Инвариантная скорость процесса. Элементы специальной теории относительности

Достижения предшественников были осмыслены и приведены в стройную систему благодаря работам А. Пуанкаре и А. Эйнштейна .

Рис. 6.5. А. Эйнштейн

К 1905 г. была создана специальная теория относительности. Специальная теория относительности (СТО) представляет собой современную физическую теорию пространства и времени, в которой, как и в классической ньютоновской механике, предполагается, что время однородно, а пространство однородно и изотропно . СТО основана на двух постулатах.

Принцип относительности:

Никакие опыты (механические, электрические, оптические), проведенные внутри данной инерциальной системы, не дают возможности обнаружить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно: все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы отсчета к другой.

Принцип инвариантности скорости света:

Скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Первый постулат является обобщением механического принципа относительности Галилея на все явления природы. Согласно второму постулату, постоянство скорости света - фундаментальное свойство природы, которое констатируется как опытный факт. Выше мы использовали этот постулат в форме уравнений движения светового импульса

Из этих постулатов следует необходимость замены преобразований Галилея преобразованиями Лоренца .

Непосредственное следствие преобразований Лоренца: не может быть объектов, движущихся быстрее света. С такими объектами можно было бы связать систему отсчета, а при V > c для координат и времен получатся мнимые значения. Выходит, что скорость света играет роль предельно возможной скорости распространения сигнала.

Инвариантность интервала . Пусть даны два события: одно произошло в момент времени t 1 в точке с координатами x 1 , y 1 , z 1 , а второе - в момент времени t 2 в точке с координатами x 2 , y 2 , z 2 .

Интервалом между событиями называется величина

Поставив над координатами и временами штрихи, мы получим величину интервала s" 12 между этими же событиями в другой системе отсчета. Из преобразований Лоренца находим:

откуда следует:

Таким образом,

Величина интервала является инвариантом относительно преобразований Лоренца.

В классической механике таким свойством обладали по отдельности временной интервал

и пространственное расстояние

В релятивистской физике (от англ. relativity - относительность) этим свойством обладает только интервал между событиями

Замедление времени . Пусть в начале координат системы К" закреплены часы: их координаты равны тогда х" = у" = z" = 0, a t" - показываемое ими время (то есть время в системе отсчета К" ). Подставляя эти значения в уравнения преобразований Лоренца, находим обычные выражения для координат этих часов в системе К : х = Vt , у = z = 0 (то есть в системе К часы движутся со скоростью V вдоль оси х ). Удивительным является последнее уравнение - преобразование времени:

Время t" , отсчитываемое часами в системе К" , меньше времени t , отсчитываемого часами системы К .

Рис. 6.6. Согласование показаний часов у наблюдателей А и В

Время t" , показываемое часами в системе отсчета, где они покоятся, называется собственным временем .

Конкретное устройство часов здесь не играет никакой роли: речь идет о том, что временной интервал не является больше инвариантом и различен для разных систем отсчета. Это демонстрирует следующий пример.

Пример 1 . Время жизни τ 0 покоящегося мюона (одной из элементарных частиц) равно 2,2 мкс. От точки рождения до детектора, зарегистрировавшего его распад, мюон пролетел расстояние l = 6 км. Определим, с какой скоростью v (в долях скорости света) летел мюон.

В системе отсчета К" , связанной с мюоном, его время жизни равно τ 0 . В лабораторной системе К , согласно полученному соотношению, от рождения мюона до распада пройдет время

За это время мюон преодолеет расстояние

откуда находим

Величина

подставляя cτ 0 и l в (6.4.1), получаем

Если бы время жизни мюона относительно лабораторной системы К было таким же как и в той системе отсчета, где он покоится, то в лабораторной системе отсчета он пролетел бы расстояние L

которое более чем в девять раз меньше действительного. Даже если бы он летел не со своей действительной скоростью (6.4.2), а с предельной скоростью c , что невозможно для частицы с отличной от нуля массой, он пролетел бы всего ct 0 = 660 м, но никак не 6 км.

Многочисленные наблюдения за элементарными частицами, покрывающими гораздо большие расстояния, чем им позволяет классическая механика, - прямое доказательство реальности эффекта замедления времени.

Рис. 6.7. Распад пи-мезона на мюон и нейтрино

Сокращение длины . Пусть в движущейся системе отсчета вдоль оси 0x закреплена линейка, длина которой (собственная длина) равна l 0 . Если один конец линейки находится в начале координат (x" 1 = 0), а ее другой конец находится в точке с координатой x" 2 =l 0 , то из преобразований Лоренца непосредственно следуют координаты концов линейки в системе отсчета К :

Разность этих координат дает длину линейки в системе отсчета К :

Движущаяся линейка становится короче линейки покоящейся. Этот факт также находится в согласии с утверждением, что в релятивистской механике инвариантом является интервал s 12 , а не пространственные расстояния. Полученное сокращение длины движущегося объекта напоминает сокращение Фитцджеральда -Лоренца . Но с той разницей, что никакой эфир на объект не действует и никаких механических напряжений в линейке не возникает. Просто длина в движущейся и неподвижной системе отсчета различается, как различаются временные интервалы между двумя событиями. Эти оба эффекта - сокращение длины и замедление времени - связаны друг с другом.

Пример 2 . Рассмотрим события, описанные в предыдущем примере, с точки зрения наблюдателя, «сидящего» на мюоне.

В момент рождения мюона детектор, регистрирующий его распад, находился с точки зрения наблюдателя в лаборатории на расстоянии l . С точки зрения наблюдателя на мюоне детектор приближается к мюону со скоростью v , причем начальное расстояние L до него будет меньше:

Детектор приблизится к мюону за время

Это время совпадает со временем жизни мюона, который распадется в детекторе, как это видел и неподвижный наблюдатель. Описания событий разные, но оба наблюдателя зафиксируют один и тот же физический факт - распад мюона в детекторе.

Одновременность событий . Пусть имеются два события 1 и 2. Место и время совершения первого из них выберем за начало отсчета соответствующих координат: x 1 = 0, t 1 = 0. Пусть событие 2 происходит одновременно или позже первого

в точке на оси 0x , удаленной на расстояние L . Посмотрим, каковы координаты и моменты времени совершения этих событий с точки зрения наблюдателя, движущегося в положительном направлении оси 0x со скоростью V . Из преобразований Лоренца следует, что x" 1 = 0, t" 1 = 0, то есть координаты и время совершения первого события не изменяются. Второе же событие произойдет в точке x" 2 в момент времени t" 2 , где

Знак координаты x" 2 будет таким же, как и в классической механике. Если наблюдатель не успеет долететь до места совершения события к моменту, когда оно произойдет (Vt 2 < L ), то событие случится у него впереди по курсу (x" 2 > 0), если же успеет (Vt 2 > L ), - то событие 2 произойдет сзади него (x" 2 < 0). Но вот то, что происходит с моментом совершения события 2, не имеет аналога в классической физике. В самом деле, относительно неподвижного наблюдателя событие 2 произошло позже события 1. Но при достаточно большой скорости

знак у t" 2 становится отрицательным, то есть порядок событий меняется!

Но всегда ли это возможно? Ведь события 1 и 2 могут быть причинно связаны друг с другом. Например, событие 1 - рождения отца, а событие 2 - рождение его ребенка. Разве не было бы абсурдным, если бы нашелся наблюдатель, для которого ребенок родился бы прежде отца (нарушилась бы, как говорят, причинно-следственная связь)? Конечно, это невозможно. Давайте сформулируем условие, при котором события 1 и 2 могут быть связаны друг с другом. Так как максимально возможная скорость распространения любого сигнала не превышает c, то события могут находиться в причинно-следственной связи, если они не слишком удалены друг от друга:

Только тогда «сообщение» о первом событии достигнет второго до его совершения. Но если

то для изменения порядка событий наблюдатель должен двигаться со скоростью

А это, как мы видели, невозможно.

Таким образом, события, которые могут в принципе зависеть друг от друга, имеют тот же временной порядок для всех наблюдателей.

Если же события происходят настолько далеко друг от друга, что они не могут быть связаны никаким сигналом

то порядок совершения этих событий зависит от скорости движения наблюдателя и при

порядок событий будет иным, нежели в неподвижной системе отсчета. В частности, одновременные события (t 1 = t 2), происходящие в неподвижной системе отсчета на любом расстоянии друг от друга, не могут быть причинно-связанными (для этого нужны были бы сигналы с бесконечно большой скоростью). Из формулы для преобразования времени получаем при t 2 = 0:

Значит, при любой скорости наблюдателя, движущегося в положительном направлении оси 0x , событие 2 происходит раньше события 1. При движении в обратном направлении (V < 0) событие 2 происходит позже.

Рис. 6.8. События могут быть одновременными, с точки зрения некоего наблюдателя, если ds 2 > 0

Проиллюстрируем сказанное на следующем примере. Пусть движется поезд А’В’ , в концы которого ударяют две молнии, оставляющее на рельсах отметки А и В (рис. 6.9).

Рис. 6.9. К понятию относительности одновременности

Отметим в поезде среднюю точку 0’ , а на полотне - соответственно 0 . Свяжем с железнодорожным полотном систему отсчета 0х , а с поездом - систему отсчета 0х’ . Пусть в точку 0 вспышки света происходят одновременно. Тогда в неподвижной системе отсчета х оба события (удары молнии) происходят одновременно.

Поскольку поезд движется вправо, и, следовательно, в момент прихода вспышек в середину поезда точка 0’ находится правее 0 , то вспышка из точки А’ в точку 0’ придет позже, чем из точки B" . Это означает, что в системе х’ удар молнии в точке В’ происходит раньше, чем в точке А’ .

Мы убедились, что наряду с относительностью временных интервалов и пространственных расстояний даже одновременность событий не имеет абсолютного значения. Все они относительны, то есть зависят от движения наблюдателя. В классической физике относительными были, например, скорости тел, их кинетические энергии . Теперь список подобных величин пополнился, только и всего.

Рис. 6.10. Кинематические преобразования физических величин в СТО

В данной статье на основе фотонной концепции раскрывается физическая сущность понятия свет, на основании которой показывается несостоятельность второго постулата А. Эйнштейна о постоянстве скорости света.

Введение. Предположение о постоянстве скорости света было выдвинуто Альбертом Эйнштейном в качестве второго постулата его знаменитой специальной теории относительности (СТО): “Любой луч света движется в “неподвижной” системе отсчёта с определённой скоростью c , независимо от того, испущен ли луч неподвижным или движущимся телом. ”

Обоснованию этого постулата в течение последнего столетия было посвящено множество астрономических наблюдений и экспериментальных исследований . Многократно на протяжении этого времени постулат подвергался сомнениям со ссылками на недостаточную точность измерений, что, как правило, было связано с малой скоростью v движения источника по отношению к скорости света c и, кроме того, указывалось, что постулат противоречит классическому закону сложения скоростей .

Тем не менее, в среде профессионалов споры вокруг СТО прекратились уже более полувека назад. Но и по сей день редакции физических журналов постоянно осаждают любители, предлагающие варианты пересмотра СТО и, в частности, второго постулата, утверждающего постоянство скорости света для всех инерциальных систем отсчёта .

Проблема в том, что постоянство скорости света мистифицировано так же, как постоянная Планка и постоянная тонкой структуры. Оно является таинственной загадкой для физики, которая второе столетие не может объяснить, почему скорость света не зависит от скорости источника света и скорости наблюдателя, относительно чего свет распространяется с постоянной скоростью (иначе говоря, относительно чего отсчитывается постоянная скорость света), и каким образом свет распространяется с постоянной скоростью. К тому же, наряду с открытием постоянства скорости света, выяснилось, что не существует эфира – вещества, считавшегося носителем световых волн в межзвёздном пространстве. И распространение волн света при отсутствии их носителя – в вакууме – ставит физику в тупик.

Отсутствие ответов на выше поставленные вопросы начинает играть важную роль в ряде отраслей физики, в частности, в астрономии : радиолокационное определение астрономической единицы и некоторых астрономических постоянных путём радионаблюдений искусственных космических тел тесно связано с точными измерениями скорости света. Хотя скорость света c в настоящее время надёжно известна с точностью до шестого знака, однако, погрешность величины скорости света является единственным крупным источником ошибок радиолокационных измерений, если результат их необходимо получить с точностью до километров.

В электродинамике и метрологии : Электродинамика дала возможность установить вторую, независимую от закона Кулона, систему мер. Можно, например, в качестве единицы силы тока выбрать такой ток, который, протекая в длинном проводнике на расстоянии одного сантиметра от второго такого же проводника с таким же током, действует на единицу длины последнего с силой в одну дину. Эта электромагнитная единица такова, что равная ей сила тока в течение единицы времени дает конденсатору единицу количества электричества. Это с необходимостью привело к вопросу об отношении к электростатической единице, определенной законом Кулона. Из соответствующих формул увидели, что это отношение имеет размерность скорости. Его значение измерил в 1852 г. Вильгельм Вебер с удивительным результатом: это есть скорость света, равная 3 10 10 см/сек. Джемс Клерк Максвелл проверил этот результат в 1868-1869 гг. с более высокой точностью, так как это имело основополагающее значение для электромагнитной теории света. В дальнейшем определение этого отношения было так усовершенствовано, что и сейчас считается точным измерением скорости света.

Однако, в 30-е годы ХХ ст. Н. П. Кастериным было показано , что уравнения Максвелла по точности своих результатов “не в состоянии обнять все явления электромагнетизма, известные в настоящее время. Современная теоретическая физика пытается достигнуть этой цели путем надстроек в виде релятивистской, квантовой и волновой механики, изменяя, обобщая и даже извращая основы классической механики и физики, но допуская tacito consensu, что уравнения Максвелла абсолютно точны. С нашей точки зрения уравнения электромагнитного поля Максвелла только первые приближения, и их недостаточность в настоящее время происходит оттого, что точность современных измерений в электродинамике неизмеримо возросла по сравнению с временами Фарадея, Максвелла, Герца, со времени их установления .”

В результате проведенного исследования им был сделан вывод о том, что “обобщенные уравнения электромагнитного поля отличаются от уравнений Максвелла не только тем, что они нелинейны, но и тем, что скорость света c внутри поля переменна .”

