Евгений Александров – Необычные размышления о… (страница 9)
Ч1, Ч2 – часы, расположенные, соответственно, в точке И, а также, в точке П.
Верхняя часть схемы на рис. 8.1. отображает начальную фазу измерения – запуск фотона из точки испускания И.
Нижняя часть схемы на рис. 8.1. отображает конечную фазу измерения, когда фотон прилетает в точку приема фотона П. Перемещение фотона из точки И в точку П происходит в вакууме, с тем, чтобы скорость фотона была известной – 299 792 458 метров в секунду. В точках И, П размещены высокоточные атомные (цезиевые) часы Ч1 и Ч2. Расстояние между часами L тщательно измерено и остается неизменным в течение всего процесса измерений. Несколько слов о цезиевых часах.
Принцип действия таких часов основан на измерении излучения, возникающего при переходе электрона между двумя определенными энергетическими уровнями в атоме цезия-133. В течение одной секунды происходит 9 192 631 770 циклов колебаний такого излучения. Цезиевые часы производят подсчет таких колебаний. За одну наносекунду цезиевые часы насчитают приближенно 9,2 циклов колебаний. Если 1 метр разделить на 299 792 458 метров в секунду, то получим 3,335 наносекунд. За такое время фотон (свет) пролетает в вакууме расстояние в один метр. При измерении временного интервала в 3,335 наносекунд, цезиевые часы насчитают 30,68 циклов колебаний излучения. Ясно, что один километр фотон (свет) пролетает за 3335 наносекунд, а цезиевые часы сосчитают 30680 циклов колебаний излучений.
Эти примитивные расчеты мы приводим для того, чтобы читатель почувствовал, какой должна быть емкость счетчика и запоминающего устройства при цезиевых часах. Выбрали расстояние между часами (параметр L), равным одному метру, то необходимо будет запомнить 30,68 циклов. Но чувствительность и точность измерений будет низкой. При расстоянии в один километр между часами, чувствительность резко возрастает.
Следующая проблема при использовании цезиевых часов – это синхронизация их показаний или выставление единого нулевого показания (начала отсчета) на обоих часах. Можно указать на два способа синхронизации (выставления нулевого показания на обоих часах) часов. В первом случае, необходимо часы Ч1 и Ч2 расположить как можно ближе друг к другу и одновременно запустить на часах оба считывающих устройства, с помощью которых подсчитывают циклы колебаний излучения цезия.
Далее часы Ч1 и Ч2 можно переносить в пространстве, прикреплять их к чему-то, снимать с них показания, то есть, совершать с ними какие-то действия. При этом, количество сосчитанных ими циклов колебаний излучения цезия, в любой мгновенный момент времени на обоих часах будет одинаковым. Во втором случае, не обязательно часы помещать в единое место в пространстве. Часы можно разнести в пространстве. Но при этом необходимо точно знать расстояние между часами и обеспечить вакуумный канал между часами. В этом случае мы будем знать, что скорость света в таком вакуумном канале равна – 299 792 458 м/сек.
Проблема синхронизации времени (и часов) очень беспокоила Эйнштейна. Он считал, что синхронизировать часы можно только опираясь на принцип относительности. Поскольку, дескать, время всегда относительно и, якобы, абсолютного времени нет и быть не может.
Приступим к изложению методики измерения суммарного вектора скорости. Из точки И запускаем в сторону приемника П фотон (свет). Пусть, направление движения фотона совпадает с направлением перемещения нашего объекта (вектор скорости V). Если бы наш материальный объект (например, галактика, Солнце, Земля) не перемещался бы в пространстве, то фотон (свет) пролетел бы расстояние между часами Ч1и Ч2 (расстояние L) и долетел бы до приемника П за время: L/C. Но, пока фотон преодолевает расстояние L, наш объект переместится на какое-то расстояние: m = V*(L/C). В результате, фотон, прежде чем, достичь приемник П и часы Ч2, вынужден преодолеть расстояние: L+m за время:
T= (L+V*(L/C))/С; (8.1)
откуда, скорость объекта:
V= (T*C–L)/(L/C); (8.2)
где L – расстояние между источником испускания фотона и приемником испущенного фотона (приемник П) или расстояние между часами Ч1и Ч2;
Т – временной интервал, в течение которого, фотон преодолевает расстояние L+m;
С – скорость света в вакууме.
Временной интервал Т измеряется следующим образом: в момент запуска фотона, снимаются и запоминаются показания цезиевых часов Ч1, в момент прилета фотона (света) в точку П, снимаются показания часов Ч2.Определятся разность в показаниях часов Ч2 и Ч1. Эта разность – суть временной интервал Т. Величина параметра L с высокой точностью измеряется заблаговременно.
9. Измерение суммарной скорости перемещения галактики, Солнца и Земли
Таким образом, нам ничто не мешает измерить скорость суммарного движения галактики, Солнца и Земли, при нашем пребывании на поверхности Земли внутри галактики. И, вопреки утверждениям Галилео Галилея о том, что невозможно, находясь внутри объекта, который перемещается равномерно и прямолинейно (в инерциальной системе), отличить, пребывает ли он в состоянии покоя или находится в движении.
