История принципа относительности полна драматизма, о чём можно написать целый роман, но сейчас мы коснёмся только существа проблемы.
Открытие Ампером взаимодействия токов очень быстро привело физиков к пониманию, что притяжение друг к другу движущихся в одну сторону зарядов противоречит принципу относительности Галилея.
Одной из аксиом для физиков XIX века было то, что взаимодействия должны передаваться через какую-то материальную среду, которую они называли эфиром. Однако, когда Майкельсон и Морли с помощью своего интерферометра попытались определить движение Земли относительно этого самого эфира, то полученная скорость не совпадала с орбитальной скоростью Земли вокруг Солнца, была значительно меньше и находилась, как полагали в то время физики, в пределах погрешности измерений.
Фицджеральд и, независимо от него, Лоренц, на основании уравнений Максвелла, произвели расчёты "самосжатия" зарядов при их движении и показали, что укорочение тел вдоль направления движения нивелирует возможное влияние этого движения на смещение интерференционных полос в приборе Майкельсона-Морли. Этим вопросам были посвящены работы и других видных учёных на стыке XIX и XX веков: Ф. Газенорля, Бухерера, Ланжевена и др. В отношении существования деформации тел у физиков практически был консенсус, некоторые различия взглядов были лишь в величине деформации.
В популяризаторских рассказах, как правило, читатели обычно не вникают в формулы, поэтому единственное, что Вы должны знать о следующей формуле так это то, что с неё всё началось.
Дальнейшее изложение также содержит некоторое количество формул. Все они не выходят за рамки школьной физики и математики. Вы можете прочитать текст не особо вникая в формулы, или, вообще - перейти к разделу «Об относительности без формул», но тогда не удивляйтесь выводам автора! Если Вы просмотрите эти формулы, то проникнете в суть существующих дискуссий на самом высшем уровне физики. Принять или не принять позицию автора -- Ваше дело.
Одновременно с объяснением опытов Майкельсона-Морли, Лоренц выявил интересное свойство движущейся электродинамической инерционной системы отсчёта ИСО'.
Лоренц установил, что для того, чтобы все механические и электродинамические уравнения в движущейся ИСО' совпадали по форме с аналогичными уравнениями в неподвижной ИСОн время t' в различных точках ИСО' должно подчиняться уравнению:
Или, в другом написании
t' = (t – vx/c²)/α (1лэ),
где t, x - соответственно, время и координата точки, вдоль которой происходит движение, измеренные в неподвижной инерциальной системе ИСОн,
v – скорость ИСО΄ относительно ИСОн,
c – скорость света.
α = √(1 - v²/c²). (1α).
При этом условии уравнения Максвелла приводят к сокращению размеров тел вдоль направления движения и, соответственно — к изменению координаты x'. Повторим ещё раз, что уравнение (1лэ) является необходимым условием одинаковости вида уравнений движения в подвижной и неподвижной инерционной системе отсчёта. При этом условии принцип относительности Галилея будет справедлив и в электродинамике.
Дальше было совсем, как в стихотворении:
"Был этот мир глубокой тьмой окутан.
Сказал господь: «Да будет свет!» - и вот явился Ньютон.
Но сатана недолго ждал реванша:
Пришёл Эйнштейн, и стало всё как раньше".
Александр Поуп и Джон Сквайр (в переводе С. Я. Маршака)
Эйнштейн сказал в 1905 году: "На фиг все эти ухищрения! Ясен пень — всё в природе относительно. Какой ещё эфир? Где вы его видели? А в пустоте все ИСО одинаковые!".
Молодые напористые ребята начала 20-го века с энтузиазмом восприняли смелую мысль: откуда вы взяли, что пространство — это то, что вы думаете? Старое поколение физиков было ошарашено и не нашло сразу, чем можно возразить на этот наезд.
Всё ли относительно? Немного арифметики
Нежелающие вникать в формулы могут пропустить этот раздел, а затем вернуться к нему, если уж очень засомневаются в доказательности полученных выводов.
Вернёмся к ф-ле (1лэ).
Эйнштейн в 1905 году получил её на основании расширенного принципа относительности. В принцип Галилея он добавил одинаковость скорости света в любой ИСО. Действительно, без этого добавления движущиеся ИСО не будут полностью идентичными.
