Cover Левин М.А. От эфира к миру Минковского: К новой методологии СТО
Id: 91674
11.9 EUR

От эфира к миру Минковского:
К новой методологии СТО

URSS. 176 pp. (Russian). ISBN 978-5-397-00503-6.
  • Paperback
Серия: Relata Refero

Summary

Автор предлагает эфирный подход (ЭфСТО) к изложению специальной теории относительности (СТО) на базе трех постулатов, который позволяет снять с нее покров парадоксальности. Этот подход и официальные подходы сопоставляются. В результате автор делает вывод о методологической целесообразности строить СТО в виде подхода на базе мира Минковского и предпосылки на базе эфирного подхода. При этом подход на базе постулатов Эйнштейна ...(More)будет играть вторичную роль.

Книга в основной своей части доступна школьникам старших классов. Она может оказаться полезной преподавателям, студентам и научно-техническим работникам.


Soderzhanie
Ot izdatel'stva
Vvedenie
1.Efirnij podkhod (EFSTO)
 1.1.Fizicheskie osnovi efirnogo podkhoda
  1.1.1.Postulat o rasprostranenii sveta v efire
  1.1.2.Postulat o zamedlenii vremeni
  1.1.3.Ob izmenenii dlini sterzhnya
 1.2.Effekt Doplera
  1.2.1.Prodol'nij effekt
  1.2.2.Poperechnij effekt
 1.3.Izmerenie koordinat sobitiya v ISO
 1.4.Preobrazovaniya Lorentsa. Chastnie situatsii
  1.4.1.Aktivnaya lokatsiya sobitiya
  1.4.2.Slozhenie skorostej
  1.4.3.Opit Fizo
  1.4.4.Izmereniya dlini i polozheniya sterzhnya
  1.4.5.Passivnaya lokatsiya sobitiya
  1.4.6.Aberratsiya
 1.5.Preobrazovaniya Lorentsa. Obschij sluchaj
  1.5.1.Polnij vivod PrL. Interval
  1.5.2.Otnositel'nost' odnovremennosti
  1.5.3.Passivnoe i aktivnoe zamedlenie vremeni
  1.5.4.Izotropnost' svetovoj volni
  1.5.5.Otnositel'nost' sobitijnoj kinematiki
 1.6.Preobrazovanie razmerov tela
  1.6.1.Passivnoe preobrazovanie razmerov tela
  1.6.2.Paradoksi passivnogo preobrazovaniya
  1.6.3.Aktivnoe preobrazovanie razmerov tela
  1.6.3.1.Gipoteza Fitsdzheral'da--Lorentsa
  1.6.3.2.Gipoteza Majkel'sona
  1.6.3.3.Postulat o razmerakh dvizhuschikhsya tel
 1.7.Est' li efirnij veter?
2.Podkhod Ejnshtejna (EjnSTO)
 2.1.Obsuzhdenie iskhodnikh polozhenij EjnSTO
  2.1.1.Postulati EjnSTO
  2.1.2.Neofit, poezd i molnii
 2.2.Nekorrektnost' vivoda PrL
  2.2.1.Nekorrektnost' "original'nogo metoda"
  2.2.2.Oshibki pri vivode PrL iz postulatov
  2.2.3.Problema intervala
 2.3.Pravil'nij vivod PrL
 2.4."Ushi efira" i kinematicheskoe podobie
3.Mir Minkovskogo (MinSTO)
 3.1.Geometriya prostranstva-vremeni
 3.2.Elektrodinamika
  3.2.1.Uravneniya Maksvella--Lorentsa
  3.2.2.Forminvariantnost' uravnenij
  3.2.3.Elektrodinamika i efir
 3.3.Obschij vzglyad na sistemi koordinat
  3.3.1.Fizicheskie i koordinatnie velichini
  3.3.2.O realizatsii obobschennikh koordinat
4.Obzor i obsuzhdenie
Spisok literaturi

Vvedenie
Spetsial'naya teoriya otnositel'nosti ne yavlyaetsya trudom odnogo
cheloveka, ona voznikla v rezul'tate sovmestnikh usilij gruppi
velikikh issledovatelej - Lorentsa, Puankare, Ejnshtejna, Minkovskogo.
Maks Born

Ne dumajte, chto Ya prishel narushit' Zakon ili prorokov.
Ev. ot Matfeya, 17

Spetsial'naya teoriya otnositel'nosti (STO) kasaetsya takikh vazhnikh voprosov, kak prostranstvo i vremya. Uspekhi STO nesomnenni. Ona stala tolchkom i instrumentom dlya razvitiya novikh fizicheskikh teorij 20-go veka. Odnako proshlo sto let, a diskussii v otnoshenii nee ne utikhayut. Eto svyazano s trudnostyami ponimaniya STO, kotorie lezhat ne ee v matematicheskoj slozhnosti, a v metodologii. "Neslikhannaya paradoksal'nost' yavlyaetsya ee naibolee kharakternim svojstvom" (O.D. Khvol'son).

