Является ли относительность одновременности просто недостатком восприятия? [дубликат]

Я тоже столкнулся с этой проблемой, когда впервые познакомился со специальной теорией относительности. При объяснении СТО люди хотят сделать это как можно более фундаментальным, то есть все объясняется с точки зрения путешествия света и времени, которое требуется свету для путешествия. Преимущество в том, что вы получаете действительно фундаментальное понимание, поскольку все построено на нескольких постулатах. Большим недостатком является то, что это добавляет еще один уровень сложности, который смешивает наблюдаемое замедление времени с замедлением времени SR. Может быть трудно увидеть, задерживается ли что-то из-за того, что свет имеет конечную скорость, или из-за фактического замедления времени.

Для меня вещи начали щелкать, когда я больше смотрел на диаграммы Минковского. Рассмотрим это изображение, например (Источник: https://www.sparknotes.com/physics/specialrelativity/kinematics/section3/page/2/ ). На этом рисунке у вас есть неподвижный наблюдатель, назовем его Алисой, и еще один наблюдатель, назовем его Бобом, который движется со скоростью$v$справа указано штрих-координатами. Какие же события являются одновременными для этих наблюдателей? Для Алисы все, что лежит на горизонтали, имеет одну и ту же временную координату, поэтому происходит в одно и то же время. Для Боба справедливо нечто подобное: каждая пара событий, лежащих на прямой, параллельной оси X Боба, одновременна с Бобом . Вот что мы имеем в виду, когда говорим, что два события происходят одновременно.

Весь этот мысленный эксперимент можно изобразить на диаграмме Минковского. Сначала нарисуйте A и B на стационарной оси x на равном расстоянии от начала координат. Вы можете нарисовать световые сигналы, если хотите, нарисовав 45$^\circ$линии. Время между двумя событиями (в некотором кадре) можно рассчитать, нарисовав две линии, параллельные оси X этого кадра, и рассчитав минимальное расстояние между этими двумя линиями. Для Алисы эти молниеносные события лежат на одной линии, поэтому время между ними для нее равно нулю. Для Боба эти события больше не лежат на одной линии, поэтому они не одновременны. Точно так же можно определить время, необходимое световым сигналам для достижения M.

Редактировать Я добавил следующую (слегка загроможденную) диаграмму из-за комментария Аарона. Пояснение: толстые черные линии = оси Алисы, толстые красные линии = оси Боба. Тонкие линии: линии одновременности, используемые для измерения времени. Время между событиями равно$\Delta t$(для Алисы) и$\Delta t'$(для Боба), а время между получением световых сигналов равно$\Delta t_{observe}$для Алисы и$\Delta t_{observe}'$для боба. Так же$\Delta t'$и$\Delta t_{observe}'$то же самое в этом случае? Я не знаю, на самом деле, может быть, кто-то может решить это.

Я знаю, что скорость света постоянна

Причина, по которой вам на это указывают, заключается в том, что это ключ. Дело не в том, что мы здесь «видим». В мысленных экспериментах, подобных этому, мы предполагаем, что наблюдатели знают, как выполнять базовые математические операции и определять, когда были выпущены световые вспышки, основываясь на времени, когда они видят свет, и на расстоянии от них источников.

Каждый наблюдатель «думает», что он находится в состоянии покоя. Человек на железной дороге видит, как свет от двух источников доходит до него одновременно. Поскольку источники были равноудалены от него, он определяет, поскольку каждая волна двигалась с одинаковой скоростью, удары молнии произошли в одно и то же время.

Однако человек в поезде видит, как свет от двух источников приходит в разное время. Но она была равноудалена от расположения источников. Следовательно, поскольку она знает, что скорость света постоянна, она определяет, что удары молнии произошли в разное время.

Относительность не имеет ничего общего с задержкой восприятия. Мы всегда предполагаем, что сделали математику, чтобы учесть задержку нашего восприятия при постоянной скорости света.$^*$. Для более тщательного рассмотрения всего этого вам следует взглянуть на другие ответы, говорящие о диаграммах пространства-времени Минковского.

Просто мы видим, что это происходит раньше другого, потому что мы переместились, чтобы получить один световой сигнал раньше, но два события все равно произошли одновременно.