На ограниченность уравнений Максвелла, обусловленных допущением постоянства скорости света, также указал В. А. Ацюковский в работе : “электрическое поле имеет продольное, а не поперечное распространение, что никак не вытекает из известных уравнений Максвелла ”. Такой характер электрического поля обусловлен неравномерным распределением носителей электрического заряда (фотонов), т.е. их разной скоростью движения.

Из выше изложенного следует, что, несмотря на не прекращающиеся доказательства постоянства скорости света сторонниками квантово-релятивистской концепции, решение этой проблемы далеко от завершения и имеет современный актуальный характер.

Философский аспект проблемы. Пренебрежительное отношение части исследователей к достижениям философии приводит к появлению ложных научных концепций, на базе которых появляются следующие поколения недееспособных научных и технических проектов . Одной из таких проблем стало постоянство скорости света.

Современное отношение сторонников квантово-релятивистской концепции к философии отражено в интервью вице-президента РАН Г. А. Месяца, данному корреспонденту Российской философской газеты Сергею Шаракшанэ:

“-Геннадий Андреевич, вам в профессиональной деятельности ученого

философия помогала?

— Наше поколение особое, и жили мы при особой философии, никакой другой

философии не было. Если говорить честно, конечно, она нам, ученым, была не нужна и

ничего не давала .”

Доминирующая последнее столетие квантово-релятивистская концепция сформировала определенный тип мышления в физике — абстрактное:

“В отличие от физики XVIII и XIX вв., пытающейся понять внутреннюю суть явлений и сводящей сложные явления к поведению элементов, участвующих в этих явлениях, физика ХХ в. фактически сняла эти цели. Целями развития некоторых областей физики стало подразумеваться создание внутренне непротиворечивого описания с помощью все более усложняющегося математического аппарата.”

С точки зрения мыслительной деятельности человека абстрактное мышление представляет собой высшую ступень. В диалектической логике понятие абстракция часто употребляется в негативном смысле: как нечто одностороннее, неразвитое, слишком оторванное от жизни, в отличие от конкретного .

Абстрактное мышление не может быть у всех одинаково. Как его отсутствие, так и чрезмерное увлечение может вызвать определенные проблемы. Решение этой задачи в физике дает философия.

В этой связи следует вспомнить работу Гегеля Г. «Кто мыслит абстрактно?» и блестящую статью-комментарий советского философа Э.В. Ильенкова.

Э.В. Ильенков:

“– Так кто же мыслит абстрактно?

– Необразованный человек, а вовсе не просвещенный .”

“Такой «образованный читатель» – не редкость и в наши дни. Обитая в уютном мирке шаблонных представлений, с которыми он сросся, как с собственной кожей, он всегда испытывает раздражение, когда наука показывает ему, что вещи на самом-то деле совсем не таковы, какими они ему кажутся. Себя он всегда считает поборником «здравого смысла», а в философской диалектике не видит ничего, кроме злокозненной наклонности «выворачивать наизнанку» обычные, «общепринятые» значения слов. В диалектическом мышлении он видит одно лишь «неоднозначное и нестрогое употребление терминов», искусство жонглировать словами с противоположным значением – софистику двусмысленности.”

“И если принять все это во внимание, то сразу же начинает выглядеть по-иному и проблема «абстракции». «Абстрактное» как таковое (как «общее», как «одинаковое», зафиксированное в слове, в виде «общепринятого значения термина» или в серии таких терминов) само по себе ни хорошо, ни плохо. Как таковое оно с одинаковой легкостью может выражать и ум, и глупость. В одном случае «абстрактное» оказывается могущественнейшим средством анализа конкретной действительности, а в другом – непроницаемой ширмой, загораживающей эту же самую действительность. В одном случае оно оказывается формой понимания вещей, а в другом – средством умерщвления интеллекта, средством его порабощения словесными штампами. И эту двойственную, диалектически-коварную природу «абстрактного» надо всегда учитывать, надо всегда иметь в виду, чтобы не попасть в неожиданную ловушку…

В этом и заключается смысл гегелевского фельетона, изящно-иронического изложения весьма и весьма серьезных философско-логических истин. “

В современной физике за непроницаемой ширмой стоят такие фундаментальные понятия как электрический заряд, электрическое и магнитное поля, постоянная Планка и постоянная тонкой структуры и т. д. Постоянство скорости света также относится к этой категории.

Фотонная концепция света. Раскрыть проблему постоянства скорости света невозможно без вскрытия физической сущности понятия свет. Согласно современным представлениям:

2) Свет в широком смысле — то же, что оптическое излучение.

ОПТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ — электромагнитные волны , длины которых заключены в диапазоне с условными границами от единиц нм до десятых долей мм (диапазон частот ~3 х 10 17 — 3 х 10 11 Гц). К оптическому излучению помимо воспринимаемого человеческим глазом видимого излучения (обычно называемого светом) относятся инфракрасное излучение и ультрафиолетовое излучение .

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ — электромагнитные колебания , распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ – взаимосвязанные колебания электрического (E) и магнитного (Н) полей, составляющих единое электромагнитное поле.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ – физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными частицами вещества, а также с частицами, имеющими собственные дипольные и мультипольные электрические и магнитные моменты.

ПОЛЯ ФИЗИЧЕСКИЕ – физические системы, обладающие бесконечно большим числом степеней свободы.

ФИЗИЧЕСКАЯ СИСТЕМА - объект физических исследований , такое множество взаимосвязанных элементов, отделенных от окружающей среды , что взаимодействует с ней, как целое.

Таким образом, последовательно раскрывая выше указанные представления современной физики о свете можно сделать следующий вывод: свет это некоторое множество взаимосвязанных элементов, отделенных от окружающей среды , которые взаимодействует с ней, как целое.

Такова логика абстрактного мышления при вскрытии физической сущности понятия свет на основе современных представлений физики. Очевидна абсурдность такого представления о свете.

Исторически представления о свете складывались как поток частиц, однако, в конце XVII века на основе развития теории представлений о свете возникли две концепции – корпускулярная (Ньютон – Декарт) и волновая (Гук – Гюйгенс).

Корпускулярные воззрения на природу света И. Ньютон развил в стройную теорию истечения. Свет – корпускулы, испускаемые телами и летящие с огромной скоростью. Ньютон изложил теорию света на абстрактном уровне, не вникая в физическую сущность световых корпускул и среды, в которой они летят. Его теория осталась фактически необоснованной и поэтому стала легко доступной для критики. Тем не менее, в течение ста с лишним лет корпускулярная теория имела гораздо больше приверженцев, чем волновая. Однако в начале XIX в. французскому физику О.Ж. Френелю удалось на основе волновых представлений объяснить все известные в то время оптические явления. В результате волновая теория света получила всеобщее признание, а корпускулярная теория была забыта почти на столетие.

Возрождению корпускулярной ньютоновской теории света в начале ХХ столетия способствовала концепция фотона, заложенная работами Дж. Стони (электрон),

Ф. Эренгафта (субэлектрон), М. Планка (квант), а также работами в области теории фотоэффекта (Г. Герц, А. Г. Столетов, А. Эйнштейн).

В 1905 г. А. Эйнштейн выдвинул идею, обобщавшую гипотезу квантов М. Планка, и положил ее в основу новой теории света (квантовой теории фотоэффекта). Согласно теории Эйнштейна, свет с частотой ν не только испускается, как это предполагал Планк, но и распространяется и поглощается веществом отдельными порциями (квантами), энергия которых E = h· ν . Таким образом, распространение света нужно рассматривать не как непрерывный волновой процесс, а как поток локализованных в пространстве дискретных световых квантов, движущихся со скоростью распространения света в вакууме (с ). Квант электромагнитного излучения получил название фотон.

Неспособность физики ХХ столетия разобраться с сущностью фотона привела ее к созданию мифов о корпускулярно-волновом дуализме и постоянстве скорости света. Несмотря на то, что концепция фотона все еще находится на стадии доказательства , именно она позволяет решить выше указанные проблемы, связанные с постоянством скорости света.

Согласно корпускулярной теории света и гипотезы квантов М. Планка очевидно, что свет представляет собой поток фотонов, а согласно эфиродинамической концепции , средой существования фотонов является эфир. Поток фотонов совместно с эфиром образуют фотонный газ. На основании этого можно дать следующее определение:

Свет это поток фотонного газа, частицы (фотоны) которого образуют излучение, длины волн которых заключены в диапазоне с условными границами от единиц нм до десятых долей мм (диапазон частот ~ 3 ·10 17 — 3·10 11 Гц), предназначенный для переноса энергии.

Фотон это элементарная частица, представляющая собой замкнутый тороидальный вихрь уплотненного эфира с кольцевым движением тора (как колеса) и винтовым движением внутри него, осуществляющая поступательно-циклоидальное движение (по винтовой траектории), обусловленное гироскопическими моментами собственного вращения и вращения по круговой траектории и предназначенная для переноса энергии.

Фотон это элементарная частица обладающая двойным гироскопическим эффектом, которые обуславливают высокую стабильность его параметров, в частности, постоянство скорости прямолинейного движения.

Фотон это понятие, которое относится к множеству элементарных частиц, основным свойством которых является зависимость их параметров от длины волны, например, скорость фотонов (ν) зависит только от длины волны (λ) , ν = f (λ).

Длина волны фотона, в отличие от электромагнитной волны, это период движения по поступательно-циклоидальной траектории.

Таким образом, скорость отдельно взятого фотона (λ = const ) это величина постоянная, не зависящая от системы пространственных координат и системы отсчёта времени, т. е. от систем отсчета.

Эта особенность фотонов была положена А. Эйнштейном в основу второго постулата. Несостоятельность второго постулата Эйнштейна заключается в том, что луч света представляет собой поток фотонного газа, частицы-фотоны которого, согласно зависимости ν= f (λ), движутся с разными скоростями. Доказательством того, что фотоны в луче света имеют разные длины волн, а значит и скорости, служит известное еще Ньютону явление дисперсии света . Экспериментальным доказательством зависимости скорости от длины волны фотона являются работы в области лазерной генерации частоты. Например, по данным, приведенным в работе , показано, что установленная постоянная скорости света в вакууме, равная 299792458 ±1,2 м/с , это ничто иное как скорость фотонов длиной волны 3,39 мкм. Там же показано, что фотоны, имеющие длину волны меньше 3,39 мкм движутся с большей скоростью, т. е. больше скорости света. Согласно эфиродинамической концепции предельным значением скорости фотонов (гамма-фотонов) является вторая звуковая скорость эфира, гипотетическое значение которой равно 3·10 8 м/с.

Особенностью данного параметра фотонов (ν = f (λ) ) является то, что в области существования фотонов в диапазоне длин волн от ед. пм до десятых долей мм изменение скорости прямолинейного движения составляет порядка 0,1%, а в оптическом еще меньше. Т. е. скорость прямолинейного движения фотонов носит квазипостоянный характер.

Существующие способы измерения скорости света не учитывают зависимости скорости фотонов от длины волны, а оперируют некоторой интегральной, т. е. обобщенной характеристикой в области оптического излучения, которая для данного диапазона волн всегда будет постоянной или ее изменение будет находиться за пределами погрешности измерений . С этой точки зрения эти способы измерения являются некорректными и не могут служить доказательством постоянства скорости света.

Не достигнув результата в доказательстве постоянства скорости света в оптическом диапазоне сегодня для сохранения позиций СТО используются новые способы. В частности, в работе сообщается о наблюдении сверхсветовой скорости нейтрино. Там же делается обоснование и вывод: заявленный результат коллаборации OPERA трудно вместить в какие-либо, даже в самые экзотические теоретические модели, т. е. нейтрино не может двигаться со сверхсветовой скоростью.

Таким образом, наглядно демонстрируется незыблемость позиций СТО.

“Фокус” данного мероприятия заключается в том, что нейтрино, как элементарной частицы, в природе не существует, а потому и результат этого эксперимента носит чисто виртуальный характер, т. е. представляет собой очередную ширму.

Выводы. Основой квантово-релятивистской концепции физики ХХ столетия стало создание внутренне непротиворечивого описания физических явлений с помощью все более усложняющегося математического аппарата, с точки зрения философии являющегося абстрактным мышлением. Опыт использования абстрактного мышления показывает его противоречивость: В одном случае «абстрактное» оказывается могущественнейшим средством анализа конкретной действительности, а в другом – непроницаемой ширмой, загораживающей эту же самую действительность.

Представим себе двух физиков, у каждого из которых лаборатория, снабженная всеми мыслимыми физическими аппаратами. Лаборатория одного из физиков находится в открытом поле, а лаборатория другого - в вагоне поезда, быстро несущегося в некотором направлении. Принцип относительности утверждает: два физика, применив все аппараты для изучения всех существующих в природе законов - один в неподвижной лаборатории, другой в вагоне, - найдут, что эти законы одни и те же, если вагон движется равномерно и без тряски. Если сказать в более абстрактной форме, то это выглядит так: согласно принципу относительности законы природы не зависит от переносного движения систем отсчета.
Эйнштейн

Эйнштейну было шестнадцать лет, когда он впервые задумался о том, с какой скоростью свет распространяется в различных, движущихся одна относительно другой системах отсчета. Тогда же, в Аарау, и впоследствии, в Цюрихе, за десять лет до создания теории относительности, Эйнштейн, стремясь нагляднее представить движение системы отсчета, мысленно рисовал движущиеся вместе с каким-то телом, прикрепленные к этому телу измерительные стержни, а также часы. Стержни и часы позволяют измерить положение каждого тела в каждое мгновение и определить его скорость. Таким образом, система отсчета рисовалась Эйнштейну в виде реального тела, к которому прикреплено начало координат, бесконечные координатные оси и множество сколь угодно длинных стержней, так что любое тело, где бы оно ни находилось в данный момент, совпадает по своему положению с определенными отметками на измерительных стержнях, т.е. имеет определенные координаты, причем "данный момент" один и тот же в каждой точке, ориентированной при помощи стержней, - мы можем сверить все находящиеся в этих точках часы. Чтобы не смешивать измерения, сделанные по отношению к данной системе отсчета, с другими, отнесенными к иной системе отсчета, Эйнштейн представил себе человека, который движется вместе с системой и не видит никаких других систем. Он наблюдает только, совместились ли тела с отметками на измерительных стержнях данной системы отсчета. Этот "наблюдатель" фигурирует почти во всех изложениях теории относительности, но можно было бы обойтись и без него; он представляет собой столь же воображаемую фигуру, как и координатные оси и измерительные стержни, прибитые к движущемуся тепу и образующие движущуюся вместе с ним систему отсчета (систему отсчета, в которой это тело неподвижно). "Наблюдатели" так же мало затушевывают объективный смысл теории относительности, как выражение "если вы протянете веревку от Земли до Солнца..." ставит объективный факт - определенное расстояние между небесными телами - в зависимость от реальных или воображаемых измерений. Когда воображение рисует "наблюдателя", то появляется несколько неясный образ человека, привязанного к летящим в пространстве измерительным стержням и способного одновременно измерять положения тел при помощи этих бесчисленных и бесконечных по величине стержней. Этот образ может быть заменен менее точным, но более представимым образом пассажира в купе поезда с задернутыми занавесками на окнах или в каюте корабля (этой каютой пользовался, как мы помним, Галилей для демонстрации классического принципа относительности).

Представим себе корабль, движущийся с той же скоростью, что и волны на поверхности моря. Для находящегося на корабле "наблюдателя", т.е. для человека, который может измерить скорости только по отношению к кораблю, волны покажутся неподвижными. Не замечая ни неба, ни берегов, "наблюдатель" увидит как бы застывшую поверхность моря, он ничего не будет знать о движении волн - ведь они неподвижны по отношению к кораблю. Такие субъективные впечатления "наблюдателя" лишь условное выражение объективного факта: волны действительно неподвижны по отношению к системе отсчета, в которой неподвижен корабль (к системе, "привязанной" к кораблю).

Эйнштейна заинтересовал вопрос, сохранится ли неподвижность волн по отношению к кораблю (к системе отсчета, "привязанной" к кораблю, и к находящемуся на нем "наблюдателю"), если это будут не волны на водной поверхности, а электромагнитные волны, т.е. свет. Свет пробегает вдоль Земли со скоростью, приблизительно равной 300 000 километров в секунду. Пусть корабль движется по морю с такой же скоростью. Для "наблюдателя" на корабле свет имеет тогда нулевую скорость. Но в этом случае оптические процессы на корабле резко изменятся, например вспышка фонаря не осветит экрана, находящегося на носу корабля. Электромагнитное поле станет аналогичным застывшей поверхности моря, окружающей корабль, оно окажется переменным в пространстве, т.е. в пространство будут чередоваться гребни и впадины, но они не будут сдвигаться с течением времени. Такое изменение оптических процессов позволит "наблюдателю" зарегистрировать абсолютным образом движение системы. Вооруженный оптическими инструментами "наблюдатель" сможет отличить движущийся корабль от неподвижного. Но это противоречит теории Максвелла, в которой свет всегда представляет собой движущиеся электромагнитные волны. Противоречит это и интуитивному убеждению в невозможности зарегистрировать равномерное и прямолинейное движение при помощи внутренних эффектов в движущейся системе.

Об указанном парадоксе, овладевшем его мыслями в шестнадцать лет в Аарау, Эйнштейн говорит:

"Парадокс заключается в следующем. Если бы я стал двигаться вслед за лучом света со скоростью с (скорость света в пустоте), то я должен был бы воспринимать такой луч света как покоящееся, переменное в пространстве электромагнитное поле. Но ничего подобного не существует; это видно как на основании опыта, так и из уравнений Максвелла. Интуитивно мне казалось ясным с самого начала, что с точки зрения такого наблюдателя все должно совершаться по тем же законам, как и для наблюдателя, неподвижного относительно Земли. В самом деле, как же первый наблюдатель может знать или установить, что он находится в состоянии быстрого равномерного движения?"

По существу, указанный парадокс является конфликтом между двумя идеями классической механики, перенесенными в новую область электродинамических процессов.

Первая из них представляет собой классическое правило сложения скоростей. Если человек идет по коридору вагона со скоростью 5 километров в час относительно вагона, а вагон движется со скоростью 50 километров в час относительно Земли, то человек движется относительно Земли со скоростью 50 + 5 = 55 километров в час, когда он идет по направлению движения поезда, и со скоростью 50-5 = 45 километров в час, когда он идет в обратном направлении. Если человек в коридоре вагона движется относительно Земли со скоростью 55 километров в час, а поезд со скоростью 50 километров в час, то скорость человека относительно поезда 55-50 = 5 километров в час. Если волны движутся относительно берега со скоростью 30 километров в час, а корабль также со скоростью 30 километров в час, то волны движутся относительно корабля со скоростью 30-30 = 0 километров в час, т.е. они остаются неподвижными. Что же произойдет в случае электромагнитных волн? Сохранится ли здесь столь очевидное правило сложения скоростей?

Классическое правило сложения скоростей соответствует преобразованию координат от одной системы осей к другой системе, движущейся относительно первой без ускорения. Если при таком преобразовании мы сохраняем понятие одновременности, т.е. можем считать одновременными два события не только при их регистрации в одной системе координат, но и во всякой другой инерциальной системе, то преобразования называются галилеевыми. Кроме того, при галилеевых преобразованиях пространственное расстояние между двумя точками - разность между их координатами в одной инерциальной системе отсчета - всегда равно их расстоянию в другой инерциальной системе.

Вторая идея - принцип относительности. Находясь на корабле, движущемся равномерно и прямолинейно, нельзя обнаружить его движение какими-либо внутренними механическими эффектами. Распространяется ли этот принцип на оптические эффекты? Нельзя ли обнаружить абсолютное движение системы по вызванным этим движением оптическим или, что то же самое, электродинамическим эффектам? Интуиция (довольно явным образом связанная с классическим принципом относительности) говорит, что абсолютное движение нельзя обнаружить какими бы то ни было наблюдениями. Но если свет распространяется с определенной скоростью относительно каждой из движущихся инерциальных систем, то эта скорость изменится при переходе от одной системы к другой. Это вытекает из классического правила сложения скоростей. Говоря математическим языком, величина скорости света не будет инвариантной по отношению к галилеевым преобразованиям. Это нарушает принцип относительности, вернее, не позволяет распространить принцип относительности на оптические процессы. Таким образом, электродинамика разрушила связь двух, казалось бы, очевидных положений классической физики - правила сложения скоростей и принципа относительности. Более того, эти два положения применительно к электродинамике оказались несовместимыми. Непротиворечивая картина мира могла быть только парадоксальной, "безумной", т.е. отказывающейся от привычного и поэтому "очевидного" положения. От какого именно - от правила сложения скоростей или от принципа относительности, - это должен был решить эксперимент.

В 1882 г. Майкельсон произвел решающий эксперимент. Он пользовался прибором, который называется интерферометром и позволяет обнаруживать очень небольшие различия в скорости света. В нем имеются две трубки, по которым пробегают лучи света. Одна трубка была направлена вдоль движения земной поверхности и находящегося на ней прибора, другая трубка находилась в поперечном положении. Движение Земли в мировом эфире должно было сказаться в увеличении скорости света, когда последний проходит по продольной к движению Земли трубке навстречу этому движению, и в уменьшении скорости, когда свет догоняет Землю. Измерить скорость света при прохождении по трубке от одного конца до другого невозможно. Удается измерить время, необходимое свету для движения по трубке туда и обратно. Пусть свет направлен по движению Земли. Тогда он придет к противоположному концу продольной трубки с запозданием, а обратный путь проделает с опережением. Но опережение на обратном пути не полностью компенсирует запоздание, и в целом получается небольшое запоздание. Свет пройдет туда и обратно в продольной трубке за большее время, чем туда и обратно по поперечной трубке. Сравнив скорость света в продольной и поперечной трубках, мы обнаружим это запоздание, если движение Земли оказывает влияние на скорость света относительно Земли.

Земля движется в мировом пространстве со скоростью около 30 километров в секунду, и изменение скорости света должно было оказаться величиной, которую интерферометр Майкельсона обязательно обнаружил бы. Однако скорость света оказалась независящей от движения Земли в эфире; опыт дал отрицательный результат. Можно было предположить, что прибор Майкельсона увлекает при своем движении эфир, так что трубка интерферометра и весь прибор в целом не движется относительно эфира. Но такое предположение было опровергнуто другими оптическими экспериментами.

В самом конце прошлого столетия Вильям Томсон говорил, что наука, наконец, вошла в гавань, разрешила все коренные вопросы и может теперь только уточнять детали. Но он упомянул о двух нерешенных проблемах. Одна из них состояла в некоторых затруднениях теории излучения - они-то и привели в 1900 г. Макса Планка к идее квантов. Второй нерешенной проблемой Томсон считал результаты опыта Майкельсона. За вычетом указанных проблем, по его мнению, науке ничто не угрожает и она может считать себя гарантированной от пересмотра своих коренных теоретических устоев. И как это часто бывает, не успели метеорологи объявить о наступлении ясной погоды, как грянул гром. Он грянул именно из тех тучек, о которых говорил Томсон. Результаты опыта Майкельсона и множество аналогичных опытов опрокинули, казалось бы, самые очевидные представления о мире. В 1905 г. инженер бернского патентного бюро заявил, что свет действительно распространяется с одной и той же скоростью относительно всех тел, движущихся с постоянной скоростью одно относительно другого - встречающихся, отстающих одно от другого, перегоняющих одно другое.

Чтобы подчеркнуть всю парадоксальность этого утверждения, нарисуем следующую картину. С палубы быстро движущегося корабля бросаются в воду два человека, плавающие с одной и той же быстротой. Один из них плывет от носа к корме, т.е. навстречу кораблю, другой от кормы к носу, догоняя корабль. Казалось бы, очевидно, что пловцы затратят различное время: тот, кто плывет по воде навстречу кораблю, достигнет кормы скорее, чем второй пловец - носа корабля. И вот вопреки очевидности пловцы проходят этот путь в одно и то же время, т.е. с одной и той же скоростью. Разница в скорости показала бы, что корабль движется. Если такой разницы нет, то о движении корабля можно судить только по изменению его расстояния от берега или от другого корабля, движение его относительно; с тем же правом можно сказать, что берег движется относительно корабля. Свет ведет себя, как эти пловцы. Оптические процессы в теле не дают внутренних критериев движения, не дают основания говорить об абсолютном движении. Свет распространяется с одной и тон же скоростью относительно различных, движущихся одно относительно другого, тел. Мы уже говорили недавно о системах отсчета - воображаемых измерительных стержнях, с помощью которых можно измерить скорость, в частности скорость света. Основную посылку теории относительности Эйнштейна выражают словами "скорость света одна и та же во всех системах отсчета, движущихся одна относительно другой без ускорения".

Мы можем прикрепить систему отсчета к кораблю и считать неподвижными стоящие на палубе предметы; можем прикрепить ее к берегу и зарегистрировать движение этих предметов с уплывающим кораблем; можем прикрепить систему отсчета к Земле, к Солнцу, к Сириусу, и каждый раз у нас получится другая картина покоящихся и движущихся тел во Вселенной. Но переход от одной системы отсчета к другой ничего не меняет в ходе внутренних процессов в теле. В одной системе тело неподвижно, в другой оно движется, по эти определения "неподвижно" и "движется" относительны, они имеют смысл только по отношению к некоторой системе отсчета; движение тела выражается в изменении расстояний от других тел - и только, а покой выражается в неизменности таких расстояний - и только. Внутренних различий, различий в ходе внутренних процессов нет, в том числе нет различий в скорости света.

Так была дискредитирована идея привилегированной абсолютной системы отсчета, убеждение, что в некоторой абсолютной системе отсчета при регистрации движения и при измерении скорости мы получаем "истинные" данные, а в других системах отсчета движение и покой представляют собой лишь кажущиеся состояния. Так была завершена коперниканская революция, отнявшая у Земли ее абсолютную неподвижность, а у системы отсчета, в которой Земля неподвижна, - ее привилегированный характер. Когда Коперник и Галилей показали людям, что движение тел, каким оно представляется при наблюдении с Земли и при измерении в системе отсчета, привязанной к Земле, не имеет абсолютного характера, дальнейшее развитие идеи относительности уже не могло никого поразить. Но ликвидация последней линии укреплений, защищавших абсолютное движение, потребовала признания самой парадоксальной картины, какую только можно представить, - картины движения света с одной и той же скоростью в системах, которые сами движутся одна относительно другой.

Признание парадоксальности новой картины мира - исходный пункт анализа ее воздействия на характер научного мышления. Но парадоксальные утверждения Эйнштейна не вызвали бы такого широкого резонанса, если бы они не были так тесно логически и исторически связаны с "классическим идеалом" и с предыдущими переворотами в науке, освобождавшими ее от антропоцентрических абсолютов.

Убеждение, что человек, прохаживающийся по палубе корабля, движется с различной скоростью относительно этого корабля, относительно встречного корабля, относительно берега и т.д., было незыблемым. Весьма естественным казалось убеждение, что и свет распространяется с различной скоростью в движущихся одна по отношению к другой системах. Но без того чтобы разрушить это убеждение, нельзя было окончательно ликвидировать антропоцентрические призраки в науке и завершить освобождение науки от этих призраков, начатое в новое время Коперником и Галилеем. По сравнению с гелиоцентризмом новая революция против абсолютного движения принесла людям еще более парадоксальные представления. В XVI-XVII вв. движение приписали телу, которое до того считалось неподвижным, но само движение понимали так же, как и раньше. В этом отношении неевклидова геометрия с ее треугольниками, у которых сумма углов не равна двум прямым углам, с перпендикулярами к прямой, расходящимися по мере удаления от нее или сходящимися в некоторой точке, была более парадоксальной. Но здесь речь шла о геометрических теоремах, которые могли казаться и часто казались свободными творениями мысли, выводящей их логически непротиворечивым образом из произвольных, в том числе парадоксальных, допущений. "Безумие" теории Эйнштейна одного порядка с "безумием" неевклидовой геометрии. Даже сейчас трудно представить себе одну и ту же скорость по отношению к движущимся одна относительно другой системам. Не менее трудно было представить себе соотношения неевклидовой геометрии. Но здесь налицо очень существенное различие. Безумный монолог не вызывает удивления. Удивительной будет безумная действительность, отступление от привычного в реальных явлениях и в достоверно отражающих эти явления понятиях. Мысль о произвольных допущениях, которую можно выразить столь частой фразой: "Чего только не придумают!", в случае теории относительности полностью исключена. Она исключена всей суммой экспериментов, лежащих в основе теории относительности. У Эйнштейна речь явно идет не о парадоксальных теоремах, а о парадоксальной реальности. Движение, само движение, противоречит и очевидности в смысле непосредственно наблюдаемого поведения окружающих тел и той, как казалось, априорной, логической, присущей разуму очевидности, которая свойственна геометрическим аксиомам. Эйнштейн отбросил в принципе и первую и вторую "очевидность" - и эмпирическую очевидность наблюдаемых явлений, и априорную очевидность геометрических аксиом.

