Теория Относительности
Информация к размышлению
Часть 1
Принцип относительности
Каждый понимает, что всякая скорость является относительной.
Имея дело со скоростью, по любому поводу, каждый непроизвольно соотносит скорость любого объекта с некоторой обобщенной средой, с окружающим физическим пространством. Иногда человек оценивает скорость объекта относительно себя.
Кроме субъективных оценок относительной скорости, существуют объективные её характеристики. От относительной скорости непосредственно зависят параметры многих физических процессов, как локального свойства, так и не локального, например, траектории движения планет, звезд и галактик.
В наше бытовое понимание относительной скорости двух объектов, так или иначе, всё время вмешивается восприятие скорости тел относительно окружающей среды. Это вмешательство всегда происходит непроизвольно, практически подсознательно. Так или иначе, но в быту мы пользуемся двойным стандартом по отношению к относительной скорости, и этот двойной стандарт никогда не приводит к конфликтным ситуациям.
Эйнштейну, в его Теории Относительности (ТО) удалось вызвать конфликт.
В ТО Эйнштейна среда отсутствует принципиально. Это значит, что в ТО нет, и не может быть, скорости относительно среды, есть только скорость относительно отдельных объектов. Относительно пустоты скорости быть не может.
Отсутствие неподвижной среды в ТО создает проблему при трактовке скорости по инерции. Действительно, при отсутствии внешних воздействий каждое тело сохраняет свое состояние, что, кроме прочего, означает сохранение равномерного, прямолинейного движения.
А каковы критерии этого равномерного, прямолинейного движения в пустоте? Критериев нет. В этих условиях всякое мероприятие, требующее знания величины и направления скорости, должно начинаться с создания искусственной среды, которая в ТО называется инерционной системой отсчета (ИСО). Например, горизонтальные рельсовые пути можно считать средой движения поездов.
В классической механике скорость по инерции — это скорость относительно неподвижного пространства, которое может быть представлено подходящей неподвижной средой, например, эфиром или физическим вакуумом. А как эта проблема решается в ТО? Чтобы задать скорость избранного тела, в ТО непременно должно рассматриваться еще одно, дополнительное тело – тело, принадлежащее инерциальной системе отсчета (ИСО) наблюдателя, которое в силу второго постулата Эйнштейна может рассматриваться как неподвижное тело. А два основных постулата Эйнштейна следующие.
«Каждый луч света движется в «покоящейся» системе координат с определенной скоростью V, независимо от того, испускается ли этот луч света покоящимся или движущимся телом» [1, т.1, с. 10].
Одиночное тело не может являться объектом ТО по определению.
Наблюдатель в ТО обладает абсолютной свободой перемещения, понимаемого как телепортация. Кроме этого, наблюдатель наделен магической способностью – всякая ИСО, куда перемещается наблюдатель, становится неподвижной.
Рассмотрим типовую систему, состоящую из двух тел. Для её анализа в ТО есть всего две возможности: можно признать неподвижным тело №1, а можно – тело №2.
Вот откуда возникла потребность Эйнштейна в равноправии всех ИСО. По Эйнштейну, любую ИСО можно рассматривать (назначить) в качестве неподвижной, и при этом в природе ничего не изменится. Так оно и есть. Но это утверждение не верно по отношению к прогнозам, которые произведены с использованием результатов измерений, произведенных в движущейся ИСО. Но прогнозы тоже являются частью реального бытия, и в этом смысле ИСО не могут считаться равноправными. Тем более, что существуют, как выяснится далее, измеряемые параметры, результаты измерения которых меняются в зависимости от выбора ИСО.
Так как в ТО, из-за отсутствия соответствующих критериев, нет возможности для установления неподвижности объекта, то Эйнштейн предоставил это право наблюдателю, тем самым, лишив наблюдателя свойства пассивности, не влияющего на ход природных процессов. Но только наблюдатель перестает быть пассивным, так о фундаментальности ТО не может быть и речи.
Вся ТО построена на анализе и описании взаимодействия двух тел, или одного тела и всей Вселенной. Казалось бы, ничего особенного в этом приеме нет. Однако не будем торопиться с выводами.
Можно ли средствами ТО рассматривать ситуации, в которой оба тела двигаются? Конечно, такая возможность имеется, но она крайне не желательна автору, и нигде в ТО не используется, т.к. требует введения третьего тела, относительно которого будут двигаться два первых тела. А анализ систем, включающих более двух тел, способен вскрыть все неустранимые противоречия ТО, что и будет продемонстрировано ниже.
