Przejdź do treściPrzejdź do informacji o dostępnościMenu skrótów klawiszowych
Logo OpenStax
Fizyka dla szkół wyższych. Tom 3

5.2 Względność jednoczesności zdarzeń

Fizyka dla szkół wyższych. Tom 35.2 Względność jednoczesności zdarzeń

Cel dydaktyczny

W tym podrozdziale nauczysz się:
  • na podstawie postulatów Einsteina dowodzić, że dwa zdarzenia zachodzące jednocześnie w jednym układzie odniesienia nie muszą być jednoczesne w innym;
  • opisywać, w jaki sposób na jednoczesność zdarzeń może wpływać ruch względny dwóch obserwatorów.

Czy czas płynie inaczej dla różnych obserwatorów? Intuicja podpowiada nam, że czas, w jakim wykonana jest dana czynność, np. czas jednego okrążenia w biegu (Ilustracja 5.2), powinien być taki sam dla każdego obserwatora. Na co dzień niezgodności dotyczące upływającego czasu związane są zazwyczaj z dokładnością, z jaką dokonuje się pomiaru. Nikt nie będzie się kłócił, że czas biegnie inaczej dla sprintera, a inaczej dla zegara trzymanego przez pozostającego w spoczynku obserwatora. Jednak gdy dokładniej przyjrzymy się temu, jak mierzony jest czas, zrozumiemy, że jego upływ zależy od względnego ruchu obserwatora i mierzonego zdarzenia.

Zdjęcie przedstawia zawodnika biegu przekraczającego linię mety z czasem 43:06
Ilustracja 5.2 Czas pokonania jednego okrążenia jest taki sam dla wszystkich obserwatorów, ale w przypadku prędkości relatywistycznych upływ czasu zależy od ruchu obserwatora względem miejsca zdarzenia. Źródło: „Jason Edward Scott Bain”/Flickr

Rozważmy, w jaki sposób mierzony jest upływ czasu. Jeżeli zdecydujemy się na użycie stopera, skąd będziemy wiedzieć, kiedy dokładnie należy go włączyć i wyłączyć? Jedną z metod jest obserwacja światła związanego ze zdarzeniem. Najprostszym przykładem jest zaobserwowanie zmiany światła docierającego z sygnalizacji świetlnej, np. z zielonego na czerwone w trakcie jazdy samochodem i spowodowane tym naciśnięcie pedału hamulca. Zbieżność w czasie jest jeszcze lepsza, gdy wykluczymy czynnik ludzki oraz inne czynniki opóźniające i skorzystamy z elektronicznego detektora.

Teraz załóżmy, że dwóch obserwatorów używa stopera, żeby zmierzyć długość interwałów czasowych pomiędzy kolejnymi błyskami światła, którego źródła znajdują się w pewnej odległości od siebie (Ilustracja 5.3). Obserwator A siedzi dokładnie na środku wagonu kolejowego, który przejeżdża przez peron. Znajdują się na nim dwie lampy błyskowe, które umieszczone są w odległości równej długości wagonu. Impuls świetlny jest emitowany z obu lamp kiedy przód wagonu dotrze do drugiego źródła światła i porusza się w kierunku obserwatora A – sytuacja ta przedstawiona jest w części (a) omawianej ilustracji. Wagon porusza się z dużą prędkością w kierunku wyznaczonym przez wektor prędkości widoczny na rysunku. Stojący na peronie obserwator B widzi przejeżdżający wagon i obserwuje oba impulsy świetlne w tym samym czasie, jak pokazano w części (c). Obserwator B mierzy odległości od źródła każdego z impulsów, stwierdza, że są sobie równe, i z tego wnioskuje, że zostały wyemitowane w tym samym czasie.