Но несмотря на свою парадоксальность, теория относительности производит впечатление чего-то глубоко конструктивного, причем завершающего то здание, которое начали строить с самого возникновения современной науки.

Созданная в XVII в. классическая картина мира основана не только на "очевидном" правиле: если тело движется с одной скоростью относительно одной системы, оно должно двигаться с иной скоростью относительно другой системы, движущейся относительно первой. Классическая картина мира рассматривает его как совокупность тел, движущихся одно относительно другого. Эфир, заполняющий мировое пространство, выходит за рамки первоначальной классической картины мира. И теперь мы возвращаемся к ней, правда, пожертвовав для этого "очевидным" правилом сложения скоростей. В этом смысле сама структура теории относительности весьма парадоксальна. С одной стороны, "безумная" идея - движение с постоянной, одной и той же скоростью по отношению к различным движущимся одна относительно другой системам. С другой стороны, устоявшаяся за много веков (начиная с Демокрита!) картина Вселенной, где нет ничего, кроме тел, движущихся одно относительно другого.

По отношению к этой картине классическая физика производила впечатление недостроенного здания. Тела движутся не только одно относительно другого, но и в абсолютном смысле в неподвижном эфире, позволяющем определить скорости тел по отношению к чему-то абсолютно неподвижному, т.е. определить абсолютные скорости тел. Движение в эфире должно воздействовать на скорость распространения света сквозь движущуюся среду, и, таким образом, оптика становится опорой абсолютного движения, которое устранено из мира прямолинейно и равномерно смещающихся материальных тел. Теория Эйнштейна, отказавшись от классического правила сложения скоростей, смогла подчинить принципу относительности все процессы, происходящие в равномерно и прямолинейно движущихся системах. Все эти процессы - не только механические, но и оптические - не изменяются под влиянием движения систем. Движение систем не вызывает каких-либо внутренних эффектов, сводится к изменению взаимного расположения тел в природе.

Близость этого вывода теории Эйнштейна к классическому принципу относительности облегчала ее усвоение и придавала убедительную достоверность этой теории, включая "безумный" тезис о постоянной и неизменной скорости света в движущихся различным образом и смещающихся одна относительно другой системах. Впечатление "достройки" классической картины мира переносило на новую теорию ореол достоверности. Этим ореолом были окружены и правило сложения скоростей, и классический принцип относительности. Задача состояла в том, чтобы определить, подчинятся ли, во-первых, принципу относительности и, во-вторых, классическому правилу сложения скоростей не только механические, по и оптические процессы. Оказалось, что оптические процессы подчиняются принципу относительности и не подчиняются правилу сложения скоростей. Таким образом, достройка принципа относительности потребовала перестройки классической кинематики, т.е. картины перемещения тел в пространстве. Вскоре оказалось, что такая достройка требует перестройки и классической динамики, т.е. учения о силах и связанных с ними ускорениях. Связь теории относительности с классической физикой состоит не только в достройке классической физики. Когда тела движутся медленно, по сравнению со скоростью света, мы можем рассматривать скорость света как бесконечную. Тогда мы приходим к соотношениям старой, классической механики. Последняя оказывается приближенным описанием действительности. Теория относительности переходит в такую приближенную теорию, когда определенная величина - отношение скорости движущегося тела к скорости света - стремится к нулю или, что то же самое, отношение скорости света к скорости тела стремится к бесконечности. Подобное соотношение между двумя теориями - одна переходит в другую, когда некоторый параметр стремится к нулю или к бесконечности, - существовало в математике. Если на поверхности сферы начертить треугольник, то сумма его углов будет больше двух прямых углов, иначе говоря, здесь будут царить соотношения неевклидовой геометрии. Когда радиус сферы неограниченно растет, эти соотношения неограниченно стремятся к евклидовым, и мы можем сказать, что на поверхности сферы бесконечного радиуса неевклидова геометрия уступает место евклидовой.

Но отсюда еще не следует однозначная физическая теория, переходящая в иную при бесконечном значении некоторого параметра. В физике XIX в. существовало несколько сходное, но все же иное соотношение между теориями. В учении о движении молекул необратимые процессы появляются, когда число молекул становится достаточно большим, и законы необратимых процессов становятся все более точными по мере увеличения этого числа. Но основная проблема учения о теплоте и состоит в связи обратимых процессов в системах с небольшим числом молекул и необратимых процессов в больших статистических ансамблях. Уже это представление о различных теориях, законных, т.е. достаточно точно описывающих действительность, при различных масштабах явлений, ломает схемы Маха и Пуанкаре. Если макроскопические закономерности термодинамики наталкиваются на неожиданные, "удивительные" явления при переходе к молекулярным масштабам, то что остается от априорной, либо условной, трактовки термодинамики? И что остается от представления о "чистом описании", если теория, служившая эталоном такого описания, - термодинамика - переходит в теорию, где фигурируют непосредственно не наблюдаемые молекулы и их движения?

В учении о теплоте различие между макроскопической термодинамикой и механикой молекул не имеет парадоксального характера. Термодинамические законы надстраиваются на законах механики частиц и не колеблют их. Тот факт, что в больших ансамблях действуют статистические законы, не противоречит тому факту, что в мире отдельных молекул действуют абсолютно строгим и точным образом законы ньютоновой механики. В теории относительности появляется иная оценка классической механики. Дело не в том, что объяснение явлений природы не может свестись к решению простых механических задач. Дело в том, что старые законы механики оказываются неточными, строго говоря, всегда неверными. Поэтому здесь уже нельзя говорить о двух равноправных взглядах на физические явления. Здесь речь идет о выборе нового исходного образа картины мира. Вопрос идет не о сводимости или несводимости сложных закономерностей к исходному, самому простому и элементарному закону, а о том, каков именно этот закон. Если он отличается от ранее известного "очевидного" закона, то парадоксальная ситуация не может быть устранена разделом сфер влияния. Вместо равноправных аспектов появляется их иерархия.

В теории относительности учет конечной скорости света и неизменности этой величины во всех инерциальных системах представляет собой более глубокое, общее и точное воззрение. В теории относительности, подчеркнем это еще раз, речь идет о парадоксальности самых глубоких, точных и достоверных законов бытия. Мысль должна переработать не собственные апории, а то достоверное "чудо", которое лежит в основе "надличного" мира. Именно такое соотношение между теорией относительности и ньютоновой механикой позволяет дать обоснование последней, объяснить, почему при определенных значениях скорости движущихся тел наблюдения не противоречат ньютоновой механике. Тем самым все эксперименты И все данные практики, подтверждающие классическую механику Ньютона, становятся подтверждением новой механики Эйнштейна.

Ореол достоверности - именно он сделал теорию относительности самой удивительной теорией в истории физики. Впечатление, которое она оказала на широкие круги, объясняется прежде всего тем, что теория была непреложно достоверной и вместе с тем казалась совершенно парадоксальной. Это и вызывало интерес, подчас мучительный и всегда жгучий.

Парадоксы Зенона независимо от их логического анализа всегда считались затруднениями мысли, а не парадоксами бытия; ведь каждый понимал, что Ахиллес догонит черепаху. Парадоксы неевклидовой геометрии стали парадоксами бытия только после теории относительности. Признание достоверной, объективной, реальной парадоксальности самого бытия было связано с философскими концепциями Эйнштейна, работавшими на теорию относительности, т.е. стержневыми концепциями, перераставшими из личного мировоззрения в область идейных предпосылок теории относительности. Для Эйнштейна восприятие парадоксальных явлений - доказательство объективной природы мира, аргумент против априорного происхождения сведений о мире. За восприятиями находится объективная сущность вещей, она-то и раскрывается все больше и больше при последовательном столкновении логических конструкций с восприятиями и при вызванном этими столкновениями развитии конструкции. Классическая физика, достоверным образом описывающая мир, столкнулась с "удивительным", т.е. не укладывающимся в привычную логическую конструкцию фактом постоянства скорости света в различных, движущихся одна относительно другой системах. Привычная логическая конструкция охватывала и концепцию времени, текущего единым потоком во всем бесконечном пространстве, и ряд других фундаментальных основ классической картины мира. И вот Эйнштейн шаг за шагом создает новую универсальную конструкцию. Задача его в основном позитивная. Негативная сторона дела, т.е. разрушение старой картины мира, сводится к тому, что эта старая картина отныне трактуется как менее точное по сравнению с новой приближение к действительности. Каждая из таких картин ограничена определенными условиями, каждая может столкнуться и с течением времени столкнется с "удивительным" и путем "бегства от удивительного" перейдет в более общую и точную картину.

Лоренц пытался сохранить существование эфира и отнесенного к нему абсолютного движения, несмотря на результаты опыта Майкельсона. Он хотел объяснить наблюдаемую в интерферометре независимость скорости света от движения Земли, предположив, что все тела при движении относительно эфира сокращаются в своих продольных размерах. Такое сокращение Лоренц выводил из законов электродинамики, считая все тела состоящими из элементарных электрических зарядов. Движение относительно эфира вызывает силы, сдвигающие друг к другу заряды, движущиеся в эфире один за другим в направлении движения тела. Никакие электродинамические явления не требовали для своего объяснения такой гипотезы, и она была введена ad hoc специально для объяснения одного факта - отрицательного результата опыта Майкельсона и аналогичных опытов. Никакие прямые наблюдения не доказывали продольного сокращения тел при их движении в эфире. Но Лоренца это не могло смутить. Ведь линейка, которой мы измеряем в продольном направлении движущееся тело, также движется и также сокращается. Поэтому прямое измерение не может обнаружить лоренцево сокращение.

Гипотеза продольного сокращения объясняет результаты Майкельсона, не затрагивая основ классической механики. Свет распространяется в продольной трубке интерферометра медленнее, чем в поперечной, но продольная трубка сократилась и поэтому свету понадобилось то же время, что и для прохождения по поперечному плечу. Таким образом, постоянство скорости света теряет свой парадоксальный характер. Оно оказывается феноменологическим результатом взаимной компенсации двух чисто классических процессов. Один из них - замедление света благодаря движению интерферометра по отношению к эфиру, благодаря тому, что свет вынужден догонять интерферометр. Второй процесс - сокращение плеча интерферометра ровно настолько, чтобы замедленный луч прошел через трубку интерферометра в течение неизменного интервала времени. Продольное сокращение, о котором говорит Лоренц, такое же классическое явление, как сокращение отсыревшей веревки. Разница состоит в том, что сокращение отсыревшей веревки можно обнаружить при помощи сухой веревки, а лоренцево сокращение нельзя обнаружить, так как в этом случае уже не может быть "сухой веревки" - несокращающегося при движении масштаба. Нетрудно видеть, что гипотеза Лоренца в очень малой степени удовлетворяет требованиям, которые Эйнштейн предъявлял научной теории. Гипотеза сокращения не сталкивается с какими-либо противоречащими ей фактами, но она не обладает "естественностью" и другими критериями "внутреннего совершенства". Именно в этом уязвимое место теории Лоренца. Она выдвинута ad hoc, она не вытекает из широких посылок, опирающихся на большой и разнообразный круг явлений. Тем не менее теория Лоренца давала простор развитию идеи относительности движения. Правда, относительность была в этой теории феноменологической. За внешней, видимой относительностью движения, вытекающей из видимого постоянства скорости света, таилось абсолютное движение, проявлявшееся в различной скорости света в неподвижных и движущихся системах. Но абсолютное движение здесь действительно таится. Если бы можно было прямым измерением обнаружить лоренцево сокращение при движении относительно эфира и отсутствие такого сокращения в неподвижных относительно эфира телах, мы имели бы доказательство абсолютного характера движения. Но обнаружить его нельзя. В теории Лоренца абсолютное движение царствует, но не управляет, царствует за кулисами видимой сцены и не управляет явлениями, доступными наблюдателю. Классическая, исходящая из абсолютного движения теория Лоренца не препятствовала поэтому разработке формального аппарата теории относительности, получению формул преобразования координат, оставлявших неизменной скорость света.

Развитие этого аппарата, установление указанных формул имело место в работах Лоренца и Пуанкаре, опубликованных почти одновременно со статьей Эйнштейна "К электродинамике движущихся тел". Но в этих работах не содержалось новой физической теории, которая стала основой физической картины мира и получила название теории относительности. Решающий пункт генезиса теории относительности - это мысль о субстанциальности относительного движения, о том, что свет действительно движется с одной и той же скоростью в различных, движущихся одна относительно другой системах.

Это постоянство скорости света не феноменологический результат компенсации различий в скорости в силу сокращений размеров, как в теории Лоренца.

Тем самым меняется угол зрения на лоренцево сокращение. Уже не может быть речи о какой-то нормальной длине, которая сокращается при движении и сохраняется при абсолютной (отнесенной к эфиру) неподвижности. Сокращение имеет взаимный характер. Возьмем две системы XYZ и X"Y"Z", которые движутся одна относительно другой. Измерим длину стержня, покоящегося в XYZ. Когда мы его измеряем в системе X"Y"Z" (в ней он движется), длина будет меньше, чем при измерении в системе XYZ (в ней он неподвижен). Но если мы возьмем стержень, покоящийся в X"Y"Z", то длина его в системе XYZ сократится по сравнению с длиной, измеренной в X"Y"Z"! Реально ли такое сокращение? Да, реально. Размеры тел действительно сокращаются, и реальной причиной сокращения (взаимного!) служит взаимное движение систем. Конечно, взаимное сокращение движущихся стержней кажется парадоксальным, но именно таково действительное, не зависимое от наблюдения соотношение размеров движущихся тел и зависит оно от реального, взаимного смещения тел, которые легче себе представить, чем абсолютное, не отнесенное к другим телам движение, фигурирующее в классической механике.

