Специальная теория относительности рассматривает одинаковую скорость света в вакууме для инерциальных наблюдателей и согласованность физических законов. Выражение «время, ощущаемое фотоном» требует осторожности даже как аналогия: инерциальную систему отсчёта, покоящуюся вместе с фотоном, определить нельзя.
При сравнении времени точнее сначала описать процедуру, а не спрашивать, какие часы медленнее. Просмотр передаваемого издалека изображения, координатное время с поправкой на прохождение сигнала и сопоставление вновь встретившихся часов — разные вопросы. Без процедуры даже одинаковый термин «замедление времени» создаёт кажущееся противоречие. Числа ниже — мысленные эксперименты равномерного движения без гравитации и других эффектов. Для реальных устройств и путешествий пропущенные условия нужно вернуть.
1. Условия сравнения времени
Для сравнения движущихся и неподвижных часов укажите измеряющего и систему отсчёта. Световые часы объясняют замедление через путь света и постоянство его скорости вместе. Одна задержка прихода далёкого света не объясняет всё релятивистское замедление времени.
2. Когда каждый считает другие часы медленными
Инерциальные наблюдатели при постоянной относительной скорости могут каждый считать часы другого медленными. Для повторной встречи и накопленного времени нужно рассмотреть путь отправления, разворота и встречи целиком. Одна формула равномерного движения для всего путешествия упускает условия.
3. Различайте скорости света и вещества
Достижение телом с массой скорости света в вакууме и распространение света в среде — разные проблемы. Снижение скорости в среде не меняет инвариантную вакуумную скорость. Сначала обозначайте систему отсчёта, путь и процедуру измерения.
4. Что сравнивается в световых часах
Световые часы — мысленное устройство, отсчитывающее время по проходу света между двумя зеркалами туда и обратно. В системе часов свет идёт прямо, в другой зеркала движутся вбок и путь кажется длиннее. Условие одинаковой скорости света в вакууме в обеих системах задаёт иное соотношение соответствующих интервалов. Часы не ломаются, а свет не устаёт и не замедляется.
Пусть относительная скорость равна 0.6 вакуумной скорости света. При идеальном равномерном движении коэффициент замедления равен 1, делённой на квадратный корень из 1 минус квадрат 0.6, то есть 1.25 (1 / √(1 − 0.6²) = 1.25). Между двумя событиями, для которых движущиеся часы на своём месте отсчитали 4 единицы, координатный интервал сравниваемой системы равен 5. Это иллюстративные допущения, а не расписание полёта с учётом ускорений и гравитации реального корабля.
Важно, какие два события сравниваются. Различайте время одних часов между событиями на их месте и время, приписанное синхронизированными часами в разных местах. При разных системах отсчёта участвует определение одновременности. Поэтому одного взгляда в телескоп на далёкие часы недостаточно для всех сравнений.
Без поправки на задержку света изображения удаляющихся и приближающихся часов могут меняться по-разному. Это наблюдения с распространением сигналов и эффектом Доплера. Объясняя релятивистскую связь времён, укажите обработку времени прохождения света. Начните с различия «выглядит» и «измерено в системе отсчёта».
5. Путь туда и обратно в опыте с близнецами
Два равномерно проходящих друг мимо друга наблюдателя, каждый называющий другие часы медленными, не противоречат логике. Они по-разному объединяют удалённые события как одновременные. Разделение в одной точке и повторная встреча с часами рядом включают дополнительные условия: кто и когда менял направление и какие пути часы прошли в пространстве-времени.
Можно упростить полёт, пренебречь разницей гравитации Земли и путешественника и сравнить равномерные участки. Для возвращения путешественник меняет движение, поэтому весь процесс не описать одной инерциальной системой. Наличие ускорения — важное отличие, но фраза о повреждающем часы ускорении упускает смысл. Сравнивается накопленное собственное время на каждом пути.
В примере скорости 0.6 при суммарном земном времени равномерных участков 10 часы путешественника на этих участках суммарно покажут 8. Разворот идеализирован как пренебрежимо короткий. Реальное путешествие требует учесть ускорения, гравитацию и детали пути. Числа поясняют идею, а не возможности уже осуществлённой миссии.
Сначала отметьте события отправления, разворота и встречи. Затем укажите систему описания каждого участка и фактическое время часов. Проверьте, сравниваются ли только изображения связи в дороге или и накопленные времена при встрече: так понятнее разные числа разных объяснений.
6. Ошибки о взгляде фотона и свете в среде
Ускорение массивного тела до вакуумной скорости света отличается от света, распространяющегося так изначально. Преобразования между инерциальными системами нельзя без изменений применить к покоящемуся вместе со светом наблюдателю. Представление «Вселенной глазами фотона» как строгого опыта наблюдателя проблематично. Даже аналогия должна сопровождаться оговоркой: такая система отсчёта не определена.
Описание собственного времени вдоль пути фотона и сознательное ощущение им времени — совершенно разные вопросы. Перенос математических свойств величины в человеческий опыт легко вводит несуществующие часы и наблюдателя. Можно объяснить измеряемые наблюдателями связи скорости света, энергии и сигналов. Увлекательная формулировка не делает точку зрения без процедуры измерения физическим фактом.
Меньшая скорость распространения в воде или стекле также не меняет инвариантную скорость вакуума. Добавлены условия взаимодействия света и среды. Поэтому частицы быстрее света в среде не означают преодоления вакуумного светового предела. Сначала укажите, какие скорости и относительно чего сравниваются.
Итоговая проверка — различать систему отсчёта, два события, часы и сигнал. Без этих четырёх пунктов числа и аналогии трудно понять. По ситуации отдельно объясняйте эффекты специальной теории для равномерного движения и общей теории с гравитацией. Процедура наблюдения превращает туманное «время замедляется» в сравнимое физическое утверждение.