Предыдущая часть:
Таким образом, скорость света есть скорость времени в пространстве. Максимальная возможная скорость причинно-следственных связей между событиями в физическом мире.
И теперь попробуем разобраться, что там происходит со скоростью света, со временем и пространством.
Скорость времени и ход времени
Прежде всего, во избежание путаницы, нужно отличать скорость времени в пространстве от хода времени.
Скорость времени в пространстве равна скорости света, и луч света показывает нам, как быстро "бежит время" в пространстве. При этом луч света по видимости движется в пространстве так же, как и любая ИСО, связанная с какой-либо частицей или телом. И мы можем в какой-либо ИСО измерить расстояние, пройденное лучом света за какое-то время, и каждый раз мы получим ту же самую скорость - скорость света.
Ход времени - это, очевидно, величина некоего периодического процесса, которую мы измеряем с помощью часов (то есть какого-то другого периодического процесса). "Тик-так, тик-так". И частота этого периодического процесса и будет задавать для нас ход времени в данной системе отчета.
Согласно СТО, ход времени (то есть масштаб времени) во всех ИСО - в их собственной системе отсчета, в которой они неподвижны - также одинаковый. То есть все часы во всех неподвижных ИСО также идут одинаково, с одинаковой частотой. И если мы сравним ход часов в двух неподвижных системах отсчета, разнесенных по двум концам Вселенной, мы обнаружим, что часы в них идут одинаково, в одном темпе, в одном ритме. И это наводит на мысль, что во Вселенной все же существует некое Абсолютное время, которое "тикает" одинаково во всех концах Вселенных для любых ИСО и для любых часов. Но как задается это время? Вот вопрос!
Однако если одна ИСО движется относительно другой с некоторое скоростью V - ход времени в движущейся системе отсчета для неподвижного наблюдателя замедляется. Скорость света (скорость времени) в пространстве по-прежнему остается одинаковой для всех ИСО, для всех наблюдателей. И ход времени в собственной (неподвижной) системе отсчета для всех ИСО также остается одинаковым. Но вот ход времени в движущейся ИСО для неподвижного наблюдателя замедляется.
Все это очень странно
И вот здесь возникает еще одна большая странность. Допустим, что у нас есть космический корабль со своей лабораторией, в которой можно измерять скорость луча света, попадающего на корабль от какой-то звезды.
Если корабль неподвижен относительно звезды, то скорость света будет равна с. Если корабль движется в направлении к звезде с некоторой скоростью - скорость света, идущего навстречу кораблю, опять будет с! И если корабль будет удаляться от звезды, то скорость луча света, догоняющего корабль, снова будет равна с!
Это что-то странное, необъяснимое, что "ставит в тупик" и "вгоняет в ступор". Как же скорость луча света может оставаться одной и той же, если луч света движется в пространстве, а наш корабль то неподвижен, то движется навстречу лучу света с некоторой скоростью, то движется от луча света? Все это не укладывается в голове!
Как все это понимать?
Почему постоянство скорости света во всех ИСО - независимо от того, как движутся эти ИСО относительно друг друга - ставит нас в тупик?
Очевидно, потому, что мы представляем луч света как такую же ИСО, как источник и приемник света. И поэтому мы ожидаем, что скорость света будет зависеть от относительной скорости между источником и приемником света. Как это и происходит в механике Ньютона - по правилу сложения скоростей.
Но этого не происходит! Луч света движется так, словно бы он совершенно независим от источника и приемника света и от того, как они движутся друг относительно друга. А значит, мы должны признать, что движение луча света в пространстве принципиально отличается от движения ИСО друг относительно друга. Это какое-то другое движение, не "механическое", когда одна ИСО движется относительно другой ИСО с некоторой скоростью.
Но что же это может быть за движение? Первое, что приходит на ум - это движение волны. В самом деле, ведь волна, очевидно, отличается от любых точечных, четко локализованных в пространстве, систем отсчета. И движение волны очень сильно отличается от движения точечной системы отсчета.