Теория Эйнштейна выводит лоренцево сокращение из самых основных и общих понятий науки - из более строгого и точного анализа понятий времени и пространства. Из него Эйнштейн выводит объяснение нового экспериментального факта - результата опыта Майкельсона. В этом смысле теория Эйнштейна укладывается в схему "внешнего оправдания" и "внутреннего совершенства". Когда новый, крайне парадоксальный факт - постоянство скорости света в интерферометре Майкельсона - потребовал какого-то объяснения, Лоренц выдвинул концепцию, согласующуюся с этим фактом и согласующуюся с ранее известными фактами, но не вытекающую из более общего принципа однозначным и естественным образом. Эйнштейн вывел объяснение нового парадоксального факта из перестройки всей картины мира, вытекающей из новой трактовки пространства и времени, т.е. из более глубокой, общей и конкретной интерпретации всей совокупности известных науке фактов. Таким образом, "бегство от чуда" завершилось теорией, сочетающей "внешнее оправдание" с "внутренним совершенством".

Именно в такой эпистемологической природе теории относительности и состоит ее отличие от концепций Лоренца и Пуанкаре, появившихся одновременно с ней. В начале 1955 г. Зелиг получил от Эйнштейна следующий ответ на вопрос о независимости его открытия от работ Лоренца и Пуанкаре:

"Если заглянуть в прошлое развития теории относительности, не будет сомнений в том, что в 1905 г. она созрела для своего появления. Лоренц уже знал, что уравнениям Максвелла соответствуют преобразования, названные потом его именем, а Пуанкаре углубил эту идею. Я был знаком с фундаментальной работой Лоренца, вышедшей в 1895 г., но позднейшей работы и связанного с ней исследования Пуанкаре не знал. В этом смысле моя работа была самостоятельной. Новое в ней состояло в следующем. Лоренцевы преобразования выводились здесь не из электродинамики, а из общих соображений..."

В этом все дело. Эйнштейн хотел в приведенном письме подчеркнуть подготовленность теории относительности, тот факт, что в статьях, написанных одновременно с его работой "К электродинамике движущихся тел", содержались важные идеи, прокладывавшие дорогу представлению о независимости скорости света от движения инер-циальных систем. Но при всей своей скромности он не мог не сказать главного: преобразования Лоренца (указывавшие на изменение длины стержней и хода часов и на неизменность скорости света) фигурируют в теории Эйнштейна в виде универсального закона, вышедшего за пределы электродинамики, связанного с общим пониманием пространства и времени.

Исходная идея Эйнштейна - необходимость опытной проверки логической конструкции. Понятие не может априорно соответствовать действительности. Оно должно приводить к результатам, допускающим сопоставление с опытом. Абсолютное движение не выдерживает такого испытания. Таким образом, все выводы теории относительности следуют не из специально созданных предположений, а естественно вытекают из общих принципов.

"То, что помимо прочего характеризует теорию Oтносительности, - пишет Эйнштейн, - это эпистемологическая точка зрения. В физике нет понятия, применение которого было бы a priori необходимо или оправданно. Понятие завоевывает свое право на существование только своей ясной и однозначной связью с явлениями и соответственно с физическими опытами" .

Способность исходить в построении конкретных физических теорий из самых общих, казалось бы решенных, проблем бытия - характерная черта Эйнштейна. Он говорил об этом однажды Джемсу Франку:

"Почему именно я создал теорию относительности? Когда я задаю себе такой вопрос, мне кажется, что причина в следующем. Нормальный взрослый человек вообще не задумывается над проблемой пространства и времени. По его мнению, он уже думал об этой проблеме в детстве. Я же развивался интеллектуально так медленно, что пространство и время занимали мои мысли, когда я стал уже взрослым. Естественно, я мог глубже проникать в проблему, чем ребенок с нормальными наклонностями" .

При всей неожиданности такого объяснения (теория, пересматривающая понятия пространства и времени, обязана чуть ли не инфантильности своего творца) оно содержит глубокую и в основе правильную идею. У очень многих детей и юношей интеллектуальный онтогенез в известной мере повторяет развитие человеческой мысли в целом: общие размышления о бытии (вспомним, как герой "Отрочества" пытался проверить, сохраняют ли предметы свое существование, когда он поворачивается к ним спиной) сменяются более зрелыми, но ужо частными интересами. У Эйнштейна сохранилось это ощущение первого взгляда на мир - тайна многих великих мыслителей и художников - без "взрослой" уверенности в том, что коренные проблемы мира уже решены. Такое ощущение не было вытеснено и не потускнело при накоплении специальных знаний и интересов. Он думал о понятии движения и вернулся к идее, свойственной детству человечества, - к античной идее относительности, которую заслонили позднейшие идеи механики и концепция эфира, как абсолютного тела отсчета. Эта идея была положена в основу физики после того, как попытки обнаружить эфирный ветер окончились неудачей. Эйнштейн предположил, что неудача вытекает из субстанциальных оснований, из отсутствия эфира в природе и бессодержательности понятия движения, отнесенного к эфиру. Теперь оставалось сделать все выводы из принципиальной невозможности абсолютного движения, отнесенного к привилегированной системе отсчета. Таким же путем шли создатели термодинамики. Они исходили из неудач при конструировании вечного двигателя, приписали этим неудачам принципиальный характер, предположив, что в природе нет исчезновения энергии и ее возникновения из ничего. После этого термодинамика могла отказаться от искусственных гипотез и систематически развивать выводы из сохранения энергии.

Эйнштейн приложил к одному из писем Морису Соловргау следующее короткое изложение основной идеи теории относительности:

"Несмотря на разнообразие экспериментальных истоков теории относительности, ее метод и содержание могут быть охарактеризованы в нескольких словах. Еще в древности было известно, что движение воспринимается только как относительное. В противоположность такому факту физика базировалась на понятии абсолютного движения. В оптике исходят из мысли об особом, отличающемся от других движении. Таким считали движение в световом эфире. К последнему относятся все движения материальных тел. Таким образом, эфир воплотил понятие абсолютного покоя, связанного с пустотой. Если бы неподвижный, заполняющий все пространство световой эфир действительно существовал, к нему можно было бы отнести движение, которое приобрело бы абсолютный смысл. Такое понятие могло быть основой механики. Попытки обнаружить подобное привилегированное движение в гипотетическом эфире были безуспешными. Тогда вернулись к проблеме движения в эфире, и теория относительности сделала это систематически. Она исходит из предположения об отсутствии привилегированных состояний движения в природе и анализирует выводы из этого предположения. Ее метод аналогичен методу термодинамики; последняя является не чем иным, как систематическим ответом на вопрос: какими должны быть законы природы, чтобы вечный двигатель оказался невозможным".

Принцип относительности Эйнштейна и преобразования Лоренца

Одной из важнейших физических постоянных является скорость света в вакууме с, то есть скорость распространения электромагнитных волн в свободном от вещества пространстве. Эта скорость не зависит от частоты электромагнитных волн, и принятое сейчас ее начение равно с = 299 792 458 м/с.

В громадном большинстве случаев эту величину с достаточной точностью можно принять равной с = 3 108 м/с - погрешность при этом менее 0,001.

И именно «триста тысяч километров в секунду» для скорости света запоминается большинством из нас на всю жизнь. Напомним, что 300 000 км - это, по порядку величины, расстояние от Земли до Луны (точнее, 380 000 км).

Таким образом, радиосигнал с Земли достигает Луны через время немного большее, чем одна секунда.

Предположение о том, что свет распространяется не с бесконечной, а с конечной скоростью, высказывались за много столетий до того, как люди смогли доказать это экспериментально. Впервые это было сделано в XVII веке, когда астрономические наблюдения странных «нерегулярностей» в движении спутника Юпитера Ио удалось объяснить только на основе предположения о конечной скорости распространения света (кстати, эта первая попытка определить скорость света дала заниженный результат с ~ 214 300 км/с).

Вплоть до конца XIX столетия скорость света интересовала исследователей, главным образом, с точки зрения понимания природы электромагнитного излучения - физикам тогда было не ясно, могут ли электромагнитные волны распространяться в вакууме, или они распространяются в особой заполняющей пространство субстанции - эфире. Однако итогом исследования этой проблемы явилось открытие, перевернувшее все существовавшие до тех пор представления о пространстве и времени. В 1881 г. в результате знаменитых опытов американского ученого Альберта Майкельсона был

установлен удивительный факт - величина скорости света не зависит от того, относительно какой системы отсчета она определяется!

Этот опытный факт противоречит закону сложения скоростей Галилея, который мы рассматривали в предыдущей главе и который кажется очевидным и подтверждается нашими повседневными наблюдениями. Но свет не подчиняется этому естественному, казалось бы, правилу сложения скоростей - относительно всех наблюдателей, как бы они ни двигались, свет распространяется с одной и той же скоростью с = 299 793 км/с. И то, что распространение света - это движение электромагнитного поля, а не частиц,

состоящих из атомов, не играет здесь роли. При выводе закона сложения скоростей (9.2) не имела значения природа движущегося объекта.

И хотя невозможно отыскать что-либо подобное в накопленных нами ранее опыте и знаниях, тем не менее, мы должны признать этот опытный факт, помня, что именно опыт является решающим критерием истины. Вспомним, что мы сталкивались с подобной ситуацией в самом начале курса, когда обсуждали свойства пространства. Тогда мы отмечали, что представить себе кривизну трехмерного пространства нам - трехмерным существам -невозможно. Но мы поняли, что факт «наличия или отсутствия» кривизны можно установить опытным путем: измеряя, например, сумму углов треугольника.

Какие же изменения необходимо внести в наше понимание свойств пространства и времени? И как в свете этих фактов относиться к преобразованиям Галилея? Можно ли их изменить так, чтобы они по-прежнему не противоречили здравому смыслу при их применении к привычным движениям окружающих нас тел и в то же время не противоречили факту постоянства скорости света во всех системах отсчета?

Принципиальное решение этих вопросов принадлежит Альберту Эйнштейну, создавшему в начале XX в. специальную теорию относительности (СТО), связавшую необычный характер распространения света с фундаментальными свойствами пространства и времени, проявляющимися при движениях со скоростями, сравнимыми со скоростью света. В современной физической литературе ее чаще называют просто релятивистской механикой.

Впоследствии Эйнштейн построил общую теорию относительности (ОТО), где исследуется связь свойств пространства и времени с гравитационными взаимодействиями.

Основу СТО составляют два постулата , которые носят название принципа относительности Эйнштейна и принципа постоянства скорости света .

Принцип относительности Эйнштейна является обобщением принципа относительности Галилея, рассмотренного в предыдущей главе, на все без исключения (а не только механические) явления природы. Согласно этому принципу, все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Принцип относительности Эйнштейна можно сформулировать следующим образом: все уравнения, выражающие законы природы, инвариантны по отношению к преобразованиям координат и времени от одной инерциальной системы отсчета к другой. (Напомним, что инвариантностью

уравнений называется неизменность их вида при замене в них координат и времени одной системы отсчета координатами и временем другой). Понятно, что в соответствии с эйнштейновым принципом относительности никакими вообще опытами нельзя установить, движется «наша» система отсчета с постоянной скоростью или она неподвижна, точнее говоря, между этими состояниями нет никакого различия. Галилей эту невозможность постулировал в принципе только для механических опытов.

Принцип постоянства (точнее, инвариантности) скорости света утверждает, что скорость света в пустоте одинакова для всех инерциальных систем отсчета. Как мы вскоре убедимся, из этого следует, что с - максимальная из всех возможных физических скоростей.

Оба постулата являются отражением опытных фактов: скорость света не зависит от движения источника или приемника; она не зависит также от движения системы отсчета, в которой производятся эксперименты по ее измерению. В принципе относительности это отражено в признании того факта, что не только механические, но и электромагнитные (распространение света) явления, подчиняются во всех инерциальных системах отсчета

одним и тем же законам.

Из сформулированных выше положений вытекает ряд важных выводов, касающихся свойств пространства и времени. Прежде всего, из них следуют новые правила перехода от одной инерциальной системы отсчета к другой, в рамках которых «очевидные» преобразования Галилея являются лишь некоторым частным случаем, реализуемым только при движениях со скоростями, много меньшими с. Для определения этих новых правил рассмотрим свет, распространяющийся от точечного источника, расположенного в начале неподвижной системы отсчета К (рис. 10.1 а).

Распространение света можно представить как распространение светового фронта, имеющего форму сферической поверхности в системе отсчета, относительно которой источник света неподвижен. Но согласно принципу относительности Эйнштейна световой фронт должен быть сферическим также и тогда, когда он наблюдается в системе отсчета, находящейся в равномерном и прямолинейном движении относительно источника.

Рис. 10.1 Свет, распространяющийся от точечного источника, расположенного в начале неподвижной системы отсчета К световой фронт должен быть сферическим также и тогда, когда он наблюдается в системе отсчета, находящейся в равномерном и прямолинейном движении относительно источника.

Из этого условия мы и определим сейчас, каковы должны быть правила преобразования координат и времени при переходе от одной инерциальной системы к другой.

Если источник света находится в начале координат системы отсчета К, то для света, испускаемого в момент t = 0, уравнение сферического светового фронта имеет вид

x 2 + у 2 + z 2 = (ct) 2 (10.1)

Это уравнение описывает сферическую поверхность, радиус которой R = ct

увеличивается во времени со скоростью с.

Координаты и время, измеряемые наблюдателем в движущейся системе отсчета К", обозначим буквами со штрихами: х", у", z", t" . Положим, что начало отсчета времени t" совпадает с началом отсчета t и что в этот совпадающий нулевой момент времени начало координат системы К1 совпадает с положением источника света в системе К. Пусть, для определенности, система К" движется в направлении +х с постоянной скоростью V относительно системы К (рис. 10.1 б).

Как мы уже говорили, согласно второму постулату Эйнштейна, для наблюдателя в «штрихованной» системе световой фронт должен быть также сферическим, то есть уравнение светового фронта в движущейся системе должно иметь вид

x" 2 + у" 2 + z" 2 =c 2 t" 2 (10.2)

причем величина скорости света с здесь та же, что и в системе отсчета К. Таким образом, преобразования координат и времени от одной нашей системы отсчета к другой обязаны обладать таким свойством, что, например, после замены с помощью этих преобразований в (10.2) «штрихованных» величин на «не штрихованные» мы должны вновь получить уравнение сферического фронта (10.1).

