Левин М.А. От эфира к миру Минковского:
К новой методологии СТО

"Математические ухищрения" Лоренца. Трудами Д. Максвелла (60-е гг. 19 в.) и Г. Лоренца (конец 19 в.) получены уравнения электродинамики, которые называют уравнениями Максвелла-Лоренца (далее УрМЛ). Они содержат константу скорости распространения электромагнитных волн, а также скорости заряженных частиц. Возникает вопрос, относительно чего измеряются эти скорости. Согласно представлениям физики начала 20-го века считалось, что мировое пространство заполнено всепроницающей субстанцией, названной эфиром, которая является средой распространения электромагнитных волн. Тем самым, считалось, что эти скорости, как и состояния поля, имеют силу в системе отсчета, неподвижной относительно эфира. При этом скорость света относительно движущегося в эфире наблюдателя должна складываться со скоростью самого наблюдателя, т.е. движущийся наблюдатель должен наблюдать "эфирный ветер". Естественно возникло желание измерить скорость движения Земли относительно эфира. Однако опыты показали, что "невозможно обнаружить абсолютное движение материи, или, точнее, относительное движение весомой материи и эфира" (А. Пуанкаре, 1985 г). Это говорило об относительности движения, аналогично тому, как это имеет место в классической механике. Но считалось, что уравнения электродинамики Максвелла-Лоренца (УрМЛ) противоречат этому.

УРМЛ при переходе общепринятым в механике способом (преобразования Галилея) из эфирной системы отсчета (ЭСО) к системе отсчета, движущейся относительно него, изменяли свою форму. Г. Герц предложил так изменить УрМЛ, чтобы они не изменяли свою форму при преобразованиях Галилея. Однако такие уравнения породили эффекты, противоречащие опытам.

Для Г. Лоренца вера в существование эфира и в справедливость УрМЛ, являлись неотъемлемой частью его убеждений. Поэтому он поставил задачу выявить из УрМЛ те дополнительные эффекты, которые возникают в физической (электродинамической) системе, движущейся относительно эфира, при которых она оказалась бы изображением идентичной системы, неподвижной относительно эфира. Тем самым, электродинамические эксперименты в движущейся системе отсчета не позволят отличить ее движение в эфире от покоя. При этом Лоренц в значительной степени достиг поставленной цели, как он сам писал, за счет "математических ухищрений". Он открыл ("угадал") преобразования пространственно-временных координат, отличные от преобразований Галилея, олицетворяющие искомые эффекты. А. Пуанкаре назвал их преобразованиями Лоренца (ПрЛ).

При этом Лоренц видел существенную разницу между движущейся системой отсчета и системой, связанной с эфиром, т.е. новый принцип относительности им не был до конца осознан.

Изящество и проблемы ЭйнСТО. В 1905 г. А. Эйнштейн напечатал статью, которая определяла новый взгляд на пространство и время, а также появление теории как таковой. Теория построена на двух основных постулатах: постулате относительности и постулате о постоянстве скорости света (II-постулат). Эти постулаты использованы Эйнштейном для вывода ПрЛ. При этом абсолютное пространство и эфир были отвергнуты. Пространство объявлено пустым. Вопрос об обнаружении эфирного ветра потерял смысл по определению.

II-постулат утверждает, что в вакууме скорость распространения светового сигнала не зависит от движения источника и во всех ИСО одинакова во всех направлениях. Представить такой объект в рамках классических представлений нельзя. Поэтому смысл постулатов на этапе их формулировки не однозначен. Он в основном проясняется в процессе вывода ПрЛ. Поэтому возникает методологическая неувязка: осмыслить постулаты без ПрЛ трудно, а ПрЛ надо получить при неоднозначности "правил игры". Отсутствие наглядности исходных понятий порождает парадоксы, т.е. кажущую противоречивость.

Причиной трудности понимания ЭйнСТО является ее философская платформа. В классической механике в основе математического аппарата также лежит принцип относительности. Однако Ньютон вопреки математике абсолютизировал пространство, время и движение. Он построил свою механику на философской платформе материализма, которая исходит из объективной реальности пространства и времени безотносительно к внешнему наблюдателю. Это и есть "здравый смысл".

Платформой Эйнштейна стал явно обозначенный физический релятивизм, который исходит из понимания относительного как исключающего момент абсолютного. Он заявил, что "здравый смысл – это толща предрассудков, успевших отложиться в нашем сознании к 18-ти годам". Релятивистские эффекты, для которых "обыденный здравый смысл" ожидает наличия причинного объяснения, объявлены кинематическими.

В первую очередь к ним относится парадокс близнецов: космонавт после возвращения из путешествия окажется моложе своего брата-домоседа, что достигается за счет замедления времени, вызванного относительным движением (?).

Но понимание - дело наживное. Есть, однако, более серьезная претензия к ЭйнСТО. Редко можно встретить такое прямое заявление, которое сделал академик А.А. Логунов [3, с. 44]:

"К столетию теории относительности пора бы уже уяснить, что постоянство скорости света во всех инерциальных системах отсчета не является исходным положением теории относительности"

А это, конечно, - вопрос уже принципиальный. Ведь на базе этого постулата излагают СТО не только в литературе "для миллионов", но и в подавляющем числе учебников по физике, в том числе и для физических специальностей вузов.

Элитарность МинСТО. А. Пуанкаре в 1905 г., опираясь на принцип относительности и открытые Лоренцем ПрЛ, показал, что ПрЛ вместе с пространственными вращениями образуют группу, названную им группой Лоренца. Эта группа имеет фундаментальный инвариант J=c²T²-R², где R - расстояние между двумя точками пространства, в которых произошли события, T- промежуток времени между этими двумя событиями. Другими словами, мера J, названная интервалом, сохраняет свое значение в любой инерциальной системе отсчета (ИСО). Значению J=0 соответствует постоянство скорости света во всех ИСО.

