Cover Левин М.А. Специальная теория относительности: Эфирный подход
Id: 90797
11.9 EUR

Специальная теория относительности:
Эфирный подход Изд. 2, стереот.

URSS. 176 pp. (Russian). ISBN 978-5-484-01056-1.
  • Paperback
Серия: Relata Refero

Summary

В книге предложена интерпретация специальной теории относительности (СТО) на основе эфирного подхода. Постулируются эфир, как среда распространения света, а также замедление темпа хода часов, движущихся относительно эфира, и принимается информационное соглашение. В результате получены преобразования Лоренца, которые являются основой СТО. Такой подход позволяет на методологически ясной для "обыденного здравого смысла" основе излагать релятивистские ...(More)эффекты и парадоксы.

Рассмотрены основные вопросы релятивистской кинематики и динамики материальной точки. Сопоставляются взгляды СТО и эфирного подхода. Эфирный подход шире СТО, возможность обнаружения эфирного ветра не исключается. Обсуждаются эксперименты, касающиеся затронутой проблематики.

Книга может оказаться полезной преподавателям, студентам, научно-техническим работникам и всем, кто не смог примириться с эффектами СТО в их традиционном изложении.


Sodepzhanie
Vvedenie
1.Efir, vremya i preobrazovanie Lorentsa
 1.1.Postulat ob efire
 1.2.Postulat o chasakh
 1.3.Razgon sterzhnya
 1.4.Effekt Doplera
 1.5.Informatsionnoe soglashenie. Metod EPTO
 1.6.Vivod preobrazovanij Lorentsa v STO
 1.7.Passivnaya lokatsiya
 1.8.Aberratsiya sobitiya i lucha
 1.9.Vivod preobrazovanij Lorentsa v EPTO
 1.10.Preobrazovanie skorostej. Opit Fizo
 1.11.Mir Minkovskogo. Kvaziprintsipi
2.Relyativistskie effekti i paradoksi
 2.1.Passivnie i aktivnie preobrazovaniYa
 2.2.Otnositel'nost' odnovremennosti
 2.3.Zamedlenie vremeni. Passivnoe preobrazovanie
 2.4.Zamedlenie vremeni. Aktivnoe preobrazovanie
 2.5.Sokraschenie dlini sterzhnya. Passivnoe preobrazovanie
 2.6.Paradoksi passivnogo preobrazovaniya dlini
 2.7.Aktivnoe preobrazovanie dlini sterzhnya
 2.8.Paradoksi aktivnogo preobrazovaniya dlini sterzhnya
3.V poiskakh efirnogo vetra
 3.1.Eksperimenti 1-go i 2-go poryadka
 3.2.Neinertsial'nie eksperimenti
 3.3.Inertsial'nij eksperiment Kennarda
 3.4.Obsuzhdenie
4.Relyativistskaya mekhanika
 4.1.Uravnenie dvizheniya material'noj tochki
 4.2.Zakoni sokhraneniya pri stolknoveniyakh
 4.3.Preobrazovanie sili i protivorechie richaga
 4.4.Efirnaya model' dinamiki tochki
 4.5.O form-invariantnosti uravneniya dvizheniya
 4.6.Sila Lorentsa
 4.7.Relyativistkie mekhanika i elektrodinamika. Nesovmestimost' sili
Prilozhenie
Zaklyuchenie
Spisok literaturi

Vvedenie
Ya nikogda ne ispitivayu chuvstva polnogo udovletvoreniya do tekh por, poka ne postroyu mekhanicheskuyu model' izuchaemogo ob'ekta. Esli mne eto udaetsya, to ya srazu vse ponimayu, v protivnom sluchae ne ponimayu.
Lord U.Kel'vin
Problema ponimaniya spetsial'noj teorii otnositel'nosti (STO). Proshlo stoletie s momenta sozdaniya STO, odnako kritika v ee adres ne smolkla. Odnoj iz osnovnikh ee prichin yavlyaetsya trudnost' ponimaniya teorii.

