Есть такой мысленный эксперимент Эйнштейна про поезд, платформу, фотоны.
Не нашел статьи на Хабре на русском языке, которая доступным языком объясняет мысленный эксперимент с поездом и фотоном.
А это фундаментальная физика. Я полагаю, что многим, как и мне в свое время, хотелось бы понять его. Поэтому сейчас тот самый момент, чтобы понять мысленный эксперимент с поездом и фотоном. Но на этом мы не остановимся, я хочу не просто коснуться мироустройства, поэтому прочитав статью вы узнаете:
почему не бывает одновременных событий
что такое срез в блоке вселенной
почему у каждого он свой и мы буквально находимся каждый в своем уникальном срезе
что такое «СЕЙЧАС», вы поймете абсурдность этого слова
Для определения точки старта в вашем понимании попробуйте ответить себе на несколько простых вопросов. Представьте поезд, который движется слева направо мимо платформы. Есть два наблюдателя: вы, который стоите на платформе, и ваш друг внутри поезда, который подкидывает и ловит теннисный мячик. Фокус наблюдения будет на мячике. Нас интересует поведение мячика и его относительность. Предлагаю над каждым вопросом сначала поразмыслить самостоятельно, ответить на него и потом уже читать дальше.
В чем будет разница в движении мячика для вас как наблюдателей? Будет ли вообще она или вы понаблюдаете одинаковую ситуацию?
Может показаться, что никакой разницы в движении: друг подкидывает мячик, вы оба видите его движение в поезде — движение вверх‑вниз. Разница будет лишь в том, что для вас как внешнего наблюдателя мяч будет двигаться не только вверх‑вниз, но еще и в направлении поезда. Вы будете наблюдать, как поезд проезжает мимо вас и внутри уже мяч подбрасывают. Ваш друг не будет наблюдать движение поезда, так как находится внутри поезда. Это уже относительное движение, оно отличается в зависимости от наблюдателя и точки наблюдения.
Погружаемся глубже. Если ваш друг встанет ровно в центр поезда, возьмет два мяча и один бросит по направлению поезда, а другой против движения, внутри поезда. Для мысленного эксперимента представим, что он сможет одновременно и с одинаковой силой (то есть скорость будет одинаковой) бросить эти мячи в этих направлениях.
Вопрос. Одновременно ли коснутся мячи передней и задней стенки поезда?
Стройная логика будет звучать так. Если бросок происходит ровно из центра поезда, одновременно, с одинаковой силой, так же учитываем, что мячи по массе, весу и объему идентичные. Все происходит в идеальной модели ради мыслительного эксперимента. Мы понимаем, что никакие другие силы не действуют на мячи, так как они находятся внутри поезда, то есть вагон преодолевает расстояние и ветер разбивается о переднюю часть поезда. Ближе к делу. Очевидно, что да! Мячи коснутся передней и задней стенки поезда одновременно.
Вопрос. А что увидит наблюдатель с платформы? Для него изменится наблюдаемая картина?
Продолжу мои скучные попытки предсказывать ваши мысли. Вы подумаете, что мяч, который идет по ходу поезда, коснется стенки быстрее, чем тот, который идет навстречу задней стенке. (Так мне отвечали, когда я лично задавал такие вопросы). Останавливаюсь на этих моментах, дабы залатать все дыры. Во‑первых, повторю, что на мячики не воздействует внешняя среда, мячи существуют внутри поезда, ни ветер, ничто другое не соприкасается с мячами, экосистема внутри и снаружи поезда разная. И вот внутри поезда на мячи действует простая физика, как если бы поезд стоял (опустим тряску). Во‑вторых, как может в целом отличаться реальность и одновременность событий от разных точек зрения? Это же не логично. Может отличаться, и это вполне логично, если скорость света — это максимально доступная скорость в нашей вселенной.
Если первые вопросы показались вам легкими, поздравляю: вы хорошо разобрались в наблюдаемой физике. Теперь переходим к релятивистским особенностям нашей реальности.
Вопрос. А что будет, если человек теперь будет не мячики кидать в разные стороны из центра, а запускать фотоны света? Одновременно ли фотоны коснутся передней и задней стенки, испущенные из центра поезда?
Когда я спрашиваю «что будет?», я полагаю, что вы ответите мне в более широком смысле, чем просто скажете «одновременно». Потому что тут помимо одновременности произойдет нечто сложно осознаваемое. Скорость света всегда одинакова, верно же? Это значит, что ни один объект не может двигаться относительно другого быстрее, чем со скоростью света (заметка: я понимаю, что если мы поговорим про расширение Вселенной, то да — далекие галактики могут удаляться от нас со скоростью, превышающей скорость света. Но это не движение галактик сквозь пространство, а растяжение самого пространства. Эту скорость расширения определяет темная энергия, которая отвечает за ускоренное расширение. И здесь нет нарушения теории относительности — ограничение на скорость света действует только для передачи информации и движения внутри пространства, а само пространство может расширяться быстрее c).
Итак, мы понимаем, что когда фотоны будут выпущены в противоположные стороны, а каждый из них имеет скорость движения почти 300 000 км в секунду, это значит, что относительно друг друга они будут двигаться со скоростью 300 000 км плюс 300 000 км? Так же считают обычно относительное движение.
На примере машин: если две машины из одной точки выезжают в противоположные стороны со скоростью 50 км в час, то удаляются они друг от друга со скоростью 100 км в час. То есть спустя час расстояние между ними должно быть равно 100 км. Именно так все и работает.
