Синхронизация часов с помощью материальных волн

Я не физик по образованию, но я достаточно изучил специальную теорию относительности, чтобы понять, почему одновременность является относительной концепцией и почему, если вы синхронизируете часы в одной инерциальной системе отсчета, наблюдатель в другой инерциальной системе не согласится с тем, что они синхронизированы . Обычный пример из учебника таков: рассмотрим два часа, расположенных на противоположных концах поезда, движущегося с постоянной скоростью. В середине поезда есть источник света. Он посылает два световых импульса к двум часам одновременно, и часы начинают идти, когда они получают эти световые импульсы. Наблюдатель в поезде говорит, что часы синхронизированы, потому что для него световые импульсы прошли равные расстояния. Но наблюдатель на платформе не согласен, потому что для него световые импульсы прошли неодинаковые расстояния.

Этот пример заставляет меня задаться вопросом, не возникает ли эта особенность из-за того, что мы использовали световую волну, которая не требует среды для движения и, следовательно, должна иметь постоянную скорость для всех инерциальных наблюдателей. Что, если бы вместо этого мы использовали какую-то материальную волну, скажем, звук?

Скажем, есть длинная горизонтальная трубка, закрытая с обоих концов и наполненная водой. Два часа расположены на противоположных концах трубы. Звуковая волна генерируется в центре трубки, которая проходит через воду к обоим концам, и часы начинают идти, как только они получают звуковую волну. Вся установка находится внутри движущегося поезда. Наблюдатель в поезде, как и прежде, скажет, что часы синхронизированы.

Но как теперь наблюдатель на платформе может не согласиться с тем, что часы синхронизированы?

Наблюдатель в поезде по-прежнему говорит, что двое часов синхронизированы, т. е. находятся точно в том же состоянии, что и часы, синхронизированные светом. Какая разница между "нет разницы" для наблюдателя на платформе?
@CuriousOne Я не понимаю вашего вопроса (тогда, может быть, вы не получили мой: D). Я хочу сказать вот что: теория относительности говорит, что наблюдатель на платформе должен обнаружить, что часы не синхронизированы, независимо от того, какая процедура была выполнена. Верно ли это, если бы для синхронизации часов в поезде вместо световой волны использовалась какая-то материальная волна?
Наблюдатель в поезде не знает, что поезд движется относительно платформы, поэтому синхронизация для него всегда означает одно и то же. Если вы поставите два набора часов рядом друг с другом, один из которых будет синхронизирован со светом, а другой будет синхронизирован каким-либо другим методом (каким бы ни был метод!), две пары часов будут показывать точно одинаковое время. Теперь, если вы посмотрите на два часа, стоящих в одном и том же положении, и оба из которых показывают точно одно и то же время, они покажут одно и то же время для каждого наблюдателя.
@CuriousOne Я не сравниваю два часа, расположенных рядом друг с другом. Меня не очень интересуют выводы наблюдателя в поезде. Я делаю следующее: во-первых, я сравниваю два различных метода синхронизации, один из которых представляет собой стандартный учебник по использованию световых волн, а другой — использование материальных волн. Во-вторых, меня интересует только вывод наблюдателя о Платформа. Кажется, он делает вывод, что часы не синхронизируются, когда используется световая волна. Мой вопрос в том, сделает ли он то же самое, когда используется звуковая волна?
Вы можете разместить две разные настройки синхронизации рядом друг с другом. Оба они ведут к часам, которые показывают точно одно и то же время. Сторонний наблюдатель не может отличить одни часы, которые показывают 13:00, от других, которые показывают 13:00, независимо от того, как они были сделаны, чтобы показывать 13:00.
@CuriousOne Я проголосовал за ваш комментарий. Ваш ответ кажется идентичным ответу WillO.

Ответы (2)

Вывод будет таким же, но получить количественные результаты будет труднее.

Почему вывод будет таким же :

Следующее основано на предположении, что скорость звука в раме поезда, как известно, ниже скорости света. Теперь представьте, что наблюдатель поезда, находящийся в середине поезда, одновременно излучает световые и звуковые волны. Он видит, как прямая и обратная волны обоих видов достигают соответствующих часов одновременно. Но звуковые волны, очевидно, прибудут после световых волн в каждом месте. Наблюдатель на платформе также должен видеть, как звуковые волны достигают концов поезда после соответствующих световых волн, что бы он ни наблюдал. Но мы уже знаем, что обратная световая волна достигает заднего конца раньше, чем передняя достигает переднего конца. Следовательно, то же самое должно быть верно для звуковых волн, и наблюдатель на платформе должен видеть часы поезда в разное время.

Почему количественные результаты будет труднее получить :

В то время как наблюдаемые световые волны от платформы распространяются с одинаковой скоростью в обоих направлениях, и тогда время распространения легко вычислить, звуковые волны, направленные вперед и назад, будут иметь разные скорости, которые мы не имеем ни малейшего понятия, как рассчитать. правильно. Последнее утверждение следует из того факта, что добавление другой скорости к скорости светового сигнала по-прежнему дает первоначальную скорость светового сигнала. Простое галилеевское сложение скоростей несовместимо с этим, и вывести (нелинейный) релятивистский закон сложения скоростей с нуля, без преобразований Лоренца, по меньшей мере, сложно.

