|
Содеpжание
Введение
Я никогда не испытываю чувства полного удовлетворения до тех
пор, пока не построю механическую модель изучаемого объекта.
Если мне это удается, то я сразу все понимаю, в противном случае
не понимаю.
Проблема понимания специальной теории относительности
(СТО). Прошло столетие с момента создания СТО, однако критика
в ее адрес не смолкла. Одной из основных ее причин является
трудность понимания теории.
Лорд У.Кельвин Х.Вейцман в 1929 г. в шутку вспоминал: "Эйнштейн объяснял мне свою теории каждый день, и вскоре я был уже совершенно уверен, что он ее понял". Для "обыденного здравого смысла" (ОЗС) понять СТО нешуточное дело. И проблема здесь не в математической сложности теории, а в ее методологии. Общеизвестно, что в основу СТО А.Эйнштейн положил два основных постулата: постулат относительности и постулат о постоянстве скорости света [1]. Постулат о постоянстве скорости света утверждает, что в отсутствии гравитации световой сигнал может распространяться только прямолинейно и его скорость относительно любого наблюдателя одна и та же независимо от скорости источника и наблюдателя. Представить себе объект, обладающий таким свойством, в рамках классических представлений о пространстве и времени нельзя. В самом деле, в классической физике известны только две модели распространения сигнала: – сигнал-частица. В этом случае собственная скорость частицы (пули, например) относительно источника (ружья) не зависит от его скорости. Однако скорость относительно наблюдателя будет складываться с его скоростью относительно источника; – сигнал в среде. В этом случае скорость распространения возмущения (сигнала) относительно среды зависит только от свойств среды и не зависит от скорости движения источника относительно среды. Однако при этом она не может быть одной и той же по отношению к любому наблюдателю, движущемуся относительно этой среды. Эйнштейн предложил такой таинственный "световой сигнал" для того, чтобы распространить известный в механике принцип относительности Галилея на электродинамику: абсолютного движения нет, внутри замкнутой инерциальной системы его нельзя обнаружить никакими экспериментами, в том числе оптическими. Согласно же представлениям физики к моменту создания СТО принималась, что мировое пространство заполнено неподвижным всепроницающим эфиром, который является средой распространения света. Проницаемость эфира означает, что, хотя инерциальная система замкнута, ее насквозь продувает эфирный ветер. Для наглядности говорят, что инерциальная система отсчета – это не каюта на корабле, а площадка на его открытой палубе. Тем самым, не исключается, что наблюдатель может обнаружить свое движение относительно эфира (эфирный ветер) аналогично тому, как может пассажир на палубе корабля обнаружить обтекающий его воздух. Следовательно, принцип относительности при обычных представлениях окажется неприменимым для оптических явлений. Если же скорость света не зависит от скорости наблюдателя и источника, то обнаружить абсолютное движение не удастся. Чтобы ОЗС мог принять такой не наглядный объект надо: – прежде всего, по совету Эйнштейна "совершенно забыть об эфире и постараться никогда не вспоминать о нем", т.е. пространство надо считать пустым; – затем поверить Эйнштейну, что "здравый смысл – это толща предрассудков, успевших отложиться в нашем сознании к 18-ти годам". Другими словами, предлагается отказаться от надежды на наглядность и принять, что свет и электромагнитные волны представляют собой некий таинственный процесс, распространяющийся в пустоте, причем обеспечивается постоянство его скорости относительно любого наблюдателя. В итоге надо придется принять новые представления о пространстве и времени: время и пространство относительны, т.е. в каждой инерциальной системе они свои. Эта вера и должна определять новую логику мышления. Относительность одновременности. Чтобы проложить путь к новому подходу о времени и пространстве, А.Эйнштейн взял за основу идею относительности одновременности: события одновременные для одного наблюдателя могут быть неодновременными для другого наблюдателя, движущегося относительно первого. У Эйнштейна, во многих учебниках и почти в каждой популярной книге по СТО приводятся мысленные эксперименты (МЭ), иллюстрирующие относительность одновременности. Здесь мы рассмотрим МЭ с поездом и молниями для того, чтобы проиллюстрировать насколько его не просто преодолеть для ОЗС [2, с.150]. Пусть две молнии оставили следы в точках А и B на полотне железной дороги и в точках А' и B' на вагоне поезда. Эти вспышки увидели два наблюдателя: обходчик, стоящий на полотне дороги, и пассажир в движущемся вагоне. Подлежит рассмотрению вопрос о том, разойдутся ли обходчик и пассажир во мнении относительно одновременности этих событий. Принимается следующее соглашение, которым должен руководствоваться любой инерциальный наблюдатель для суждения об одновременности событий: события считаются одновременными, если они произошли на одинаковом расстоянии от него и сигналы от них пришли к наблюдателю одновременно. Предположим, обходчик увидел обе вспышки одновременно в тот момент, когда он оказался посредине между точками А и B. То, что это так, он может проверить, если пометит свое местоположение на платформе меткой М, а затем измерит МА и МВ линейкой. Тем самым, для обходчика согласно принятому соглашению вспышки являются одновременными (расстояния равны и сигналы приняты одновременно). Теперь рассмотрим пассажира. Пусть в тот момент, когда обходчик одновременно принял вспышки молний, пассажир в поезде оказался как раз напротив обходчика. Обнаружив это, он отметил свое положение меткой М' на поезде, а затем убедился, что следы молний А' и B' на поезде произошли на равном расстоянии от метки М', так как АМ = МВ. Эйнштейн замечает, что пассажир воспримет сигнал В' раньше, чем сигнал А', так как в действительности пассажир движется навстречу световому лучу, идущему из точки B', и в тоже время он движется по световому лучу идущему из точки А. Тем самым, пассажир на основе того, что расстояния, пройденные световыми сигналами, равны, а сигналы пришли не одновременно, должен будет в соответствии с соглашением считать, что удар молнии в точке B' произошел раньше, чем в А'. Таким образом, события, одновременные для обходчика, оказались не одновременными для пассажира. В целом делается вывод, что понятие одновременности относительно (в рамках СТО это действительно так). Однако анализ этого МЭ должен вызвать недоумение у ОЗС по следующим причинам. Анализ процесса распространения сигнала явно был произведен из предположения, что свет – это сигнал в среде, неподвижной относительно обходчика. При этом заявленный постулат о постоянстве скорости света не выполняется, так как скорость света относительно пассажира в направлении движения и в противоположном различна. Другими словами, процесс, как таковой, происходит в согласии с классической кинематикой (природа на "декрет" о постоянстве скорости света никак не прореагировала), а нечто произошло в голове пассажира: он доверился странному соглашению, в результате чего неодновременность приема сигнала трактуется им как неодновременность самих событий. ОЗС был бы вправе ожидать, что сам процесс должен происходить как-то по-новому, коль скоро постулаты СТО имеют физический смысл. Казалось бы, что в силу принципа относительности пассажиру не надо думать о движении света относительно полотна дороги, а лишь о том, что скорость света относительно него постоянна. Тем самым, и сигналы от ударов молний, произошедшие на равных расстояниях от него, должны быть принятыми тоже одновременно. Одним словом: иллюстрация относительности одновременности не очень убедительная. СТО разъяснит, что это не противоречие, а парадокс, т.е. кажущееся противоречие. Неверно, дескать, думать, что один и тот же сигнал может одновременно достичь разных точек пространства. Относительность одновременности связана с соответствующей расфазировкой часов у обходчика и пассажира, которая возникла потому, что они фазировали эти часы именно согласно соглашению. ОЗС при таком объяснении снова недоумевает: придумали соглашение, которое приводит к расфазировке часов, затем из него делается вывод об относительности одновременности и постулируется физический закон о постоянстве скорости света. На взгляд автора, в рамках данного МЭ объяснить относительность одновременности трудно. Его могут понять только те, кто уже вник хотя бы в математические азы СТО. Тем самым, возникает, методологическая неувязка: понять без математики нельзя, а математикой надо начать заниматься, не понимая физического смысла явления. Преобразование Лоренца. Иллюстрация относительности одновременности была, по существу, нужна для того, чтобы можно было считать, что в каждой инерциальной системе отсчета время и масштаб расстояний свои. При этом приходится принять, что "время свое" не только по масштабу, но в одной системе отсчета время имеет сдвиг относительно времени в другой системе аналогично сдвигу местного времени на Земле на разных широтах. Остальное – дело техники. В результате несложных математических выкладок в СТО ищут такие соотношения, связывающие координаты и момент времени события в двух инерциальных системах отсчета, чтобы обеспечить одновременное выполнение принципов относительности и постоянства скорости света (см. раздел 1.6). Они называются преобразованиями Лоренца и содержат в себе эффект относительности одновременности. В частности, оказывается, что скорости нельзя просто суммировались по правилу w=v+u, где v – скорость, например, вагона относительно платформы, u – скорость пассажира относительно вагона, а w – скорость пассажира относительно платформы, а надо использовать формулу релятивистского сложения скоростей: w=(v+u)/(1+vu/c2), где с – скорость света. Если, например, вместо пассажира рассмотреть световой сигнал (u = c), то w будет всегда равно с независимо от скорости вагона v. Этим и обеспечивается постоянство скорости света. Теперь уже можно обойтись без поезда и без молний. Парадоксальность СТО. Но если исходные понятия СТО не ясны, то и следствия из них будут непонятны. Следствием преобразований Лоренца является ряд экзотических следствий: замедление движущихся часов, сокращение длины движущегося стержня и другие. Особенно популярен парадокс близнецов: простой смертный может за время своей жизни слетать к звездам, расположенным на расстоянии в сотни световых лет, и вернуться назад, а на Земле при этом пройдут столетия. Вот такой явно физический эффект! Как он "физически" появился из постулатов СТО? Этого в СТО понять нельзя, если не считать математические выкладки объяснением. "Неслыханная парадоксальность является ее наиболее характерным свойством" (О.