Сергей Александрович Гурин
Специальная теория относительности – гениальное озарение или математическая фантазия?
О ЧЕМ КНИГА:
Я думаю не только у меня возникало ощущение какой-то притянутости специальной теории относительности. Нереальности всех этих искажений времени и пространства. Да, определенный полет для фантазии конечно есть. Однако вот нет полного доверия и все. К тому же, не может полностью справедливая теория вызывать столько сомнений.
Не спорю, наука сделала огромные шаги в определении количественных зависимостей различных физических параметров, что позволило достичь фантастического некогда уровня развития технологий. Однако, совершенно не определена суть фундаментальных характеристик материи, таких как масса, заряд и причин характера их взаимодействий.
Эта ситуация, в основном конечно со специальной теорией относительности, и сподвигла меня на работу, результаты которой, и изложены в статье. Надеюсь, что она найдет своего читателя, и будет воспринята без того научного высокомерия, с которым относятся к нетрадиционным взглядам на существующие теории. Особенно если эти новые взгляды появляются у людей не имеющих научных степеней и признанных работ, к которым и принадлежит автор. Поэтому не судите строго за излишнюю простоту формулировок и возможное не соответствие принятым стандартам изложения материала.
ПРЕДИСЛОВИЕ.
Справедлива ли СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ (СТО)? Приступая к написанию книги, я прекрасно понимал, что ответ на этот вопрос давно дан учебниками физики, разжеван её преподавателями, да и вообще уже многим даже не интересен, так как справедливость положений, на которых построена эта теория просто НЕ ПОДЛЕЖИТ сомнению. Конечно попытки всегда были, но как говорится «воз и ныне там».
Тем не менее, еще с момента знакомства с ней в школе, меня никогда не оставляло ощущение, что не все так гладко, как нам преподносят. И хотя понимание всего связанного с данной теорией никогда не вызывало проблем, ощущение какого-то непринятия не уходило. Но, достаточного времени для того, чтобы попытаться разобраться, в то молодое время не хватало, а потом вообще как-то разошлись мы с научной деятельностью. И даже если там что и не так, то, во-первых, жить это не мешало, а во-вторых, есть ведь серьезная наука, которая обязана проверить и разобраться, но… Время шло, и вот на исходе пятого десятка вдруг, ни с того ни с сего, старые сомнения вновь, и весьма сильно, завладели сознанием. Стало понятно, что надо уже просто для самого себя разобраться. Результаты этого разбирательства я и излагаю в данной статье.
И так как, основной постулат СТО, а в целом, в настоящее время, и всей физики, это максимальность, постоянство и абсолютность скорости света во всех, без исключения, системах отсчета, с него я и начал. Понимаю начинающиеся скепсис и разочарование читателя, дескать снова очередной «сверхсветовик» нарисовался, но прошу не судить строго и сразу, а потратить немного времени. Тем более, что никаких громоздких математических выкладок в статье нет. И вообще мое личное мнение: если для объяснения сути явлений теория требует непременного применения все более усложняющихся математических инструментов, то до сути то так и не добрались. Так-что, количественные расчеты на уровне высшей математики и более глубокую экспериментальную проверку, оставляю той самой серьезной науке. Конечно, если данная статья удостоится её внимания.
ЭВОЛЮЦИЯ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О СВЕТЕ, КАК НАЧАЛО ПУТИ К СТО.
В настоящее время скорость света считается максимальной скоростью распространения сигнала, да и вообще любого движения. Кроме того, при переходах между системами отсчета она, как и поведение света должны оставаться постоянными.
Однако, что такое свет (как в общем-то и все электромагнитное излучение)? При непредвзятом взгляде – это всего лишь сигнал, а не какое-то метафизическое нечто, имеющее уже почти религиозное значение.
В поисках информации о природе света и вообще представлениях о нем, а также того, как они повлияли на создание СТО, мною сделаны следующие выводы:
1. Изначально (не упоминаю совсем уж экзотические теории вроде щупалец в глазах) свет представляли частицами;
2. После обнаружения таких свойств света как интерференция и дифракция, свет стали считать волной;
3. Световая волна должна была распространяться в особой светонесущей среде (это было одним из значимых предположений для дальнейшего движения в сторону СТО);
4. Признана электромагнитная природа света;
5. Создана теория электромагнитных полей и волн (еще одна веха на пути к СТО);
6. Наконец свету определили корпускулярно-волновую природу.
