Решение до правки #19770 от , автор Valter. Это не текущая версия.

Условие

14.1.9. «. . . Космический объект приближался к Земле. Навстречу ему мчалась самая быстрая космическая лаборатория. “Какова скорость сближения объекта и лаборатории?” — запросил с Земли генерал, руководитель встречи.
“В системе Земли или нашей лаборатории?” — отозвался оператор лаборатории. “Какая разница”, — ответил генерал. “Эти скорости уже отличаются на 0,01 %, — неслось из космоса. — Сейчас мы достигли скорости сближения ровно 100 000 км/с в нашей системе и больше мы ее не меняем”. “Как измеряете скорость?” — спросил генерал. “Так же, как и вы, мы установили пассивную связь с объектом. Радарный импульс постоянно курсирует между нами и объектом, отражаясь попеременно то от нашей лаборатории, то от объекта. Скорость сближения определяется по изменению времени возвращения импульса”. “Это верно, когда радарный импульс и удаляется, и приближается к лаборатории со скоростью, равной скорости света, — подумал генерал. — Тогда скорость приближения объекта определяется только отношением двух соседних времен. Но у них не так. Когда они догоняют отраженный импульс, скорость импульса c уменьшается на величину скорости лаборатории и на столько же увеличивается, когда импульс летит навстречу”. Неожиданно для себя генерал спросил у оператора: “Какая скорость сближения получилась бы у вас, если бы мы сообщили с Земли наблюдаемые нами скорости импульса по отношению к лаборатории и вы воспользовались бы этими величинами для расчета скорости объекта по времени возвращения импульса? Наверняка, ту же самую, что мы видели с Земли”. “Да, генерал,” — со скоростью света полетел ответ на Землю. У генерала мелькнула мысль: “Лукавят физики. Просто не могут измерить скорость импульса. Нет масштаба. И принимают ее равной скорости света. Отсюда — все несовпадения”».
Этот отрывок из еще неопубликованного научно-фантастического рассказа вызвал следующие вопросы. Насколько прав генерал? Чему равна скорость объекта и лаборатории в системе «Земля»?

Решение

1. Анализ радарного импульса и парадокс генерала

Физически генерал ошибается: согласно второму постулату СТО, скорость света в вакууме строго равна для любого инерциального наблюдателя. Ученые в лаборатории измеряют скорость сближения через времена возвращения импульсов и абсолютно корректно:

где — отношение времен.

Однако интуиция генерала приводит к удивительному результату. Если применить к свету классический закон сложения скоростей (импульс удаляется со скоростью и возвращается со скоростью , где — скорость лаборатории относительно Земли), то рассчитанная таким образом скорость выразится как:

Потрясающий факт заключается в том, что эта формула в точности совпадает с истинной скоростью сближения объекта и лаборатории в системе отсчета «Земля»!

Почему это не случайное совпадение?
Секрет кроется в параметре . При переходе от системы лаборатории к системе Земли оба интервала времени ( и ) подвергаются одинаковому релятивистскому замедлению (умножаются на фактор Лоренца ). Поскольку оба времени растягиваются пропорционально, их отношение остается инвариантным. Генерал использует неверные абсолютные значения классических скоростей, но при вычислениях эти ошибки идеально сокращаются. Математика геометрии пространства-времени скрыто исправляет ошибку генерала, выдавая верный релятивистский результат.

2. Расчет скорости лаборатории

По условию разница между земной скоростью сближения и лабораторной составляет , то есть долю . Запишем их разность:

Сокращаем и выражаем скорость лаборатории . Поскольку , искомая скорость лаборатории крайне мала (). Пренебрегая величиной по сравнению с в числителе и слагаемым по сравнению с в знаменателе, упрощаем уравнение:

Подставляем известные значения ( км/с, км/с):
кмс
Эта скорость принадлежит самой быстрой земной космической лаборатории (что является колоссальным значением для человеческих технологий).

3. Расчет скорости объекта

Скорость объекта относительно Земли по релятивистскому закону сложения скоростей связана со скоростью лаборатории и их относительной скоростью сближения как:

Здесь нельзя пренебрегать знаменателем, так как именно он несет в себе поправку, обуславливающую релятивистский эффект в . Рассчитаем точное значение:
Числитель: кмс.
Знаменатель: .

Тогда скорость объекта:
кмс

(Проверка: скорость сближения в системе Земли кмс, что в точности равно , как и сказано в условии).

Ответ

  1. Генерал неправ физически (скорость света инвариантна), но прав математически: благодаря инвариантности отношения времен , расчет по его классическим формулам парадоксально дает истинную скорость сближения в системе «Земля».
  2. Скорость лаборатории км/с; скорость объекта км/с.