Д.Хвольсон). Поэтому и возникают сомнения: является сокращение длины стержня или замедление времени "кажущимися" эффектами или "реальными". Красноречивый пример тому – многолетние дискуссии о парадоксе близнецов (см. раздел 2.4). "Отсутствие наглядности не только препятствует пониманию вещей, но и свидетельствует о неблагополучии теперешнего состояния физики" [15]. Поэтому не кажется удивительным, что участники 2-ой Международной конференции "Проблемы пространства и времени в естествознании" предложили "отказаться от ее преподавания в средней школе, а преподавание в высшей школе сопровождать критикой и изложением альтернативных подходов". Эфирный подход к специальной теории относительности (ЭПТО). Успехи СТО несомненны. Она изящно объяснила целый ряд экспериментальных фактов, продемонстрировала эффективность своего метода по ряду проблем и стала толчком для развития новых физических теорий 20-го века. Автор из числа тех, кто "не сумев в юности одолеть премудрость парадоксов теории относительности" [17] в том виде, как они излагаются в СТО, предлагают альтернативные подходы. При этом автор ставит целью не уйти от СТО, а показать, что преобразования Лоренца можно получить доступными для ОЗС средствами, опираясь на концепцию эфира без апеллирования к электродинамике. В основе ЭПТО лежит конструктивный подход: сначала формулируются ясные для ОЗС конструктивные элементы (эфир, часы), их свойства и процедуры измерений координат и момента времени события, а на их основе выводятся преобразования Лоренца и истолковываются следствия из них. ЭПТО обосновывает относительное через абсолютное. Тем самым, наглядно демонстрируется, что за преобразованиями Лоренца, в принципе, может скрываться онтологически иной мир, чем тот, который рисует СТО своими абстрактными средствами. В возможности иной интерпретации преобразований Лоренца и в наглядности исходной модели этого мира автор видит методологическую ценность ЭПТО. Несмотря на то, что в ЭПТО, как и в СТО, преобразования Лоренца имеют фундаментальное значение, трактовка их иная. Более того, в отличие от СТО в ЭПТО не исключается возможность обнаружить эфирный ветер. Относительность может оказаться ограниченной. Это – важный результат ЭПТО. Таким образом, ЭПТО, будучи совместима с результатами основных экспериментов, которые считаются подтверждением СТО, отличается наглядностью, а также не исключает возможность положительных эффектов в некоторых из тех экспериментов, где СТО заведомо требует отсутствия эффекта. В чисто математическом плане в СТО нет противоречий, хотя является парадоксальной для ОЗС. Геометрия Лобачевского логически тоже построена на основе непривычного для ОЗС постулата о том, что через одну точку можно провести много прямых линий, параллельных данной. Однако ее парадоксальность легко преодолевается после знакомства, например, с ее интерпретацией Бельтрами как геометрии на специальной поверхности (псевдосфере). Аналогичным образом ЭПТО предлагает наглядную модель для интерпретации преобразований Лоренца и эффектов СТО. Но так же, как интерпретация Бельтрами не полностью адекватна плоскости Лобачевского, ЭПТО не полностью адекватен СТО. От автора
Многие уважаемые ученые признавались, что не смогли "одолеть премудрость парадоксов теории относительности". Действительно нелегко понять, как в пустом пространстве из условия равноправия инерциальных систем и исходно таинственной независимости скорости света от движения источника и наблюдателя возникает парадоксальный эффект близнецов. В книге предложена интерпретация специальной теории относительности (СТО) на основе эфирного подхода. Эфир – это среда распространения света и причина замедления темпа хода часов, движущихся относительно него. Принимается также информационное соглашение о способе оценки координат и момента времени события – такое же, как у А.Эйнштейна. В результате получены преобразования Лоренца, которые являются основой СТО. Такой подход позволяет на методологически ясной основе без парадоксов излагать релятивистские эффекты. При этом существенно, что обнаружение эфирного ветра не исключается. Книга будет доступна и может оказаться полезной студентам, школьникам старших классов, преподавателям, научно-техническим работникам и всем, кто не смог примириться с эффектами СТО в их традиционном изложении. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||