Avtor predlagaet efirnij podkhod k postroeniyu STO, chto pozvolyaet snyat' s nee pokrov paradoksal'nosti. Etot podkhod i ofitsial'nie podkhodi sopostavlyayutsya. V rezul'tate avtor delaet vivod o tom, chto STO metodologicheski dolzhno stroit'sya v vide sovremennogo podkhoda na baze mira Minkovskogo i predposilki k nemu na baze efirnogo podkhoda. Pri etom podkhod na baze postulatov Ejnshtejna budet igrat' vtorichnuyu rol'.

Chtobi zdes' vo vvedenii bolee konkretno poyasnit' tsel' dannoj raboti, pridetsya kratko rassmotret' osnovnie etapi stanovleniya STO i podkhodi k nej. Dlya etogo budem razlichat':

  • elektrodinamicheskij podkhod G. Lorentsa (1904 g.);
  • aksiomaticheskij podkhod A. Ejnshtejna (1905 g.);
  • postulirovanie mira Minkovskogo (1909 g.);
  • predlagaemij avtorom efirnij podkhod.

    "Matematicheskie ukhischreniya" Lorentsa. Trudami D. Maksvella (60-e gg. 19 v.) i G. Lorentsa (konets 19 v.) polucheni uravneniya elektrodinamiki, kotorie nazivayut uravneniyami Maksvella-Lorentsa (dalee UrML). Oni soderzhat konstantu skorosti rasprostraneniya elektromagnitnikh voln, a takzhe skorosti zaryazhennikh chastits. Voznikaet vopros, otnositel'no chego izmeryayutsya eti skorosti. Soglasno predstavleniyam fiziki nachala 20-go veka schitalos', chto mirovoe prostranstvo zapolneno vsepronitsayuschej substantsiej, nazvannoj efirom, kotoraya yavlyaetsya sredoj rasprostraneniya elektromagnitnikh voln. Tem samim, schitalos', chto eti skorosti, kak i sostoyaniya polya, imeyut silu v sisteme otscheta, nepodvizhnoj otnositel'no efira. Pri etom skorost' sveta otnositel'no dvizhuschegosya v efire nablyudatelya dolzhna skladivat'sya so skorost'yu samogo nablyudatelya, t.e. dvizhuschijsya nablyudatel' dolzhen nablyudat' "efirnij veter". Estestvenno vozniklo zhelanie izmerit' skorost' dvizheniya Zemli otnositel'no efira. Odnako opiti pokazali, chto "nevozmozhno obnaruzhit' absolyutnoe dvizhenie materii, ili, tochnee, otnositel'noe dvizhenie vesomoj materii i efira" (A. Puankare, 1985 g). Eto govorilo ob otnositel'nosti dvizheniya, analogichno tomu, kak eto imeet mesto v klassicheskoj mekhanike. No schitalos', chto uravneniya elektrodinamiki Maksvella-Lorentsa (UrML) protivorechat etomu.

    URML pri perekhode obscheprinyatim v mekhanike sposobom (preobrazovaniya Galileya) iz efirnoj sistemi otscheta (ESO) k sisteme otscheta, dvizhuschejsya otnositel'no nego, izmenyali svoyu formu. G. Gerts predlozhil tak izmenit' UrML, chtobi oni ne izmenyali svoyu formu pri preobrazovaniyakh Galileya. Odnako takie uravneniya porodili effekti, protivorechaschie opitam.

