Специальная теория относительности – гениальное озарение или математическая фантазия?

Сергей Гурин

Специальная теория относительности – гениальное озарение или математическая фантазия?

О ЧЕМ КНИГА:

Я думаю не только у меня возникало ощущение какой-то притянутости специальной теории относительности. Нереальности всех этих искажений времени и пространства. Да, определенный полет для фантазии конечно есть. Однако вот нет полного доверия и все. К тому же, не может полностью справедливая теория вызывать столько сомнений.

Не спорю, наука сделала огромные шаги в определении количественных зависимостей различных физических параметров, что позволило достичь фантастического некогда уровня развития технологий. Однако, совершенно не определена суть фундаментальных характеристик материи, таких как масса, заряд и причин характера их взаимодействий.

Эта ситуация, в основном конечно со специальной теорией относительности, и сподвигла меня на работу, результаты которой, и изложены в статье. Надеюсь, что она найдет своего читателя, и будет воспринята без того научного высокомерия, с которым относятся к нетрадиционным взглядам на существующие теории. Особенно если эти новые взгляды появляются у людей не имеющих научных степеней и признанных работ, к которым и принадлежит автор. Поэтому не судите строго за излишнюю простоту формулировок и возможное не соответствие принятым стандартам изложения материала.

ПРЕДИСЛОВИЕ.

Справедлива ли СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ (СТО)? Приступая к написанию книги, я прекрасно понимал, что ответ на этот вопрос давно дан учебниками физики, разжеван её преподавателями, да и вообще уже многим даже не интересен, так как справедливость положений, на которых построена эта теория просто НЕ ПОДЛЕЖИТ сомнению. Конечно попытки всегда были, но как говорится «воз и ныне там».

Тем не менее, еще с момента знакомства с ней в школе, меня никогда не оставляло ощущение, что не все так гладко, как нам преподносят. И хотя понимание всего связанного с данной теорией никогда не вызывало проблем, ощущение какого-то непринятия не уходило. Но, достаточного времени для того, чтобы попытаться разобраться, в то молодое время не хватало, а потом вообще как-то разошлись мы с научной деятельностью. И даже если там что и не так, то, во-первых, жить это не мешало, а во-вторых, есть ведь серьезная наука, которая обязана проверить и разобраться, но… Время шло, и вот на исходе пятого десятка вдруг, ни с того ни с сего, старые сомнения вновь, и весьма сильно, завладели сознанием. Стало понятно, что надо уже просто для самого себя разобраться. Результаты этого разбирательства я и излагаю в данной статье.

И так как, основной постулат СТО, а в целом, в настоящее время, и всей физики, это максимальность, постоянство и абсолютность скорости света во всех, без исключения, системах отсчета, с него я и начал. Понимаю начинающиеся скепсис и разочарование читателя, дескать снова очередной «сверхсветовик» нарисовался, но прошу не судить строго и сразу, а потратить немного времени. Тем более, что никаких громоздких математических выкладок в статье нет. И вообще мое личное мнение: если для объяснения сути явлений теория требует непременного применения все более усложняющихся математических инструментов, то до сути то так и не добрались. Так-что, количественные расчеты на уровне высшей математики и более глубокую экспериментальную проверку, оставляю той самой серьезной науке. Конечно, если данная статья удостоится её внимания.

ЭВОЛЮЦИЯ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О СВЕТЕ, КАК НАЧАЛО ПУТИ К СТО.

В настоящее время скорость света считается максимальной скоростью распространения сигнала, да и вообще любого движения. Кроме того, при переходах между системами отсчета она, как и поведение света должны оставаться постоянными.

Однако, что такое свет (как в общем-то и все электромагнитное излучение)? При непредвзятом взгляде – это всего лишь сигнал, а не какое-то метафизическое нечто, имеющее уже почти религиозное значение.

В поисках информации о природе света и вообще представлениях о нем, а также того, как они повлияли на создание СТО, мною сделаны следующие выводы:

1. Изначально (не упоминаю совсем уж экзотические теории вроде щупалец в глазах) свет представляли частицами;

2. После обнаружения таких свойств света как интерференция и дифракция, свет стали считать волной;

3. Световая волна должна была распространяться в особой светонесущей среде (это было одним из значимых предположений для дальнейшего движения в сторону СТО);

4. Признана электромагнитная природа света;

5. Создана теория электромагнитных полей и волн (еще одна веха на пути к СТО);

6. Наконец свету определили корпускулярно-волновую природу.

