синхронизация часов при вращении

Синхронизация часов при вращении, как известно, невозможна. Давайте разберемся, почему. Вообще, тема раскрыта в Википедии достаточно полно, но изложение там весьма сложное, требует квалификации. Я попробую попроще. Итак, работаем в "лабораторной" системе отсчета, которая не вращается. Есть вращающееся кольцо радиуса r и угловой скоростью ω. Каждая точка кольца имеет скорость v=ωr, а направление скорости касательное к кольцу в данной точке. Ось времени в системе отсчета, привязанной к точке кольца, наклонена: это вектор (1, ωr). В самом деле, за бесконечно малое время dt по лабораторным часам точка пройдет ωrdt единиц длины, что и дает скорость ωr. И так в каждой точке кольца. Мы хотим определить линию одновременности, то есть линию, которая одновременна сразу всем точкам кольца. Это линия, которая перпендикулярна к оси времени местной системы отсчета. Иными словами, к векторам (1, ωr) в каждой точке кольца. Вектор, ортогональный (перпендикулярный) вектору (1, ωr) в смысле метрики Минк

Синхронизация часов при вращении, как известно, невозможна. Давайте разберемся, почему. Вообще, тема раскрыта в Википедии достаточно полно, но изложение там весьма сложное, требует квалификации. Я попробую попроще.

Итак, работаем в "лабораторной" системе отсчета, которая не вращается. Есть вращающееся кольцо радиуса r и угловой скоростью ω. Каждая точка кольца имеет скорость vr, а направление скорости касательное к кольцу в данной точке.

Слева кольцо, вид сверху. Справа вид сбоку, пририсованы локальные оси времени: они наклонены по ходу вращения. Перпендикулярные к ним векторы изображены тонкими стрелками. Если рисовать линию в направлении этих стрелок, получится винт. Ось вращения и лабораторная ось времени выглядят направленными одинаково, но это издержки проекции.
Слева кольцо, вид сверху. Справа вид сбоку, пририсованы локальные оси времени: они наклонены по ходу вращения. Перпендикулярные к ним векторы изображены тонкими стрелками. Если рисовать линию в направлении этих стрелок, получится винт. Ось вращения и лабораторная ось времени выглядят направленными одинаково, но это издержки проекции.

Ось времени в системе отсчета, привязанной к точке кольца, наклонена: это вектор (1, ωr). В самом деле, за бесконечно малое время dt по лабораторным часам точка пройдет ωrdt единиц длины, что и дает скорость ωr.

И так в каждой точке кольца.

Мы хотим определить линию одновременности, то есть линию, которая одновременна сразу всем точкам кольца. Это линия, которая перпендикулярна к оси времени местной системы отсчета. Иными словами, к векторам (1, ωr) в каждой точке кольца.

Вектор, ортогональный (перпендикулярный) вектору (1, ωr) в смысле метрики Минковского есть вектор (ωr, 1). В самом деле, перемножим первые компоненты, вторые и вычтем: будет нуль.

Стало быть, этот вектор (ωr, 1) касательный к нашей линии одновременности в каждой точке кольца. Сама линия определяется как U(t, φ) = const, причем частные производные от U совпадают с компонентами вектора. Константу С можно принять за нуль, ибо она означает просто начало отсчета времени.

Функцию U несложно определить: это U(t, φ) = ωrt + φ. Получается линия одновременности t=C-φ/(ωr). Событие в точке с угловой координатой φ в момент времени C-φ/(ωr) одновременно событию в точке φ=0 при t=C.

Вот мы и синхронизировали часы. Однако координата φ является "координатой" лишь локально, или на не слишком больших интервалах. На больших она зацикливается. Так, взяв φ=2π, мы узнаем, что событие в этой точке в момент C-2π/(wr) одновременно событию в точке φ=0 в момент t=C. Но это одна и та же точка.

Получается, что определить одновременность на всем кольце нельзя в принципе, что и означает невозможность синхронизировать часы (если не допускать многозначное время).

Однако, как видно из рассуждения, невозможность задать одну для всех одновременность связана с невозможностью задать однозначную угловую координату. И никак отсюда не выкрутиться: ну, не накрывается многообразие "окружность" одной картой, не накрывается.

Ровно то же самое происходит на Земле при попытке синхронизировать движущиеся часы: пролетая один часовой пояс в час, у вас по местному времени всегда полдень, тогда как по бортовому прошли сутки. И можно потерять/приобрести день, если жить по местному времени. что блестяще раскрыто в романе "Вокруг света за 80 дней".

А как быть с физической синхронизацией?

Если пускать сигнал по окружности, то двух наблюдателей соединяют две дуги разной длины, и они равноправны. Если выбирать всегда короткую, то можно синхронизировать часы с другим, тот с третьим, а он опять с первым, и результаты будут отличаться от прямой синхронизации первого с третьим (потому что сигнал пошел по длинной дуге).

Если пускать сигнал по прямой, то те же проблемы: синхронизация через третьего "все портит".

Наконец, что, если устроить вспышку в центре? Ее свет все увидят одновременно и синхронизируют свои часы!

Одновременно в неподвижной системе отсчета, да. Но неодновременно в системе отсчета подвижного наблюдателя. Ведь в ней фонарь в центре движется и другие наблюдатели движутся (причем с другими скоростями, не такими, как у фонаря).

В общем, никак. Проблемы здесь нет, потому что при встрече двух симметрично двигавшихся наблюдателей их часы показывают одно время: парадокса не возникает.

Скоро мы рассмотрим решение Гёделя уравнения ОТО: там тоже имеет место вращение и невозможна синхронизация. Стало понятнее, почему?

Научно-популярные каналы на Дзене: путеводитель
Новости популярной науки12 марта 2022

Наука
7 млн интересуются