    Dlya G. Lorentsa vera v suschestvovanie efira i v spravedlivost' UrML, yavlyalis' neot'emlemoj chast'yu ego ubezhdenij. Poetomu on postavil zadachu viyavit' iz UrML te dopolnitel'nie effekti, kotorie voznikayut v fizicheskoj (elektrodinamicheskoj) sisteme, dvizhuschejsya otnositel'no efira, pri kotorikh ona okazalas' bi izobrazheniem identichnoj sistemi, nepodvizhnoj otnositel'no efira. Tem samim, elektrodinamicheskie eksperimenti v dvizhuschejsya sisteme otscheta ne pozvolyat otlichit' ee dvizhenie v efire ot pokoya. Pri etom Lorents v znachitel'noj stepeni dostig postavlennoj tseli, kak on sam pisal, za schet "matematicheskikh ukhischrenij". On otkril ("ugadal") preobrazovaniya prostranstvenno-vremennikh koordinat, otlichnie ot preobrazovanij Galileya, olitsetvoryayuschie iskomie effekti. A. Puankare nazval ikh preobrazovaniyami Lorentsa (PrL).

    Pri etom Lorents videl suschestvennuyu raznitsu mezhdu dvizhuschejsya sistemoj otscheta i sistemoj, svyazannoj s efirom, t.e. novij printsip otnositel'nosti im ne bil do kontsa osoznan.

    Izyaschestvo i problemi EjnSTO. V 1905 g. A. Ejnshtejn napechatal stat'yu, kotoraya opredelyala novij vzglyad na prostranstvo i vremya, a takzhe poyavlenie teorii kak takovoj. Teoriya postroena na dvukh osnovnikh postulatakh: postulate otnositel'nosti i postulate o postoyanstve skorosti sveta (II-postulat). Eti postulati ispol'zovani Ejnshtejnom dlya vivoda PrL. Pri etom absolyutnoe prostranstvo i efir bili otvergnuti. Prostranstvo ob'yavleno pustim. Vopros ob obnaruzhenii efirnogo vetra poteryal smisl po opredeleniyu.

    II-postulat utverzhdaet, chto v vakuume skorost' rasprostraneniya svetovogo signala ne zavisit ot dvizheniya istochnika i vo vsekh ISO odinakova vo vsekh napravleniyakh. Predstavit' takoj ob'ekt v ramkakh klassicheskikh predstavlenij nel'zya. Poetomu smisl postulatov na etape ikh formulirovki ne odnoznachen. On v osnovnom proyasnyaetsya v protsesse vivoda PrL. Poetomu voznikaet metodologicheskaya neuvyazka: osmislit' postulati bez PrL trudno, a PrL nado poluchit' pri neodnoznachnosti "pravil igri". Otsutstvie naglyadnosti iskhodnikh ponyatij porozhdaet paradoksi, t.e. kazhuschuyu protivorechivost'.

    Prichinoj trudnosti ponimaniya EjnSTO yavlyaetsya ee filosofskaya platforma. V klassicheskoj mekhanike v osnove matematicheskogo apparata takzhe lezhit printsip otnositel'nosti. Odnako N'yuton vopreki matematike absolyutiziroval prostranstvo, vremya i dvizhenie. On postroil svoyu mekhaniku na filosofskoj platforme materializma, kotoraya iskhodit iz ob'ektivnoj real'nosti prostranstva i vremeni bezotnositel'no k vneshnemu nablyudatelyu. Eto i est' "zdravij smisl".

    Platformoj Ejnshtejna stal yavno oboznachennij fizicheskij relyativizm, kotorij iskhodit iz ponimaniya otnositel'nogo kak isklyuchayuschego moment absolyutnogo. On zayavil, chto "zdravij smisl -- eto tolscha predrassudkov, uspevshikh otlozhit'sya v nashem soznanii k 18-ti godam". Relyativistskie effekti, dlya kotorikh "obidennij zdravij smisl" ozhidaet nalichiya prichinnogo ob'yasneniya, ob'yavleni kinematicheskimi.

    V pervuyu ochered' k nim otnositsya paradoks bliznetsov: kosmonavt posle vozvrascheniya iz puteshestviya okazhetsya molozhe svoego brata-domoseda, chto dostigaetsya za schet zamedleniya vremeni, vizvannogo otnositel'nim dvizheniem (?).

    No ponimanie - delo nazhivnoe. Est', odnako, bolee ser'eznaya pretenziya k EjnSTO. Redko mozhno vstretit' takoe pryamoe zayavlenie, kotoroe sdelal akademik A.A. Logunov [3, s. 44]:

    "K stoletiyu teorii otnositel'nosti pora bi uzhe uyasnit', chto postoyanstvo skorosti sveta vo vsekh inertsial'nikh sistemakh otscheta ne yavlyaetsya iskhodnim polozheniem teorii otnositel'nosti"

    A eto, konechno, - vopros uzhe printsipial'nij. Ved' na baze etogo postulata izlagayut STO ne tol'ko v literature "dlya millionov", no i v podavlyayuschem chisle uchebnikov po fizike, v tom chisle i dlya fizicheskikh spetsial'nostej vuzov.

    Elitarnost' MinSTO. A. Puankare v 1905 g., opirayas' na printsip otnositel'nosti i otkritie Lorentsem PrL, pokazal, chto PrL vmeste s prostranstvennimi vrascheniyami obrazuyut gruppu, nazvannuyu im gruppoj Lorentsa. Eta gruppa imeet fundamental'nij invariant J=c2T2-R2, gde R - rasstoyanie mezhdu dvumya tochkami prostranstva, v kotorikh proizoshli sobitiya, T- promezhutok vremeni mezhdu etimi dvumya sobitiyami. Drugimi slovami, mera J, nazvannaya intervalom, sokhranyaet svoe znachenie v lyuboj inertsial'noj sisteme otscheta (ISO). Znacheniyu J=0 sootvetstvuet postoyanstvo skorosti sveta vo vsekh ISO.

    G. Minkovskij (1909 g.) na osnove gruppi Lorentsa i invariantnosti intervala otkril psevdoevklidovu geometriyu prostranstva-vremeni: prostranstvo i vremya obrazuyut edinij chetirekhmernij kontinuum sobitij s meroj J (mir Minkovskogo). Poetomu v sovremennikh predstavleniyakh sut' teorii otnositel'nosti sostoit v sleduyuschem postulate [2, str. 44]:

    "vse fizicheskie protsessi protekayut v chetirekhmernom prostranstve vremeni, geometriya kotorogo psevdoevklidova i opredelyaetsya intervalom J"

    Geometrizatsiya prostranstva-vremeni kak tselogo -- eto kachestvennij shag. On daet shirokie matematicheskie vozmozhnosti ponimaniya i ispol'zovaniya STO. MinSTO -- eto elitnaya teoriya dlya fizikov-teoretikov.

    Aksiomatizirovannij efirnij podkhod (EfSTO). Na vzglyad avtora, situatsiya viglyadit tak. Dlya EjnSTO kharakterno otsutstvie naglyadnosti, a takzhe otmechennaya vishe nekorrektnost' vivoda PrL i invariantnosti intervala. MinSTO yavlyaetsya sovremennoj teoriej, odnako ona ne mozhet sluzhit' "teoriej dlya millionov", tak kak ne opiraetsya na "prostie" fizicheskie postulati, pozvolyayuschie "kak bi na pal'tsakh" ponyat' osnovnie relyativistskie effekti (v EjnSTO takuyu rol' v opredelennoj mere vipolnyaet II-postulat). Razvitie efirnogo podkhoda Lorentsa bilo prervano stat'ej Ejnshtejna. Etot podkhod okazalsya nezavershennim, t.k. poluchennie rezul'tati ne bili transformirovani v prostie postulati o vzaimodejstvii efira s veschestvom i polem.

    Poetomu predlagaetsya efirnij podkhod na osnove trekh postulatov, ustanavlivayuschikh prostie otnosheniya mezhdu takimi fizicheskimi elementami real'nosti kak efirnaya sreda, svetovoj signal v efire, chasi, sobitiya, lokal'nie protsessi, sterzhen' i protseduri izmereniya. Eti elementi i otnosheniya mezhdu nimi fizicheski naglyadni i dostupni dlya ponimaniya na urovne ikh formulirovok. Poetomu sledstviya iz takoj konstruktsii ne viglyadyat ni protivorechivimi, ni paradoksal'nimi. Naglyadnost' yavlyaetsya metodologicheskoj tsennost'yu EfSTO.

    Iz iskhodnikh polozhenij EfSTO korrektno sleduet teoriya etalonov vremeni i dlini, yasen fizicheskij kharakter II-postulata, a takzhe invariantnost' intervala. Poetomu efirnij podkhod mozhet bit' induktivno rasshiren do MinSTO.