Самой главной предпосылкой для создания СТО стали опыты по обнаружению эфира (той самой выше упомянутой светонесущей среды). Необходимость её существования следовала из принятия волновой природы света, по аналогии с уже изученными волнами в реальных средах.

Кроме того, как мне видится, существование неподвижного эфира, позволяло объяснять годовую звездную аберрацию – периодическое смещение наблюдаемого положения звезд в течении года.

Объяснения этого явления с учетом волновой теории света, как раз и согласовывались с существованием неподвижного эфира, в котором распространялся свет от звезд, а из-за движения Земли по орбите вокруг Солнца суммарный вектор скорости света смещался от направления на звезду в зависимости от направления движения Земли, что и приводило к смещению изображение звезды.

Для обнаружения влияния на свет движения Земли сквозь этот неподвижный эфир была проведена серия опытов, известных как опыты Майкельсона-Морли. В этих опытах свет делился на два луча и распространялся во взаимно перпендикулярных направлениях и после лучи встречались. При этом, если один из лучей будет двигаться перпендикулярно движению Земли в эфире, второй будет двигаться вместе и против «эфирного ветра». Это должно вызвать разницу в пройденном пути и появление определенной интерференционной картины. Для попадания в такое положение интерферометр свободно поворачивался.

Однако эфирный ветер так и не был обнаружен, это могло бы соответствовать тому, что Земля полностью увлекает эфир в своем движении.

К этому необходимо добавить и опыты Физо по обнаружению влияния движения среды, в которой распространяется свет, на его скорость. В этих опытах получалось, что влияние есть, но оно гораздо меньше ожидаемого. Это стали объяснять частичным увлечением эфира средой.

Также обнаружилась явная неинвариантность уравнений электромагнетизма Максвелла в преобразованиях Галилея, использовавшихся для пересчета параметров при переходах между инерциальными системами отсчета. В результате чего, при переходах от неподвижной системы отсчета к подвижной и наоборот, скорость света изменялась.

Кроме того, обнаружились отдельные, необъяснимые на тот момент, парадоксы в экспериментах с электромагнетизмом. Например, парадокс Фарадея, когда вращение медного диска относительно неподвижного магнитного диска, находящегося на одной оси с первым, давало разность потенциалов между ободом диска и его центром, а вращение магнитного диска при неподвижном металлическом – нет. Хотя, ранее, в опытах с магнитным полем и проводящим контуром, обнаружено, что независимо от того, что магнитное поле перемещалось относительно неподвижного контура, или контур перемещался относительно неподвижного магнитного поля, в контуре появлялся электрический ток.

Итак, на лицо явные противоречия результатов эмпирических данных и теоретических представлений, актуальных в научной среде.

Самым главным считаю разногласия, обусловленные существованием аберрации звезд и отсутствием влияния «эфирного ветра» на Земной источник. Получалось, что в случае аберрации эфир неподвижный, а в опытах Майкельсона-Морли он полностью увлекается Землей, а в опытах Физо он увлекался средой частично. Так как одна и та же среда не может одновременно и полностью увлекаться, и быть неподвижной, и частично увлекаться, сделано первое утверждение-предположение о том, что эфира не существует (полностью эфир был отвергнут уже в теории СТО, как и всякое абсолютное и неподвижное пространство).

Но объяснение должно ведь быть! И вдобавок, из-за всеобщего убеждения в постоянстве скорости света, просто необходимо было решить проблему неинвариантности уравнений Максвелла.

Хотелось бы конечно проследить полностью путь образных размышлений (именно образных, а не математических, потому, что, по моему мнению, невозможность найти решение проблемы на уровне интуитивного объектного моделирования и дает толчок для развития теоретического и математического аппарата), приведший теоретиков к известным выводам, из которых наиболее известны преобразования Лоренца и Пуанкаре. Но кратко это, на мой взгляд, выглядит так:

НАЧАЛО ПУТИ

При рассмотрении явления аберрации, в системе отсчета связанной с телескопом, свет приходящий от звезд (для простоты представления примем направление на звезду нормальным к плоскости орбиты Земли), из-за движения системы телескопа относительно системы внешнего пространства, проходит путь, отклоненный от вертикали, по которой он продолжает двигаться в собственной системе. Тогда получается, что в разных системах свет проходит разные по длине пути. В неподвижной системе астронома путь света длиннее. Но если скорость света не меняется от системы к системе, значит в системе телескопа время прохождения светом пути от источника до приемника должно быть больше чем в системе света – явная проблема.

В опытах Майкельсона-Морли получается, что или эфир существует и полностью увлекается Землей, или его не существует вовсе. Однако в упомянутых ранее опытах Физо результат получался явно меньше, чем если бы эфир полностью увлекался движущейся средой, но все-таки увлекался.