Вы попадаете в ловушку, что железнодорожный фрейм — это фрейм «абсолютного покоя», который видит реальность такой, какая она есть на самом деле, а движущийся фрейм ошибается. И это то, что «наивный» математик на железной дороге сказал бы человеку в поезде после того, как он сойдет и обсудит, что произошло. «Нет, вы просто двигались, поэтому вы попали на один луч света раньше, чем на другой»

Но, по словам человека в поезде, она отдыхает в своем собственном теле. Человек на железной дороге движется. Поэтому она говорила человеку на железной дороге: «Нет, они произошли в разное время, но из-за того, как вы двигались, вы отошли от раннего источника к более позднему источнику, поэтому они достигли вас в одно и то же время». Или, используя ваш язык, я цитирую выше: «Просто мы видим, что это происходит в одно и то же время, потому что мы двигались, чтобы получить каждый световой сигнал в одно и то же время, но два события все же произошли в разное время».

Обе интерпретации одинаково верны; это просто зависит от того, в какой системе отсчета вы хотите находиться.

$^*$Возможно, было бы поучительно рассмотреть пример из классической физики. Например, если бы вместо света на концах поезда стояли две машины, запускающие шары в человека в поезде со скоростью, намного меньшей скорости света. Эти машины устроены так, что человек на железной дороге может регулировать скорость запуска шариков так, чтобы к ним шарики после запуска из движущегося поезда двигались с той же скоростью относительно него. Например, предположим, что поезд движется со$4\ \rm{m/s}$относительно человека на железной дороге, а человек на железной дороге регулирует заднюю пусковую установку, чтобы выстрелить мячом со скоростью$8\ \rm{m/s}$относительно поезда и регулирует переднюю пусковую установку для запуска шара со скоростью$16\ \rm{m/s}$относительно поезда так, чтобы он видел, как каждый шарик движется со скоростью$8\ \rm{m/s}+4\ \rm{m/s}=16\ \rm{m/s}-4\ \rm{m/s}=12\ \rm{m/s}$(в разные стороны) относительно него.

Человек на железной дороге будет запускать шары одновременно по его указанию с запрограммированной скоростью, определенной выше. Тогда человек в поезде будет ловить мячи в разное время, но это потому, что, по ее словам, мячи едут с разной скоростью . Когда она посчитает, она действительно согласится с человеком на железной дороге. Они оба согласятся, что шары были запущены одновременно. (Обратите внимание, что это классическая физическая трактовка. Если бы мы применили «правильные» формулы сложения скоростей для специальной теории относительности для двух запущенных шаров, мы бы фактически вернулись к теории относительности одновременности.)

Дело не в том, чтобы «видеть» через «восприятие света».

Концепция пространства-времени является здесь ключевой.

Вы можете создать трехмерную решетку из измерительных стержней с синхронизированными часами на каждом углу. Другой, относительно подвижный человек мог бы сделать то же самое. Когда они движутся рядом друг с другом, вы можете сфотографировать двое часов, когда они проходят мимо друг друга, сколь угодно близко. Фотографии показывают, что два набора часов не синхронизированы и не могут быть синхронизированы, если они движутся относительно друг друга.

Некоторые из известных парадоксов становятся проще, когда вы начинаете думать о них таким образом: «Каковы временные и пространственные координаты в этой системе отсчета? А что они в этом кадре? Хорошо, это имеет смысл»

На самом деле два наблюдателя придут к разным выводам об одновременности ударов молнии. Парень в поезде сказал бы, что это было одновременно, но наблюдатель на перроне сказал бы, что одно ударило раньше другого. Это следствие специальной теории относительности. Ключевым открытием, которое делает это реальностью, является тот факт, что скорость света везде одинакова, т.$c$, независимо от того, измерен ли наблюдатель в поезде или парень, наблюдающий за этим со стороны (который измерит скорость света, чтобы быть$c$, вместо$c+v$).

Мы должны использовать преобразования Лоренца, которые прямо предсказывают это. Если бы парень в движущейся рамке измерял$\Delta t^{'}=0$, то вспышки, измеренные другим наблюдателем в системе покоя$\Delta t$не был бы нулевым. На самом деле, если бы это был поезд какой-то конечной длины, два наблюдателя также не пришли бы к соглашению о длине поезда.

Как вы подозреваете, в логике есть второй шаг. Но это настолько «очевидно», что его не замечают.

Наблюдатель на трассе видит обе вспышки одновременно. Они знают, что настоящие удары произошли некоторое время назад, но, поскольку они находятся на полпути между ними, они знают, что временная коррекция, чем бы она ни была (L/2c$\gamma$) одинаково для A и B, поэтому A и B должны были произойти в одно и то же время.

Наблюдатель в поезде также находится на полпути между двумя концами вагона. Они видят В раньше А. Они знают, что реальное время на некоторое время раньше, но оно одинаково (L/2c) для обоих. Поэтому говорят, что Б произошло до А.