И с фотонами то же самое: спустя секунду между двумя фотонами, которые летят в разные стороны, расстояние будет равно 600 000 км. Значит ли это, что совокупная скорость удаления этих частиц друг от друга была равна 600 000 км в секунду? Ведь на двоих они преодолели такое расстояние. Как и в случае с машинами.
Открываем дверь в неизвестность!
Мы живем в пространстве‑времени, переплетение этих измерений оказалось достаточно гибким и взаимокомпенсирующим. Чтобы сохранить скорость света неизменной, пространство подстраивается под события таким образом, чтобы нивелировать разногласия. Понимаю, я очень сильно упрощаю пояснения, однако делаю это для разъяснения удивительных особенностей нашей реальности для абсолютного большинства. Потому что мой опыт подсказывает мне, что очень мало людей понимают нашу вселенную даже на уровне метаконструкций.
Вернемся к фотонам в поезде: одновременно ли фотоны коснутся передней и задней стенки, испущенные из центра поезда? Уточнение — для вашего друга, который внутри поезда.
Краткий ответ: да! Он понаблюдал бы одновременное касание фотонов передней и задней части. Точнее, он делал бы это с помощью датчиков.
«Все очевидно, автор!» — скажете вы, и я с вами согласен. Остался последний вопрос!
Одновременно ли фотоны коснутся передней и задней стенки, испущенные из центра поезда? Уточнение — для вас как наблюдателя с платформы.
Подумайте минутку.
⏳
Время вышло, мистер Поттер!
Вот теперь можете проговорить тот простой ответ, который был озвучен выше:
«Мяч, который идет по ходу поезда, коснется стенки быстрее, чем тот, который идет навстречу задней стенке».
Осталось заменить слово «мяч» на «фотон».
«Фотон, который идет по ходу поезда, коснется стенки быстрее, чем тот, который идет навстречу задней стенке».
И теперь пояснения, почему так работает. Скорость света преодолеть нельзя, она всегда неизменна. Для полного понимания объясню через мячик и поезд.
Поезд едет, например, со скоростью 100 км в час. Мяч для простоты летит со скоростью 10 км в час. Соответственно для наблюдателя с платформы тот мяч, который летит в сторону передней части поезда, будет иметь скорость свою 10 км плюс скорость поезда 100 км — итого 110 км в час. А противоположный будет иметь скорость для наблюдателя с платформы 100 − 10, так как летит против скорости поезда, то есть 90 км в час.
И получается, что именно этот факт позволяет сохранить одновременность событий. Для вашего друга в поезде все будет одновременно, если мячи будут двигаться с его точки зрения с одной скоростью. Для вас же как наблюдателя снаружи, как мы описали выше, скорость движения в пространстве учитывает еще и движение поезда, что очевидно, и одновременность сохраняется.
ФОТОНЫ! Точно, мы же говорили про фотоны.
Получается, для того чтобы сохранить одновременность событий для вас как наблюдателя с платформы, скорость фотона, летящего в сторону движения поезда, должна приплюсовать к скорости света и стать 300 000 км/с плюс 100 км/час. А это невозможно. Вывод: для вас сначала стенки поезда коснется тот фотон, который двигается против движения поезда (поезд направляется к нему навстречу), а через микромгновение фотон, который направляется по ходу движения, тоже коснется стенки поезда. Однако одновременность сломалась.
Меня захватывает такой вопрос: каким образом должна быть устроена вселенная, в которой такое возможно? То есть внутри поезда событие уже произошло, а снаружи еще нет. Если бы в это мгновение рассинхрон, хоть оно и колоссально бесконечно маленькое, однако рассинхрон существует. Если бы в это мгновение мы остановили пространство‑время, заморозили бы его во всех направлениях, то мы бы увидели нечто странное. Например, мы бы решили посмотреть на этот мир глазами того, кто в поезде, после чего плавно смещали бы угол обзора на ту реальность, которую наблюдает эту же ситуацию с платформы. Представляйте это как линию таймлайна на видео, только она смещает не время видео, а угол обзора и создается эффект параллакса.
Однако, оказавшись на месте обзора с точки зрения наблюдателя, мы уже замечаем рассинхрон с предыдущей точкой обзора. Получается, мы не можем зафиксировать вселенную как кусок льда. Мы можем сделать это только в рамках одного наблюдателя, ведь каждый имеет свой срез вселенной и свой момент «сейчас».
Попробуем окунуться поглубже, надеюсь, тут еще кто‑то остался. Получается логичный вывод, что момента «сейчас» не существует. У каждого этот момент сейчас разный, мало того — разный он колоссально разный в зависимости от угла просмотра. Ведь рассинхрон во временных событиях происходит даже на таких маленьких расстояниях, как платформа и пара метров до поезда. У каждого время идет по‑своему. У человека в поезде время показало бы 12:00, к примеру, а вы на его часах увидели бы другое время, точнее что‑то около 11:59.999999999999, понимаете о чем я?
А если бы он захотел посмотреть на часы человека из другой галактики, то за счет ограничения скорости света он смог бы обнаружить, что сейчас у них другой день — прошлый понедельник. И этот момент для всех считается моментом настоящего. В галактике Андромеда маловероятно, что в это мгновение кто‑либо испытывает чувство, что он живет в прошлом.
И что же за неуловимая нить, которую каждый из нас чувствует как момент «СЕЙЧАС»? Почему мы все так уверенны в этом моменте?
Заключение
Если вам интересно то, что я доношу своими словами. Если вы удивляетесь мироустройству вместе со мной — поддержите меня, и я буду публиковаться чаще.
Вот мой канал в ТГ (объясняю сложные вещи простым языком): https://t.me/+uH8Hm6kPWhU2OTc6
ТГ для связи: @karim_product