Легко убедиться, что преобразования Галилея (9.3) не удовлетворяют этому требованию. Напомним, что эти преобразования связывают координаты и время в двух разных системах отсчета следующими соотношениями:

х" = х - Vt, у" = у, z" = z, t" = t. (10.3)

Если мы подставим (10.3) в (10.2), то получим

х 2 - 2xVt + V 2 t 2 + у 2 + z 2 = c 2 t 2 , (10.4)

что, конечно, не согласуется с уравнением (10.1). Какими же должны быть новые преобразования? Во-первых, так как все системы равноправны, переход из некоторой системы в любую другую должен описываться одними и теми же формулами (со своим значением V), а двукратное применение преобразований с заменой на втором шаге +V на

V должно возвращать нас в исходную систему. Таким свойством могут обладать только линейные по х и t преобразования. Бесполезно испытывать для этого соотношения типа

х" = x l/2 t 1/2 , х" = sin x

или им подобные.

Во-вторых, при V/с -> 0 эти преобразования должны переходить в преобразования Галилея, справедливость которых для малых скоростей не может быть подвергнута сомнению.

Из уравнения (10.4) ясно видно, что мы не можем оставить без изменения преобразование t" = t, если хотим уничтожить в этом уравнении нежелательные слагаемые -2xVt + V 2 t 2 , потому что для их уничтожения необходимо обязательно что-то прибавить к t.

Попробуем сначала преобразование вида:

x" = x-Vt, y" = y, z"= z, t" = t + bx, (10.5)

где b - постоянная, значение которой надо определить. Тогда уравнение (10.2) принимает вид

х 2 - 2Vxt + V 2 t 2 +y 2 + z 2 = c 2 t 2 + 2c 2 bxt + c 2 b 2 x 2 . (10.6)

Заметим, что члены в левой и правой частях равенства, содержащие произведение xt, взаимно уничтожаются, если принять

b= -V/c 2 , или t"= t-Vx/c 2 . (10.7)

При этом значении b уравнение (10.6) можно переписать следующим образом:

x 2 (1 - V 2 /с 2) + у 2 + z 2 = c 2 t 2 (l - V 2 /с 2) . (10.8)

Это уже ближе к уравнению (10.1), но еще остается нежелательный множитель 1 - (V 2 /с 2), на который умножаются х 2 и t 2 .

Мы можем исключить и этот множитель, если окончательно запишем преобразование координат и времени в следующем виде:

Это и есть знаменитые преобразования Лоренца, названные по имени голландского физика-теоретика Хендрика Лоренца, который в 1904 году вывел формулы (10.9) и тем самым подготовил переход к теории относительности.

Нетрудно проверить, что при подстановке (10.9) в уравнение (10.2) преобразования Лоренца, как и должно быть, преобразуют это уравнение в уравнение сферической поверхности (10.1) в неподвижной системе координат. Также легко убедиться, что при

V/с -> 0 преобразования Лоренца переходят в преобразования Галилея (9.2).

10.2. Следствия из преобразований Лоренца. Сокращение длины и замедление времени

Из преобразований Лоренца вытекает ряд необычных с точки зрения ньютоновой механики следствий.

Длина тел в разных системах отсчета. Рассмотрим стержень, расположенный вдоль оси х и покоящийся относительно системы отсчета К" (рис. 10.2). Длина его в этой системе равна l 0 = x" 2 - x" 1 где x" 1 и x" 2 - не изменяющиеся со временем t" координаты концов стержня. Относительно системы К стержень движется вместе со штрихованной системой со скоростью v. Для определения его длины в этой системе нужно отметить

Рис. 10.2 системы отсчета К, К" . Относительно системы К стержень движется вместе со штрихованной системой со скоростью v

координаты концов стержня х 1 и x 2 в один и тот же момент времени t 1 = t 2 = t. Разность этих координат l= x 2 – х 1 даст длину стержня, измеренную в системе К. Чтобы найти соотношение между l 0 и l, следует взять ту из формул преобразований Лоренца, которая содержит x", х и t, то есть первую из формул (10.9). Согласно этой формуле,

откуда получаем

или окончательно

Таким образом, длина стержня l, измеренная в системе, относительно которой он движется, оказывается меньше «собственной» длины l 0 , измеренной в системе, относительно которой стержень покоится. Поперечные размеры стержня в обеих системах одинаковы. Итак, для неподвижного наблюдателя размеры движущихся тел в направлении их движения сокращаются, и тем больше, чем больше скорость движения.

Длительность процессов в разных системах отсчета. Пусть в некоторой точке, неподвижной относительно движущейся системы К", происходит

какой-то процесс, длящийся время At 0 = t" 2 - t" 1 . Это может быть работа какого-либо прибора или механизма, колебание маятника часов, какое-нибудь изменение в свойствах тела и так далее. Началу процесса соответствует в этой системе координата х" = а и момент времени t" 1 , концу - та же самая координата х" 2 = х" 1 = а и момент времени t" 2 Относительно системы К точка, в которой происходит процесс, перемещается. Согласно формулам (10.9),

началу и концу процесса в системе К соответствуют моменты времени

откуда получаем

Введя обозначения t 2 - t 1 = At, получим окончательно:

В этой формуле ∆t 0 - длительность процесса, измеренная по часам в движущейся системе отсчета, где тело, с которым происходит процесс, покоится. Промежуток At измерен по часам системы, относительно которой тело движется со скоростью v. Иначе можно сказать, что ∆t определено по часам, которые движутся относительно тела со скоростью v. Как следует из (10.11), промежуток времени ∆t 0 , измеренный по часам, неподвижным относительно тела, оказывается меньше, чем промежуток времени At, из-

измеренный по часам, движущимся относительно тела.

Заметим, что для релятивистских множителей (Лоренц-факторов) движущейся со скоростью V системы отсчета и/или движущейся со скоростью v частицы приняты обозначения

Г = 1/√(1 - V 2 /с 2)

и соответственно

γ = 1/√(1 - v 2 /с 2).

Если это не приводит к путанице, для обеих величин употребляется обозначение γ

Рассматривая протекание процесса из системы X, можно определить ∆t как его длительность, измеренную по неподвижным часам, a ∆t 0 - как длительность, измеренную по часам, движущимся со скоростью v. Согласно (10.11),

∆t 0 < ∆t

поэтому можно сказать, что движущиеся часы идут медленнее , чем покоящиеся часы (имеется, конечно, в виду, что во всем, кроме скорости движения, часы совершенно идентичны).

Время ∆t 0 , отсчитанное по часам, движущимся вместе с телом, называется «собственным временем» этого тела. Как видно из (10.11), собственное время всегда меньше, чем время, отсчитанное по часам, движущимся относительно тела.

Эффект замедления времени симметричен по отношению к обоим рассматриваемым часам: для обоих наблюдателей из разных систем отсчета часы движущегося относительно него наблюдателя будут идти медленнее. Замедление времени является объективным следствием преобразований Лоренца, которые, в свою очередь, являются следствием постоянства скорости света во всех системах отсчета. Необходимо подчеркнуть то обстоятельство, что релятивистские эффекты отнюдь не умозрительны. На сегодняшний день СТО с очень хорошей точностью подтверждена экспериментально. Разумеется, при V/c ->> 0 формулы (10.10), (10.11) преобразуются к тривиальному

нерелятивистскому пределу. Для наблюдения нетривиальных эффектов необходимо исследовать объекты с V ~ с.

Примерами могут служить явления, наблюдаемые при изучении элементарных частиц. Одним из наиболее наглядных опытов, подтверждающих соотношение (10.11), является наблюдение в составе космических лучей одного из видов элементарных частиц, именуемых мюонами. Эти частицы нестабильны - они самопроизвольно распадаются на другие элементарные частицы. Время жизни мюонов, измеренное в условиях, когда они

неподвижны (или движутся с малой скоростью), равно примерно 2 10 -6 с. Казалось

бы, даже двигаясь почти со скоростью света, мюоны могут пройти от момента своего рождения до момента распада лишь путь, равный примерно 3 10 8 м/с) (2 10 -6 с) = 600 м. Однако наблюдения показывают, что мюоны, образуясь в космических лучах в верхних слоях атмосферы на высоте 20-30 км, успевают, тем не менее, в большом количестве достигнуть земной поверхности. Это объясняется тем, что 2*10 -6 с - собственное время жизни мюона, то есть время, измеренное по часам, которые бы «двигались вместе с

ним». Время, отсчитанное по часам экспериментатора, связанного с поверхностью Земли, оказывается гораздо большим из-за того, что скорость мюонов близка к скорости света. Поэтому не удивительно, что экспериментатор наблюдает пробег мюона, значительно превышающий 600 м. Интересно рассмотреть этот эффект с точки зрения наблюдателя, «движущегося вместе с мюоном». Для него расстояние, пролетаемое до поверхности Земли, сокращается до 600 м в соответствии с формулой (10.10), так что мюон успевает

пролететь его за 2 10 -6 с, т. е. за «собственное время жизни».

Наиболее впечатляющее следствие преобразований Лоренца -относительность одновременности разнесенных в пространстве событий . Если два события А и В произошли одновременно в одной точке пространства, то в любой системе координат t A =t B . Конкретные значения, например, t A и t" A могут быть различными, но в каждой системе останется справедливым равенство t" A = t" B . Если же при t A = t B окажется, что

х А ≠ х в, то в любой другой системе, как это с очевидностью следует из преобразований Лоренца, t A ≠t B .

Почему это обстоятельство до Эйнштейна оставалось незамеченным? До Эйнштейна явно или неявно сохранялось представление о существовании абсолютного пространства и абсолютного времени. Но если нет абсолютной системы отсчета, нет и абсолютной одновременности. Исчезает не только абсолютное пространство, исчезает и абсолютное время, которое, по Ньютону, течет «всегда одинаково, безотносительно к чему-либо внешнему». Время СТО зависит от системы отсчета. Зависит от системы отсчета и промежуток времени между двумя событиями, и расстояние между двумя точками. В механике Галилея-Ньютона координаты точек зависят от системы отсчета, но расстояние между точками А и В

(х А - x B) 2 + (у А - у в) 2 + (z A - z B) 2 = l 2

от системы не зависит. В механике СТО эта величина перестает быть инвариантом. Независимым от системы отсчета становится интервал между событиями, определяемый соотношением

s 2 AB = c 2 (t A - t B) 2 - (х А - x B) 2 + (у А - у в) 2 + (z A - z B) 2 .

Время становится в один ряд с пространственными координатами или, как сказал Г. Минковский, «пространство само по себе и время само по себе погружаются в реку забвения, а остается жить лишь своеобразный их союз». Это проявляется особенно наглядно, если, следуя Минковскому, в качестве четвертой координаты выбрать не t, как таковое, a ict. Тогда интервал запишется в симметричной форме:

He следует, однако, воспринимать четырехмерное пространство Минковского как простой аналог нашего трехмерного мира. Все же четвертая координата сохраняет важнейшее отличие от трех остальных - однонаправленность, которой, в частности, обусловлены

причинно-следственные связи. Путешествие вспять во времени как было, так и остается невозможным.

Ввиду того, что по Лоренцу, в отличие от Галилея, преобразуется, кроме координат, и время, заметно меняется закон сложения скоростей. Если в системе К тело движется со скоростью v, имеющей составляющие по осям координат v x v y v z а система К" движется со скоростью V вдоль оси x, для составляющих скорости тела в системе К" получаем

С учетом того, что

Хотя координаты у" и z" равны соответственно у и z, составляющие скорости

по этим осям в разных системах различны, так как различаются темпы течения времени.

Не представляется неожиданным факт, что если v x по модулю равна скорости света - с, то эта величина не изменится при переходе в любую другую систему отсчета. Ведь именно инвариантность скорости света является критерием справедливости преобразований Лоренца.

О постоянстве скорости света. Анализ постулатов Эйнштейна

Зададимся простым, на первый взгляд, вопросом: «относительно чего постоянна скорость света в специальной теор ии относительности (СТО)?». Многие из тех, кому я задавал этот вопрос, удивленно пожимали плечами, но, подумав, несколько неуверенно произносили: «относительно пустоты». Однако на практике скорость движения одного материального объекта (в том числе – частицы или световой волны) может быть определена относительно системы отсчета, связанной с некоторым другим материальным объектом, а не «относительно пустоты», поскольку сама пустота, если она действительно может существовать в природе, не является материей и не характеризуется никакими физическими константами. Такого же мнения в отношении пустоты придерживается А. Эйнштейн : «… в специальной теор ии относительности область пространства без материи и без электрического поля представляется совершенно пустой, т.е. ее нельзя охарактеризовать никакими физическими величинами …» .

В пустоте нет материальных объектов, с которыми можно связать систему отсчета. Определить скорость света относительно этой «области пространства без материи и без электрического поля» невозможно по причине невозможности создания системы отсчета, «скрепленной» с пространством. Тогда, все-таки, относительно чего она постоянна?

Давайте попробуем разобраться в этом вопросе подробнее и послушаем, что на эту тему говорит сам А. Эйнштейн : «…Примеры подобного рода (речь ранее шла о взаимодействии магнита и проводника с током, находящихся в состоянии относительного движения. Прим. автора), как и неудавшиеся попытки обнаружить движение земли относительно «светоносной среды», ведут к предположению, что не только в механике, но и в электродинамике никакие свойства явлений не соответствуют понятию абсолютного покоя (выделено автором) и даже, более того, – к предположению, что для всех координатных систем, для которых справедливы уравнения механики, справедливы те же самые электродинамические и оптические законы, как это уже доказано для величин первого порядка. Это предположение (содержание которого в дальнейшем будет называться «принципом относительности») мы намерены превратить в предпосылку и сделать, кроме того, добавочное допущение, находящееся с первым лишь в кажущемся противоречии, а именно, что свет в пустоте всегда распространяется с определенной скоростью V (в современном обозначении – С. Прим. автора), не зависящей от состояния движения излучающего тела».

Говоря здесь о несоответствии свойств физических явлений состоянию «абсолютного покоя» А. Эйнштейн подчеркивает один из ключевых моментов своей теор ии – отсутствие светоносной среды («эфира»), заполняющей пространство, являющейся носителем световых волн и проводником электромагнитного взаимодействия, с которой многими учеными ранее связывалось понятие «абсолютного покоя». А. Эйнштейн вполне справедливо полагает, что любой покой относителен, то есть любая система отсчета может покоиться лишь относительно некоторой другой системы отсчета.

В этой связи необходимо сделать небольшое отступление. Физики до сих пор не смогли достоверно обнаружить ни самой светоносной среды, ни движения Земли относительно этой среды. Результаты некоторых известных экспериментов по обнаружению движения Земли относительно «эфира», нуждаются в подтверждении другими независимыми экспериментами. Тем не менее, даже если факты подтверждения будут иметь место, то какие у нас при этом появятся основания утверждать, что именно с «эфиром» может быть связана система отсчета, неподвижная относительно пространства? Как мы уже говорили, в пустом пространстве не может существовать системы отсчета, «скрепленной» с пространством, поэтому покой «эфира» может быть установлен только относительно системы отсчета, связанной с некоторым другим материальным объектом, но не с пространством. Достоверное обнаружение светоносной среды вероятно позволит ученым существенно глубже постичь природу окружающего мира, но не позволит использовать эту среду в качестве системы отсчета, находящейся в состоянии покоя относительно пространства, то есть в состоянии «абсолютного покоя» .

Итак по «допущению» А. Эйнштейна, «свет в пустоте всегда распространяется с определенной скоростью» С. Эта скорость не зависит «от состояния движения излучающего тела». Но, все-таки, относительно чего может быть определена (измерена) эта скорость С? На этот вопрос А. Эйнштейн отвечает в §2 : «Дальнейшие соображения опираются на принцип относительности и на принцип постоянства скорости света. Мы формулируем оба принципа следующим образом.

1. Законы, по которым изменяются состояния физических систем, не зависят от того, к которой из двух координатных систем, движущихся равномерно и прямолинейно, эти изменения состояния относятся.

2. Каждый луч света движется в «покоящейся» системе координат с определенной скоростью V, независимо от того, испускается ли этот луч света покоящимся или движущимся телом» .

Ясно, что поскольку находящиеся в состоянии равномерного прямолинейного относительного движения «в пустоте» координатные системы совершенно равноправны, то любую из них можно считать «покоящейся», тогда другая будет «движущейся». Соответственно, если мы или кто-то другой выберет первую систему в качестве «покоящейся», то скорость света относительно неё должна иметь значение С. Если же мы (или кто-то другой) назначит вторую систему «покоящейся», то и относительно неё скорость света также должна иметь значение С.

Иными словами, скорость распространения света «в пустоте» согласно эйнштейновской формулировке «принципа постоянства скорости света» должна всегда иметь значение С относительно ЛЮБОЙ координатной системы, движущейся равномерно и прямолинейно относительно любой другой координатной системы.

В работе А. Эйнштейн приводит несколько более уточненную формулировку своего «принципа постоянства скорости света»: «…можно считать установленным, что свет, как это вытекает из уравнений Максвелла – Лоренца, распространяется в пустоте со скоростью С, по крайней мере, в определенной инерциальной системе координат К. В согласии со специальным принципом относительности мы должны считать (выделено автором), что этот принцип верен также и в любой другой инерциальной системе».

Думается, что ссылка на «уравнения Максвелла – Лоренца» , приведенная в последней цитате, не совсем корректна, поскольку Дж. К. Максвелл, и Г. А. Лоренц связывали эту систему координат со светоносным «эфиром», заполняющим окружающее пространство. По их убеждению свет распространяется не «в пустоте со скоростью С» , а как раз наоборот – в материальной среде, характеризующейся определенными физическими константами. При этом скорость света может быть постоянна и равна С только относительно системы координат, «связанной» с этой материальной средой.

В работе А. Эйнштейн приводит упрощенную формулировку своего «принципа постоянства скорости света»: «Скорость света в пустом пространстве всегда постоянна, независимо от движения источника или приемника света» .

Как видно из этих формулировок, измеренное значение скорости света в пустом пространстве по А. Эйнштейну всегда равно С, даже если эти измерения проводятся не только относительно «излучающего тела» , но и относительно «приемника света», что является явным парадоксом с точки зрения классической физики. Почему парадоксом? В первую очередь, из-за нашего понимания того факта, что в общем случае движение приемника света и движение света не связаны между собой никакой причинно-следственной зависимостью, и ничем не ограничиваемая в «совершенно пустой» области пространства скорость «приемника света» в принципе может иметь любое произвольн ое значение относительно движущихся световых волн. Если свет и приемник движутся независимо друг от друга, то каким же образом значение скорости света оказывается всегда равным С относительно «приемника света» ? Вопреки практике и логике по А. Эйнштейну «мы должны считать» движение света таким движением, скорость которого постоянна и равна С относительно любого объекта (и связанной с ним координатной системы), равномерно движущегося в любом направлении с произвольн ой скоростью относительно других объектов в «совершенно пустой» области пространства. Такое относительное движение света и приемника, если оно может существовать, коренным образом отличается от обычного независимого движения, каковым является любое относительное движение не связанных между собой материальных объектов.

Справедливо отвергнув существование абсолютного покоя в природе, но заодно отбросив и саму гипотез у существования светоносной среды – «эфира», А. Эйнштейн постул ирует существование в природе совершенно нового для физики явления – абсолютной скорости движения света, имеющей одно и то же значение при измерении ее в любом множестве координатных систем, движущихся относительно друг друга «в пустоте». Выдвижение такого постул ата, в свою очередь, неизбежно должно привести и действительно приводит в СТО к отказу от безоговорочно признаваемых классической физикой абсолютного времени и абсолютного пространства, размеры единиц времени и длины в которых одинаковы для всех координатных систем. Может ли принципиально существовать этот новый абсолют в природе?

Рассмотрим простейший пример. Предположим, что несколько материальных объектов вместе с координатными системами и наблюдателями движутся с различными скоростями независимо друг от друга в одном и том же луче света. Пусть луч света никоим образом не связан с движущимися объектами и движется сам по себе «в пустоте». Тем не менее «мы должны считать» , что измеренное значение скорости движения волн в луче света согласно «принципу постоянства скорости света» окажется равным С для каждого из наблюдателей, находящихся на этих материальных объектах. Как это может соответствовать реальности? Для объяснения этого «явления» одних только математических формул, предложенных СТО и связывающих скорость, пространство и время, здесь явно недостаточно. Если эти математические формулы получены в результате неверного постул ата, благодаря которому независимая переменная величина – скорость света – заменена в них некоторой гипотетической константой, то явления, предсказываемые формулами, не могут соответствовать физической реальности. Если же постул ат верен – в природе должен существовать некий «механизм», устанавливающий причинно-следственные связи между независимыми движениями и поддерживающий новый абсолют. Как может действовать этот «механизм»?

Вариант первый – луч света «сравнивает» собственную скорость со скоростью каждого из наблюдателей и «подстраивает» свою скорость под скорость движения каждого наблюдателя. В этом варианте рассматриваемый луч света должен, как минимум, обладать системой «автоматической» подстройки скорости движения световых волн под одно и то же постоянное значение С относительно любого движущегося в луче объекта. При этом скорость движения световых волн должна быть различной в разных участках одного и того же светового луча. Очевидно, что этот вариант абсурден по своей сути для любого физика.

Вариант второй, признаваемый большинством последователей СТО (физиков-релятиви стов), – пространство и время, в которых движутся объекты, обладают свойством изменяться в зависимости от скорости движения этих объектов. Скорости движения объектов относительно чего? Мы уже говорили, что в пространстве нет и не может быть системы отсчета, «скрепленной» с этим пространством, поэтому определить значение этой скорости относительно «совершенно пустой» области пространства даже мыслящему существу не представляется возможным.

Тогда, может быть, в зависимости от скорости движения этих объектов относительно друг друга или относительно некоторой вспомогательной системы отсчета, условно считаемой неподвижной? Но каким образом неодушевленные пространство и время «сравнивают» между собой скорости движения этих объектов, пространственно удаленных друг от друга? В «совершенно пустой» области пространства, разделяющей движущиеся объекты, отсутствует переносчик информации, поэтому «сравнить» между собой скорости движения объектов, находящихся на удалении друг от друга, принципиально невозможно.

Может быть пространство и время «сравнивают» скорость движения каждого из объектов со скоростью волн в луче света, а затем «вычисляют» скорость движения этих объектов относительно друг друга? Но А. Эйнштейн постул ировал нам постоянство скорости света С относительно любых движущихся объектов – «приемников света» . Из этого постул ата неизбежно вытекает обратное утверждение – постоянство и равенство С скорости движения любых объектов относительно волн общего луча света. Соответственно, поскольку объекты движутся с одинаковой скоростью С относительно волн общего луча света, результат «вычислений» пространством и временем скорости движения объектов относительно друг друга всегда должен быть равен нулю (!), с какой бы относительной скоростью в действительности не передвигались эти объекты – «приемники света» . Налицо – противоречие практике, поскольку мы легко убеждаемся, что объекты, движущиеся в общем луче света, догоняют и обгоняют друг друга, то есть движутся с различными скоростями. Можно констатировать, что и второй вариант во всех его разновидностях нисколько не лучше первого и также должен быть абсурден для любого физика.

В А. Эйнштейн пишет: «Действительно, если каждый луч света в пустоте распространяется со скоростью С относительно системы К, то световой эфир должен всюду покоиться относительно К. Но если (выделено автором) законы распространения света в системе К’ (движущейся относительно К) такие же, как и в системе К, то мы с тем же правом должны предположить, что эфир покоится и в системе К’. Так как предположение о том, что эфир покоится одновременно в двух системах, является абсурдным и так как не менее абсурдно было бы отдавать предпочтение одной из двух (или из бесконечно большого числа) физически равноценных систем, то следует отказаться от введения понятия эфира, который превратился лишь в бесполезный довесок к теор ии, как только было отвергнуто механистическое истолкование света».

Действительно признание состояния покоя некоторого объекта относительно каждой из двух систем, находящихся в состоянии относительного движения безусловно является абсурдным. Но разве менее абсурдным является предположение о постоянстве скорости некоторого объекта (света) относительно каждой из двух «(или из бесконечно большого числа) физически равноценных» систем, находящихся в том же состоянии относительного движения? Чем один абсолют лучше другого?

Простой логический анализ явления, принятого в качестве главного постул ата в СТО, приводит к выводу, что в природе принципиально не может существовать «механизм», поддерживающий этот новый абсолют. Специальная геометрия, созданная в свое время Г. Минковским, «связала» с помощью математических формул воедино скорость, пространство и время, придав СТО лишь внешнюю изящность и самодостаточность, но не предложила главного – «механизма», устанавливающего причинно-следственные связи между независимыми движениями.

Таким образом, независимые движения света и наблюдателей оказываются причинно-следственно «связанными» в СТО лишь благодаря введенному человеческим разумом «постул ату». Не много ли мы на себя «взяли», господа физики-релятиви сты? Во имя обязательности «выполнения» природой «специального принципа относительности» мы отбросили весь накопленный человечеством опыт и установили волевым решением новый абсолют, «связав» причинно-следственными связями независимые явления природы. А что мы реально знаем о действительном «выполнении» природой «специального принципа относительности» на других планетах, звездах и галактиках? Откуда у нас взялась уверенность, что этот принцип выполняется повсюду? И почему мы так уверены, что именно он выполняется на Земле?

Результаты каких физических экспериментов могли «навеять» А. Эйнштейну этот , для выполнения которого потребовалось выдвижение абсолюта скорости света? Ведь не сам же собой он возник. Давайте попробуем узнать об этом у самого А. Эйнштейна.

Выше уже был процитирован абзац из самой первой статьи, написанной в 1905 г.: «… Примеры подобного рода, как и неудавшиеся попытки обнаружить движение земли относительно «светоносной среды», ведут к предположению …» . Вряд ли у кого могут возникнуть сомнения в том, что здесь идет речь об опытах Майкельсона и Майкельсона – Морли, направленных на обнаружение скорости движения Земли сквозь светоносный «эфир», ибо других неудавшихся попыток обнаружить движение Земли относительно «светоносной среды» в то время еще не было. Этой же точки зрения придерживается один из известных специалистов по истории физики П. С. Кудрявцев : «…Во всей статье Эйнштейна нет ни одной ссылки на литературу. Позднее Эйнштейн утверждал, что он не знал об опыте Майкельсона, когда писал свою работу. Но если он читал работу Лоренца 1895 г., где доказан принцип относительности первого порядка, о чем он здесь упоминает, то он не мог не знать об опыте Майкельсона» (выделено автором).

1907 г. : «Со времени возникновения этой теор ии (электродинамики движущихся тел, разработанной Г. А. Лоренцем. Прим. автора) следовало ожидать, что удастся экспериментально обнаружить влияние движения Земли относительно эфира на оптические явления… Однако отрицательный результат опытов Майкельсона и Морли показал, что по крайней мере в этом случае отсутствует также эффект второго порядка (пропорциональный v2 /C2 ), хотя согласно основам теор ии Лоренца, он должен был бы проявиться на опыте… Поэтому создавалось впечатление, что от теор ии Лоренца надо отказаться, заменив ее теор ией, которая основывается на принципе относительности, ибо такая теор ия позволила бы сразу предвидеть отрицательный результат опыта Майкельсона – Морли… Как будут выглядеть законы природы, если все явления изучать в системе отсчета, находящейся теперь в новом состоянии движения? В ответ на этот вопрос мы сделаем логически простейшее и подсказываемое опытом Майкельсона и Морли предположение: законы природы не зависят от состояния движения системы отсчета, по крайней мере, если она не ускорена» (Выделено автором).

Отметим для себя, что, спустя всего два года после выхода первой статьи, А. Эйнштейн впервые заявил о том, что «специальный принцип относительности» на Земле «подсказывается опытом Майкельсона и Морли» .

1910 г. : «В полученных выше уравнениях нетрудно узнать гипотез у Лоренца и Фитцджеральда. Эта гипотез а казалась нам странной, и ввести ее было необходимо для того, чтобы иметь возможность объяснить отрицательный результат эксперимента Майкельсона и Морли. Здесь эта гипотез а выступает как естественное следствие принятых нами принципов» .

1915 г. : «Успехи теор ии Лоренца были настолько большими, что физики не задумываясь, отказались бы от принципа относительности, если бы не был получен один важный экспериментальный результат, о котором мы теперь должны сказать, а именно, результат опыта Майкельсона. Все же бoльшая часть этих отрицательных результатов не говорила ничего против теор ии Лоренца. Г. А. Лоренц в высшей степени остроумном теор етическом исследовании показал, что относительное движение в первом приближении не влияет на ход лучей при любых оптических экспериментах. Оставался только один оптический эксперимент, в котором метод был настолько чувствительным, что отрицательный исход опыта оставался непонятным даже с точки зрения теор етического анализа Г. А. Лоренца. Это был уже упомянутый опыт Майкельсона…».

1922 г. «Все опыты показывают, что поступательное движение Земли не влияет на электромагнитные и оптические явления по отношению к Земле, как к телу отсчета. Наиболее важными из этих опытов являются опыты Майкельсона и Морли, которые я предполагаю известными. Таким образом, справедливость специального принципа относительности вряд ли может вызывать сомнения» .

Можно привести и другие примеры, но, наверное, достаточно. Итак, «отрицательный результат опыта Майкельсона – Морли» явился основой как для отказа от светоносной среды – «эфира», так и для выдвижения А. Эйнштейном «специального принципа относительности» и «принципа постоянства скорости света». Вероятно сам А. Эйнштейн интуитивно все-таки сомневался в незыблемости этой основы, поскольку позднее, как уже упоминалось выше, стал отрицать связь появления «принципа постоянства скорости света» с «отрицательным результатом опыта Майкельсона – Морли» .

Интуиция не подвела А. Эйнштейна в данном случае. Отрицательный результат опыта Майкельсона – Морли «по экспериментальному обнаружению движения Земли относительно эфира» был вполне предсказуем именно с позиций существования светоносного «эфира» в окружающем нас пространстве. В опыте Майкельсона – Морли световые волны распространяются в двух взаимно перпендикулярных направлениях с одинаковой скоростью С относительно «эфира», но в процессе измерений поочередно одно из плеч интерферометра движется вдоль световых волн, а второе – перпендикулярно им. Движение плеча интерферометра вдоль световых волн приводит не только к искомому в опыте изменению интервала времени прохождения луча света вдоль плеча «туда» и «обратно», но и к изменениям частоты световых колебаний на зеркалах, расположенных в этом плече интерферометра. Эти изменения частоты колебаний наглядно проиллюстрированы flash -моделью .

Экспериментаторы, проводившие опыт, считали частоту световых колебаний на зеркалах интерферометра Майкельсона постоянной, полагая при этом, что имеют дело с измерительным преобразованием «скорость движения Земли относительно «эфира» – разность интервалов времени». Реально же в опыте осуществлялось измерительное преобразование «скорость движения Земли относительно «эфира» – разность фаз» световых колебаний, суммируемых на «экране» интерферометра. Набег фазы световой волны на длине плеча интерферометра является произведением интервала времени прохождения световой волны вдоль плеча интерферометра на частоту колебаний, измеренную на зеркале интерферометра, воспринимающем световые волны. Если в этом произведении один из сомножителей, например – интервал времени, возрастает на какую-то величину, то другой – частота колебаний при этом убывает на ту же величину. Само же произведение – набег фазы – остается постоянным и не зависит от скорости движения Земли относительно «эфира».

Таким образом с опозданием на 100 лет следует признать, что, вопреки утверждениям А. Эйнштейна, результат опыта Майкельсона – Морли не мог быть использован в качестве экспериментального базиса для выдвижения «специального принципа относительности» и «принципа постоянства скорости света» . Оба «принципа» были выдвинуты всего лишь на основе очередной неудачной попытки объяснения нулевого результата опыта Майкельсона – Морли, в действительности свидетельствующего о нечувствительности интерферометра Майкельсона к скорости его движения относительно световых волн.

Однако, как утверждает современная «официальная» физика, следствия из этих «принципов» , находят широкое применение в теор ии и подтверждаются многочисленными реальными практическими результатами. Странная получается ситуация. Если положенный в основу СТО «принцип постоянства скорости света» принципиально не может существовать в природе и выдвинут лишь на основе неверной трактовки результата опыта Майкельсона – Морли, то каким же образом могут выполняться следствия из СТО? Может быть, это следствия каких-то других причин, ошибочно приписываемых СТО? Давайте отдельно проанализируем реальность физических явлений, предсказываемых СТО, и их соответствие тем явлениям, которые наблюдаются на практике.

Сначала – цитата из работы А. Эйнштейна : «Представим себе часы, способные показывать время системы отсчета k и находящиеся в состоянии покоя относительно k. Можно показать, что те же часы, движущиеся равномерно и прямолинейно относительно системы отсчета k, с точки зрения системы k будут идти медленнее: если показание часов увеличивается на единицу, то часы системы k покажут, что в этой системе прошло время

Таким образом, движущиеся часы идут медленнее, чем такие же часы, покоящиеся относительно системы k. При этом необходимо представлять себе, что скорость хода часов в движущемся состоянии определяется путем постоянного сравнения стрелок этих часов с положением стрелок тех покоящихся относительно системы k часов, которые измеряют время системы k и мимо которых проходят рассматриваемые движущиеся часы».

Как добиться такого «замедления» хода движущихся часов «с точки зрения» покоящейся системы отсчета А. Эйнштейн наглядно продемонстрировал в , мысленно осуществив неверную методически синхронизацию световыми сигналами часов, расположенных в координатных системах, находящихся в состоянии относительного движения. При этой «синхронизации» заведомо неодинаковые интервалы времени движения световых сигналов от неподвижной координатной системы к движущейся и обратно А. Эйнштейн предложил измерять одинаковыми и синхронно идущими часами, расположенными в этих координатных системах, но результаты измерений этих неодинаковых интервалов времени приписал неодинаковости хода часов, подменив причину следствием, что и привело к «появлению» релятиви стского «замедления» времени. Более подробно это изложено в статье автора «О методической ошибке способа синхронизации часов световыми сигналами, предложенного А.Эйнштейном» , где взамен эйнштейновской «синхронизации» предложен другой способ синхронизации тех же часов теми же световыми сигналами, обеспечивающий одинаковость (в пределах неравномерности хода часов) измеряемых часами интервалов времени движения световых сигналов и исключающий любые основания для существования релятиви стского «замедления» времени.

Уместно привести здесь справедливое высказывание Л. Бриллюэна по поводу эйнштейновской «синхронизации» часов: «Это правило (эйнштейновская «методика» синхронизации. Прим. автора) является произвольн ым и даже метафизическим. Его нельзя доказать или опровергнуть экспериментально …» . В отличие от эйнштейновской «синхронизации» часов, синхронизация, предложенная автором в статье «О методической ошибке способа синхронизации часов световыми сигналами, предложенного А. Эйнштейном» , физически реализуема и может быть использована для экспериментального доказательства абсолютности времени и опровержения «факта» существования в природе релятиви стского «замедления» времени. В этой связи следует заявить совершенно определенно: никакого реального замедления времени у наблюдаемых материальных объектов, обусловленного их равномерным движением «в пустоте» относительно субъектов-наблюдателей, происходить не может. Для этого нет никаких оснований, кроме упомянутой выше неверной методики синхронизации часов.

Итак, неверная методика синхронизации часов привела к неверному выводу о существовании релятиви стского «замедления» времени. В свою очередь несуществующее релятиви стское «замедление» времени породило несуществующее релятиви стское «сокращение» длины. В частности, А. Эйнштейн замечает по этому поводу: «Этот результат (наличие релятиви стского «сокращения» длины. Прим. автора) оказывается не таким уж странным, если учесть, что это высказывание о размерах движущегося тела имеет весьма сложный смысл , поскольку в соответствии с предыдущим размеры тела можно определить только с помощью измерения времени ». Выделено автором).

Особый интерес представляет высказывания А. Эйнштейна о физическом смысл е релятиви стского «замедления» времени и «сокращения» длины:

– « Обобщая, можно сделать вывод: всякий процесс в некоторой физической системе замедляется, если эта система приводится в поступательное движение. Однако это замедление происходит только с точки зрения несопутствующей системы координат» ;

– «Вопрос о том, реально лоренцево сокращение или нет, не имеет смысл а. Сокращение не является реальным, поскольку оно не существует для наблюдателя, движущегося вместе с телом; однако, оно реально, так как оно может быть принципиально доказано физическими средствами для наблюдателя, не движущегося вместе с телом».

То есть релятиви стское «замедление» времени и «сокращение» длины, по мнению А. Эйнштейна, отсутствуют для движущегося с телом наблюдателя и одновременно имеют место для наблюдателя, не движущегося с этим же телом. Вот оно главное и неизбежное следствие релятиви зма – солипсизм1 ! Не сам объект наблюдения – движущееся материальное тело, параметры которого мы наблюдаем, является реальностью, а «реальность» – это лишь «представления» каждого из субъектов – наблюдателей об этом теле. Соответственно, по А. Эйнштейну – сколько наблюдателей, столько и «реальностей».

1. Солипсизм - субъективно-идеалистическая теор ия, согласно которой существует только человек и его сознание, а объективный мир существует лишь в сознании индивида.

Напрасно, однако, при этом А. Эйнштейн идентифи цировал лоренцево сокращение с релятиви стским «сокращением» длины. Лоренцево сокращение и релятиви стское «сокращение» длины хоть и записываются одной и той же формулой, но имеют совершенно разный смысл . Лоренцево сокращение длины было предложено в виде гипотез ы, объясняющей нулевой результат опыта Майкельсона – Морли. Эта гипотез а, несмотря на ее «экстраординарность» (по выражению Г. А. Лоренца), основывалась на неизвестных, но вполне вероятных физических причинах взаимодействия движущегося тела с неподвижным «эфиром». Предполагалось, что лоренцево сокращение – реальное сокращение длины любых движущихся сквозь «эфир» материальных тел, а не «результат» наблюдения, зависящий от скорости относительного движения этих тел и наблюдателей. Основой же релятиви стского «сокращения» длины явилось несуществующее реально релятиви стское «замедление» времени. Добавить можно только следующее: ни лоренцево сокращение, ни релятиви стское «сокращение» длины не наблюдаются на практике. И то, и другое «сокращения» не имеют никакого отношения к объяснению нулевого результата опыта Майкельсона – Морли.

Наиболее точно по поводу «реальности» существования релятиви стских «эффектов» высказался Луи де Бройль : «Кажущееся (здесь и ниже выделено автором) сокращение размеров сопровождается кажущимся замедлением хода часов. Наблюдатели, находящиеся, например, в системе координат А, изучая ход часов, движущихся вместе с системой В, обнаружат, что они отстают от их собственных часов, покоящихся в системе А. Иначе говоря, можно утверждать, что движущиеся часы идут медленнее неподвижных. Как показал Эйнштейн, это тоже одно из следствий преобразования Лоренца. Итак, кажущееся сокращение длин и замедление хода часов однозначно следует из новых определений пространства и времени, с которыми и связано преобразование Лоренца. И обратно, постул ируя сокращение размеров и замедление хода часов, можно получить формулы преобразования Лоренца» .

В своей жизни мы ежедневно сталкиваемся с кажущимися явлениями. Передвигаясь по улице, мы видим, что здания в перспективе не представляют собой прямоугольные параллелепипеды, каковыми являются на самом деле. Более близко расположенные части здания кажутся нам более высокими и более объемными. Но мы с детства знаем, что таковы законы перспективы и поэтому не считаем это явление реальностью. К этому пониманию нас привел опыт. Реальность для нас – строгая одинаковость высоты противоположных сторон прямоугольных параллелепипедов – стен зданий, подкрепленная результатами точных измерений, осуществленных в процессе строительства зданий. Представим себе, что нашелся бы «ученый», который заявил бы нам о том, что высота стен зданий, в которых мы проживаем, зависит от их удаления от любого наблюдателя – пешехода, идущего по улице. Думаю, что аплодировать этому «ученому» за такое «открытие» мы бы не стали, даже если бы он попытался уверить нас, что его заявление может быть «принципиально доказано физическими средствами ». Тогда почему мы уже 100 лет считаем реальностью не сами объекты наблюдения – материальные тела, существующие самостоятельно и независимо от нас, а подменяем их индивидуальными «представлениями» наблюдателей об этих материальных телах, якобы зависящими от скорости относительного движения? Даже если действительно оказалось бы, что измеренное значение какого-либо из параметров материального тела зависит от скорости движения неких наблюдателей относительно этого тела, то почему бы каждому из этих наблюдателей не ввести в результат измерений поправку, вычисленную по уравнению связи измеряемого параметра с относительной скоростью движения, и получить при этом единое для всех наблюдателей действительное значение параметра наблюдаемого материального тела? Именно так обычно поступают метрологи, вводя в результат измерений необходимые поправки, компенсирующие влияние кажущихся явлений, возникших по тем или иным причинам в процессе измерений. Этот простой способ позволяет им откорректировать получаемые результаты измерений и с максимальной точностью привести их в соответствие с единственной физической реальностью – материальным телом.

О чем же тогда свидетельствует масса известных экспериментов, в которых «регистрируется» несуществующее реально релятиви стское «замедление» времени? Ответ может быть один. В действительности экспериментаторы регистрируют не кажущееся замедление времени, а реальное замедление скорости протекания физических процессов, происходящих в материальных объектах, движущихся относительно нас с большими скоростями, сопоставимыми со скоростью света, или с большими ускорениями. Объективная причина реального увеличения длительности протекания некоторых наблюдаемых физических процессов, таких как, например, увеличение времени «жизни» быстро движущихся нестабильных частиц, должна быть связана с изменениями внутренней структуры этих частиц, возникающими вследствие изменений интенсивности их взаимодействия с «эфиром» при движении относительно него с субсветовой скоростью или большим ускорением. Сам собой напрашивается вывод, что сегодня мы введены в заблуждение случайным совпадением математических формул, полученных в СТО, с формулами, которые должны описывать объективно происходящие процессы, и для объяснения замедления скорости протекания физических процессов требуется иная теор ия.

Подведем итоги. «Барахтаясь» на перекате XІX – XX веков, физика «заглотала» красивую наживку в виде «принципа относительности» и намертво попалась на «стальной крючок» абсолюта скорости света. До сих пор общепризнанным считается тот факт, что СТО своевременно «вывела» физику из глубокого кризиса. Может быть и «вывела», но куда в результате «завела»? В «болото» солипсизма, доверху «заросшее» кажущимися явлениями, откуда не видно выхода.