В результате сопоставления этих эмпирических данных была выдвинута гипотеза о сжатии пространства при движении, а также предположение о существовании местного для системы отсчета времени. Появились первые преобразования, давшие коэффициент ускорения или замедления (из какой системы смотреть) времени, сокращения длины движущихся предметов в направлении движения. Впоследствии все это назвали преобразованиями Лоренца, а поправочный коэффициент фактором Лоренца. Этот фактор и является той самой релятивистской поправкой, которую стали использовать везде и всегда как само собой разумеющееся (при этом, в подавляющем большинстве расчетов и выводов формул, её отбрасывают в виду чрезвычайной малости).

В свое время (по общепринятому ходу истории науки) Лоренц только объяснил на уровне «почему», а математический аппарат для полных расчетов, и, замечу, специально для этого, разработал Пуанкаре. Одной из целей этого была упомянутая выше необходимость создать аппарат преобразований, в которых инвариантны уравнения Максвелла для электромагнитного поля, что и было достигнуто (кто-бы сомневался, математики, а особенно гениальные, еще ни разу не подвели). Ну, тут уж народ развернулся.

Вводится понятие «относительности одновременности» событий. Вкратце напомню принцип (как его объясняют в общедоступных источниках), так как это пригодится в дальнейшем.

Два наблюдателя находятся в разных системах, у них по трое часов, одни у наблюдателя и двое равноудалены от него в противоположных направлениях. Часы одинаковые и расстояния, на которые удалены часы, также одинаковы для обоих систем. Часы изначально показывают одно и тоже время. Если системы относительно друг друга не двигаются, то все события одновременные в одной системе также одновременны в другой. Но при движении одной системы относительно другой в направлении, совпадающем с линией, соединяющей часы, одновременность для наблюдателей нарушается.

Для объяснения использовался мысленный эксперимент (этот метод вообще стал очень излюбленным способом подтверждения справедливости релятивистики, что вполне понятно ведь скорость света до сих пор недостижима). В неподвижной системе у крайних часов одновременно подаются световые импульсы, которые достигают наблюдателя (назовем его часовой потому, что неподвижен) за одинаковое время. Но до наблюдателя в движущейся системе (летчика) свет от переднего, по ходу движения его системы, импульса дойдет раньше, чем свет от заднего, так как летчик перемещается к переднему импульсу и отдаляется от заднего. И вот вам события одновременные в неподвижной системе не одновременны в подвижной. Все логично.

Дальше больше, появившийся математический аппарат позволяет предсказать и рассчитать изменение длины движущегося объекта для неподвижного наблюдателя. По расчётам, движущийся объект сокращает свою длину в направлении совпадающим с направлением движения, перпендикулярные движению размеры не изменяются.

Читатель, искренне надеюсь, дочитавший до настоящего места, наверное недоумевает: зачем я излагаю прописные истины. Но прошу еще немного терпения – без изложения этих примеров, пусть давно известных и разобранных в литературе, будет сложнее передать ход рассуждений автора и сделанные им выводы.

Тем более, что максимально углубляться в существующее положение современной науки не есть цель данной работы, хотя есть огромное к этому искушение. И если читателю хочется быстрее ознакомиться с рассуждениями автора, и он (читатель) прекрасно знаком с основами появления и обоснования СТО, то эти исторические экскурсы можно спокойно пропустить.

Я же продолжу, и кратко изложу суть знаменитых мысленных экспериментов, на которых как на пьедестале и взгромоздилась СТО нарастив фундаментальную математическую фигуру. И так как создателем СТО является Эйнштейн, то на его размышлениях и остановимся. Повторюсь, изложение краткое, не дословное.

ЛАБОРАТОРИЯ ВООБРАЖЕНИЯ.

Догоняем светв одном с ним направлении, и при достижении скорости света, свет перестанет двигаться вперед, но будет совершать колебательные движения. Что по словам самого экспериментатора – Эйнштейна «просто немыслимо». И это уже зародило у него повод для размышлений (опять же, по его словам).

Эксперимент с поездом и платформой. На платформе стоит смотритель, мимо платформы движется вагон, в середине которого находится пассажир. В момент, когда пассажир поравняется со смотрителем, в концы вагона попадают молнии. До смотрителя свет от ударов дойдет одновременно, а к пассажиру, двигающемуся вперед, свет от передней молнии дойдет быстрее чем от задней (где-то уже это было), а значит события для пассажира не одновременны. В этом опыте Эйнштейн определяет относительность одновременности событий при переходе из неподвижной системы отсчета в движущуюся.