Kh.Vejtsman v 1929 g. v shutku vspominal: "Ejnshtejn ob'yasnyal mne svoyu teorii kazhdij den', i vskore ya bil uzhe sovershenno uveren, chto on ee ponyal". Dlya "obidennogo zdravogo smisla" (OZS) ponyat' STO neshutochnoe delo. I problema zdes' ne v matematicheskoj slozhnosti teorii, a v ee metodologii.

Obscheizvestno, chto v osnovu STO A.Ejnshtejn polozhil dva osnovnikh postulata: postulat otnositel'nosti i postulat o postoyanstve skorosti sveta [1]. Postulat o postoyanstve skorosti sveta utverzhdaet, chto v otsutstvii gravitatsii svetovoj signal mozhet rasprostranyat'sya tol'ko pryamolinejno i ego skorost' otnositel'no lyubogo nablyudatelya odna i ta zhe nezavisimo ot skorosti istochnika i nablyudatelya.

Predstavit' sebe ob'ekt, obladayuschij takim svojstvom, v ramkakh klassicheskikh predstavlenij o prostranstve i vremeni nel'zya. V samom dele, v klassicheskoj fizike izvestni tol'ko dve modeli rasprostraneniya signala:

-- signal-chastitsa. V etom sluchae sobstvennaya skorost' chastitsi (puli, naprimer) otnositel'no istochnika (ruzh'ya) ne zavisit ot ego skorosti. Odnako skorost' otnositel'no nablyudatelya budet skladivat'sya s ego skorost'yu otnositel'no istochnika;

-- signal v srede. V etom sluchae skorost' rasprostraneniya vozmuscheniya (signala) otnositel'no sredi zavisit tol'ko ot svojstv sredi i ne zavisit ot skorosti dvizheniya istochnika otnositel'no sredi. Odnako pri etom ona ne mozhet bit' odnoj i toj zhe po otnosheniyu k lyubomu nablyudatelyu, dvizhuschemusya otnositel'no etoj sredi.

Ejnshtejn predlozhil takoj tainstvennij "svetovoj signal" dlya togo, chtobi rasprostranit' izvestnij v mekhanike printsip otnositel'nosti Galileya na elektrodinamiku: absolyutnogo dvizheniya net, vnutri zamknutoj inertsial'noj sistemi ego nel'zya obnaruzhit' nikakimi eksperimentami, v tom chisle opticheskimi. Soglasno zhe predstavleniyam fiziki k momentu sozdaniya STO prinimalas', chto mirovoe prostranstvo zapolneno nepodvizhnim vsepronitsayuschim efirom, kotorij yavlyaetsya sredoj rasprostraneniya sveta. Pronitsaemost' efira oznachaet, chto, khotya inertsial'naya sistema zamknuta, ee naskvoz' produvaet efirnij veter. Dlya naglyadnosti govoryat, chto inertsial'naya sistema otscheta -- eto ne kayuta na korable, a ploschadka na ego otkritoj palube. Tem samim, ne isklyuchaetsya, chto nablyudatel' mozhet obnaruzhit' svoe dvizhenie otnositel'no efira (efirnij veter) analogichno tomu, kak mozhet passazhir na palube korablya obnaruzhit' obtekayuschij ego vozdukh. Sledovatel'no, printsip otnositel'nosti pri obichnikh predstavleniyakh okazhetsya neprimenimim dlya opticheskikh yavlenij. Esli zhe skorost' sveta ne zavisit ot skorosti nablyudatelya i istochnika, to obnaruzhit' absolyutnoe dvizhenie ne udastsya.

Chtobi OZS mog prinyat' takoj ne naglyadnij ob'ekt nado:

-- prezhde vsego, po sovetu Ejnshtejna "sovershenno zabit' ob efire i postarat'sya nikogda ne vspominat' o nem", t.e. prostranstvo nado schitat' pustim;

-- zatem poverit' Ejnshtejnu, chto "zdravij smisl -- eto tolscha predrassudkov, uspevshikh otlozhit'sya v nashem soznanii k 18-ti godam". Drugimi slovami, predlagaetsya otkazat'sya ot nadezhdi na naglyadnost' i prinyat', chto svet i elektromagnitnie volni predstavlyayut soboj nekij tainstvennij protsess, rasprostranyayuschijsya v pustote, prichem obespechivaetsya postoyanstvo ego skorosti otnositel'no lyubogo nablyudatelya.

