Путешествует ли свет быстрее, если стрелять в направлении вращения Земли, а не против него?

Это известно как относительность одновременности и рассматривается в статье Эйнштейна по специальной теории относительности 1905 года. Суть проблемы в том, что свет распространяется с одной и той же скоростью в плоском пространстве-времени, несмотря ни на что, и выглядит так в любой инерциальной системе отсчета.

На самом деле ваша ситуация по сути идентична задаче с вагоном.

Во-первых, представьте, что вы находитесь внутри движущегося вагона, прямо в центре, и вы выпускаете два луча света в обоих направлениях. Инвариантность скорости света в вашей системе отсчета означает, что они одновременно ударятся о стены поезда. Это эквивалентно вашей движущейся Земле и лазерному излучателю.

Теперь представьте, что другой человек сидит на станции и наблюдает за событиями, происходящими в поезде, когда он движется. Инвариантность скорости света в их системе отсчета означает, что сначала он ударит сзади, а потом спереди.

В контексте вашего примера это эквивалентно тому, что кто-то в космосе наблюдает за лазерами, когда Земля вращается перед ними.

Обе системы отсчета действительны. Инвариантность скорости света имеет несколько следствий в специальной теории относительности, таких как замедление времени (два разных наблюдателя испытывают время с разной скоростью), сокращение длины и расширение массы. Это действительно невероятные вещи.

Вы можете найти разницу в одновременности, используя преобразования Лоренца.

Эксперимент был проведен Ипполитом Физо в 1851 году и повторен с большей точностью Альбертом А. Майкельсоном и Эдвардом У. Морли в 1886 году.
Результат формализован Альбертом Эйнштейном как одна из двух аксиом (постулатов) специальной теории относительности:
Википедия → Специальная теория относительности
https ://en.wikipedia.org/wiki/Специальная_релятивность

1. Законы физики инвариантны (т.е. идентичны) во всех инерциальных системах (неускоряющих системах отсчета).
2. Скорость света в вакууме одинакова для всех наблюдателей, независимо от движения источника света.

В вашем эксперименте есть асимметрия, которая возникает из-за того, что земная поверхность вращается, а не просто движется линейно . Специальная теория относительности говорит, что все линейные движения эквивалентны, но это не так для вращательного движения.

В частности, предположим, что расстояние до ваших зеркал равно окружности Земли. Тогда оба зеркала (и лазер) находятся в одном месте, поэтому проверить, приходят ли лучи одновременно, тривиально. И не придут: луч, пущенный на запад, прилетит раньше. Это называется эффектом Саньяка , и он был обнаружен экспериментально в меньших масштабах. Это не нарушает специальную теорию относительности, это ее предсказание.

Но если вы проведете свой эксперимент, как указано, и заставите механические объекты двигаться обратно по пути света к источнику, вы обнаружите, что они всегда прибывают в одно и то же время. Причина этого довольно тонкая: область пространства-времени, в которой происходит ваш эксперимент, имеет форму листа бумаги, свернутого в трубку. Трубку можно развернуть и сплющить, не растягивая и не разрывая ее, и тогда она будет иметь все симметрии фонового пространства-времени, поэтому ваш эксперимент эквивалентен эксперименту с линейным движением, и он не сможет обнаружить его из-за принципа относительности.

Эксперимент Саньяка проводится в области пространства-времени, которая больше похожа на трубу, которая соединена со всех сторон (например, трубка из бумажного полотенца). Его нельзя развернуть, не разрезав, а разрезание нарушит эксперимент. Таким образом, больше нет простого аргумента, что он не может обнаружить вращение; а на самом деле может.

Многие другие изменения в вашем эксперименте «нарушат сглаживание» и сделают видимой асимметрию. Например, если ваши пешеходы направились прямо на север, остановившись у полюса, западный прибудет раньше восточного. Если бы они вернулись в исходную точку, но по другому пути (например, на другой широте), этого также должно быть достаточно, чтобы нарушить симметрию, но я не уверен, какова будет разница во времени прибытия.

Между прочим, в ньютоновской вселенной, если вы замените лучи света лучами ньютоновских частиц и сделаете разумные предположения, ни один из этих экспериментов не увидит разницы между востоком и западом. Ньютоновская физика на самом деле более релятивистская, чем специальная теория относительности, когда речь идет о вращении. Вращающаяся система Ньютона подобна системе инерции с фиктивными силами, и фиктивные силы не влияют на эти эксперименты, пока объекты вынуждены двигаться по предписанным им траекториям. В СТО вращающаяся система отсчета имеет «наклонные световые конусы», которые нельзя смоделировать с помощью обычной силы. Они ведут себя как гравитационные силы, но гравитация гораздо больше отличается от других сил в теории относительности, чем в ньютоновской физике.

Это очень старый вопрос, к которому уже обращались, см. эксперимент Майклсона и Морли. Даже если бы была разница, то, что вы предлагаете, не сработало бы. Кроме того, использование вращения Земли не было бы необходимо, учитывая, что Земля вращается вокруг Солнца намного быстрее.

Ваш вопрос не имеет смысла, пока вы не объясните, как вы будете синхронизировать часы в точках А и В, которые вам потребуются для измерения времени пролета от лазерного источника до А и В. вы все равно можете извлечь уроки из тех времен полета. Единственное физическое измерение, которое вы можете провести, т. е. измерение, свободное от произвольных соглашений, — это время прохождения туда и обратно от источника к зеркалу А обратно к источнику, с одной стороны, и от источника к зеркалу В обратно к источнику, с другой стороны. Затем вы можете сравнить эти два раза. Как указывалось в других ответах, вы обнаружите, что они равны, если лазерный источник стоит точно посередине между зеркалами A и B, что на практике представляет собой большое расстояние. Таким образом, вы не найдете их равными. Однако, если вы зафиксируете разницу между этими временами, то обнаружите, что она не изменяется ни в течение дня, ни в течение года. Опять же, при условии, что ваша экспериментальная установка невосприимчива к любому эффекту, который может изменить эти два расстояния по-разному (тепловое расширение, сейсмический шум и т. д.), что требует некоторой осторожности.