Реферат: Специальная теория относительности и эксперимент

СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ И ЭКСПЕРИМЕНТ

Чаварга Н.Н.

Ужгородский национальный университет, 88 000, Ужгород, ул. Пидгирна, 46, Украина

chavarga@mail.uzhgorod.ua


Показано, что специальная теория относительности не подтверждается экспериментально – опыты Майкельсона на самом деле демонстрируют реальное сокращение движущихся тел, эксперименты с движущимися мюонами демонстрируют реальное замедление процессов в движущейся системе, а это делает системы координат неравноправными. Временное преобразование Лоренца при малых скоростях движения не переходит во временное преобразование Галилея, вследствие чего специальная теория относительности не согласуется с принципом соответствия Бора. Зависимость массы тела от скорости движения, а также связь массы тела с энергией, подтверждаются экспериментом, но не имеют отношения к теории относительности.


1. Введение

С момента создания специальной теории относительности (СТО) прошло более сотни лет. Официально признано ее экспериментальное подтверждение в разного типа опытах, тем не менее, споры о ее корректности не утихают и по настоящее время, особенно на форумах в сети Интернет. При внимательном анализе проблемы выясняется, что в этих дискуссиях обе стороны не удосужились аккуратно выяснить не только сущность самой теории и обсуждаемых вопросов, но даже физический смысл входящих в уравнения величин. Цель этой работы – изложить теорию относительности вообще, и СТО в частности, как можно доступнее, ибо, как показывает практика, дискутирующие стороны в подавляющем большинстве случаев ведут спор на разных языках. При этом основной проблемой является непонимание сути теории относительности и физического смысла входящих в уравнения величин. Особое внимание в настоящей работе будет уделено проблеме экспериментальной проверки теории, ибо поверхностное отношение к этому вопросу приводит к неправильным выводам.

У нас нет особых надежд на то, что многие читатели наберутся терпения, чтобы внимательно прочитать довольно большую по объему статью, поэтому еще во введении предложим читателю поразмышлять над простым примером. Известно, что всякая новая теория должна при условиях, при которых справедлива старая теория, давать нам результаты расчетов, мало отличающиеся от расчетов, полученных по старой теории. Самая простая задача в теории относительности – рассчитать координаты некоторого события в движущейся системе, если заданы скорость движения V системы и координаты события А(х, t) в неподвижной системе. Пример: пусть координаты события равны х=1016м, t=100 с, и скорость системы V=900 м/с. Требуется рассчитать координаты этого события в движущейся системе по теории относительности Галилея и по СТО, результаты сравнить на предмет их схождения-расхождения.

Скорость 900 м/с считаем дорелятивистской, поскольку это скорость современного самолета (ниже мы еще вернемся к обоснованию этого утверждения). Расстояние 1016метров – это всего лишь треть парсека, единицы измерения длины в астрономии. Расчеты пространственной координаты в этом разделе приводить не будем, поскольку расхождение в направлении движения наблюдается только в двенадцатом знаке. Для проведения расчетов временной координаты нужно воспользоваться временными преобразованиями Галилея и Лоренца.

Преобразование Галилея:

t'=t=100 с. (1.1)

Этот результат означает, что все часы в движущейся системе показывают то же самое, что показывают все часы в неподвижной системе. Примерно такой же результат мы интуитивно ожидаем получить и по СТО – что-то около 99,9999999991. Однако:

Преобразование Лоренца: (1.2)

Как видим, расхождения неожиданные и поразительные – вместо ожидавшихся 99,9999999991 с получено ровно ноль. Мы рассмотрели событие на расстоянии 1016м вправо от начала координат. Если же рассмотрим точку на расстоянии –1016м, т.е. на том же расстоянии, только влево от начала координат, то вместо 100 секунд по Галилею, на этот раз получим немногим более 200 секунд. Для расстояния, равного диаметру Галактики (~61020м), получим примерно минус 70 дней, хотя теория Галилея по-прежнему дает нам ровно 100 секунд. Ниже мы разберем подробно, в чем причина этих расхождений, и что они на самом деле означают.

Данная работа является своеобразным итогом дискуссий, как устных, так и многочисленных продолжительных Интернет-дискуссий (в частности, на www.membrana.ru), организованных в основном по материалам, изложенным в работах [1-3]. Этим объясняется подробное изложение ряда моментов, которые оказались трудными для восприятия, несмотря на их простоту.


^ 2. Пространственная и временная координаты

В физике для описания картины мира вводят понятия абсолютного пространства и абсолютного времени. Наиболее полно определение этих понятий попытался дать Ньютон [4], однако его определения далеки от совершенства и, по сути, являются описаниями интуитивного восприятия как бесконечного пространства, так и времени. Вполне возможно, что человеческий ум в этом плане на большее просто не способен. С другой стороны, на наш взгляд, наиболее серьезные попытки уточнения и развития понятий пространства и времени представлены в работах Д.Е. Бурланкова, см., например [5].

Понятие абсолютного пространства предполагает его независимым от времени, и на язык математики ложится через понятие системы пространственных координат. При введении системы координат некоторая точка в пространстве по усмотрению исследователя объявляется нулевой, выбирается направление на рассматриваемую точку, выбирается эталон длины, и на оси координат наносятся метки. Таким образом, координата х некоторой точки А на выбранной оси – это количество делений (эталонов) на этой оси от нулевой точки до рассматриваемой, т.е. это не просто число, а измеренное расстояние. Заметим, что координата х – это характеристика не столько рассматриваемой материальной точки, сколько характеристика места в пространстве. Материальная точка может переместиться в другое место пространства, но координата х будет обозначать то место в пространстве, где материальная точка была раньше. Очевидно, что хотя х – произвольное число, но в наших рассуждениях х=const, ибо «место в пространстве» никуда не перемещается.

Примерно аналогичным образом вводится понятие абсолютного времени. По усмотрению исследователя некоторый момент времени объявляется нулевым. Далее выбирается некий механизм, периодически изменяющий свое состояние, механизм объявляется эталонным прибором для измерения времени, после чего количество тиканий прибора от нулевого момента до рассматриваемого, т.е. текущего момента t, объявляется «данным моментом времени». Таким образом, точка с координатой t на оси времени – это не произвольное число, а количество периодических движений эталонного механизма от нулевого момента до рассматриваемого, т.е. интервал времени. Очевидно, что при построении теории, в которой вводится понятие движения в пространстве и во времени, нет необходимости вести речь о конкретном эталоне длины, процедуре нанесения меток на пространственной оси, конкретном механизме хронометра и о конкретной процедуре синхронизации. В теории мы просто объявляем, что у нас имеется система координат, что метки на осях нанесены по эталону, что везде расставлены идеальные часы, что синхронизация выполнена идеально, и с этим арсеналом приступаем к изучению материального мира.

Это был первый момент, который часто становится предметом дискуссий по теме СТО, мол, момент времени – это просто число, а не интервал времени, а пространственная координата – это также просто число, а не расстояние от нулевой точки до рассматриваемой, а синхронизация выполняется медленным переносом часов или световыми сигналами (другой возможности нет) и т.д. На самом деле, иначе как через расстояние и интервал времени, понятия координаты точки на пространственной и временной осях нельзя представить в количественной мере, т.е. математически, а на наличие синхронизации часов указывает отсутствие в уравнениях зависимости их показаний от пространственной координаты.

После того, как мы ввели понятия абсолютного пространства и системы координат, как его математического образа, а также математического времени, мы тем самым создали себе два инструмента для изучения материального мира. Пока мы рассчитываем на то, что этих понятий будет достаточно для изучения и описания любой возможной ситуации в бесконечном пространстве и абсолютном времени. Подразумевается, что если нам понадобится рассмотреть вопрос, как некая ситуация видится глазами движущегося материального наблюдателя, мы этому наблюдателю вручим не новое движущееся пространство, помещенное в абсолютное, а только систему координат в виде воображаемой трехмерной решетки, построенной из «материальных стержней» со свойствами твердого тела. Очевидно, что аналогичным образом в движущейся системе мы введем не «новое время», а лишь систему хронометров, тем или иным способом измеряющих математическое время.