Оказывается, что даже можно измерить скорость такого объекта в любой, в практически мгновенный момент времени, построить график изменения скорости объекта во времени, и уже из графика узнать все о характере движения объекта. Напомним читателю, что точка испускания фотона (точка И) остается в неподвижной сетке и встраивается в неподвижную сетку (абсолютную систему отсчета). Кстати, абсолютный покой означает, что параметр m = 0. В этом случае, материальный объект неподвижен относительно любых точек испускания фотонов, испущенных и в прошлом, и в настоящем.
На нижней схеме рис. 8.1. мы наглядно видим, что точка И не перемещается вслед за фотоном, а, также, вслед за часами Ч1, что согласуется с нашими предыдущими рассуждениями. Попробуем оценить возможности наших измерений цезиевыми часами. Пусть, для определенности: L=1000 метров, V=1000 000 метров в секунду, тогда параметр m=3,3333 метра. Это то лишнее расстояние, которое вынужден пробежать свет, догоняя убегающие часы Ч2 и приемник света П. Напомним, что обусловлено такое убегание и лишнее расстояние перемещением галактики.
В параметре m заключена вся информация о скорости перемещения галактики, Солнца и Земли. 3,3333 метра свет пролетит за 11,0057 наносекунд. При этом, цезиевые часы насчитают лишних 101,2 циклов колебаний излучения. В цифре 101,2 – вся информация об измеряемой скорости V=1000 км/сек. Если L= 100 метров, то полезная информация будет включена в цифру 10,12 циклов. Мало. Если L=10 метров, то говорить не о чем (1,012 цикла). Цезиевые часы не помогут.
Для фундаментальных исследований расстояние: L= 1000 метров – не проблема. Но в подводную лодку или в космический аппарат, измерительный канал длиной в один километр – не всунуть. То есть для решения навигационной задачи необходимы дополнительные умствования. Но об этом чуть позже.
Мы рассмотрели случай, когда вектор скорости перемещения объекта полностью совпадает с направлением перемещения испускаемого фотона. На самом деле, применительно к суммарному вектору скорости галактики, Солнца и Земли, мы заблаговременно ничего не можем сказать об ориентации такого вектора в пространстве. То есть, мы заранее не знаем, куда направлять фотон (свет). В этом случае, мы должны обратиться к векторной математике. Построим прямоугольную (декартову) систему координат OXYZ. В начале такой системы координат поместим устройство, с помощью которого будем одновременно запускать три фотона в направлении трех осей системы координат, а также, в начале координат поместим часы Ч0. На трех координатных осях, на одинаковых расстояниях от центра такой декартовой системы координат, установим часы, соответственно, Чx, Чy, Чz.
Нетрудно видеть, что мы пролонгировали систему, на три оси декартовой системы координат. Если в центр такой декартовой системы координат поместить суммарный вектор скорости перемещения галактики V, ориентация которого в пространстве заранее неизвестна, то представляется возможным разложить такой вектор на его проекции по осям координат: Vx, Vy, Vz. Методика, изложенная выше, применительно к схеме на рис. 8.1, а также устройства (часы, источники испускания фотонов, приемники фотонов), установленные на осях системы координат OXYZ, позволяют измерить проекции Vx, Vy, Vz вектора скорости V.
По таким измеренным проекциям можно рассчитать величину вектора V, используя формулу векторной математики:
V = (Vx2 + Vy2 + Vz2)1/2. (9.1)
Ориентацию суммарного вектора скорости движения галактики, Солнца и Земли относительно осей нашей декартовой системы координат можно установить с помощью, так называемых, направляющих косинусов по формулам векторной математики:
COS X = Vx/V; COSY = Vy/V; COSZ = Vz/V. (9.2).
Напомним читателю, что время проведения измерения вектора скорости складывается из времени преодоления фотоном расстояния L (смотри рис. 8.1.), а, это 3335 наносекунд при L=1000 метров; времени считывания показаний часов – микросекунды; времени обработки (расчетов) информации в автоматическом режиме, на современных компьютерах – микросекунды.
В целом, процедура измерения вектора скорости V не превысит долей миллисекунды. Так что, процесс измерения – почти мгновенен. Если измерения приводить каждый час, то в течение суток получим 24 точки замеров, в течение года получим – 8760 точек замеров. Такие замеры можно использовать для построения графика изменения суммарного вектора скорости в течение определенного календарного срока времени, например, в течение года. Возможный вид такого графика может быть представлен на рис. 9.1. Если бы мы знали все о взаимном расположении в пространстве составных частей суммарного вектора скорости движения галактики, Солнца и Земли, то мы бы представили читателю более точную картину изображения такого вектора скорости. Поэтому приходится говорить о возможном виде такого графика. На рис. 9.1. по оси ординат отображена величина суммарного вектора скорости движения галактики, Солнца и Земли. Ось абсцисс – временная шкала.