В предыдущей статье я, пожалуй, "слишком глубоко копнул". Или "зашел слишком издалека".
Поэтому я подумал, что правильней будет "сразу взять быка за рога", а уже потом попытаться все это объяснить на более глубоком уровне. Итак, почему же СТО Эйнштейна является ошибочной?
Откуда взялись преобразования Лоренца?
Как известно, в основе СТО Эйнштейна лежат т.н. преобразования Лоренца. Откуда они вообще взялись?
Лоренц был крупнейшим физиком своего времени, он занимался теорией электромагнитного поля, пытаясь завершить теорию Фарадея-Максвелла. При этом Лоренц (как, впрочем, и Максвелл и многие другие физики того времени) считал, что свет (электромагнитная волна) распространяется в пространстве через особую тонкую материю - эфир.
И в какой-то момент, изучая электрические эффекты, Лоренц понял, что иногда уравнения Максвелла перестают работать. Так, в случае, когда заряженные частицы (электроны) движутся в одном направлении, между ними возникает сила притяжения (сила Ампера), но если это притяжение описывать через классические уравнения Максвелла, то они расходятся с опытом. Зато, как установил Лоренц, если допустить, что при этом происходит "самосжатие зарядов", уравнения Максвелла снова начинают работать.
Поначалу это "сжатие расстояния" ("сокращение длины Фицджеральда-Лоренца") Лоренц считал чисто "математическим трюком", призванным привести уравнения Максвелла в соответствие с опытом. Но физический смысл этого "трюка" он не понимал. Однако чуть позже он и другие физики поняли, что такое "сокращение длины" происходит всегда при скоростях, сопоставимых со скоростью света. И что если при переходе из одной ИСО в другую, движущуюся относительно первой с большой скоростью, использовать преобразования Галилея, уравнения Максвелла перестают работать.
При этом все эксперименты показывали, что свет ведет себя одинаково, независимо от системы отсчета, и при этом скорость света остается константой. И поэтому, чтобы устранить этот серьезный недостаток в теории электромагнитного поля, Лоренцу пришлось придумать для перехода из одной системы отсчета в другую вместо преобразований Галилея другие преобразования, - которые потом так и стали называться: преобразованиями Лоренца.
Лоренцу сильно помогал в развитии этой теории Пуанкаре - выдающийся математик того времени и тоже хороший физик. Пуанкаре стоял у истоков новых направлений в математике - теории чисел и топологии, которыми сегодня должен хорошо владеть любой приличный физик.
Эйнштейн создавал свою СТО из совсем других соображений: если для Лоренца и Пуанкаре преобразования Лоренца были только частью разрабатываемой ими теории электромагнитного поля, то для Эйнштейна преобразования Лоренца стали частью более фундаментальной теории о свойствах самого пространства-времени.
И позднее СТО Эйнштейна вполне естественно развилась в Общую теорию относительности Эйнштейна: ОТО, в сущности, является теорией гравитации, но для самого Эйнштейна она стала естественным продолжением СТО, когда он перешел от рассмотрения инерциальных систем отсчета к рассмотрению свойств пространства-времени с неинерциальными системами отсчета. Ну, а бывший преподаватель Эйнштейна математик Минковский помог Эйнштейну сформулировать его идеи о пространстве-времени через модель единого псевдоевклидова 4D-пространства-времени - пространство Минковского. И хотя сам Эйнштейн позднее уверял, что о работах Лоренца и Пункаре он ничего не знал, в основе СТО (а следовательно, и ОТО) лежат преобразования Лоренца.
Но не суть важно. Нас сейчас интересует не приоритет ученых в истории физики, а результаты. А результаты таковы, что СТО Эйнштейна сегодня является неотъемлемой частью современной физики. И она используется во многих других областях физики - от квантовой механики до астрофизики.
Проблема синхронизации часов в СТО Эйнштейна
Как известно, одним из постулатов СТО Эйнштейна (эти постулаты сформулировал сам Эйнштейн) является утверждение, что скорость света не зависит от направления. Почему это именно постулат, а не факт? Потому, что измерить скорость света в одном направлении мы не можем. И связано это именно с тем, что скорость света - максимальная, и никакое другое взаимодействие и передача сигнала не может происходить быстрее скорости света. А для того, чтобы измерить скорость света в одном направлении, нам сначала нужно выпустить свет из одной точки, принять его в другой точке, а потом нам нужно измерить время, за которое свет прошел это расстояние от одной точки к другой. А для этого нам нужно синхронизировать часы в этих двух точках. А как? Только с помощью того же света - быстрее это сделать невозможно.
Поэтому если нам нужно синхронизировать часы в двух точках одной и той же инерциальной системы отсчета, нам для этого нужно сначала послать сигнал во вторую точку, потом - например, с помощью зеркала - принять сигнал из второй точки, и вот только тогда одновременность в одной и той же инерциальной системе отсчета приобретает какой-то физический смысл. Такой способ синхронизации часов так и называется - синхронизацией Эйнштейна. Но поскольку при такой синхронизации свет проходит путь туда-сюда, Эйнштейн предложил считать, что свет в обоих направлениях движется с одинаковой скоростью с.
Преобразования Тангерлини
Однако, помимо преобразований Лоренца, которые используются в СТО Эйнштейна, есть еще один способ перехода от одной системы отсчета к другой, так чтобы скорость света оставалась постоянной - преобразования Тангерлини. В чем разница?
В том, что при таком подходе постулат Эйнштейна о том, что свет движется в обоих направлениях (туда-сюда) одинаково, с одной скоростью, ставится под сомнение. Это же не физический закон, и не результат измерений - это именно постулат, который Эйнштейн предложил принять в физике как некое соглашение, конвенцию. И поэтому мы вполне можем принять, что свет от источника к отражателю и от отражателя к источнику движется с разной скоростью. Но при этом средняя скорость света все равно всегда остается той же самой с.
И тогда вместо преобразований Лоренца при переходе от одной ИСО к другой мы получим преобразования Тангерлини:
Как мы видим, преобразование координаты в преобразованиях Тангерлини имеет более сложную формулу, чем при преобразованиях Лоренца. Зато преобразование времени происходит гораздо проще.
Сразу замечу, что все релятивистские эффекты, которые предсказывает СТО Эйнштейна - релятивистское замедление времени, сокращение длины и прочие - при преобразованиях Тангерлини сохраняются. Более того, все преобразования Лоренца могут быть легко получены из преобразований Тангерлини.
Тем не менее, это все-таки две разные теории, друг другу не эквивалентные. И мы можем говорить о двух разных Специальных теориях относительности - СТО Эйнштейна и СТО Тангерлини. Почему?
Во-первых, потому, что в СТО Тангерлини нет второго постулата СТО Эйнштейна о равенстве скорости света в обоих направлениях. То есть СТО Эйнштейна, в которой этот постулат вводится, становится частным случаем, упрощением, СТО Тангерлини. При том, что, повторюсь, под этим постулатом Эйнштейна нет ни теоретических, ни экспериментальных оснований.
Во-вторых, несмотря на то, что в обеих теориях предсказываются одни и те же релятивистские эффекты, математически описываются эти релятивистские эффекты по-разному. И, соответственно, физический смысл этих эффектов понимается также уже по-разному.
Наконец, в-третьих, СТО Тангерлини и вообще предполагает другую физическую картину мира, чем СТО Эйнштейна. Включая трактовку свойств пространства-времени.
В частности, в СТО Тангерлини два события, одновременных в какой-либо ИСО, будут одновременными и в любой другой ИСО (это видно из формулы времени выше - в этой формуле нет координаты х). В СТО Эйнштейна, как мы знаем, это не так: два события, одновременных в одной ИСО, в другой ИСО, движущейся относительно первой, могут быть неодновременными. При этом даже последовательность двух событий во второй ИСО зависит от скорости и направления движения этой ИСО относительно первой.
Какая теория лучше?
Я полагаю, что СТО Тангерлини лучше. То есть она описывает физическую реальность более правильно, корректно и точно. А СТО Эйнштейна делает это не только криво, но и, в конечном счете, неправильно.
В самом деле, даже пример с одновременностью двух событий показывает, что СТО Тангерлини выглядит предпочтительней. То, что в СТО Эйнштейна два одновременных события в одной ИСО могут быть неодновременными в другой ИСО, кажется чем-то абсурдным, неестественным, контр-интуитивным. Собственно, именно поэтому СТО Эйнштейна вызывает у многих такое неприятие и отторжение - и не только у любителей физики, но и у профессиональных физиков. Она выглядит как насилие над разумом и природой. Но математически там все правильно. И она более-менее работает.
Но если есть другая теория, которая дает все те же предсказания, но уже не выглядит таким насилием над разумом, то хотя бы только поэтому она, конечно, выглядит предпочтительней. Ведь и сам Эйнштейн к теориям в физике предъявлял те же требования: хорошая теория в физике не только должна объяснять результаты экспериментов, но и должна быть внутренне простой и естественной. Чего о СТО самого Эйнштейна никак не скажешь.
Но гораздо важнее, что СТО Тангерлини дает совсем другое понимание ключевых проблем физики - что такое движение, какова природа пространства-времени и т.д. И вот об этом мы еще поговорим в следующих статьях.