    Tseli dannoj knigi. Vnachale Ejnshtejn sovetoval "sovershenno zabit' ob efire i postarat'sya nikogda ne vspominat' o nem". Eto sovetuyut i sovremennie uchebniki. No razve prizivami mozhno zastavit' zabit' Gerostrata?! I khotya v 1920 g. Ejnshtejn priznal sovmestimost' suschestvovaniya efira s EjnSTO. Eto priznanie bol'she napominalo formu rechi. Poetomu fizicheskij relyativizm bil nepriemlem dlya mnogikh kak togda (v tom chisle dlya Lorentsa), tak ostaetsya takovim i v nashe vremya. Pri etom storonniki efira, kak pravilo, stroyat svoi predstavleniya na otritsanii STO.

    Otsutstvie naglyadnosti iskhodnikh polozhenij STO prepyatstvuet ponimaniyu veschej. Eto naglyadno vidno na internet-forumakh. Poetomu ne kazhetsya udivitel'nim, chto uchastniki 2-oj Mezhdunarodnoj konferentsii "Problemi prostranstva i vremeni v estestvoznanii" predlozhili "otkazat'sya ot prepodavaniya STO v srednej shkole, a ee prepodavanie v visshej shkole soprovozhdat' kritikoj i izlozheniem al'ternativnikh podkhodov".

    Otkazivat'sya ne nado. Efir i STO sovmestimi.

    U etoj knigi dve tseli:

    1) pokazat' induktivnij put' ot EfSTO k MinSTO, chto opredelyaet novuyu metodologiyu postroeniya STO, v kotoroj postulati Ejnshtejna igrayut vtorichnuyu rol';

    2) pokazat', chto STO i efirnij podkhod sovmestimi.

    Dlya etogo:

    - pokazano, chto postulati efirnogo podkhoda sovmestimi s dannimi eksperimentov, obladayut fizicheskoj yasnost'yu i predstavlyaet soboj osnovu teorii etalonov vremeni i dlini;

    - obsuzhdeni prichini trudnostej ponimaniya EjnSTO i prichina nekorrektnosti vivoda PrL iz ee postulatov;

    - dano predstavlenie o MinSTO dlya tekh, kto ranee ogranichivalsya izucheniem ortodoksal'noj STO, i obsuzhdeni voprosi geometrizatsii prostranstva-vremeni;

    - sopostavleni mezhdu soboj EfSTO, EjnSTO i MinSTO po ob'emu rezul'tatov i ikh interpretatsii.

    Primite suschestvovanie efira, i eto otkroet Vam "tsarskij put'" v STO bez paradoksov i bolee shirokij vzglyad na fiziku prostranstva i vremeni.

    Kniga napisana v raschete bit' dostupnoj uchaschimsya starshikh klassov i studentam tekhnicheskikh vuzov.

    Isklyuchenie mozhet sostavit' razdel "3.2. Elektrodinamika" (v takom sluchae ego mozhno propustit' bez uscherba dlya ponimaniya ostal'nogo materiala).

    Avtor takzhe nadeetsya, chto zatronutie metodologicheskie voprosi zainteresuyut spetsialistov po STO.


    Ob avtore
    Mark Abramovich LEVIN (rod. v 1938 g.)

    Okonchil Moskovskij aviatsionnij institut (1963), mekhaniko-matematicheskij fakul'tet MGU im. M. V. Lomonosova (1966). Kandidat tekhnicheskikh nauk (1971). S 1973 g. zanimaetsya razrabotkoj avtomatizirovannikh sistem dlya grazhdanskoj aviatsii.

    O soderzhanii knigi:

    • Predlozhen efirnij podkhod (EfSTO). On osnovan na trekh postulatakh, sovmestimikh s dannimi eksperimentov. Sledstviyami postulatov yavlyayutsya preobrazovaniya Lorentsa, printsip kinematicheskoj otnositel'nosti, zakon postoyanstva skorosti sveta i invariantnost' intervala.
    • Obsuzhdeni trudnosti ponimaniya podkhoda k STO na baze postulatov Ejnshtejna (EjnSTO). Pokazano, chto vivod preobrazovanij Lorentsa na osnove etikh postulatov nekorrekten.
    • Obsuzhden podkhod k STO, osnovannij na postulirovanii mira Minkovskogo (MinSTO). Rassmotreni problema aktivnogo preobrazovaniya dlini sterzhnya, problema fizicheskikh i koordinatnikh velichin i "fizicheskoj" metriki prostranstva-vremeni.
    • Predlozheno metodologicheski stroit' STO kak ob'edinenie EfSTO i MinSTO, v kotorom EfSTO igraet rol' predposilki, ob'yasnyayuschej fizicheskuyu prirodu otnositel'nosti i svojstva etalonov dlini i vremeni.

  •