Меню

Понятия ”пространство” и ”время” в специальной теории относительности

Обычно стандартные учебники по СТО начинаются с описания якобы существовавшего кризиса физики и экспериментов, предшествовавших возникновению и утверждению СТО.

Однако, существует мнение [38], что создание СТО — это чисто теоретический "прорыв", не нуждавшийся в экспериментальном обосновании. Автор не согласен с подобным мнением, так как физика призвана в первую очередь объяснять реально существующий мир и находить взаимосвязи между наблюдаемыми (измеряемыми) физическими величинами. Тем не менее, мы начнем книгу не с анализа экспериментов, а с теоретического рассмотрения релятивистской кинематики. Дело в том, что одно и то же наблюдаемое явление могут пытаться совершенно по-разному интерпретировать несколько теорий (так всегда было и будет в физике). Однако, при обнаружении логических противоречий какой-нибудь теории от нее принято отказываться. В истории физики интерпретации многих явлений постоянно менялись. И не стоит думать, что в этих изменениях прошедший век был последним.

Понятия "пространство" и "время" в специальной теории относительности

В почти рекламной поддержке теории относительности, в учебниках общей и теоретической физики, в научно-популярной литературе выдвигается ряд тезисов: "о практической важности теории относительности", "о единственности и обоснованности всех математических выкладок и следствий из этой теории", "о простоте и элегантности формул", "о полной подтверждаемости теории экспериментами", "об отсутствии логических противоречий". Если оставить пока в стороне вопросы динамики частиц, а рассматривать только кинематические понятия, то нулевая "практическая значимость теории относительности" очевидна. Единственность и теоретическая обоснованность релятивистской кинематики также может быть подвергнута сомнению [58,65,102,111]. В [48-50,52] подробно проанализирован ряд логических парадоксов, касающихся базисных понятий времени, пространства, относительности одновременности и показана полная логическая необоснованность специальной теории относительности (СТО).

Также там была показана совершенная экспериментальная необоснованность СТО и как некоторая демонстрация неединственности решения описана возможность частотной параметризации всех выкладок СТО (такая параметризация не была основной целью цитируемых работ; она будет представлена в Приложениях в качестве частной гипотезы). В данной статье будет подробно представлена критика кинематических понятий СТО и обращено внимание на ряд "правдоподобных" ошибок из учебников. Все это заставляет вернуться к классическим понятиям пространства и времени, которые явно сформулировал еще Ньютон в своих Математических началах натуральной философии, блестяще обобщив работы предшественников (в первую очередь древних греков).

Поскольку релятивисты, стремясь во что бы то ни стало разрушить прежние представления (придираясь, в основном, к слову "абсолютное") и любой ценой утвердить нечто "свое новое и великое", сами не смогли дать никаких определений понятиям времени, пространства и движения, а только манипулировали с упомянутыми словами, то стоит во введении дать хотя бы краткие комментарии по Ньютоновским классическим понятиям [28]. Ньютон, исходивший из практических потребностей естествознания, осознавал, что упомянутыми понятиями прекрасно "владеют и практически пользуются" любые живые существа, например, насекомые (неспособные по мнению людей к абстрактному мышлению). Следовательно, эти понятия относятся к основным, то есть неопределяемым через что-либо понятиям.

Значит, можно дать только перечисление того, что будет подразумеваться под этими понятиями или использоваться на практике, и выделить ту абстракцию, которая будет подразумеваться в идеализированных математических выкладках. Поэтому Ньютон четко отделил абсолютное, истинное, математическое время или длительность (все это в данном случае просто синонимы!) от относительного, кажущегося или обыденного времени. Таким образом, время означает математическое сопоставление длительности исследуемого процесса с длительностью эталонного процесса. Возможность введения единого времени в классической физике напрямую не была связана с очевидной конечностью скорости передачи сигналов. Скорее получение единого времени связано с уверенностью в возможность пересчета времени с заданной практической точностью из местного (локального) времени. Совершенно аналогичным образом Ньютон отделил абсолютное пространство от относительного, выделил абсолютное и относительное место и разделил абсолютное и относительное движение.

Если одной из целей науки считать поиск причинно-следственных связей явлений, то важный позитивный момент классического подхода заключается в отделении объекта исследования от остальной Вселенной. Например, в подавляющем большинстве случаев "движение глаз наблюдателя" не оказывает заметного влияния на конкретный протекающий процесс, и уж тем более на всю оставшуюся Вселенную. Конечно, бывают "кажущиеся эффекты", но от них обычно избавляются градуировкой приборов, пересчетом и т.д., чтобы сосредоточиться именно на исследуемом процессе. Классические понятия кинематики фактически и былы введены Ньютоном для определения независимых от исследуемого процесса реперных точек и эталонов. Это создает базу для единого описания самых различных феноменов, стыковки разных областей знания и упрощения описания. Да и интуитивно классические понятия совпадают с тем, что дано нам в ощущениях и не пользоваться этим — все равно, что силиться "ходить на ушах". Многовековое развитие науки показывает, что классические представления кинематики (начавшиеся оформляться еще древними греками) не приводят ни к внутренним логическим противоречиям, ни к противоречиям с экспериментами. Перейдем теперь к тому, что же "натворили" в этой области релятивисты и рассмотрим логические противоречия базисных понятий пространства и времени в СТО. Начнем с понятия времени.