Это не надуманный вопрос, как это может показаться, ибо в литературе и дискуссиях широко используются понятия «сокращения пространства в движущейся системе» и «замедление самого времени в движущейся системе», без малейшей попытки дать определения, что такое «пространство в пространстве» и что такое «свое время в движущейся системе». Никто еще не отважился сказать вслух, что он вводит понятие своего пространства и своего отдельного времени для движущейся системы, и не объяснил нам, чем его не устраивают «движущаяся система координат» и «замедление темпов протекания физических процессов». Какие физические проблемы нельзя рассмотреть без введения новых сущностей в виде собственного пространства и собственного времени в движущихся системах? Тем не менее, «сокращение пространства» и «замедление времени» в движущейся системе широко встречается в литературе по теории относительности. Это был второй момент, который по непонятной причине ускользает от внимания участников дискуссии.

Теперь рассмотрим основные свойства введенных базовых понятий физики – пространства и времени, такие свойства, при нарушении которых пространство уже будет не пространством, а время перестанет быть временем. Предположение о том, что все метки на пространственной оси наносятся прикладыванием одного и того же эталона, отражает свойство однородности пространства. Однако самой существенной особенностью есть тот факт, что вследствие свойства протяженности пространства все точки в пространстве индивидуальны, поэтому ни в какой теории координаты даже двух разных точек в пространстве не могут быть обозначены одной и той же тройкой чисел x, y, z. Результат нарушения этого свойства можно проиллюстрировать линейкой для измерения длины (или осью координат), на которой все точки, кроме нулевой, обозначены одним и тем же числом, например, 9. По известной аналогии назовем это «относительностью разнодлинности». С помощью подобной линейки можно легко доказать, что толщина, ширина и длина спичечного коробка равны между собой, и равны 9 сантиметрам; или что размер коробка и стола, на котором может поместиться сотня коробков, равны между собой. Из приведенного примера видно, что основное свойство пространства, а именно – индивидуальность его точек, категорически нельзя нарушать. При его нарушении теория автоматически становится нефизической. К счастью, никто еще не додумался вводить в физику понятие относительности разнодлинности – слишком уж очевидная абсурдность.

Аналогичное основное свойство, которое нельзя нарушать ни при каких условиях, имеется и у времени – в данный момент во всем бесконечном пространстве время одно и то же, оно у нас одно на всю бесконечную Вселенную. Если в пространстве каждая точка индивидуальна (поэтому должна быть обозначена «индивидуальным числом»), то у времени обратное свойство – время едино на все пространство. На приборном уровне это свойство означает синхронность показаний всех часов во всем бесконечном пространстве. Математически же оно представлено тем, что в случае, если у нас имеется система уравнений (каждое из которых описывает движение некоторого объекта), во всех уравнениях, объединенных скобкой, под символом t понимаем одно и то же значение, даже если объекты в данный момент находятся на невообразимо большом расстоянии друг от друга. Не может быть даже двух точек в пространстве, где бы в данный момент время было разным.

Именно такие взаимодополняющие, с одной стороны, и совершенно не зависящие друг от друга, с другой, свойства пространства и времени позволяют нам писать уравнения движения материальной точки типа x=x0+Vt , где x – значение пространственной координаты в текущий момент времени, x0– начальное условие. Если бы где-то в пространстве имелись точки, координаты которых имели бы одно и то же значение, либо в которых время было бы разным, приведенное выше уравнение было бы просто недействительным. Это был третий момент, на который должны обращать особое внимание исследователи, изучающие любую теорию относительности, не только СТО.


^ 3. Сущность теории относительности

Всякая теория относительности начинается с того момента, когда относительно абсолютной системы отсчета, обычно обозначаемой через К, запускают двигаться другую систему отсчета К и пытаются ответить на вопрос: как одна и та же ситуация выглядит при наблюдениях за ней из разных систем отсчета? Очевидно, что если в задаче нет сопоставления точек зрения из разных систем координат, то задача не относится к теории относительности, даже если рассматривается движущийся предмет, например, движение ракеты с переменной массой, которое описывается уравнением Циолковского.

В любой теории относительности в первую очередь нужно ответить всего лишь на два вопроса:

а) Если в покоящейся системе К пространственная координата некоторой произвольной точки А (покоящейся в К ) равна х, то каким будет значение координаты этой же точки в движущейся системе К в произвольный момент времени t?

б) Если все часы в системе К показывают момент t, то что будут показывать часы в движущейся системе К в этот же момент времени?

Ответы на эти вопросы содержатся в уравнениях, называемых преобразованиями пространства и времени. Пример ответов на второй вопрос мы уже привели во введении. Математически сущность любой теории относительности содержится в преобразованиях пространства и времени. Все остальное – это только выводы из теории, добытые после соответствующей математической обработки, или же истолкование сущности теории, например, на x-t-диаграммах и т.п.

Если в результате этой обработки окажется, что системы координат по всем параметрам равноправные, можно будет сделать вывод о том, что наделение системы К свойством абсолютной системы координат, объявление ее выделенной системой, является излишним, однако построение всякой теории относительности нужно начинать с введения абсолютной системы, относительно которой равномерно движется равноценная ей система К, и до тех пор, пока равноправие систем не будет доказано, их нельзя считать априори равноправными. Во всех подобных рассуждениях подразумевается, что до начала эксперимента обе системы были покоящимися, метки на осях координат совпадали, все часы были синхронизированными и шли в одном темпе (способ синхронизации не указывается), часов имеется бесконечно много, размещены они как угодно плотно и своим присутствием никому не мешают.

Для построения пространственных преобразований координат нужно в системе ^ К рассмотреть произвольную точку А с координатой х. При этом нужно ответить на вопрос: каким является значение координаты этой же точки по данным измерений, выполненным в системе К средствами, покоящимися в К ? Ответ зависит от свойств инструментов в движущейся системе, при этом моделью твердых тел и инструментом для измерения длины служат сами оси координат. Предполагая наличие тех или иных свойств у движущихся материальных тел, мы наделяем этими свойствами пространственные оси движущейся системы. Например,

a) размеры тел остаются неизменными по всем координатам (Галилей),

b) размеры тел сокращаются по всем координатам (нет такой теории),

c) размеры тел удлиняются по всем координатам (нет такой теории),

d) размеры тел сокращаются в направлении движения и остаются неизменными по другим координатам (Лоренц) и т.д.

Для получения пространственного преобразования системы координат нужно «привязать» друг к другу через сравнение результатов измерений одного и того же количества абсолютного пространства инструментами разных систем. С точки зрения математики рациональнее всего сравнить количество пространства между произвольной точкой А и некоторой точкой В, против которой в рассматриваемый момент находится начало 0 системы К, рис. 3.1. В отличие от точки А, для которой x=const, значение координаты x1 точки В в системе К зависит от времени наблюдения, и численно равно Vt, т.е. x1=Vt .



Рис. 3.1. К выводу пространственных преобразований Галилея и Лоренца:

а) между точками В и А абсолютного пространства находится одинаковое количество делений на осях х и х.

b) движущаяся ось сокращена в соответствии с G=0,5, поэтому между точками В и А на движущейся оси помещается в два раза больше делений (сокращение Фитцджеральда – Лоренца как реальный эффект).


Если цена деления на движущейся оси не зависит от ее скорости движения относительно К, рис.3.1, а), то  х= х. С другой стороны, из рисунка видно, что

 х = х–V t (3.1)

 х = х (3.2)

Отсюда

x= х–V t (3.3)

Мы получили пространственное преобразование теории относительности Галилея, сопоставляющее координаты произвольной покоящейся в К точки.

Если же движущиеся материальные тела сокращают свои размеры в направлении движения, например, пропорционально G (G назовем коэффициентом негалилеевости, от Galileo), причем

(3.4),

то между точками А и В абсолютного пространства поместится большее количество меток на оси х, ибо  х= х/G, рис. 3.1, b), поэтому уравнение (3.3) примет вид

(3.5)

Уравнение (3.5) – это преобразование Лоренца для пространственной координаты. Подчеркнем, что мы построили его на предположении о реальном сокращении движущихся тел, ибо математика взяток не берет, с ней нельзя договориться, мол, пусть сокращение движущихся тел будет кажущимся, мы же запишем уравнения как для реально сокращенных тел, и на рисунке движущуюся ось изобразим сокращенной реально, и на этой основе объясним результаты опытов Майкельсона, но на самом деле никакого реального сокращения нет…, т.е. после «успешного объяснения эксперимента» с привлечением эффекта реального сокращения мы объявим, что сокращение было кажущимся. Подчеркнем, что равенство (3.4) пока ниоткуда не следует, просто при таком значении G можно успешно объяснить опыты Майкельсона.

Уточним физический смысл величин, входящих в (3.5). В правой части представлены величины, измеренные средствами системы К. Величина х – координата произвольной точки А в абсолютном пространстве (координата произвольного места в пространстве), ее значение никак не связано с величиной момента времени t. Величина t – произвольный момент времени, в который мы поинтересовались значением пространственной координаты x той же самой точки А, но в движущейся со скоростью V системе. Именно тот факт, что мы имеем преобразования для пересчета значений координаты произвольной точки и произвольного момента времени А(x, t), дает нам возможность пересчитывать координаты материальной точки, движущейся по любому закону, когда пространственная и временная координаты точки связаны конкретным законом ее движения. Экспериментально независимость величин х и t проявляется в том, что пространственное и временное преобразования проверяются в принципиально разных экспериментах: пространственное – в опытах Майкельсона, временное – в опытах с мюонами. Если в опытах Майкельсона не рассматривается эффект замедления темпов протекания физических процессов, то в опытах с мюонами не рассматривается эффект сокращения Фитцджеральда-Лоренца.

Собственно говоря, идея сокращения движущихся тел была выдвинута сначала Фитцджеральдом, а затем и Лоренцем, для объяснения результатов опытов Майкельсона, поэтому мы отступим от общей линии изложения теории относительности, остановимся на пространственном преобразовании, хотя о временном еще не шла речь, и рассмотрим проблемы, связанные с опытами Майкельсона, ибо только в опытах Майкельсона экспериментально проверяется пространственное преобразование координат, вернее, три преобразования – кроме (3.5) проверяются еще два преобразования: y=y, z=z. Подчеркнем только еще раз (в качестве промежуточного вывода), что сущность любой теории относительности заключается в сопоставлении точек зрения из разных систем координат на один и тот же факт, на одну и ту же ситуацию, а понятие «точка зрения» означает не что иное, как результат измерений, выполненных неподвижными в этой системе средствами измерений. Вследствие этого, во всех уравнениях, относящихся к теории относительности, должны присутствовать штрихованные и нештрихованные величины. Здесь мы хотим подготовить читателя к тому, что ниже мы столкнемся с фактами, когда соотношения между величинами, измеренными средствами одной системы, представляют имеющими отношение к теории относительности.


^ 4. Эксперименты Майкельсона

Интерферометр Майкельсона схематически изображен на рисунке 4.1. Фотоны от источника S направляются на посеребренную пластину Р, которая может расщепить луч на две части – в направлении к зеркалам М1 и М2. Отразившись от зеркал, фотоны снова сходятся на пластине, интерферируют (взаимодействуют) и направляются к наблюдателю О, который наблюдает интерференционные полосы. Если длину одного из плеч прибора изменить на половину длины волны фотона, интерференционная картина изменится – светлые полосы займут место темных, и наоборот. С помощью этого явления Майкельсон пробовал обнаружить факт движения Земли относительно светоносной среды. При этом предполагалось, что движущийся относительно Земли эфир (эфирный ветер) будет «сносить» фотоны в направлении движения и в перпендикулярном направлении по-разному, вследствие чего интерференционная картина будет зависеть от ориентации прибора.

Очень часто в литературе встречается утверждение, что в опытах Майкельсона измерена скорость света и экспериментально подтверждено постоянство скорости света, т.е. установлено, что она не зависит от скорости и взаимного направления движения фотона и системы отсчета. Это глубоко ошибочное утверждение. На самом деле в этих опытах установлено, что интерференционная картина не зависит от ориентации движущегося прибора. Все, больше ничего. Из этого можно только сделать однозначный вывод, что фотоны, разделенные пластиной в направлениях к зеркалам М1 и М2, возвращаются к пластине одновременно. Никакого иного результата опыты Майкельсона не дают. Задача физиков заключается в интерпретации этого результата. В литературе предложены только четыре варианта объяснения независимости интерференционной картины от ориентации прибора, которые мы и рассмотрим.





Рис. 4.1. Схема интерферометра Майкельсона


^ 4.1. Размеры тел в направлении их движения не изменяются при изменении их скорости движения относительно системы К (верна теория относительности Галилея), но выполняется баллистическая гипотеза Ритца, исходящая из корпускулярных свойств фотонов. Ритц предположил, что скорость фотонов-корпускул зависит от скорости испустивших их атомов аналогично тому, как скорость пули относительно Земли зависит от скорости самолета, на котором установлена пушка.

Элементарные расчеты показывают, что в этом случае фотоны действительно возвратятся в исходное положение строго одновременно. Проблема только в том, что астрономические наблюдения более чем убедительно демонстрируют нам, что баллистическая гипотеза не выполняется, т.е. скорость фотонов на самом деле не зависит от скорости испустивших их источников. Этот вывод делается на основе наблюдений за двойными звездами, которые могут находиться на постоянном расстоянии друг от друга благодаря их вращению вокруг общего центра – сила гравитации уравновешивается центробежной силой. Линейная скорость движения звезд на орбите при этом получается приличной.

Если бы баллистическая гипотеза выполнялась, фотоны, испущенные движущейся в направлении к нам звездой, имели бы большую скорость, чем фотоны, испущенные звездой, движущейся в направлении от нас. Вследствие этого более быстрые фотоны от далекой звезды могли бы по дороге к месту наблюдения несколько раз обогнать более медленные (испущенные в разное время), и к наблюдателю одновременно прибыли бы фотоны из разных мест траектории звезд. В результате этого вместо двух точечных изображений звезд мы бы видели размытые изображения, или даже кольцо, если звезды находятся достаточно далеко. Ничего подобного, однако, астрономы не наблюдают, поэтому баллистическая гипотеза, несмотря на ее привлекательность с точки зрения простоты и красоты, в настоящее время всерьез не рассматривается.


^ 4.2. Скорость фотонов не зависит от скорости испустивших их источников, но все тела в направлении движения реально сокращают свои размеры в соответствии с


(4.1)

где l – размер движущегося тела по данным измерений в неподвижной системе, l0 – размер того же тела, но в состоянии покоя относительно системы К, G – коэффициент негалилеевости (3.4).

Все величины, входящие в эту формулу, измерены средствами системы К, и относятся, фактически, к разным объектам. Уравнение (4.1) связывает величину проекции сокращенного движущегося стержня с длиной этого же стержня (или его брата-близнеца) в состоянии покоя, рис.4.2, поэтому оно не относится к теории относительности, однако оно может быть использовано для вывода пространственного преобразования Лоренца (и мы этим уже воспользовались при выводе (3.5)).

Как видно из рисунка, движущийся стержень занимает l меток на пространственной оси системы К и l меток на своей пространственной оси. Очевидно, что l – это результат измерения длины движущегося стержня средствами системы К, а l – результат измерения длины этого же стержня, но средствами системы К

(4.1)

Сопоставление результатов измерений одного и того же объекта средствами разных систем координат – «поле деятельности» или «сфера интересов» теории относительности. В соотношении (4.1) представлены точки зрения разных наблюдателей по вопросу длины движущегося стержня, поэтому, в отличие от (4.1), соотношение (4.1) уже относится к теории относительности, это частный случай пространственного преобразования Лоренца (при t=0), если под l понимать координату конца движущегося стержня. Непонимание разницы между (4.1) и (4.1) часто является предметом длительных и бесплодных дискуссий. Это непонимание обычно проявляется через выражение: «Длина тела является максимальной в системе координат, в которой оно покоится». При этом, для доказательства равноправия систем, рядом с рисунком 4.2 норовят нарисовать другой рисунок, на котором уже стрежень l0, рисуют меньшим стержня l, хотя очевидно, что и прямые, и обратные преобразования должны быть представлены одним и тем же рисунком.





Рис. 4.2


Несложные расчеты показывают (впервые их провели сначала Лармор, затем Фитцджеральд и Лоренц), что и в этом случае (случае реального сокращения движущихся тел) фотоны возвратятся в исходное место строго одновременно, вследствие чего интерференционная картина не будет зависеть от ориентации движущегося прибора, т.е. опыты Майкельсона можно объяснить и гипотезой сокращения Фитцджеральда–Лоренца. Проблема только в том, чтобы установить физическую причину сокращения тел. Если это постоянно действующая внешняя сила, то она, во-первых, должна быть огромной по величине, и, во-вторых, должна тормозить свободно движущееся в вакууме тело, вследствие чего закон инерции не будет выполняться. При таких условиях движения планеты давно бы упали на звезды и т.д. В связи с указанными затруднениями вопрос сотню лет оставался без ответа.


^ 4.3. Третий вариант объяснения опытов Майкельсона был предложен Эйнштейном. Он предполагает нарушения логики здравого смысла, и заключается в фантастическом предположении о независимости скорости фотона относительно движущейся системы, причем как от величины скорости системы, так и от взаимного направления движения фотона и системы. Как именно могло появиться подобное предположение? Возможно, молодой Эйнштейн, размышляя над фактом независимости скорости фотона от скорости источника (при наличии светоносной среды в этом нет ничего удивительного – скорость звука не зависит от скорости свистка на паровозе) формально распространил идею и на приемник излучения – если скорость фотона не зависит от скорости источника, то, может быть, она не зависит и от скорости приемника?! Нельзя ли с этой идеей объяснить опыты Майкельсона без допущения о реальном сокращении тел в направлении движения? Соль идеи в том, что если реального сокращения нет, то не нужна и сила для деформации тел – закон инерции будет выполняться! Подобный ход мыслей, когда формальная сторона преобладает над физическим смыслом, когда математику ставят впереди физики, очень характерен для современной теорфизики. Казалось бы, достаточно вообразить себе фотон, летящий навстречу двум приемникам (они же системы координат), движущимся с разными скоростями, как станет ясно, что фотон не может одновременно с одной и той же скоростью двигаться относительно этих двух приемников, имеющих разные скорости, да еще и движущихся в разных направлениях. Подобный парадокс должен опровергнуть любую гипотезу.

В чем именно заключается фантастичность независимости скорости света от скорости приемника, можно проиллюстрировать с помощью мысленного эксперимента. Пусть относительно абсолютной системы К движется система К со скоростью, близкой к скорости света, – например, электрон со скоростью V=0,999 С. Пусть относительно К в разные стороны одновременно испущены два фотона со скоростью С. Нас пытаются убедить в том, что фотоны являются настолько необычными объектами, что скорость их движения равна С даже относительно электрона, который сам движется со скоростью 0,9999 С, причем независимо от взаимного направления движения – как в направлении движения электрона, так и против! Проблема, с которой мы только что столкнулись, не только физико-математическая, но и философская. Как могло случиться так, что противоречащее со всей очевидностью логике и здравому смыслу предположение могло быть не только предложено на суд научной общественности, но и внимательно выслушано, и признано? Что случилось с физиками, что они подобное предположение вообще приняли к рассмотрению? Для ответа, для наглядной иллюстрации сути предположения Эйнштейна, рассмотрим простую ситуацию, рис. 4.3.





Рис. 4.3

Скорость поезда относительно системы К равна V. Скорости самолетов относительно К равны U и –U. Если в голове поезда часы выставить на запаздывание (по сравнению центром поезда, х=0), а в хвосте поезда на опережение, то можно добиться того, что измеренная средствами на поезде скорость самолетов окажется численно равной U в обоих направлениях, т.е. независимой от системы отсчета.


Пусть относительно Земли (система ^ К ) движется длинный поезд со скоростью V по данным измерений системы К. Со скоростью U относительно К движутся два самолета в противоположных направлениях. В момент t=0 оба самолета находились против середины поезда, которая в свою очередь находилась против точки х=0 системы К. Вопрос: можно ли сделать так, чтобы измеренная средствами на поезде скорость самолетов относительно поезда была также равна U, причем в обоих направлениях сразу, и что для этого нужно сделать? Абсурдность самой постановки вопроса очевидна, но она непринципиально отличается от соответствующей ее постановки в СТО. Если фотону разрешено двигаться с одной и той же скоростью в направлении и против движения релятивистского электрона, то почему подобное не позволено самолету по отношению к поезду? Чем самолет хуже фотона?

Очевидно, ответа на подобные вопросы в рамках логики и здравого смысла просто не существует. Подобный вывод, полученный в результате анализа какого-либо допущения, должен опровергнуть любую гипотезу, СТО же стала теорией. Одна из причин этого состояния дел заключается в том, что парадокс был получен не в результате анализа теории, а с самого начала был заложен в гипотезу в качестве исходного пункта, в качестве ее краеугольного камня, а вскоре последовало математическое «объяснение», гипнотически действующее на теоретиков, и вывод об «экспериментальном подтверждении», сделанный, конечно же, теоретиками.

Как же можно математически объяснить постулат постоянства скорости света? Какую процедуру измерения представляет этот постулат? На рис. 4.3 скорость V поезда определяется измерительными средствами системы К, т.е. неподвижными в системе К инструментами – линейкой в системе К (ось х) и синхронизированными часами, расставленными вдоль этой линейки. Теми же самыми измерительными средствами системы К определяется и скорость U самолетов. В нашем случае теория относительности начинается с момента, когда мы попробуем сравнивать результаты измерений скоростей самолетов, полученные средствами, имеющимися на поезде, с результатами измерения скоростей тех же объектов средствами на Земле. Ключевой момент здесь – в выражении «средствами измерения, имеющимися в той или иной системе отсчета». Выше мы уже приводили пример, как можно с помощью нехитрого приема и нехитрого средства (линейки, на которой все метки обозначены одним и тем же числом) «доказать», что размеры спичечного коробка и стола, на котором помещается сотня коробков, одинаковы. Там было нарушено основное свойство пространства как базового понятия физики – свойство индивидуальности точек пространства, требующее, чтобы даже две из них не могли быть обозначены одним и тем же набором координат x, y, z.

Если мы теперь по аналогии изменим основное свойство второго базового понятия физики – времени, – то это уже будет не время, а наука будет не физикой, но зато можно будет математически объяснить парадоксальный постулат постоянства скорости света и даже скорости самолета относительно поезда. Для этого наблюдателям на поезде просто нужно пользоваться специальным образом рассинхронизированными часами. Для того, чтобы самолет догнал убегающий локомотив, ему нужно больше времени, чем если бы поезд стоял, поэтому для получения того же значения скорости самолета, что и в неподвижной системе, часы в голове поезда нужно выставить «на нужной величины запаздывание», чтобы численно компенсировать разницу во времени, а часы в хвосте выставить «на соответствующее опережение». Теперь, если момент старта самолетов фиксировать по часам в центре поезда (начало К ), а прибытие – по запаздывающим часам в голове или спешащим в хвосте поезда, можно получить то же самое значение скорости самолета, что и в измерениях средствами неподвижной системы, причем как в направлении движения поезда, так и против! Вот в чем суть математического «объяснения» постоянства скорости самолета или любого другого объекта – в изменении основного свойства базового понятия физики, в предписании использовать для измерений скорости объектов рассинхронизированные часы.

Идею рассинхронизации часов на поезде (т.е. в системе ^ К ) нетрудно представить математически. Если через х обозначить пространственные координаты, через t – показания всех часов на железнодорожном полотне (система К ), то показания t рассинхронизированных часов на поезде должны зависеть от того, против какой координаты х на железнодорожном полотне они в данный момент находятся, т.е. не t=t, как у Галилея, а

t= t– k x (4.2)

где