V itoge nado pridetsya prinyat' novie predstavleniya o prostranstve i vremeni: vremya i prostranstvo otnositel'ni, t.e. v kazhdoj inertsial'noj sisteme oni svoi. Eta vera i dolzhna opredelyat' novuyu logiku mishleniya. Otnositel'nost' odnovremennosti. Chtobi prolozhit' put' k novomu podkhodu o vremeni i prostranstve, A.Ejnshtejn vzyal za osnovu ideyu otnositel'nosti odnovremennosti: sobitiya odnovremennie dlya odnogo nablyudatelya mogut bit' neodnovremennimi dlya drugogo nablyudatelya, dvizhuschegosya otnositel'no pervogo. U Ejnshtejna, vo mnogikh uchebnikakh i pochti v kazhdoj populyarnoj knige po STO privodyatsya mislennie eksperimenti (ME), illyustriruyuschie otnositel'nost' odnovremennosti. Zdes' mi rassmotrim ME s poezdom i molniyami dlya togo, chtobi proillyustrirovat' naskol'ko ego ne prosto preodolet' dlya OZS [2, s.150].

Pust' dve molnii ostavili sledi v tochkakh A i B na polotne zheleznoj dorogi i v tochkakh A' i B' na vagone poezda. Eti vspishki uvideli dva nablyudatelya: obkhodchik, stoyaschij na polotne dorogi, i passazhir v dvizhuschemsya vagone. Podlezhit rassmotreniyu vopros o tom, razojdutsya li obkhodchik i passazhir vo mnenii otnositel'no odnovremennosti etikh sobitij.

Prinimaetsya sleduyuschee soglashenie, kotorim dolzhen rukovodstvovat'sya lyuboj inertsial'nij nablyudatel' dlya suzhdeniya ob odnovremennosti sobitij: sobitiya schitayutsya odnovremennimi, esli oni proizoshli na odinakovom rasstoyanii ot nego i signali ot nikh prishli k nablyudatelyu odnovremenno.

Predpolozhim, obkhodchik uvidel obe vspishki odnovremenno v tot moment, kogda on okazalsya posredine mezhdu tochkami A i B. To, chto eto tak, on mozhet proverit', esli pometit svoe mestopolozhenie na platforme metkoj M, a zatem izmerit MA i MV linejkoj. Tem samim, dlya obkhodchika soglasno prinyatomu soglasheniyu vspishki yavlyayutsya odnovremennimi (rasstoyaniya ravni i signali prinyati odnovremenno).

Teper' rassmotrim passazhira. Pust' v tot moment, kogda obkhodchik odnovremenno prinyal vspishki molnij, passazhir v poezde okazalsya kak raz naprotiv obkhodchika. Obnaruzhiv eto, on otmetil svoe polozhenie metkoj M' na poezde, a zatem ubedilsya, chto sledi molnij A' i B' na poezde proizoshli na ravnom rasstoyanii ot metki M', tak kak AM = MV. Ejnshtejn zamechaet, chto passazhir vosprimet signal V' ran'she, chem signal A', tak kak v dejstvitel'nosti passazhir dvizhetsya navstrechu svetovomu luchu, iduschemu iz tochki B', i v tozhe vremya on dvizhetsya po svetovomu luchu iduschemu iz tochki A. Tem samim, passazhir na osnove togo, chto rasstoyaniya, projdennie svetovimi signalami, ravni, a signali prishli ne odnovremenno, dolzhen budet v sootvetstvii s soglasheniem schitat', chto udar molnii v tochke B' proizoshel ran'she, chem v A'.