Г. Минковский (1909 г.) на основе группы Лоренца и инвариантности интервала открыл псевдоевклидову геометрию пространства-времени: пространство и время образуют единый четырехмерный континуум событий с мерой J (мир Минковского). Поэтому в современных представлениях суть теории относительности состоит в следующем постулате [2, стр. 44]:

"все физические процессы протекают в четырехмерном пространстве времени, геометрия которого псевдоевклидова и определяется интервалом J"

Геометризация пространства-времени как целого – это качественный шаг. Он дает широкие математические возможности понимания и использования СТО. МинСТО – это элитная теория для физиков-теоретиков.

Аксиоматизированный эфирный подход (ЭфСТО). На взгляд автора, ситуация выглядит так. Для ЭйнСТО характерно отсутствие наглядности, а также отмеченная выше некорректность вывода ПрЛ и инвариантности интервала. МинСТО является современной теорией, однако она не может служить "теорией для миллионов", так как не опирается на "простые" физические постулаты, позволяющие "как бы на пальцах" понять основные релятивистские эффекты (в ЭйнСТО такую роль в определенной мере выполняет II-постулат). Развитие эфирного подхода Лоренца было прервано статьей Эйнштейна. Этот подход оказался незавершенным, т.к. полученные результаты не были трансформированы в простые постулаты о взаимодействии эфира с веществом и полем.

Поэтому предлагается эфирный подход на основе трех постулатов, устанавливающих простые отношения между такими физическими элементами реальности как эфирная среда, световой сигнал в эфире, часы, события, локальные процессы, стержень и процедуры измерения. Эти элементы и отношения между ними физически наглядны и доступны для понимания на уровне их формулировок. Поэтому следствия из такой конструкции не выглядят ни противоречивыми, ни парадоксальными. Наглядность является методологической ценностью ЭфСТО.

Из исходных положений ЭфСТО корректно следует теория эталонов времени и длины, ясен физический характер II-постулата, а также инвариантность интервала. Поэтому эфирный подход может быть индуктивно расширен до МинСТО.

Цели данной книги. Вначале Эйнштейн советовал "совершенно забыть об эфире и постараться никогда не вспоминать о нем". Это советуют и современные учебники. Но разве призывами можно заставить забыть Герострата?! И хотя в 1920 г. Эйнштейн признал совместимость существования эфира с ЭйнСТО. Это признание больше напоминало форму речи. Поэтому физический релятивизм был неприемлем для многих как тогда (в том числе для Лоренца), так остается таковым и в наше время. При этом сторонники эфира, как правило, строят свои представления на отрицании СТО.

Отсутствие наглядности исходных положений СТО препятствует пониманию вещей. Это наглядно видно на интернет-форумах. Поэтому не кажется удивительным, что участники 2-ой Международной конференции "Проблемы пространства и времени в естествознании" предложили "отказаться от преподавания СТО в средней школе, а ее преподавание в высшей школе сопровождать критикой и изложением альтернативных подходов".

Отказываться не надо. Эфир и СТО совместимы.

У этой книги две цели:

1) показать индуктивный путь от ЭфСТО к МинСТО, что определяет новую методологию построения СТО, в которой постулаты Эйнштейна играют вторичную роль;

2) показать, что СТО и эфирный подход совместимы.

Для этого:

- показано, что постулаты эфирного подхода совместимы с данными экспериментов, обладают физической ясностью и представляет собой основу теории эталонов времени и длины;

- обсуждены причины трудностей понимания ЭйнСТО и причина некорректности вывода ПрЛ из ее постулатов;

- дано представление о МинСТО для тех, кто ранее ограничивался изучением ортодоксальной СТО, и обсуждены вопросы геометризации пространства-времени;

- сопоставлены между собой ЭфСТО, ЭйнСТО и МинСТО по объему результатов и их интерпретации.

Примите существование эфира, и это откроет Вам "царский путь" в СТО без парадоксов и более широкий взгляд на физику пространства и времени.

Книга написана в расчете быть доступной учащимся старших классов и студентам технических вузов.

Исключение может составить раздел "3.2. Электродинамика" (в таком случае его можно пропустить без ущерба для понимания остального материала).

Автор также надеется, что затронутые методологические вопросы заинтересуют специалистов по СТО.

Об авторе

Окончил Московский авиационный институт (1963), механико-математический факультет МГУ им. М. В. Ломоносова (1966). Кандидат технических наук (1971). С 1973 г. занимается разработкой автоматизированных систем для гражданской авиации.

О содержании книги:

• Предложен эфирный подход (ЭфСТО). Он основан на трех постулатах, совместимых с данными экспериментов. Следствиями постулатов являются преобразования Лоренца, принцип кинематической относительности, закон постоянства скорости света и инвариантность интервала.
• Обсуждены трудности понимания подхода к СТО на базе постулатов Эйнштейна (ЭйнСТО). Показано, что вывод преобразований Лоренца на основе этих постулатов некорректен.
• Обсужден подход к СТО, основанный на постулировании мира Минковского (МинСТО). Рассмотрены проблема активного преобразования длины стержня, проблема физических и координатных величин и "физической" метрики пространства-времени.
• Предложено методологически строить СТО как объединение ЭфСТО и МинСТО, в котором ЭфСТО играет роль предпосылки, объясняющей физическую природу относительности и свойства эталонов длины и времени.