Если неподвижная среда отсутствует, то относительная скорость двух тел может быть выражена только через изменение расстояния между телами, как
V=∆L /∆t. (1)
В этом выражении ∆L не является приращением пути ∆S по траектории движения в пространстве, но совпадет с этим приращением, если наблюдатель будет находится на траектории движения исследуемого тела. Это обстоятельство,- совпадение ∆L и ∆S,- позволяет маскировать некоторые недостатки ТО. Поэтому для реализации этого совпадения все примеры в ТО рассматриваются только для тел, которые двигаются по одной оси. Этим приемом из ТО Эйнштейн фактически убрал относительную скорость. Все скорости в ТО, формально являясь относительными, тем не менее, совпадают со скоростями относительно неподвижного пространства. Это искусственный прием.
Чтобы проверить себя на правильное понимание относительной скорости, рукой раскрутите грузик на короткой веревочке, и ответьте себе, чему равна скорость грузика относительно вашей, уже неподвижной руки.
Правильный ответ – равна нулю – не моментально придет к вам.
Но если относительная скорость грузика равна нулю, то что за скорость вращения мы наблюдаем? Ответ – скорость относительно пространства. Но если вы этот вопрос зададите на лекции по ТО, то поучите ответ, что это скорость относительно ИСО наблюдателя. И если вы потребуете более подробный ответ, то лектор даст косвенное описание движения относительно пространства, называя это движение движением относительно ИСО наблюдателя.
Именно относительная скорость тел, а не всем привычная скорость передвижения тела, должна присутствовать во всех формулах ТО. Именно от относительной скорости зависит, и местный ритм времени, и относительная масса движущегося тела (одно-то тело всегда неподвижно), и относительные размеры тел. Такая интерпретация взаимного перемещения тел вызывает естественный протест со стороны здравого смысла. Но, приняв в ТО исходные постулаты, необходимо следовать им неукоснительно.
Удивительным в ТО является не только то, что скорость, т.е. кинетическая энергия, непринужденно может преобразовываться без потерь в массу тела, и обратно. Удивляет способность тел знать скорость каждого из окружающих их объектов в абсолютной пустоте, и реагировать на скорость удаленных тел одинаковым образом, вне зависимости от расстояния до каждого из объектов.
Исследователь, который руководствуется данной интерпретацией природных отношений, должен иметь чрезвычайно узкий кругозор, чтобы не впасть в водоворот естественных неразрешимых противоречий.
Предлагаемая в ТО зависимость свойств вещественных объектов может быть реализована только взаимодействием вещественных объектов с пространством.
Логика преобразований Лоренца такова, что может быть реализована только взаимодействием каждого тела с общим для всех тел неподвижным пространством. Экспериментально установленная справедливость временных преобразований Лоренца доказывает наличие неподвижного материального пространства. А постоянство скорости света относительно неподвижного пространства доказывает квантовую структуру времени и пространства.
Проанализируем средствами ТО ситуацию с системой из трех идентичных тел. Пусть центральное тело М имеет массу М и неподвижно, а с противоположных сторон к нему со скоростью V приближаются два точно таких же тела, но уже с лоренцевой массой М+∆М.
Теперь оставим всё, как есть, только пересадим наблюдателя с центрального тела на одно из приближающихся. Это тело сразу сделается неподвижным и уменьшит свою массу до величины, равной М. Центральное тело приобретет скорость V и массу М+∆М, а третье тело приобретет скорость 2V- dV и массу М+(∆+d)М. Все ∆ и d это приращения, которые получены в результате преобразований Лоренца.
Напомним, что в ТО закон сохранения энергии действует своеобразным образом, попросту – официально не действует.
Эффект, произведенный введением третьего тела, оказался ошеломляющим, и уже вызывает скрытый протест. Но это еще не всё.
Человек устроен так, что мыслит с использованием стереотипов. Скорость по инерции воспринимается всеми без исключения, как постоянная скорость по прямой линии. Но в ТО такое недопустимо.
Рассмотрим, например, неподвижное и невесомое тело №1 и пролетающее мимо него на расстоянии L тело №2, которое движется по инерции, т.е. по прямой линии и без ускорения.