Самой главной предпосылкой для создания СТО стали опыты по обнаружению эфира (той самой выше упомянутой светонесущей среды). Необходимость её существования следовала из принятия волновой природы света, по аналогии с уже изученными волнами в реальных средах.
Кроме того, как мне видится, существование неподвижного эфира, позволяло объяснять годовую звездную аберрацию – периодическое смещение наблюдаемого положения звезд в течении года.
Объяснения этого явления с учетом волновой теории света, как раз и согласовывались с существованием неподвижного эфира, в котором распространялся свет от звезд, а из-за движения Земли по орбите вокруг Солнца суммарный вектор скорости света смещался от направления на звезду в зависимости от направления движения Земли, что и приводило к смещению изображение звезды.
Для обнаружения влияния на свет движения Земли сквозь этот неподвижный эфир была проведена серия опытов, известных как опыты Майкельсона-Морли. В этих опытах свет делился на два луча и распространялся во взаимно перпендикулярных направлениях и после лучи встречались. При этом, если один из лучей будет двигаться перпендикулярно движению Земли в эфире, второй будет двигаться вместе и против «эфирного ветра». Это должно вызвать разницу в пройденном пути и появление определенной интерференционной картины. Для попадания в такое положение интерферометр свободно поворачивался.
Однако эфирный ветер так и не был обнаружен, это могло бы соответствовать тому, что Земля полностью увлекает эфир в своем движении.
К этому необходимо добавить и опыты Физо по обнаружению влияния движения среды, в которой распространяется свет, на его скорость. В этих опытах получалось, что влияние есть, но оно гораздо меньше ожидаемого. Это стали объяснять частичным увлечением эфира средой.
Также обнаружилась явная неинвариантность уравнений электромагнетизма Максвелла в преобразованиях Галилея, использовавшихся для пересчета параметров при переходах между инерциальными системами отсчета. В результате чего, при переходах от неподвижной системы отсчета к подвижной и наоборот, скорость света изменялась.
Кроме того, обнаружились отдельные, необъяснимые на тот момент, парадоксы в экспериментах с электромагнетизмом. Например, парадокс Фарадея, когда вращение медного диска относительно неподвижного магнитного диска, находящегося на одной оси с первым, давало разность потенциалов между ободом диска и его центром, а вращение магнитного диска при неподвижном металлическом – нет. Хотя, ранее, в опытах с магнитным полем и проводящим контуром, обнаружено, что независимо от того, что магнитное поле перемещалось относительно неподвижного контура, или контур перемещался относительно неподвижного магнитного поля, в контуре появлялся электрический ток.
Итак, на лицо явные противоречия результатов эмпирических данных и теоретических представлений, актуальных в научной среде.
Самым главным считаю разногласия, обусловленные существованием аберрации звезд и отсутствием влияния «эфирного ветра» на Земной источник. Получалось, что в случае аберрации эфир неподвижный, а в опытах Майкельсона-Морли он полностью увлекается Землей, а в опытах Физо он увлекался средой частично. Так как одна и та же среда не может одновременно и полностью увлекаться, и быть неподвижной, и частично увлекаться, сделано первое утверждение-предположение о том, что эфира не существует (полностью эфир был отвергнут уже в теории СТО, как и всякое абсолютное и неподвижное пространство).
Но объяснение должно ведь быть! И вдобавок, из-за всеобщего убеждения в постоянстве скорости света, просто необходимо было решить проблему неинвариантности уравнений Максвелла.
Хотелось бы конечно проследить полностью путь образных размышлений (именно образных, а не математических, потому, что, по моему мнению, невозможность найти решение проблемы на уровне интуитивного объектного моделирования и дает толчок для развития теоретического и математического аппарата), приведший теоретиков к известным выводам, из которых наиболее известны преобразования Лоренца и Пуанкаре. Но кратко это, на мой взгляд, выглядит так:
НАЧАЛО ПУТИ
При рассмотрении явления аберрации, в системе отсчета связанной с телескопом, свет приходящий от звезд (для простоты представления примем направление на звезду нормальным к плоскости орбиты Земли), из-за движения системы телескопа относительно системы внешнего пространства, проходит путь, отклоненный от вертикали, по которой он продолжает двигаться в собственной системе. Тогда получается, что в разных системах свет проходит разные по длине пути. В неподвижной системе астронома путь света длиннее. Но если скорость света не меняется от системы к системе, значит в системе телескопа время прохождения светом пути от источника до приемника должно быть больше чем в системе света – явная проблема.
В опытах Майкельсона-Морли получается, что или эфир существует и полностью увлекается Землей, или его не существует вовсе. Однако в упомянутых ранее опытах Физо результат получался явно меньше, чем если бы эфир полностью увлекался движущейся средой, но все-таки увлекался.
В результате сопоставления этих эмпирических данных была выдвинута гипотеза о сжатии пространства при движении, а также предположение о существовании местного для системы отсчета времени. Появились первые преобразования, давшие коэффициент ускорения или замедления (из какой системы смотреть) времени, сокращения длины движущихся предметов в направлении движения. Впоследствии все это назвали преобразованиями Лоренца, а поправочный коэффициент фактором Лоренца. Этот фактор и является той самой релятивистской поправкой, которую стали использовать везде и всегда как само собой разумеющееся (при этом, в подавляющем большинстве расчетов и выводов формул, её отбрасывают в виду чрезвычайной малости).
В свое время (по общепринятому ходу истории науки) Лоренц только объяснил на уровне «почему», а математический аппарат для полных расчетов, и, замечу, специально для этого, разработал Пуанкаре. Одной из целей этого была упомянутая выше необходимость создать аппарат преобразований, в которых инвариантны уравнения Максвелла для электромагнитного поля, что и было достигнуто (кто-бы сомневался, математики, а особенно гениальные, еще ни разу не подвели). Ну, тут уж народ развернулся.
Вводится понятие «относительности одновременности» событий. Вкратце напомню принцип (как его объясняют в общедоступных источниках), так как это пригодится в дальнейшем.
Два наблюдателя находятся в разных системах, у них по трое часов, одни у наблюдателя и двое равноудалены от него в противоположных направлениях. Часы одинаковые и расстояния, на которые удалены часы, также одинаковы для обоих систем. Часы изначально показывают одно и тоже время. Если системы относительно друг друга не двигаются, то все события одновременные в одной системе также одновременны в другой. Но при движении одной системы относительно другой в направлении, совпадающем с линией, соединяющей часы, одновременность для наблюдателей нарушается.
Для объяснения использовался мысленный эксперимент (этот метод вообще стал очень излюбленным способом подтверждения справедливости релятивистики, что вполне понятно ведь скорость света до сих пор недостижима). В неподвижной системе у крайних часов одновременно подаются световые импульсы, которые достигают наблюдателя (назовем его часовой потому, что неподвижен) за одинаковое время. Но до наблюдателя в движущейся системе (летчика) свет от переднего, по ходу движения его системы, импульса дойдет раньше, чем свет от заднего, так как летчик перемещается к переднему импульсу и отдаляется от заднего. И вот вам события одновременные в неподвижной системе не одновременны в подвижной. Все логично.
Дальше больше, появившийся математический аппарат позволяет предсказать и рассчитать изменение длины движущегося объекта для неподвижного наблюдателя. По расчётам, движущийся объект сокращает свою длину в направлении совпадающим с направлением движения, перпендикулярные движению размеры не изменяются.
Читатель, искренне надеюсь, дочитавший до настоящего места, наверное недоумевает: зачем я излагаю прописные истины. Но прошу еще немного терпения – без изложения этих примеров, пусть давно известных и разобранных в литературе, будет сложнее передать ход рассуждений автора и сделанные им выводы.
Тем более, что максимально углубляться в существующее положение современной науки не есть цель данной работы, хотя есть огромное к этому искушение. И если читателю хочется быстрее ознакомиться с рассуждениями автора, и он (читатель) прекрасно знаком с основами появления и обоснования СТО, то эти исторические экскурсы можно спокойно пропустить.
Я же продолжу, и кратко изложу суть знаменитых мысленных экспериментов, на которых как на пьедестале и взгромоздилась СТО нарастив фундаментальную математическую фигуру. И так как создателем СТО является Эйнштейн, то на его размышлениях и остановимся. Повторюсь, изложение краткое, не дословное.
