Одночасність подій. Синхронізація годинників

При проведенні різноманітних фізичних вимірювань широко користуються поняттям одночасності двох чи декількох подій. Наприклад, для визначення довжини l стержня, який розташований вздовж осі ОХ системи відліку К і рухається відносно цієї системи, необхідно одночасно, тобто в один і той же момент часу t, зафіксувати значення x₂(t) і x₁(t) координат кінців стержня:

l = | x₂(t) – x₁(t)|.

Визначення моменту часу, коли відбулася та чи інша подія (наприклад, старт чи посадка космічного корабля), зводиться до встановлення показу годинника, одночасного розглядуваній події. Це легко зробити за допомогою годинника, який знаходиться в тому ж місці, де відбувається подія. Таким чином, у кожній системі відліку повинно бути багато годинників, що знаходяться в різних точках простору. Само собою зрозуміло, що всі ці годинники повинні йти узгоджено, синхронно (співчасно): їх покази в кожний момент часу повинні бути однаковими.

Синхронність ходу годинників, які знаходяться поруч, тобто в одному й тому ж місці простору, можна перевірити за збігом їх показів у кожний довільний момент часу. Співчасність же годинників, які знаходяться у віддалених одна від одної точках А і В, можна було б перевірити подібним чином, маючи в своєму розпорядженні можливість посилати сигнали (визнаки) точного часу, які поширюються із А в В миттєво. Проте досвід показує, що такий спосіб нездійсненний, позаяк швидкість будь-якого сигналу не може перевищувати швидкість світла у вакуумі.

Можна вчинити так: перевезти годинник із точки В в А, переконатися в синхронності його ходу з годинником у точці А, і потім акуратно перевезти годинники назад у точку В. Перевірити, що привезений у точку В годинник продовжує йти однаково швидко з годинником у точці А, можна за допомогою визнаків часу, які висилаються із А в В через певні рівні проміжки часу за годинником у точці А. Проте таким способом неможливо встановити, чи не відбувся при перевезенні годинника зсув у початку відліку часу за ним, тобто чи не почав годинник, привезений у точку В, спішити чи відставати від годинника в точці А на постійну величину Dt .

Питання про співчасність ходу годинників, які знаходяться в різних точках А і В, можна розв’язати тільки шляхом однозначної угоди (означення) стосовно того, коли ці годинники слід вважати синхронними. За основу такого означення Ейнштейн узяв реальний фізичний процес – поширення світла у вакуумі. При цьому він виходив із того, що швидкість світла у вакуумі, по-перше, є максимально можливою в природі швидкістю передавання сигналів, а по-друге, однакова в усіх напрямках і в усіх інерційних системах відліку.

Нехай за годинником у точці А світловий сигнал висилається з цієї точки в момент часу t₁ і після відбиття в точці В повертається в А в момент часу t₃. Тоді, за означенням, годинник у точці В йде співчасно з годинником у точці А, якщо він іде однаково швидко і в момент приходу світлового сигналу в точку В встановлений у ній годинник показує час t₂ = (t₁ + t₃)/2 .

У спеціальній теорії відносності хід часу в різних інерційних системах відліку різний. Відповідно, проміжок часу між якими-небудь двома певними подіями відносний: він змінюється при переході від однієї інерційної системи відліку до іншої. Зокрема, відносною є одночасність двох подій, які відбуваються в різних точках простору. Події, одночасні в одній інерційній системі відліку, зовсім не одночасні в інших інерційних системах відліку, що рухаються відносно першої. В одних системах відліку перша з двох подій відбувається раніше другої, а в інших – пізніше.

Так, у прикладі, показаному на рис. 5.1, досягнення світлом спалаху точок А і В – події, одночасні в нерухомій системі відліку К. У рухомій системі відліку К` ці події не одночасні. В точку А, яка віддаляється від джерела світлового спалаху – точки О`, світло потрапляє пізніше, ніж у точку В, що наближається до О`.

Події, пов’язані причинно-наслідковим зв’язком, не можуть відбуватися одночасно ні в якій системі відліку, оскільки будь-який наслідок зумовлений якимось процесом, породженим причиною. Між тим ніякий процес (фізичний, хімічний, біологічний) не може відбуватися миттєво. Тому відносність жодною мірою не суперечить причинності. У будь-якій інерційній системі відліку подія – наслідок завжди відбувається пізніше, ніж подія, що є її причиною.