Пытаемся передать сигнал со сверхсветовой скоростью. Сигнал будет передаваться по ленте, сделанной из материала, по которому сигналы могут распространяться с какой угодно скоростью. Отправитель и адресат находятся у ленты, причем лента движется от получателя к отправителю, т.е. противоположно движению сигнала. Тогда скорость передачи сигнала будет равна разнице скоростей распространения сигнала по ленте и самой ленты. Но здесь уже сразу при расчете этой разницы используется релятивистская поправка. При условии, что скорость сигнала по ленте и скорость ленты могут быть любой, то возможно решение с отрицательным временем передачи сигнала, т.е. получатель получит сигнал раньше, чем отправитель его отправит. Это противоречит принципу причинности. Результат – ДВИГАТЬСЯ СО СВЕРХСВЕТОВОЙ СКОРОСТЬЮ НЕВОЗМОЖНО.

Убежденность в абсолютности скорости света и постоянстве её для всех систем отсчета, а также появившаяся в преобразованиях Лоренца-Пуанкаре инвариантность уравнений Максвелла, позволили постулировать равноправие всех систем отсчета, существование только относительного движения, отсутствие какого-то главного и абсолютного пространства и, как следствие, утверждение, что того самого светоносного эфира не существует (сразу оговорюсь статья НЕ ПРО эфир).

Вот суть главных утверждений СТО:

Все инерциальные системы отсчета равноправны между собой, не существует какого-либо абсолютного пространства.

Скорость света в вакууме одинакова во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга, не зависит от скорости источника и является максимальной скоростью движения.

Все, заканчиваю утомлять читателя историей и перехожу собственно к изложению своих рассуждений.

ВОПРОСЫ, ВОПРОСЫ.

И сразу же в «лоб». Утверждение об отсутствии абсолютного пространства разве не вступает в противоречие с утверждением об инвариантности, по отношению ко всем системам отсчета, скорости света. Если свет ведет себя одинаково и независимо от переходов между системами отсчета, то он и является той абсолютностью и собственная система отсчета света является как раз тем самым абсолютным пространством, той самой приоритетной системой отсчета по отношению ко всем остальным, отсутствие существования которой и постулируется.

Кроме того, в процессе изучения связанных вопросов, я пришел к выводу, что проблемы появились гораздо раньше даже предпосылок к разработке СТО.

Корень всего кроется в одной незначительной на первый взгляд и по этому упущенной особенности инерциальной системы отсчета как физического понятия. Не принятие этой особенности во внимание привело в дальнейшем к искажению самого понятия СИСТЕМЫ ОТСЧЕТА.

Но об этом позднее, хотя думаю, что в ходе дальнейшего ознакомления с материалом читатели и сами поймут, о чем идет речь.

По не понятным причинам у меня возникло стойкое ощущение несоответствия утверждения о том, что свет ведет себя одинаково и не зависимо от системы отсчета и описания этих самых мысленных экспериментов со светом.

В ходе размышлений стало понятно в чем собственно дело. Ведь если поведение света одинаково для всех систем отсчета, то как объяснить следующее:

Выше я уже упоминал об эксперименте, в котором «обнаруживается» относительность одновременности. Однако, вспомним другой мысленный (а как же иначе) эксперимент:

Пусть в системе отсчета K' вдоль оси x' неподвижно расположен длинный жесткий стержень. В центре стержня находится импульсная лампа B, а на его концах установлены двое синхронизованных часов, система K' движется вдоль оси x системы K со скоростью V (рисунок № 1(а)). Лампа посылает световые импульсы к концам стержня. В силу равноправия обоих направлений свет в системе K' дойдет до концов стержня одновременно, и часы на концах, покажут одно и то же время t'. Относительно системы K концы стержня движутся со скоростью V так, что один конец движется навстречу световому импульсу, а другой конец свету приходится догонять. Так как скорости распространения световых импульсов в обоих направлениях одинаковы и равны C, то, с точки зрения наблюдателя в системе K, свет раньше дойдет до левого конца стержня, чем до правого (рисунок № 1(b)).

Рисунок № 1. Иллюстрация неодновременности событий в разных СО.

Но этот эксперимент как-то не очень сопоставляется с экспериментом про поезд, смотрителя и пассажира. Ведь если свет от молний переходит в вагон, то он переходит в систему вагона, в которой, судя по эксперименту со стрежнем, он должен также пройти равные расстояния от концов вагона до пассажира.