И при этом скорость волны, создаваемой каким-нибудь движущимся предметом (катером или кораблем), не зависит от массы катера и от того, с какой скоростью движется катер по воде. Амплитуда и частота волны - может быть, но скорость волны определяется свойствами самой среды (то есть воды). И мы можем предположить, что при движении света в пространстве происходит нечто подобное: свет движется в некоей среде, и скорость света зависит только от свойств этой среды, а не от относительных скоростей источника и приемника света друг относительно друга.
Изменение хода времени
И вот отсюда, собственно, и возникают преобразования Лоренца и соответствующее замедление времени.
Ранее мы внимательно рассмотрели, как все это происходит в случае с фотонными часами.
Луч света для движущегося наблюдателя (для Маши, находящейся в движущемся вагоне) идет строго вертикально вниз, от потолка к полу вагона. Но для неподвижного наблюдателя (для Пети, стоящего на платформе) тот же самый луч света идет под некоторым углом. Луч света - тот же самый, он не "раздваивается". И для обоих наблюдателей момент времени, когда луч света исходит от потолка, и момент времени, когда он достигает пола - те же самые. Просто для Маши этот путь луча - строго вертикальный, а для Пети - он идет под углом.
И поскольку скорость света в обеих системах отсчета, для обоих наблюдателей, должна оставаться той же самой, а длина пути, пройденного лучом света за одинаковый промежуток времени для Маши и Пети, очевидно, разная - для разрешения этого парадокса и вводятся преобразования Лоренца, согласно которым для Пети время (ход времени) в движущейся системе отсчета замедляется.
Волновые свойства пространства-времени
А теперь попробуем осмыслить и как-то обобщить все сказанное выше. То есть попытаемся создать некое наглядное и интуитивно понятное представление для объяснения всех этих "странностей" и "парадоксов".
1). Скорость света (скорость времени) в пространстве остается одной и той же для всех ИСО. Что подразумевает, что движение света в пространстве не является обычным механическим движением, а скорее подразумевает волну, движущуюся в некоей среде независимо от каких-либо систем отчета.
2). Ход времени во всех неподвижных ИСО также остается постоянным. При этом ход времени подразумевает некий периодический процесс, в котором ход времени задается частотой некоего колебательного процесса. И при движении одной ИСО относительно другой эта частота для неподвижного наблюдателя меняется (уменьшается).
И тогда самым простым и наглядным представлением происходящего будет обычная волна.
В самом деле, скорость волны не зависит от скорости источника - она зависит от свойств самой среды. И при этом волна с одной и той же фазовой скоростью может иметь разную частоту и длину волны: если мы свяжем систему отсчета с гребнем волны (где ее амплитуда максимальна) - этот гребень будет двигаться у всех трех волн с одинаковой скоростью, хотя частота и длина волны у этих трех волн может быть разной.
То есть можно предположить, что свет движется в пространстве как волна. И это не электромагнитная волна, нет. Как мы выяснили ранее, в СТО речь идет о чем-то более глубоком и фундаментальном - о свойствах самого пространства-времени. И эту волну нужно рассматривать как волну пространства-времени. И тогда частота этой волны будет задавать масштаб времени (ход времени), длина этой волны - масштаб расстояний, а ее скорость - скорость времени в пространстве (равную скорости света).
Иначе говоря, можно предположить, что пространство-время обладает волновыми свойствами. И что именно эти волновые свойства пространства-времени задают для всех систем отчета масштаб времени и масштаб расстояния. И именно отсюда возникают все эти странности и релятивистские эффекты. И нам теперь лишь нужно понять, как возникают эти эффекты - то есть почему частота и длина этой волны пространства-времени (то есть масштаб времени и расстояния) в движущейся системе отсчета меняется для неподвижного наблюдателя.
Продолжение: