Главная Физика Физики: теория относительности Эйнштейна объясняется классическими принципами

И снова спор между классиками и релятивистами

В принципе всё содержание СТО и ее постулаты объясняются средствами классической физики или теоретических основ электротехники, но это неприятный, занудный труд. Начиная его, я не знаю насколько хватит моего терпения. Часть объяснений уже изложена, а дальше – как получится. Мне не нравится, что множество разумных людей тратят время и труд, чтобы ниспровергнуть СТО и найти в ней недостатки. Она неопровержима, и нет в ней недостатков. Есть особый образ мыслей, с которым не все согласны. Потому предлагаю вместо критики иное понимание этой теории.

Парадигма классической науки отличается от современной рядом принципиальных и частных положений. Ей недостаточно, например, того факта, что измеренная скорость света одинакова в любой движущейся системе координат. Ей нужна причинно-следственная связь между явлениями природы, требуется объяснить, почему так получается, и согласовать этот факт, кажущийся алогичным, с логикой и здравым смыслом. С этого и начнем.

А для этого нужно рассмотреть устройство и свойства системы координат СТО и процесс измерения. Система координат СТО – это репер из жестких стержней – твердых тел и часов, идущих синхронно и расставленных вдоль осей. А свойства размеров тел некогда вызывали вопросы.

Альберт Эйнштейн

Посмотрите в старые учебники. Вопрос о размерах тел, Лоренц и Фицджеральд. В пяти учебниках, которые я видел, - пять "научных" аргументов: сокращение длины - это нелепо, смешно, забавно, наивно, это попытка спасти теорию. И это исходит из Академии. Значит аргументов иного качества академическая физика не имеет. И не имеет модели твердого тела, которая объясняла бы свойства размеров, а потому и масштабов СО.

Однако там же пишут, что Эйнштейн ввел новое понятие длины – длины в пространстве-времени, в четырех координатах, которая на одну составляющую больше, чем длина в прежнем понимании – трехмерная, которую имели в виду Лоренц и Фицджеральд.

Структура физического тела – это пространственная решетка из атомов, а его размеры – сумма межатомных расстояний, скрытых в микромире и не доступных для прямого изучения. Но в технике есть возможность строить аналогичные пространственные решетки из макроскопических элементов при макроскопических расстояниях, тоже образованных с помощью полей. Они не скрыты в микромире, их и рассмотрим. Нам здесь удобнее и дешевле рассматривать их в виртуальном виде, изготавливать нет нужды. И они послужат инструментом в нижеследующих изысканиях.

Представьте себе, что имеются элементарные излучающие магнитные вибраторы, синхронные между собой и синфазные, обтекаемые током СВЧ катушки-соленоиды одной ориентации, собранные параллельно в пучок. Об источниках тока подумаем потом, а пока будем полагать, что он есть, и на вибраторы действуют силы отталкивания, как на всякие электромагниты. Пучок установили торцом на скользкую или жидкую поверхность и позволили вибраторам разбежаться под действием сил отталкивания. На расстоянии в одну длину волны силы отталкивания сменяются силами притяжения, потому вибраторы остановятся на этом расстоянии друг от друга, займут устойчивые положения, и будут там удерживаться электромагнитными силами, как пружинками. Ориентация вибраторов - вдоль силовых линий поля будет тоже устойчивой, т.е. будет восстанавливаться при отклонениях. Группа вибраторов образует упругую структуру, в какой-то степени упорядоченную. Каждый из них стоит в устойчивом положении как в потенциальной яме.

соленойд

Поскольку это происходит само собой, такую структуру уже можно назвать самоорганизующейся системой, а процесс ее становления - процессом самоорганизации. Самоорганизация будет более полной, если токи для вибраторов будут генерировать сами вибраторы, дополненные для этого усилителями, конденсаторами и прочими радиодеталями до LC-генераторов колебаний, и батарейками. Если при этом катушки чуть сблизить от устойчивых расстояний, например, пропустив по катушкам еще и постоянные токи, то появятся условия для самосинхронизации, что можно будет назвать самоорганизацией по фазам колебаний или во времени. Получается система с самоорганизацией по всем степеням свободы в пространстве и времени. Объект уникальный. Колебания вибраторов и их излучения становятся когерентными и сливаются в единый по всей группе процесс.