И вообще, само определение инерциальной системы утверждает, что, находясь внутри системы, невозможно определить её движение. А в эксперименте с вагоном получается, что по разности времени дохождения до пассажира света от ударов молний из концов вагона, можно понять не только, что вагон движется, но и в каком направлении, да еще и скорость вычислить!

Теперь немного доработаем последний эксперимент со стержнем (рисунок № 2). Стержень заменим на непрозрачную для света трубу, добавим на концы трубы D и B датчики света и соединим их проводами одинаковой длины с приемником у внешнего наблюдателя A', мимо которого и перемещается труба. В системе трубы свет от источника А доходит до концов D и B одновременно.

Рисунок № 2. Одновременность событий во всех СО.

Но теперь внешний наблюдатель A' не видит движения света в трубе, а информацию о достижения светом её концов получает от датчиков D и B по проводам одинаковой длины. А так как датчики в системе трубы выдают сигнал одновременно, то и до наблюдателя A' сигнал от датчиков дойдет по проводам одновременно. Таким образом и для наблюдателя A в трубе и для наблюдателя A', вне трубы события ОДНОВРЕМЕННЫ! Ну по крайней мере пока не порвутся провода.

Теперь, заменим в ранее приведенном эксперименте с поездом и платформой зрячего пассажира на слепого. Он вообще не увидит света, а судить об одновременности событий будет, скажем, по звуку от ударов молний. Но звук будет распространяться в воздухе, который движется вместе с вагоном, а значит относительно пассажира неподвижен. Тогда звуковой сигнал о событиях дойдет до пассажира одновременно. Соответственно и для пассажира, и для смотрителя события будут одновременны, разным будет только способ получения информации о них. А если убрать пассажира, то в вагоне никто не обнаружит ударов молний, и тогда этих событий совсем что-ли не было? На лицо простая подмена понятий, а именно ОДНОВРЕМЕННОСТЬ САМИХ СОБЫТИЙ подменили ОДНОВРЕМЕННОСТЬЮ ПОЛУЧЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ О НИХ, но это не одно и тоже!

Либо же свет, как и утверждается в той-же СТО, должен вести себя одинаково и не зависимо от источника. Тогда пришел он извне в систему или является светом внутреннего для нее источника – поведение его в системе будет одинаковым.

И тогда, в опыте с трубой (рисунок №2) что для наблюдателя A (в трубе), что для наблюдателя A' (вне трубы) свет до датчиков D и B дойдет не одновременно. И вот тогда не одновременными будут уже сами события, но ИМЕННО СОБЫТИЯ, а не получение информации о них.

То, что свет внешних для Земли источников имеет смещение из-за её движения по орбите, уже установленный и неоспариваемый никем факт, доказанный существованием годовой звездной аберрации. В прочем известно и поведение света Земных источников (даже не принимая во внимание результаты опытов Майкельсона и ему подобных) – свет полностью увлекается Землей в её движении. Ведь если бы свет от земных источников был бы от них не зависим, то весьма затруднительно, а в некоторых случаях и вообще невозможно, было бы пользоваться любыми приборами, действие которых основано на свойствах света.

Но мне надо было самому убедиться в поведении земного света. И для этого мною проведен, по сути очень простой опыт (не буду называть его экспериментом в виду простоты использовавшихся материалов и приборов).

НЕМЫСЛЕННЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ.

С помощью собственноручно изготовленной установки (фото № 1) сделана попытка выявить наличие зависимость поведения света от движения источника. Определялось поведение света источника, связанного с Землей и двигающегося с ней по орбите вокруг Солнца и в составе Солнечной системой в Млечном пути.

Фото № 1 Общий вид, установки: вращающийся канал, в верней части которого установлен источник света – лазерная указка, а внизу мишень с координатной сеткой и индикатор поворота, а также смартфон для съемки процесса.

Фото № 2 Верхний узел крепления канала с лазерной указкой.

Фото № 3 Мишень (координатная миллиметровая бумага) с отметкой от указки, в центре индикатор поворота (проволочка, закрепленная на оси вращения канала) и нижний узел крепления канала.

Фото № 4 Изображение мишени с меткой и индикатором поворота на экране фиксирующего устройства (смартфона).

Канал располагался вертикально к поверхности Земли, опыт проводился в 00.30 по московскому времени 13 марта 2022 года. В это время, при вертикальном расположении канала (для исключения влияния его изгиба под собственным весом), обеспечивались максимально близкие к прямым углы между направлением распространения света и векторами линейной скорости движения Земли по орбите, а также движения Земли в составе Солнечной системы вокруг центра Млечного пути.