Задайтесь любыми параметрами и посчитайте величину относительной скорости тела №2 относительно тела №1, используя строго формулу (1). Вы обнаружите, что относительная скорость тела №2 всё время изменяется во времени и в пространстве, а в момент максимального сближения с телом №1 относительная скорость становится равной нулю. Так какую же скорость необходимо применять в преобразованиях Лоренца, если использовать для расчетов движения тел учение Эйнштейна?
Следуя постулатам и логике ТО, использовать можно только относительную скорость. В этой ситуации сложнейшая математика ТО оказывается всего лишь недопустимым упрощением реальных, еще более сложных уравнений, с переменной скоростью движения по инерции при отсутствии внешних воздействий.
Продемонстрируем при помощи анализа системы из трех тел ошибочность второго, основного постулата Эйнштейна, утверждающего абсолютное равноправие всех ИСО, вне зависимости от скорости их взаимного движения.
Проведем следующий мысленный эксперимент.
Рассмотрим тело №1 (платформу) с находящимся на ней наблюдателем. В состав ИСО наблюдателя включим еще твердую (стальную) плиту (тело №2) с идеально круглым отверстием радиуса R, в котором может вращаться твердый, идеально круглый диск (тело №3, подшипник скольжения) c радиусом R-dR.
Раскрутим диск до угловой скорости w, при этом его внешние элементы будут двигаться с линейной скоростью V1= wR. Диск будет свободно вращаться в отверстии в соответствии с законами трения.
Теперь сообщим плите с вращающимся диском линейную скорость V2, направленную по касательной к плите. В соответствии с преобразованиями Лоренца круглое отверстие в плите превратится в симметричный овал. А вращающийся диск должен превратиться в несимметричный, яйцеобразный овал. Это произойдет в результате сложения и вычитания линейных скоростей V1 и V2 в разных соотношениях в разных частях вращающегося диска. В результате различных характеристик деформаций линейно движущегося отверстия и вращающегося в нем диска при некотором соотношении скоростей V1 и V2, зависящем еще и от величины dR, вращающийся диск должно заклинить.
Таким образом, очевидно, что две ИСО, перемещающаяся и неподвижная, не являются полностью равноправными.
Что и требовалось.
На описанном принципе можно разработать измеритель скорости относительно физического вакуума, хотя ТО такую возможность отрицает еще на этапе начального постулирования.
Но не следует напрасно тратить силы на разработку спидометра. Ведь, если второй постулат Эйнштейна является ошибочным, то ошибочно и всё учение, в том числе и вывод из нашего мысленного эксперимента.
Кроме двух заявленных постулатов, Эйнштейн положил в основу своего учения множество других, не заявленных постулатов, одним из которых является преобразование Лоренца. Дело в том, что преобразование Лоренца не является однородным по своему статусу. Если для преобразования времени всё подтверждено экспериментально, то для локального искривления пространства экспериментальных подтверждений не имеется, т.е. пространственное преобразование Лоренца является совершенно необоснованным постулатом, т.е. предположением. Таким образом, одна часть преобразований Лоренца прикрывает ширмой своего «авторитета» вторую, вздорную, часть преобразований.
Рассмотрим еще один мысленный эксперимент с использованием анализа системы из более двух тел.
Пусть часы №1 находятся на длинной, неподвижной платформе.
Часы №2 находятся в большой неподвижной ракете, стоящей на платформе.
В большой ракете находится малая ракета с часами №3.
Схитрим немного, и лишим наблюдателя возможности чудесной пересадки из одной ИСО в другую. Для этого поместим наблюдателя в большую, неподвижную ракету, и начнем её реактивный разгон по круговой траектории, чтобы наблюдатель знал, что он перемещается в движущуюся ИСО. В момент, когда ракета с наблюдателем на скорости 0,86С поравняется с платформой, двигатели ракеты отключатся, и одновременно запустятся все часы. Часы на платформе будут идти с нормальной скоростью, а часы №2 в ракете, как нам известно, будут идти в два раза медленнее.
Как только двигатель большой ракеты выключится, наблюдатель на ракете дает старт малой ракете в сторону удаляющейся платформы. Малая ракета быстро набирает скорость 0,86С относительно большой ракеты, и тотчас автоматически выключает двигатель.
Оценим сложившуюся ситуацию. Часы №1 идут с нормальной скоростью. Часы наблюдателя в большой ракете идут в два раза медленнее. Часы №3 в малой ракете должны идти ещё в два раза медленнее часов №2, т.к. они стартовали из ИСО с часами №2. Однако часы №3 остановилась на краю очень длинной нашей платформы, и явно идут синхронно с часами №1, т.е. с нормальной скоростью и быстрее в два раза, чем у наблюдателя.
Часы №3 стартовали из ИСО №2, и в соответствии с ТО должны замедлить свой ход относительно часов в большой ракете приблизительно в два раза, т.е. в четыре раза относительно часов №1, с которыми часы №3 уже находятся в одной ИСО и идут синхронно.
Для установления истины в нашем эксперименте предусмотрена контрольная синхронизация часов. Достигнув пункта назначения, расстояние до которого известно, наблюдатель фиксирует показание часов и световым сигналом посылает код времени на платформу. При этом наблюдатель убеждается, что время на его часах свидетельствует, что он потратил на путь время меньшее, чем требуется для этого фотонам, хотя ни один прибор этого эффекта во время пути не обнаружил. Всё время пути платформу можно было наблюдать в телескоп, т.е. фотоны платформы двигались быстрее ракеты.
Получив сигнал от прибывшего наблюдателя, часы на платформе автоматически останавливаются, из их показаний вычитается известное время задержки, и это значение отправляется наблюдателю. Таким способом наблюдатель узнает, что часы на платформе показывают время в два раза большее, чем показывают его часы. Это и есть стороннее время его полета.
Корректный вывод из анализа ситуации только один – во время полета все системы корабля вместе с наблюдателем функционировали (жили) медленнее обычного в два раза. И это всё. Никакого искривления пространства не происходило. Древние мыслители могут спать спокойно. Но наблюдатель из своей ракеты во время движения наблюдал мнимые чудеса искривления пространства, вплоть до смещения звезд.
Получается, что неподвижное пространство является общим для всех ИСО, и взаимодействует с каждой ИСО таким образом, что все процессы в движущейся ИСО замедляются в зависимости от величины её скорости в соответствии с преобразованием Лоренца. Фотоны же этому эффекту не подвержены, т.к. являются принадлежностью физического пространства, и взаимодействуют с ИСО по закону Доплера, только в момент столкновения с приемником.
В этом случае, не производя никаких измерений скорости света, используя только часы и преобразование Лоренца, можно установить все параметры движения изолированной лаборатории. Для этого необходимо по шести опорным направлениям с известной скоростью отправить идентичные, прецизионные часы, и получив от них информацию о темпе их хода, вычислить истинную скорость лаборатории относительно абсолютного пространства.
Таким образом, ни какой ТО не требуется. Достаточно корректного обращения с преобразованием Лоренца.
В нашем втором мысленном эксперименте встречные фотоны неизбежно должны перемещаться относительно наблюдателя со скоростью, превышающей скорость света, но это только если использовать часы наблюдателя, что не допустимо, т.к. они находятся в разных ИСО.
Второй постулат Эйнштейна этому эффекту явно противоречит. Чтобы создать видимость устранения эффекта превышения скорости света, Эйнштейн придумал эффект сокращения пространства. Таким методом точная компенсация вариаций скорости света принципиально, всё равно, невозможна, т.к. эффект Ритца линейный, а эффект Лоренца сугубо не линейный. Однако у Эйнштейна выбора не было, и он пошел на уловку поглощения приращения скорости света по Ритцу отрицательным приращением за счет замедления времени по Лоренцу. Уловка удалась, т.к. никто не проводил количественную проверку аргументации Эйнштейна, хотя бы теоретически. Эйнштейн же, как обычно, расчленил единый эксперимент на два отдельных эксперимента, сведя каждый из них их к двум ИСО. Сокращение пространства Эйнштейн применил только в одном из мысленных экспериментов, где было подозрение на превышение скорости света.
С философской точки зрения искривление пространства невозможно.
Но если несуществующий эффект сокращения пространства всё же применить и для случая попутных, и для встречных фотонов, то парадокс неизбежен, и будет очевиден даже без количественных вычислений, т.е. на качественном уровне. Однако желающих проверить Эйнштейна не нашлось.
Проблемы кривизны пространства обсудим в следующей части «Информации к размышлению».
Нижний Новгород, июнь 2016г.