Скорость звука в воде постоянна (зависит только от ее термодинамического состояния). Почему тогда вам трудно вычислить скорость звука относительно наблюдателя на платформе?
Проголосовал за ваш ответ, но у меня есть сомнения, высказанные выше. Кроме того, если с точки зрения синхронизации поведение звука идентично поведению света, не означает ли это, что скорость звука также должна быть одинаковой для всех инерциальных наблюдателей?
Таким образом, образ, который вас беспокоит, — это наблюдатели, движущиеся в среде, распространяющей как световые, так и звуковые волны. В этом случае любые волны имели бы одинаковую скорость относительно покоящейся среды . Если платформа покоится в среде, поезд должен видеть движущуюся среду и должен быть в состоянии обнаружить этот поток.
Если это так, то скорость звука относительно поезда не будет такой же, как для платформы, потому что она будет складываться из скорости звука в покоящейся среде плюс движение поезда относительно среды. Это то, что проверил эксперимент Майкельсона-Морли, и был сделан вывод о том, что никакая движущаяся среда не может быть обнаружена в том, что касается света.
Альтернативой является то, что поезд несет с собой среду для распространения звука, будь то воздух в вагоне поезда, вода в трубе и т. д. Но в этом случае среда покоится относительно поезда и движется относительно чего-либо относительно движение относительно поезда, в том числе платформы. Тогда звуковая волна движется относительно поезда и платформы, и к ней должны применяться те же правила, что и к любому другому объекту, движущемуся относительно поезда и платформы. И нам нужно было бы сначала выяснить, как складываются досветовые скорости, если предположить, что скорость света остается одинаковой для всех наблюдателей.
Спасибо. Вы можете настроить извилистый путь для света, чтобы и свет, и звук одновременно достигали часов (см. ответ WillO), при этом вся установка находилась внутри поезда. Точно так же, как наблюдатель на платформе мог бы сделать вывод, глядя на часы, что скорость света не зависит от движения источника, не был бы он вынужден сделать такой же вывод о звуке?
Не на самом деле нет. Пусть мучительный световой путь — это сначала очень длинный отрезок в направлении, перпендикулярном направлению движения поезда, а уж потом регулярные отрезки до концов поезда, причем все устроено так, что свет поступает на концах одновременно со звуком. Это эквивалентно отправке света позже, чем звука на обычных ногах. На последнем платформа по-прежнему измеряет, что оба световых сигнала движутся с одинаковой скоростью, в то время как звуковые волны будут двигаться с разными скоростями, поскольку их среда переносится поездом.
Еще одна установка, более веселая: посылайте свет по очень длинным кабелям из стекловолокна, намотанным в тугие витки вокруг цилиндров с длинной осью вдоль поезда. Выберите длину кабеля так, чтобы свет снова поступал одновременно со звуком в обоих направлениях. На самом деле положение светового фронта вдоль поезда всегда будет совпадать с фронтом звуковой волны. Но на этот раз платформа будет видеть и свет, и звук, переносимые средой, которую, в свою очередь, несет поезд, и они будут иметь разную скорость в положительном и отрицательном x-направлениях.

Рассмотрим два часа А и Б на двух концах твоей трубы и двое одинаковых часов А ′ и Б ′ прямо рядом с А и Б . Затем наблюдатель, стационарный относительно трубы, синхронизируется А с А ′ , то (все сразу) синхронизируется А с Б используя свет и А ′ с Б ′ используя звук.

Теперь, по словам этого наблюдателя, все четыре часа синхронизированы. А и А ′ идентичны, поэтому они остаются синхронизированными. И все должны согласиться с этим , потому что А и А ′ находятся рядом друг с другом. То же, все согласны с тем, что Б и Б ′ синхронизированы.

Теперь наблюдатель на трибуне, как известно, не может согласиться с тем, что А и Б синхронизированы. Но он согласен, что А ′ синхронизируется с А и Б ′ синхронизируется с Б . Поэтому он не может согласиться с тем, что А ′ и Б ′ синхронизированы.

Иными словами, самой возможности синхронизации со светом достаточно, чтобы получить относительность одновременности, даже если на практике синхронизироваться каким-то другим способом.

Я проголосовал за ваш ответ, но это не полный ответ. Вы начинаете с предпосылки, что все, что верно для света (насколько это касается синхронизации), должно быть верно и для звука. Кто-то, кто подозревается в специальной теории относительности, перевернет аргумент и скажет, что, поскольку звук достигает обоих часов одновременно, по мнению каждого наблюдателя, потому что он распространяется в материальной среде, часы синхронизированы, и это должно быть верным независимо от того, какой другой метод был использован.
Объясните, пожалуйста, почему звуковая волна должна достигать одних часов раньше других (согласно платформенному наблюдателю), не прибегая к сравнению со световыми волнами?
Синхронизация часов с помощью материальных волн
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v