Дайджест главы 1. Критика СТО Время

Для начала заметим, как проще всего доказать ошибочность кинематических понятий теории относительности. Для результатов типа "да-нет" только одно из разных показаний двух наблюдателей могло бы быть верным. Следовательно, как минимум один из движущихся наблюдателей был бы неправ во взаимоисключающих мнениях. Однако, ситуацию всегда можно сделать симметричной относительно третьего, покоящегося наблюдателя. Тогда его показания будут совпадать с классическим (проверенным при v = 0) результатом и к этому результату должны были бы перейти показания и первого и второго наблюдателя. Однако, вследствие движения как первого, так и второго наблюдателя относительно третьего наблюдателя, показания всех трех наблюдателей будут различными. Вследствие симметричности ситуации неправыми оказываются как первый, так и второй наблюдатель, а верный результат (классический) описывается только третьим, покоящимся наблюдателем. Именно так показывалась противоречивость понятия времени (оно необратимо!) в модифицированном парадоксе близнецов [48,51] и противоречивость понятия "относительность одновременности" [50]. (Заметим, что диаграмма пространства-времени [33] не меняет физику даже обычного парадокса близнецов: все дополнительное старение землянина возникает внезапно (!) при перемене движения космонавта в дальней точке и только геометрически выражается как смена линий одновременности). Подробный анализ теории относительности начнем с видоизмененного парадокса близнецов.

Предварительно напомним, что в классической физике результаты, полученные одним из наблюдателей, могут быть использованы любым другим наблюдателем (в том числе и исследователями, вовсе не участвовавшими в эксперименте). Поэтому наша цель в данном случае — сформулировать такую симметричную постановку задачи, чтобы ответ был очевиден из здравого смысла. Релятивисты же, постоянно (!) отрекающиеся от здравого смысла, должны были бы рассмотреть результаты (разные) с точки зрения всех наблюдателей, участвовавших в эксперименте и сопоставить их между собой, чтобы доказать отсутствие противоречий и наблюдаемость своих релятивистских эффектов. Однако почему-то они не стремятся в этом вопросе к установлению Истины, а те немногие, кто проделывал подобный анализ, либо констатировали отсутствие релятивистских эффектов для схем с двумя наблюдателями (и заявляли об этом), либо обнаруживали наличие противоречий при большем числе наблюдателей (наиболее честные и бесстрашные даже переходили в лагерь критиков теории относительности).

* * *

Попытки "объяснения" различных вариантов классического парадокса близнецов с помощью искусственно выдуманных вспомогательных диаграммок выглядят наивно: опять релятивисты хитрят и не рассматривают решения на предмет отсутствия противоречий с точки зрения всех наблюдателей (неужели кто-то из них будет утверждать, что преобразования Лоренца недостаточны, а диаграммы дают нечто большее?). Физика и математика, "мягко говоря", слегка разные науки. Может кого-то и сможет заинтересовать — как при этом меняются или вращаются ромбики, параллелограммы, треугольники и другие чисто геометрические рисуночки, но все эти рекомендации по псевдонаучному наукообразному спасению СТО напоминают горделивую ИНСТРУКЦИЮ "Как левой пяткой, обернув ногу дважды вокруг шеи, почесать правое ухо и вызвать при этом те же ощущения (их надо только заранее выяснить), что и у нормального человека" (удовлетворяющего свою потребность более естественным образом).

Но даже при таком "состоянии дел" обращает на себя внимание следующий факт. В классической физике любой логически непротиворечивый путь приводит к одному и тому же объективному результату (каждый наблюдатель может представить себе рассуждения любого другого наблюдателя и даже воспользоваться ими). Иное дело в СТО: некоторые из совершенно однотипных рассуждений приходится произвольно постулировать неверными (то есть выбор пути подгонять под классические результаты). Замечательная теория получается: "здесь читаем, здесь не читаем, здесь переворачиваем так, здесь выворачиваем эдак" и, как поется в песне, "а в остальном, прекрасная маркиза, — все хорошо, все хорошо". Состряпано хитроумно.

* * *

Понятие времени шире, чем размерный коэффициент пропорциональности в законах преобразования, и имеет гораздо большее отношение к локальной необратимости процессов. Во-первых, однозначная привязка времени к движению тела не учитывает внутренние процессы, которые могут быть неизотропны, протекать с разными "скоростями" и характеризовать локальную необратимость (каждая такая "скорость" по-разному складывается геометрически со скоростью тела как целого). Во-вторых, привязка времени только к скорости передачи электромагнитных взаимодействий не учитывает другие возможные взаимодействия (которые могут распространяться в вакууме) и фактически означает электромагнитную природу всех явлений (абсолютизация электромагнитных взаимодействий). О том, как можно ввести единое абсолютное время будет сказано ниже.