Не обязательно структура должна быть плоской, ей можно придавать любые формы.

Система из соленоидов – индуктивная, согласно одному из правил Ленца, она движется в пространстве и по фазам к максимальной индуктивности, и катушки устанавливаются и фазируются так, чтобы суммарные магнитные потоки внутри них были максимальны. Но при этом токи, которые наводятся в катушках полями соседей, имеют индуктивный характер и энергию не переносят.

Сближение катушек уменьшает запаздывание полей и изменяет фазы наводимых токов, придавая им активные составляющие, которые переносят некоторую долю мощности, увеличивая амплитуды колебаний. Но амплитуды в генераторах всегда чем-либо ограничены (иначе развивались бы до бесконечности), обычно снижаются коэффициенты усиления. И в данном случае снижаются настолько, что без притока мощности через поля генерация была бы невозможна. Генератор переходит в режим регенеративного усиления принимаемого сигнала, и только вместе с другими такими же составляет генерирующую систему. Система генерирует один процесс колебаний, части которого – колебания в катушках – естественно синхронны.

Таким образом получится упругая система из излучающих вибраторов, стянутая статическими силами притяжения.

Такая упругая группа реально сможет существовать самостоятельно при каких-то условиях какое-то время, до разряда батареек, но уж слишком малы в ней силы. Однако, преувеличив эти силы и полагая ее достаточно прочной, мы еще не сделаем ее фантастикой. А прочность зависит от уровня технологии и умения. Она здесь не принципиальна.

Однако нас интересует зависят ли размеры тел от скорости и что происходит с телами, когда они приводятся в движение. Однако при попытке представить группу в движении выясняется, что есть проблема: при начале движения, при ускорениях элементы структуры выводятся из устойчивых положений - потенциальных ям, а поля, образующие их, движутся от соседей через расстояние, потому запаздывают и образуют ямы там, откуда элементы уже ушли. Элементы оказываются на склонах ям, и возникают силы противодействия движению структуры, она не может двигаться по инерции. Для этого она должна как-то измениться.

В нашей конструкции такие изменения происходят по причине самосинхронизации, т.к. сигналами синхронизации служат те же запаздывающие силовые поля. Если пара вибраторов движется один вслед другому, то поле от заднего к переднему движется вдогон за ним, а поле переднего к заднему - навстречу, потому запаздывает менее. Вслед за полями меняются фазы колебаний. То же самое происходит при любом числе вибраторов. Передние вибраторы излучают с запаздыванием по фазе, задние с опережением, и тогда поля приходят к элементам своевременно и образуют ямы точно там, где проходят элементы. В результате каждый передний в движении вибратор отстает в своих колебаниях по фазе или во времени на временной интервал dt= lv/c2. Как на этом рисунке. И она движется по инерции с устойчивой скоростью, определяемой величиной dt.

В нашей технической решетке можно, в принципе, организовать любые временные интервалы, и когда ямы будут создаваться в стороне от элементов, возникнут силы, движущие их в ямы, пока решетка не придет в движение со скоростью, соответствующей интервалу. Тогда и вибраторы окажутся в ямах. Конечно, есть соблазн сделать то же самое в естественных телах и получить движитель, но это невозможно.

Синхронный колебательно-волновой процесс занимает весь объём конструкции и может рассматриваться как идущий в некотором местном времени, о котором некогда писал Лоренц. А мы можем к каждому вибратору как бы подключить счетчики числа и долей колебаний с выводом результатов на часовые табло и получить привычные электронные часы, показывающие это местное время. И заметим, что этот процесс необходим для целостности системы, т.е. является неотъемлемой ее составляющей, что делает конструкцию объектом пространственно-временным, четырехмерным. Построить же упругую конструкцию сугубо трехмерную невозможно.

При движении сокращаются расстояния между вибраторами, т.к. поля движутся относительно вибраторов со скоростями в одну сторону c + v, в другую c – v, отчего длины волн сокращаются как 1 – v2/c2 Так же сокращались бы расстояния и размеры решетки, но нужно учесть еще «замедление времени» по Лоренцу, т.е. в данном случае уменьшение частот колебаний пропорционально (1 – v2/c2)1/2и увеличение длин волн. В результате размеры в направлении движения сокращаются лишь как (1 – v2/c2)1/2. Теперь то, что мы тут построили «на пальцах», в точности описывается формулами преобразований Лоренца: сокращение длины, перестройка системы часов и их замедление. Можем теперь сказать, что формулы Лоренца есть математическое описание раорганизации самоорганизующихся систем движением.

Замедление колебаний LC-колебательного контуров и генераторов также можно объяснить. Пусть имеется колебательный LC-контур в разомкнутом виде. Если зарядить конденсатор и замкнуть контур, то начнутся колебания, и через четверть периода конденсатор разрядится до нуля, а по катушке будет течь максимальный ток. Но, если предварительно раскрутить катушку вокруг конденсатора, соединив их длинными проводами, и потом замкнуть контур, то той же мощности заряда не хватит для того, чтобы ток в катушке достиг прежнего максимума. Теперь максимальный ток катушки будет меньше, т.к. к ее магнитному полю добавятся вторичные поля, которые тоже отберут часть энергии конденсатора. При меньшем токе разряд будет длительнее, как и весь период колебаний. Аналогичное замедление колебаний будет и в случае, если двигать конденсатор, а при совместном их движении замедление будет определяться формулами Лоренца.

Исследовав решетку из вибраторов, построим из них систему стержней и часов – аналог системы координат СТО. И рассмотрим ее совместно с самой этой системой как бы в космическом пространстве с точки зрения летающего там космонавта. Если системы равны по масштабам и показаниям часов при одной его скорости, то они останутся равными в относительном движении и при всех скоростях относительно космонавта. Т.е. масштабы и ход времени в обоих системах одинаковы и равно зависят от скорости, одна способна заменять другую.

Самосинхронизация вибраторов и подключенных к ним часов происходит естественным образом, и результат точно совпадает с синхронизацией часов системы отсчета СТО. Доказывать это не буду. С точки зрания наблюдателя, движущегося вместе с этими часами, все часы показывают одинаково. А с точки зрения условно неподвижного наблюдателя цепочка часов движущейся СО выглядит как на рисунке, каждые передние часы отстают во времени (по своим показаниям) от следующих за ними на расстоянии l на интервал времени l*v/c2. И нетрудно сообразить почему cкорость света, измеренная по часам любой движущейся СО, равна скорости света относительно условно неподвижной, независимо от скорости СО.

Импульс света, двигаясь вдогон за движущейся линейкой часов, имеет относительно нее скорость c-v, и проходит расстояние l*(1 – v2/c2)1/2 за время l*(1 – v2/c2)1/2/(c-v), а по замедленным в (1 – v2/c2)-1/2 раз движущимся часам за время l*(1 – v2/c2)/(c-v), что равно l/c + l*v/c2. А передние в линейке часы отстают от задних как раз на время l*v/c2, и по показаниям этой пары часов импульс проходит путь за время l/c, т.е. со скоростью света «с», независимо от скорости ИСО, которой принадлежит такая линейка часов. Так и получается, что скорость света, измеренная в любой движущейся ИСО, является одной и той же константой. Таковы свойства самой системы координат.

Рассмотрим теперь как получается постоянство размеров тел в пространстве-времени. Длина отрезка l в понимании Лоренца (трехмерная) сокращается при движении и равна l*(1 – v2/c2)1/2. Но в СТО к ней прибавляется четвертая ортогональная компонента - интервал времени между показаниями часов на концах этого отрезка, умноженный на скорость света, т.е. c*l*v/c2. И квадрат суммарной длины четырехмерного отрезка становится равным сумме квадратов: l2*(1 – v2/c2) + l2 *(v/c) 2 = l2, т.е. длина отрезка в пространстве-времени не зависит от его скорости. По мере сокращения трехмерной длины увеличивается временной интервал, и длина четырехмерная остаётся постоянной.

В технике систем управления существует понятие «неполно наблюдаемые системы», существуют параметры не наблюдаемые, как мы не наблюдаем абсолютные скорость и время. Возможно, таковые существуют, но мы не имеем нужных средств наблюдения, и вынуждены ограничиваться наблюдением лишь относительных величин. Причем можно поставить задачу, где абсолютные величины заданы по условию, но и там проблематично отделить абсолютное от относительного.

Вот представьте себе, что мы отыскали абсолютную систему координат, заняли в ней своё место и теперь сравниваем ход своих часов с часами движущейся ИСО. Ожидаем, что наши часы не замедлены движением и потому более быстры. Прямо перед нами пробегает ось координат с часами, показания которых – как на том же рисунке: каждые передние в движении часы отстают от следующих за ними на интервал l*v/c 2. И мы видим перед собой часы, которые сменяются как кадры кино, и каждый навый кадр показывает время, на dt большее, потому в этом «кино» ход часов, фактически замедленных как (1 – v2/c2)1/2, ускорен в 1/(1 – v2/c2) раз, и наблюдается как ускоренный в 1/(1 – v2/c2)1/2 раз.

И мы не знаем: то ли это «кино», то ли чужие часы действительно идут быстрее. И в таком же положении оказывается движущийся наблюдатель, который видит, что наши часы идут быстрее, но не уверен, что это не «кино» из замедленных часов. Сравнение хода времени не позволяет выделить АСО, даже если она есть, ни при таком, ни при иных способах сравнения. Наблюдаются только относительные величины времени и скорости.

Не более информативным оказывается и сравнение длин, например, отрезков осей координат с их часами. Пусть такой отрезок пробегают вдоль такого же неподвижного отрезка и они отмечают на чужих осях свои размеры, длины l, периодически ставя по своим часам одновременно метки своего начала и конца. Тогда неподвижная ставит свои метки на пробегающем отрезке, сокращенном движением, и после его остановки отмеченный размер окажется больше l в 1/(1 – v2/c2)1/2 раз.

Движущийся же отрезок ставит по своим часам сначала метку заднего конца, потом через интервал времени dt по своим замедленным часам метку переднего, пробегая за это время расстояние v*dt, равное v*lv/c2(1 – v2/c2)1/2.

Расстояние между метками становится равным l(1 – v2/c2)1/2 + lv2/c2(1 – v2/c2)1/2 = {l*(1 – v2/c2)1/2 *(1 – v2/c2)1/2 + lv2/c2 } /(1 – v2/c2)1/2 = l/(1 – v2/c2)1/2, т.е тоже больше во столько же раз. И снова наблюдаются только относительные размеры в относительном движении. Результаты измерений не дают нам сведений о том, который же из отрезков неподвижен и какова абсолютная скорость.

Все эти рассуждения можно повторить для случая, когда макроскопическая решетка движется в электромагнитной среде, и скорость э.м. волн в этой среде много ниже скорости света в пустоте, если, конечно, игнорировать трение о среду. Ведь уравнения Максвелла для среды отличаются только коэффициентами, как и формулы Лоренца, а описываемые ими процессы – только скоростью. Потому релятивистские явления в среде тоже имеют место.

Дата: 2021-02-17

Автор: Александр Шляпников

Поделиться с друзьями: