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.
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.