Takim obrazom, sobitiya, odnovremennie dlya obkhodchika, okazalis' ne odnovremennimi dlya passazhira. V tselom delaetsya vivod, chto ponyatie odnovremennosti otnositel'no (v ramkakh STO eto dejstvitel'no tak).

Odnako analiz etogo ME dolzhen vizvat' nedoumenie u OZS po sleduyuschim prichinam. Analiz protsessa rasprostraneniya signala yavno bil proizveden iz predpolozheniya, chto svet -- eto signal v srede, nepodvizhnoj otnositel'no obkhodchika. Pri etom zayavlennij postulat o postoyanstve skorosti sveta ne vipolnyaetsya, tak kak skorost' sveta otnositel'no passazhira v napravlenii dvizheniya i v protivopolozhnom razlichna. Drugimi slovami, protsess, kak takovoj, proiskhodit v soglasii s klassicheskoj kinematikoj (priroda na "dekret" o postoyanstve skorosti sveta nikak ne proreagirovala), a nechto proizoshlo v golove passazhira: on doverilsya strannomu soglasheniyu, v rezul'tate chego neodnovremennost' priema signala traktuetsya im kak neodnovremennost' samikh sobitij.

OZS bil bi vprave ozhidat', chto sam protsess dolzhen proiskhodit' kak-to po-novomu, kol' skoro postulati STO imeyut fizicheskij smisl. Kazalos' bi, chto v silu printsipa otnositel'nosti passazhiru ne nado dumat' o dvizhenii sveta otnositel'no polotna dorogi, a lish' o tom, chto skorost' sveta otnositel'no nego postoyanna. Tem samim, i signali ot udarov molnij, proizoshedshie na ravnikh rasstoyaniyakh ot nego, dolzhni bit' prinyatimi tozhe odnovremenno.

Odnim slovom: illyustratsiya otnositel'nosti odnovremennosti ne ochen' ubeditel'naya. STO raz'yasnit, chto eto ne protivorechie, a paradoks, t.e. kazhuscheesya protivorechie. Neverno, deskat', dumat', chto odin i tot zhe signal mozhet odnovremenno dostich' raznikh tochek prostranstva. Otnositel'nost' odnovremennosti svyazana s sootvetstvuyuschej rasfazirovkoj chasov u obkhodchika i passazhira, kotoraya voznikla potomu, chto oni fazirovali eti chasi imenno soglasno soglasheniyu. OZS pri takom ob'yasnenii snova nedoumevaet: pridumali soglashenie, kotoroe privodit k rasfazirovke chasov, zatem iz nego delaetsya vivod ob otnositel'nosti odnovremennosti i postuliruetsya fizicheskij zakon o postoyanstve skorosti sveta. Na vzglyad avtora, v ramkakh dannogo ME ob'yasnit' otnositel'nost' odnovremennosti trudno. Ego mogut ponyat' tol'ko te, kto uzhe vnik khotya bi v matematicheskie azi STO. Tem samim, voznikaet, metodologicheskaya neuvyazka: ponyat' bez matematiki nel'zya, a matematikoj nado nachat' zanimat'sya, ne ponimaya fizicheskogo smisla yavleniya. Preobrazovanie Lorentsa. Illyustratsiya otnositel'nosti odnovremennosti bila, po suschestvu, nuzhna dlya togo, chtobi mozhno bilo schitat', chto v kazhdoj inertsial'noj sisteme otscheta vremya i masshtab rasstoyanij svoi. Pri etom prikhoditsya prinyat', chto "vremya svoe" ne tol'ko po masshtabu, no v odnoj sisteme otscheta vremya imeet sdvig otnositel'no vremeni v drugoj sisteme analogichno sdvigu mestnogo vremeni na Zemle na raznikh shirotakh. Ostal'noe -- delo tekhniki. V rezul'tate neslozhnikh matematicheskikh vikladok v STO ischut takie sootnosheniya, svyazivayuschie koordinati i moment vremeni sobitiya v dvukh inertsial'nikh sistemakh otscheta, chtobi obespechit' odnovremennoe vipolnenie printsipov otnositel'nosti i postoyanstva skorosti sveta (sm. razdel 1.6). Oni nazivayutsya preobrazovaniyami Lorentsa i soderzhat v sebe effekt otnositel'nosti odnovremennosti.

V chastnosti, okazivaetsya, chto skorosti nel'zya prosto summirovalis' po pravilu w=v+u, gde v -- skorost', naprimer, vagona otnositel'no platformi, u -- skorost' passazhira otnositel'no vagona, a w -- skorost' passazhira otnositel'no platformi, a nado ispol'zovat' formulu relyativistskogo slozheniya skorostej: w=(v+u)/(1+vu/c2), gde s -- skorost' sveta. Esli, naprimer, vmesto passazhira rassmotret' svetovoj signal (u = c), to w budet vsegda ravno s nezavisimo ot skorosti vagona v. Etim i obespechivaetsya postoyanstvo skorosti sveta. Teper' uzhe mozhno obojtis' bez poezda i bez molnij. Paradoksal'nost' STO. No esli iskhodnie ponyatiya STO ne yasni, to i sledstviya iz nikh budut neponyatni. Sledstviem preobrazovanij Lorentsa yavlyaetsya ryad ekzoticheskikh sledstvij: zamedlenie dvizhuschikhsya chasov, sokraschenie dlini dvizhuschegosya sterzhnya i drugie. Osobenno populyaren paradoks bliznetsov: prostoj smertnij mozhet za vremya svoej zhizni sletat' k zvezdam, raspolozhennim na rasstoyanii v sotni svetovikh let, i vernut'sya nazad, a na Zemle pri etom projdut stoletiya. Vot takoj yavno fizicheskij effekt! Kak on "fizicheski" poyavilsya iz postulatov STO? Etogo v STO ponyat' nel'zya, esli ne schitat' matematicheskie vikladki ob'yasneniem. "Neslikhannaya paradoksal'nost' yavlyaetsya ee naibolee kharakternim svojstvom" (O.D.Khvol'son). Poetomu i voznikayut somneniya: yavlyaetsya sokraschenie dlini sterzhnya ili zamedlenie vremeni "kazhuschimisya" effektami ili "real'nimi". Krasnorechivij primer tomu -- mnogoletnie diskussii o paradokse bliznetsov (sm. razdel 2.4).

"Otsutstvie naglyadnosti ne tol'ko prepyatstvuet ponimaniyu veschej, no i svidetel'stvuet o neblagopoluchii tepereshnego sostoyaniya fiziki" [15]. Poetomu ne kazhetsya udivitel'nim, chto uchastniki 2-oj Mezhdunarodnoj konferentsii "Problemi prostranstva i vremeni v estestvoznanii" predlozhili "otkazat'sya ot ee prepodavaniya v srednej shkole, a prepodavanie v visshej shkole soprovozhdat' kritikoj i izlozheniem al'ternativnikh podkhodov". Efirnij podkhod k spetsial'noj teorii otnositel'nosti (EPTO). Uspekhi STO nesomnenni. Ona izyaschno ob'yasnila tselij ryad eksperimental'nikh faktov, prodemonstrirovala effektivnost' svoego metoda po ryadu problem i stala tolchkom dlya razvitiya novikh fizicheskikh teorij 20-go veka.

Avtor iz chisla tekh, kto "ne sumev v yunosti odolet' premudrost' paradoksov teorii otnositel'nosti" [17] v tom vide, kak oni izlagayutsya v STO, predlagayut al'ternativnie podkhodi. Pri etom avtor stavit tsel'yu ne ujti ot STO, a pokazat', chto preobrazovaniya Lorentsa mozhno poluchit' dostupnimi dlya OZS sredstvami, opirayas' na kontseptsiyu efira bez apellirovaniya k elektrodinamike. V osnove EPTO lezhit konstruktivnij podkhod: snachala formuliruyutsya yasnie dlya OZS konstruktivnie elementi (efir, chasi), ikh svojstva i protseduri izmerenij koordinat i momenta vremeni sobitiya, a na ikh osnove vivodyatsya preobrazovaniya Lorentsa i istolkovivayutsya sledstviya iz nikh.