W przypadku obserwatora A ze względu na ruch wagonu impulsy rejestrowane są w innym czasie (pierwszy będzie impuls z prawego źródła), co przedstawione jest w części (b). Podobnie jak drugi obserwator, A mierzy odległości od źródła światła w swoim układzie odniesienia, stwierdza, że są sobie równe, i na tej podstawie uznaje, że impulsy nie były równocześnie emitowane.

Dwaj obserwatorzy dochodzą do sprzecznych wniosków co do jednoczesności emisji obu impulsów. Oba układy odniesienia są słuszne, podobnie jak wyciągnięte wnioski. To, czy zdarzenia zachodzą w tym samym czasie, zależy od ruchu obserwatora względem źródła zdarzenia.

Ilustracja przedstawia wagon poruszający się w prawo. W środku wagonu znajduje się obserwator A, a na jego końcach mrugające lampy. Obserwator B stoi nieruchomy na ziemi poza wagonem. Na obrazku a obserwator A znajduje się na równi z obserwatorem B a lampy wypuszczają sygnał świetlny. Na obrazku b wagon przesunął się w prawo tak, że koniec wagonu jest wciąż przed obserwatorem B. Sygnał z lewej lampy znajduje się teraz między końcem wagonu a obserwatorem B. Sygnał z lampy na czole wagonu jest teraz na równi z obserwatorem A. Na obrazku c wagon znów przesunął się w prawo, a jego koniec jest wciąż przed obserwatorem B. Oba sygnały świetlne są teraz na równi z obserwatorem B.
Ilustracja 5.3 (a) Dwa impulsy świetlne emitowane w tym samym czasie względem obserwatora B. (b) Ze względu na ruch wagonu obserwatora A jako pierwszy obserwuje on impuls wyemitowany przez prawą lampę, z czego wnioskuje, że emisja nie była jednoczesna. (c) Impulsy docierają równocześnie do obserwatora B.

Za pomocą tego przykładu pokazaliśmy, że względna prędkość między obserwatorami wpływa na postrzeganie dwóch zdarzeń zachodzących w punktach oddalonych od siebie jako jednoczesnych lub nie.

Taki eksperyment myślowy (z niemieckiego Gedankenexperiment) pokazuje, jak teoria względności wymusza zmianę pozornie oczywistych wniosków. Słuszność eksperymentów myślowych może zostać udowodniona jedynie obserwacjami, a wnioski z teorii względności Einsteina zostały wielokrotnie potwierdzone różnymi doświadczeniami.

Cytowanie i udostępnianie

Ten podręcznik nie może być wykorzystywany do trenowania sztucznej inteligencji ani do przetwarzania przez systemy sztucznej inteligencji bez zgody OpenStax lub OpenStax Poland.

Chcesz zacytować, udostępnić albo zmodyfikować treść tej książki? Została ona wydana na licencji Uznanie autorstwa (CC BY) , która wymaga od Ciebie uznania autorstwa OpenStax.

Cytowanie i udostępnienia
  • Jeśli rozpowszechniasz tę książkę w formie drukowanej, umieść na każdej jej kartce informację:
    Treści dostępne za darmo na https://openstax.org/books/fizyka-dla-szk%C3%B3%C5%82-wy%C5%BCszych-tom-3/pages/1-wstep
  • Jeśli rozpowszechniasz całą książkę lub jej fragment w formacie cyfrowym, na każdym widoku strony umieść informację:
    Treści dostępne za darmo na https://openstax.org/books/fizyka-dla-szk%C3%B3%C5%82-wy%C5%BCszych-tom-3/pages/1-wstep
Cytowanie

© 21 wrz 2022 OpenStax. Treść książki została wytworzona przez OpenStax na licencji Uznanie autorstwa (CC BY) . Nazwa OpenStax, logo OpenStax, okładki OpenStax, nazwa OpenStax CNX oraz OpenStax CNX logo nie podlegają licencji Creative Commons i wykorzystanie ich jest dozwolone wyłącznie na mocy uprzedniego pisemnego upoważnienia przez Rice University.