* * *

Таким образом, бесконечно удаленный источник сигналов, расположенный перпендикулярно к направлению относительного движения систем, может выполнять роль часов, определяющих единое абсолютное время (одинаковое — независимо от инерциальной системы отсчета). Вопрос об изменении наблюдаемого направления прихода сигнала будет изложен ниже (чтобы ни у кого не возникло искушения "притянуть за уши" аберрацию, якобы отражающую изменение направления фронта волны).

* * *

Следующее методическое замечание. Понятие времени становится ограниченным, если пользоваться методом Эйнштейна для его синхронизации. Во-первых, из двух независимых переменных — координат и времени — остается независимой лишь одна из переменных, в то время как другая связана с состоянием движения (субъективизм) и свойствами скорости света (почему, например, не звука или не со скоростью Земли и т.д.). Во-вторых, поскольку для определения скорости необходимо независимое определение координат и времени, то сама скорость света становится неопределяемой величиной (неизмеримой, постулируемой).

* * *

Сделаем замечания по поводу метода синхронизации времени Эйнштейна. Транзитивность синхронизации времени методом Эйнштейна имеет место для тривиального случая трех взаимно покоящихся точек. Если же точки (не на одной прямой) принадлежат системам, движущимся друг относительно друга в разных направлениях (не параллельно), то процедура синхронизации может стать неопределенной: для какого момента времени считать часы синхронизованными? Для начала процедуры, ее окончания или промежуточного момента?

Даже для точек на одной прямой метод Эйнштейна опирается на совершенно непроверенное в экспериментах положение о равенстве скорости света в одном и прямо противоположном направлениях. Фактически, синхронизация оказывается либо наполовину расчетной процедурой, либо многоитерационным процессом, так как синхронизация проводится только для двух выбранных точек. Этих недостатков лишен метод синхронизации с помощью удаленного источника на серединном перпендикуляре [48]. Он позволяет экспериментально (а не расчетно), без дополнительных гипотез синхронизовать время с заранее выбранной точностью сразу на всем данном отрезке (даже на плоском участке). Перейдем теперь к единицам измерения времени.

Разумеется, для изолированного явления в рамках некоторой математической модели любые привычные величины можно описывать в разных единицах измерения и в разных масштабах (как равномерных, так и неравномерных, например, в логарифмическом масштабе). В основном это определяется как удобством описания для данной модели, так и, в случае обобщения, возможностью использования тех же величин для других физических явлений и математических моделей (стыковка разных областей физики). Однако, сарказм Тейлора и Уиллера [33] о "священных единицах" совершенно неадекватен. Конечно, можно ввести переводной коэффициент для времени в метры. Но при этом он не обязан быть скоростью света, а, например, может быть скоростью пешехода. Обе названные скорости совершенно одинаково не имеют отношения к звуковым, тепловым явлениям, к гидродинамике и ко многим другим областям физики.

Можно вообще все величины выразить в метрах: массу, заряд и т.д.. Однако, все эти "разные метры" (1) не складываются, (2) не взаимозаменяемы, (3) появляются очень редко в некоторых совместных комбинациях, да и (4) для разных явлений одна и та же комбинация непригодна. (Например, интервал имеет отношение только к закону распространения света в пустоте). Можно все величины сделать безразмерными (и за всеми физическими величинами придется следить отдельно). Но в любом случае физика не станет математикой. Физика не изучает все иллюзорные комбинаторные "миры" уравнений, а только то относительно малое их количество, которое реализуется в природе (основные вопросы физики: какие взаимосвязи реализуются в природе, почему и каковы следствия из этого).

* * *

После критики базисного понятия времени продолжим анализ логических основ этой теории и рассмотрим вспомогательное понятие "относительность одновременности". Напомним мысленный эксперимент из СТО. Пусть по железной дороге едет поезд

* * *

даже в рамках СТО понятие относительности одновременности сильно ограничено: приложимо только к двум изолированным событиям (нет пересекающихся первопричин, нет пересекающихся последействий и, вообще, никакие дополнительные факты нас не интересуют). На самом деле, даже для этих выбранных точек световые конуса имеют пересечения, не говоря уже обо всех иных точках в пространстве и во времени. В действительности мы имеем сплошные цепи причинно связанных (и несвязанных) событий, проходящих с множеством пересечений через каждую точку пространства и времени (далеко не каждая причина вызывает наступление соответствующего следствия со скоростью света). И вся эта реальная (разномасштабная!) временная сетка взаимосвязана для всего пространства. Следовательно, в общем случае мы не можем поменять (выбором системы отсчета) порядок следования даже причинно несвязанных событий (где-то это все равно отразилось бы).