EPTO obosnovivaet otnositel'noe cherez absolyutnoe. Tem samim, naglyadno demonstriruetsya, chto za preobrazovaniyami Lorentsa, v printsipe, mozhet skrivat'sya ontologicheski inoj mir, chem tot, kotorij risuet STO svoimi abstraktnimi sredstvami. V vozmozhnosti inoj interpretatsii preobrazovanij Lorentsa i v naglyadnosti iskhodnoj modeli etogo mira avtor vidit metodologicheskuyu tsennost' EPTO.

Nesmotrya na to, chto v EPTO, kak i v STO, preobrazovaniya Lorentsa imeyut fundamental'noe znachenie, traktovka ikh inaya. Bolee togo, v otlichie ot STO v EPTO ne isklyuchaetsya vozmozhnost' obnaruzhit' efirnij veter. Otnositel'nost' mozhet okazat'sya ogranichennoj. Eto -- vazhnij rezul'tat EPTO.

Takim obrazom, EPTO, buduchi sovmestima s rezul'tatami osnovnikh eksperimentov, kotorie schitayutsya podtverzhdeniem STO, otlichaetsya naglyadnost'yu, a takzhe ne isklyuchaet vozmozhnost' polozhitel'nikh effektov v nekotorikh iz tekh eksperimentov, gde STO zavedomo trebuet otsutstviya effekta.

V chisto matematicheskom plane v STO net protivorechij, khotya yavlyaetsya paradoksal'noj dlya OZS. Geometriya Lobachevskogo logicheski tozhe postroena na osnove neprivichnogo dlya OZS postulata o tom, chto cherez odnu tochku mozhno provesti mnogo pryamikh linij, parallel'nikh dannoj. Odnako ee paradoksal'nost' legko preodolevaetsya posle znakomstva, naprimer, s ee interpretatsiej Bel'trami kak geometrii na spetsial'noj poverkhnosti (psevdosfere). Analogichnim obrazom EPTO predlagaet naglyadnuyu model' dlya interpretatsii preobrazovanij Lorentsa i effektov STO. No tak zhe, kak interpretatsiya Bel'trami ne polnost'yu adekvatna ploskosti Lobachevskogo, EPTO ne polnost'yu adekvaten STO.


Ot avtora

Mnogie uvazhaemie uchenie priznavalis', chto ne smogli "odolet' premudrost' paradoksov teorii otnositel'nosti". Dejstvitel'no nelegko ponyat', kak v pustom prostranstve iz usloviya ravnopraviya inertsial'nikh sistem i iskhodno tainstvennoj nezavisimosti skorosti sveta ot dvizheniya istochnika i nablyudatelya voznikaet paradoksal'nij effekt bliznetsov.

V knige predlozhena interpretatsiya spetsial'noj teorii otnositel'nosti (STO) na osnove efirnogo podkhoda. Efir -- eto sreda rasprostraneniya sveta i prichina zamedleniya tempa khoda chasov, dvizhuschikhsya otnositel'no nego. Prinimaetsya takzhe informatsionnoe soglashenie o sposobe otsenki koordinat i momenta vremeni sobitiya -- takoe zhe, kak u A.Ejnshtejna. V rezul'tate polucheni preobrazovaniya Lorentsa, kotorie yavlyayutsya osnovoj STO. Takoj podkhod pozvolyaet na metodologicheski yasnoj osnove bez paradoksov izlagat' relyativistskie effekti.

Pri etom suschestvenno, chto obnaruzhenie efirnogo vetra ne isklyuchaetsya.

Kniga budet dostupna i mozhet okazat'sya poleznoj studentam, shkol'nikam starshikh klassov, prepodavatelyam, nauchno-tekhnicheskim rabotnikam i vsem, kto ne smog primirit'sya s effektami STO v ikh traditsionnom izlozhenii.