Пространство

Сокращение длин в СТО не может отражать реального физического эффекта, поскольку один и тот же объект виден разным наблюдателям по-разному (необъективность). Кроме того, переход от одной системы отсчета к другой может происходить довольно быстро и это сразу отражалось бы на всей (даже бесконечной) Вселенной, что явно противоречит защищаемому СТО принципу конечной скорости передачи взаимодействий, а значит и принципу причинности. Следовательно, подобное сокращение — это не более, чем вспомогательные математические выкладки с величинами, некоторые из которых не имеют физического смысла. Привлечение реального физического механизма к объяснению процесса сокращения длин в СТО невозможно, так как сокращение должно иметь место сразу при любой скорости v ≠ 0. В действительности же ясно, что в процессе ускорения объект можно не только толкать, но и тянуть за собой и тогда вместо сокращения имелось бы растяжение (экспериментально обнаружимое!). При медленном постоянном ускорении это постоянное состояние растяжения оставалось бы одинаковым в течение всего времени ускорения. Таким образом, сокращение никогда не начнется.

* * *

Попытка спрятаться от объяснения механизмов сокращения длин за общую фразу типа "это кинематический эффект самого пространства" неудачна из-за неопределенности "направления сокращения" (к какой точке пространства?). Действительно, начало отсчета (наблюдателя) можно поместить в любую точку бесконечного пространства как внутри, так и левее или правее объекта, и тогда весь объект, кроме сокращения, будет еще перемещаться к данной произвольной точке. Это сразу доказывает противоречивость или нереальность данного эффекта. Не ясно, к какому концу отрезка должно происходить сокращение этого отрезка, если движущаяся система с двумя наблюдателями (движущимися) на концах отрезка создана импульсно. Не может спасти ситуацию и фраза о "взаимной однозначности преобразований Лоренца". Этого совершенно недостаточно. Взаимная однозначность некоторого математического преобразования позволяет использовать его для удобства расчетов, но это вовсе не означает, что любое взаимно однозначное математическое преобразование обладает физическим смыслом. Также странным является процесс остановки сократившихся тел. Возникают вопросы: в какую сторону восстанавливаются их размеры? Куда делось сокращение пространства, если за этим телом наблюдали разные удаленные наблюдатели?

* * *

Неверным является мнение Мандельштама [19] о том, что нет "действительной длины" и его пример с угловой мерой предмета. Угловая мера предмета зависит не только от размеров предмета, но и от расстояния до него, то есть от двух параметров. Следовательно, ее можно сделать однозначной только если зафиксировать один параметр — расстояние до предмета. Неверным является и его высказывание, что при любом способе измерения длин движущиеся по-разному стержни обладают различной длиной. Например, возможна процедура измерения (прямого сравнения) предварительно повернутых перпендикулярно относительному движению стержней.

Затем стержни можно поворачивать произвольным образом. Они вообще могли медленно вращаться, чтобы в момент совпадения оказаться перпендикулярными движению. Тогда этот способ даже в СТО совершенно не зависит от относительного движения. Некоторые релятивисты считают, что вообще нет сокращения длин - есть только поворот, например, для куба (то есть они не могут однозначно договориться даже между собой). Отсутствие реального поворота куба (или то, что это только кажущийся эффект) легко доказать, если куб будет лететь прижатым к потолку. Вообще говоря, расстояние до объектов, их видимую скорость и размеры даже с помощью света можно определять несколькими "непротиворечивыми" самими по себе способами.

Например, даже для единственного наблюдателя: по угловым размерам, по освещенности, по эффекту Допплера. Но получение разных значений для одной и той же физической величины вовсе не отменяет единственные истинные объективные характеристики тела и его движения (под которые градуируются приборы). СТО пытается "купить" непротиворечивость ее определения длин путем отказа от объективности ряда других физических величин. Однако, со временем этот фокус не проходит — оно необратимо. Отметим странную вещь: в смысле обратимости (при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой и обратно!) линейные преобразования Лоренца совершенно эквивалентны для координат и для времени (обратимы). Поэтому странно, когда разница в размерах тел исчезает при возвращении в первоначальное состояние (например, для близнецов), а разница в прошедшем времени остается.

Сложение скоростей

Рассмотрим следующее методическое замечание. Весьма странным для кинематических понятий является некоммутативность релятивистского закона сложения скоростей для неколлинеарных векторов. Свойство некоммутативности (и то, что преобразования Лоренца без вращений не составляют группу) слегка упоминается лишь в некоторых учебниках теоретической физики. Однако, например, в квантовой механике аналогичное свойство существенно меняет весь математический аппарат и физически выражает одновременную неизмеримость некоммутирующих величин. Из общего релятивистского закона сложения скоростей

img152

видно, что результат зависит от порядка преобразования: например, в случае последовательности

img153

где i и j — орты прямоугольной системы координат, получаем нулевую итоговую скорость, а для другого порядка тех же величин

img156

получим ненулевую скорость, которая весьма сложно зависит от скоростей v1 и v2. Последовательное применение преобразований (движений) v1i и v2j приводит к

img160

а в другом порядке v2j и v1i приводит к

img161

то есть получаем разные вектора .

img162

Параллелограммы скоростей в СТО

Что же в таком случае может означать разложение вектора скорости на компоненты? Во-первых, перенос простейших классических методов расчетов (коммутативной алгебры) на релятивистские уравнения (некоммутативные) неправомерен: даже решение векторных уравнений покомпонентно требует дополнительных постулатов, усложнений или разъяснений. Во-вторых, невозможно простое применение методов классической физики (принципа виртуальных перемещений, вариационных методов и т.д.). Пришлось бы даже ноль "индивидуализировать": количество "нулевых" величин, составленных из некоторой векторной комбинации должно быть равным количеству "нулевых" величин, составленных из зеркальной векторной комбинации. Следовательно, и теория флуктуаций также нуждалась бы в дополнительном обосновании. Таким образом, вопреки тезису "о простоте и элегантности СТО" для правильного обоснования даже простейших процедур пришлось бы вводить множество искусственных усложнений и разъяснений (чего нет в учебниках).

* * *

Могут ли преобразования Лоренца описывать последовательные переходы от одной инерциальной системы к другой и отвечает ли релятивистский закон сложения скоростей реальным изменениям скорости? Конечно, нет. Для начала напомним, какой смысл вкладывается в релятивистский закон сложения скоростей. Он должен доказывать, что сложение движений не может привести к скорости, большей скорости света. Как в таком случае можно складывать движения? Например, относительно звезд движется наша Земля (фактически существует первая движущаяся система отсчета), с Земли взлетает космический корабль с большой скоростью (фактически "создана" вторая движущаяся система отсчета), затем с этого космического корабля взлетает следующая ракета (третья система отсчета) и т.д.. Именно это должно иметься в виду под последовательным применением преобразований. Тогда отпадает, например, вопрос о том, какую скорость в законе сложения скоростей считать первой, а какую второй (это важно для некоммутативных преобразований).

* * *

поскольку мы последовательно переходили от одной инерциальной системы к другой, а поворот означает неинерциальность системы, то СТО сама выходит за рамки собственной применимости, то есть противоречива. Если бы этот поворот был реальным, то это означало бы необъективность понятия инерциальной системы (так как результат зависел бы от способа перехода к данной системе) и, как следствие, об отсутствии самой базы для существования СТО. Одним из проявлений противоречивости СТО является прецессия Томаса: исходя из последовательности инерциальных систем (движущихся прямолинейно и равномерно) вдруг в итоге получается вращение предмета (принципиально неинерциальное движение).

Таким образом, переход от излагаемых в стандартных учебниках преобразований Лоренца в "математическом пространстве" 1+ 1 (t + x) к преобразованиям Лоренца в "пространстве" 1 + 2 или 1 + 3 содержит физические противоречия. Многие интуитивно понятные свойства физических величин теряют свой смысл в СТО. Например, относительная скорость перестает быть инвариантной. Частицы, вылетающие вдоль одной прямой с разными скоростями образуют в СТО сложный "веер скоростей" для движущейся системы. Изотропное распределение по скоростям в СТО перестает быть таковым для другой движущейся системы. Никакого заявляемого упрощения в СТО на самом деле нет. Из СТО вовсе не следует невозможность скоростей v > c. И добавление о том, что это относится только к скорости передачи сигнала — искусственное добавление (ввиду наличия очевидных контрпримеров к расширенному толкованию). Однако, даже с подобным добавлением остается недостаточно детерминированным понятие сигнала (информации). Например, получая сигнал от вспышки сверхновой, разве мы не уверены, что такая же информация "содержится" на диаметрально противоположном расстоянии от сверхновой, то есть мы знаем об этом со скоростью 2c? Или это не информация? Следовательно, в СТО может иметься ввиду только информация на материальном носителе электромагнитной природы, распространяющаяся в вакууме последовательно через все точки пространства от источника до приемника сигнала.

* * *

Очевидно также, что физическое ограничение на величину скорости не может накладываться математикой (тот факт, что под знаком радикала в некоторых выражениях будет стоять отрицательная величина). Надо просто вспомнить, что все формулы СТО получены с использованием обмена световыми сигналами (метод синхронизации Эйнштейна). Если же тело сразу движется быстрее света, то его просто не сможет догнать сигнал, посланный вдогонку. Аналогично можно ввести синхронизацию с помощью звука (и также будут особенности в формулах), но отсюда вовсе не будет следовать невозможность сверхзвуковых скоростей. Скорость распространения возмущений (звуковых или световых) в среде никак не связана со скоростью движения некоторого тела сквозь эту среду.

Дополнительные замечания

Групповые свойства математических уравнений, как преобразования с математическими символами, не имеют совершенно никакого отношения к каким-либо физическим принципам или постулатам, то есть групповые свойства могут быть найдены без дополнительных физических гипотез. Например, преобразования Лоренца, отражающие групповые свойства уравнений Максвелла в пустоте (или классического волнового уравнения, в том числе в акустике), вовсе не связаны с введенным в СТО постулатом постоянства скорости света или с принципом относительности.

Теория относительности — это фактически "теория видимости": что мы увидим в эксперименте, если в его основу (с обобщением на свойства пространства и времени) положить законы электромагнитных взаимодействий (абсолютизация электромагнитных явлений). Аналогично можно поставить вопрос о том, как будут выглядеть явления, наблюдаемые с помощью звука и др. Разумеется, конечность скорости передачи тех или иных взаимодействий видоизменяет явления, наблюдаемые с помощью этих взаимодействий. Но это не мешает делать единые экстраполяции для привязки к пространству и времени (абсолютным классическим физическим понятиям) для единого описания мира, не ограниченного никакими всеобщими гипотезами. Ньютоново пространство обладает важным свойством: системы с меньшими размерностями могут обладать аналогичными свойствами. Например, вектор может быть введен не только в пространстве, но и на прямой и на плоскости. В ТО пространственные величины не обладают векторными свойствами (только 4-вектора), то есть нет непрерывного предельного перехода к классическим величинам.

* * *

Движется ли волновой пакет (свет) в вакууме со скоростью света? Если да, то мы не можем разбить его на отдельные импульсы с помощью стробоскопа: вследствие сокращения длин длина каждого импульса и длина каждого промежутка между ними должна быть нулевой (что противоречит опыту). Если же считать размеры полученных импульсов (сигналов) и промежутков конечными в покоящейся системе (лабораторной), то в собственной системе отсчета волнового пакета и импульсы и промежутки должны быть бесконечными (как тогда сопоставить импульс и промежуток, где он отсутствует?). По-сути это вопрос о том, материален ли свет и пространство между импульсами?

Сделаем теперь замечание относительно изменения направления видимого движения частиц или видимого направления получения волнового сигнала (вспомним, например, аберрацию) при переходе в движущуюся систему отсчета. В СТО этот элементарный классический факт представляют как поворот всего волнового фронта на некоторый угол. При этом волновой фронт соответствует точкам световой сферы для одного момента времени. Напомним, что в СТО волновой фронт в один и тот же момент времени различен для движущихся друг относительно друга систем (именно вследствие изменения хода времени). Однако, предыстория движения регистрирующего прибора не входит ни в одну формулу СТО.

Фотон, летящий в пространстве между источником и приемником никак причинно не связан с движением приемника или источника в этот момент времени. Взаимодействие регистрирующего прибора с фотоном происходит только непосредственно в момент приема сигнала. Нет никакого различия, имел ли приемник все время некоторую скорость и оказался в данной точке пространства в момент приема сигнала, или он "стоял" в данной точке пространства, а за мгновение до получения сигнала приобрел ту же скорость (результат взаимодействия с фотоном будет в обоих случаях одинаков). Таким образом, для самого факта получения сигнала имеет значение только пришел ли фотон в данное место пространства.

Очевидно также, что скорость в данном месте пространства не изменит самого факта прихода сигнала (а только его частоту — согласно эффекту Допплера). Если бы зависел сам факт получения сигнала, то что бы тогда означала подстановка величин в формулу Допплера в одной из систем? Следовательно, никакого реального поворота всего фронта волны (выражающего факт прихода сигнала) быть не может. Это локальный (в данной точке) математический (дифференциальный) способ описания наблюдаемого направления получения сигнала. Понять это просто, если использовать аналогию с общеизвестными природными явлениями — дождем или снегом

img206

Изменение направления воспринимаемого движения

Если в безветренную погоду вы взглянете строго вверх на тучу, из которой начинает идти дождь, то вы увидите падение на вас капель точно сверху (направление получения "сигнала"). Если же вы бежите (а лучше вспомните поездку на машине в снежный день), то направление прилета капель (направление получения "сигнала") будет далеко впереди по ходу движения и может даже не совпадать с реальной тучей. Однако, горизонтальный фронт дождя либо достиг земли (факт получения "сигнала"), либо нет, и от вашего движения в данной точке земной поверхности этот факт не зависит.

* * *

Система часов и линеек СТО спекулятивна теоретически и неудобна практически, так как предполагает, что все сведения собираются и анализируются (интерпретируются!) когда-то позже. Однозначность взаимосвязи классических Ньютоновых и релятивистских Лоренцовых координат не означает автоматическую непротиворечивость последних (в этом, физическом смысле, состоит отличие физики от математики). Например, вместо скорости света можно было бы использовать во всех формулах СТО скорость звука в воздухе и рассматривать движения на Земле в покоящемся воздухе с дозвуковыми скоростями. Однако, противоречивость подобных преобразований (для времени) сразу была бы обнаружена на опыте.

Это демонстрирует опасность формально-математических аналогий для физики. Ошибочность релятивистской идеи о замедлении времени очевидна, ведь в формулу входит только квадрат относительной скорости (эффект не зависит от направления скорости). Возьмем 4 одинаковых объекта. Пусть второй объект движется относительно первого с некоторой скоростью v1, тогда его время заторможено относительно времени первого объекта. Говорите, это объективный эффект? (Напомним значение слова "объективный": эффект, не зависящий от присутствия и свойств наблюдателя, не взаимодействующего с исследуемым объектом; не будем для проверки пока никуда летать.)

Пусть третий объект движется относительно второго в произвольном направлении с произвольной скоростью v2, тогда, аналогично, его время замедлено относительно времени второго объекта. Опять объективный эффект? Возьмем четвертый объект и поместим его неподвижно рядом с первым объектом. Не будем даже спорить, с какой скоростью движется четвертый объект относительно третьего, важно только, что в общем случае эта скорость ненулевая. А, значит, опять имеем "объективное релятивистское" замедление времени четвертого объекта относительно времени третьего объекта. Таким образом, dt1 > dt2 > dt3 > dt4. Но ведь dt1 = dt4, так как четвертый и первый объекты расположены рядышком (никуда даже летать для проверки не надо) и взаимно покоятся! Подобный абсурд получился из-за фанатичной веры в единственность и непогрешимость метода попарной синхронизации Эйнштейна. Объективность уплывает из-под ног и остается либо релятивистский эффект кажимости, либо чисто расчетные комбинации ("плывущие часовые пояса"). Где уж тут до заявляемого величия?

Сделаем теперь несколько замечаний общего характера. Вся кинематика СТО следует из инвариантности интервала dr2 – c2dt2. Однако, мы видим, что это выражение записано для пустого пространства. В среде скорость света непостоянна, может быть анизотропна, да и не любой частоты свет может распространяться в данной конкретной среде (вспомним про затухание, поглощение, отражение, рассеяние). Ни в одном разделе физики свойства явлений в пустоте не переносятся автоматически на явления в других средах (например, в жидкостях — гидродинамические и другие свойства; в твердых телах — упругие, электрические и другие свойства), то есть они не детерминируются свойствами пустого пространства. И только СТО претендует на подобное всеобщее "клонирование" свойств.

Вообще говоря, свойства света, внутренне противоречивые и взаимоисключающие, в СТО просто запостулированы. Поэтому неправомерным является утверждение Фока [37] о том, что свет — более простое явление, чем линейка. Не стоит превозносить роль световых сигналов и все, что нам "привидится" с помощью света, считать верным, иначе пришлось бы чайную ложку в стакане с водой считать изломанной (то, что это не так, легко устанавливается геометрически в пространстве путем прямых измерений координат всех "точек выхода" ложки к границам жидкости). Классическое время (или время, детерминируемое бесконечно удаленным источником на серединном перпендикуляре к линии движения) обладает важным преимуществом: мы заранее знаем, что оно везде одинаково и не требуется делать никаких расчетов или рассуждений, затрагивающих предысторию процесса или свойства пространства.

Фактически СТО в качестве одного из эталонов использует скорость света. Напомним, что в классической кинематике два эталона: длины и времени ("сформулируем" очевидные "законы постоянства эталонов": длина эталона 1 м постоянна и равна одному метру, длительность эталона 1 сек постоянна и равна одной секунде, а уж "Великим Законом Постоянства релятивистского эталона" все уши прожужжали). Поскольку введение эталона — это определение, то его свойства не подлежат обсуждению [19]. В результате все, что связано с распространением света, перестает в СТО быть прерогативой опыта. А так как все выкладки в СТО написаны только для событий — вспышек света, то СТО оказывается логически непоследовательной (не говоря о том, что "использование" свойств света в вакууме голословно распространено на все иные "невакуумные" явления). В книге Фейнмана [35] говорится с сарказмом о философах и зависимости результатов от системы отсчета, но не подчеркивается, что, несмотря на любую "кажимость", предметы имеют реальные объективные характеристики.

Например, человек с большого расстояния может казаться размером с муравья, но это не означает, что он действительно уменьшился (все приборы принято градуировать именно под объективные характеристики). Рассуждение об относительности всех величин кажется правдоподобным, но (!) как только время в СТО стало относительным, а скорость взаимодействия конечной, само понятие относительной величины для пространственно разделенных объектов становится неопределенным (зависит от пути соединения, не связано причинно, зависит от системы наблюдения и т.д.).

Определение всех величин относительно "далеких звезд" бессмысленно, так как мы видим "никогда не существовавшую реальность". Например, α-центавра была в этом месте и с такими свойствами 4 года назад, другие звезды были такими десятки и сотни лет назад, а отдаленные галактики — миллиарды лет назад, т.е. сигнал был послан источником, когда наблюдатель еще не существовал, а принят, когда, может быть, уже не существует сам этот источник. Тогда относительно чего определять величины?

Ясно, что относительные величины могут определяться только по отношению к локальным характеристикам пространства (единственная мгновенная причинная связь). Важное замечание касается понятия относительности, которое даже вошло в название теории СТО. Вопреки идеям Галилея об изолированности системы, в СТО осуществляется обмен световыми импульсами между системами. Понятие относительности доведено в СТО до абсурда и утратило физический смысл: фактически выделяется система с несколькими объектами (как правило, двумя), а вся остальная реальная Вселенная удаляется. Если уж возможно в СТО постулировать подобную абстракцию, то тем более можно просто постулировать независимость процессов внутри выделенной системы от скорости движения системы относительно оставшейся от всей Вселенной "пустоты".

* * *

Таким образом, все изменения величин должны определяться относительно локального места (или локальных характеристик). А это и есть проявления абсолютного пространства Ньютона. Вопрос о том, существуют ли в этом абсолютном пространстве выделенное направление и выделенное начало отсчета (движущееся или покоящееся) — это совершенно другой вопрос. В абстрактных (модельных) теориях он может быть постулирован, например, из соображений удобства теории, а для нашей единственной реальной Вселенной должен решаться экспериментально. Понятие абсолютного времени в классической Ньютоновой физике тоже было предельно четким.

Время должно быть равномерным и независимым от любых наблюдаемых в системе явлений. Именно таким свойством обладает время, синхронизуемое бесконечно удаленным периодическим источником на серединном перпендикуляре. (Напротив, в СТО время не является независимой величиной: оно связано с состоянием движения системы и с координатами, например, соотношением dr2 – c2dt2 = const.) Для равномерного хода времени выбор начала отсчета времени произволен. Для единого описания явлений и сопоставимости результатов масштабы (единицы измерения) для всех систем должны быть одинаковы. Равномерность хода времени автоматически обеспечивает наибольшую простоту описания явлений и для базисного понятия времени позволяет ввести его эталонное определение. Сделаем еще несколько методических замечаний.

Вообще говоря, в СТО метод сравнения явлений в двух разных инерциальных системах предполагает, что обе эти системы существовали бесконечно долго. Однако, всегда инерциальные системы "привязаны" к конкретным телам и существовали лишь конечное время. Тогда в каждом конкретном случае требует изучения вопрос: "стерлась" ли уже предыстория образования этих систем (ее влияние)? Совершенно неадекватны действительности евклидовы аналогии с проекциями в книге [33].

Проекция — это лишь абстрактный способ описания, сам же предмет при поворотах не изменяется. В СТО, напротив, при изменении движения наблюдателя (!) мгновенно меняются характеристики объекта (даже удаленного). Предельный переход от преобразований Лоренца к преобразованиям Галилея (для времени t = t' + vx'/c2) показывает, что Ньютоновская механика — это не просто предел малых скоростей β = v/c << 1, а требуется другое условие: c → ∞. Но тогда для многих величин в СТО нет предельного перехода к классическим величинам (см. ниже, а также [50]).

А ведь в классической физике c ≠ ∞; ее конечное значение было определено еще в 17 веке! Свойство максимальной однородности пространства-времени может быть атрибутом либо идеального математического пространства и времени Ньютона (фактически являющегося "надстройкой свыше"), либо модельного пространства (например, с невзаимодействующими на расстоянии материальными точками). Попытка опираться на названное свойство в теории относительности как на принципиальное свойство реального пространства и времени является искусственной. Во-первых, даже в земных масштабах мы не можем произвольно менять точки пространства, моменты времени, направления осей и скорости инерциальных систем: вспомним ограниченность земного пространства, вращение Земли, гравитационное поле, влияние Луны, электрическое, магнитное, температурное поля и др..

И это достигнутые реальные практические ограничения, а не принципиальные ограничения где-то при релятивистских скоростях и огромных масштабах Вселенной. Впрочем, в масштабах Вселенной с реальными объектами и гравитационными полями это свойство также не подтверждается (модель равномерного "желе" не описывает реальную Вселенную).

Во-вторых, кроме вида уравнений, решение математически еще детерминируется граничными и начальными условиями. Это также практически, на реальных конечных масштабах, препятствует любым сдвигам и изменениям (либо нужно дополнительно менять накладываемые условия). Как с претензиями ТО подходить к существующим нелинейным свойствам и уравнениям? Даже само понятие "относительность" не допускает обобщения (скорее сужение) для реального пространства с тяготением (это подчеркивал Фок [37]: термин общая теория относительности неадекватен). Принцип относительности (в любой форме) предполагает, что "не выглядывая" за пределы системы нельзя обнаружить ее равномерное движение.

Раньше роль всепроникающей среды для возможного обнаружения такого движения выполнял эфир. Заметим, речь шла не об обнаружении абсолютного движения, а только движения относительно эфира, то есть "не выглядывая" наружу можно было сравнить эти движения (здесь имеется в виду только вычислительная возможность, так как с эфиром нельзя связать систему реперных точек и эталонов). Но даже с "отменой" эфира по современным представлениям остается "кандидат" с аналогичными свойствами — гравитационное поле (принципиально неэкранируемое).

Например, из анизотропии реликтового излучения, при дополнительной гипотезе о равенстве скорости распространения гравитационных взаимодействий и скорости света, может следовать анизотропия гравитационного поля (всепроникающего). Таким образом, неравноправие инерциальных систем в макромасштабах может быть в принципе обнаружено "не выглядывая" наружу даже в локальной точке. Теоретически этого можно избежать при гипотезе, что скорость гравитационных взаимодействий много больше скорости света, тогда изотропия могла бы установиться, а на практике — это прерогатива опыта.

Источник: http://sceptic-ratio.narod.ru/

Добавил:Всеволод Гордиенко Дата:2016-10-17 Раздел:Физика