Эйнштейн нашёл, что часы, помещённые в ИСО2 в координате x2 = 0, будут идти замедленно по сравнению с часами ИСО1 в соответствии с ф-лой:
или
∆t21 = ∆t1√(1 – v21²/c²) (2э),
где v21 — скорость ИСО2 относительно ИСО1,
∆t21 и ∆t1 — соответственно, показания рядом оказавшихся движущихся и неподвижных часов.
Затем он продолжил свой мысленный эксперимент. Он рассматривает следующий отрезок времени и получает дальнейшее его замедление.
Здесь Эйнштейн не уточняет — для второго промежутка времени в качестве исходной он берёт ИСО2, что было бы логично, или ИСО1? Если ИСО1, то почему не какую-нибудь ещё более древнюю ИСО_-1?
Поскольку все ИСО равноправны и все они произвольны, то для какой-либо третьей ИСО3 в полном соответствии с СТО мы можем записать
или
∆t32 = ∆t2√(1 – v32²/c²) (3э).
Смысл обозначений легко установить, сравнивая (3э) с ф-лой (2э).
Но тогда, при мгновенном переходе v32 = –v21 = v, получим:
или
∆t321 = ∆t1(1 – v²/c²) (321э),
вместо очевидного ∆t31 = ∆t1.
Третий близнец, движущийся противоположно второму вдруг помолодел, хотя в реальности никуда не улетал и спал в соседней койке с близнецом №1!
Если же в качестве исходной для второго промежутка времени Эйнштейн выбирает всё ту же ИСО1, то он, возможно неумышленно, признаёт, что ИСО1 (= ИСОн) у него — избранная, и не напрасно она называется в статье неподвижной. Такое впечатление, что этот фрагмент был списан с чужой кальки, написанной для другого случая. У Лоренца все движения подразумевались относительно эфира, образующего некую привилегированную (а не произвольную) систему отсчёта.
Что сказал Пуанкаре?
Если так называемые «эфирщики» ещё могли полагать свои ИСО взаимозависимыми опосредованно через эфир, то в теории Эйнштейна все ИСО подразумеваются независимыми, поэтому, вообще говоря, зависимость физических характеристик этих ИСО от относительного движения (формулы (1лэ) и (2э)) с самого начала должна была показаться странной: а какими физическими факторами вызвана эта взаимозависимость: не регламентируется ни расстояние между ними, ни направление движения, отсутствует всякая среда и, самое главное, системы совершенно произвольные?
Интересен в этой связи вопрос, который задал Пуанкаре Эйнштейну на Сольвеевском конгрессе в Брюсселе в 1911 г.:
"Ну, и каков, по-Вашему, механизм всего этого?".
Сразу после этой встречи Эйнштейн пишет своему другу Цангеру: "Пуанкаре отвергал всё начисто и показал, при всей своей тонкости мысли, слабое понимание ситуации". Эйнштейн, видимо, даже не понял вопроса.
Пуанкаре незадолго до смерти осмыслил «неприятный факт»: группа преобразований Лоренца не обладает коммутационными свойствами. Здесь, под коммутационностью Пуанкаре имел в виду «соединяемость», т. е., два последовательных преобразования αlk и αki , в СТО дают другой результат, чем непосредственное преобразование αli:
(αlk*αki)сто ≠ αli (4).
По этой причине он не стал претендовать на авторство СТО, хотя вся математика 4-мерного пространства, в сущности, принадлежит ему. Пуанкаре придерживался в своих работах представления об абсолютном пространстве, независимо от того, доступно оно для наблюдения или нет. И хотя он понимал, что наблюдатели в различных системах отсчёта найдут одно и то же значение для скорости света, это соглашение, эта инвариантность были для Пуанкаре всего лишь искусством измерения, см. Голдберг С. Молчание Пуанкаре и теория относительности Эйнштейна. Роль теории и эксперимента в физике Пуанкаре. Эйнштейновский сборник 1972. М.: Наука, 1974. 341-358 C. http://alexandr4784.narod.ru/goldberg.htm.
Многие путают коммутационность и коммутативность.
Под коммутативностью в математике понимается перестановочность операторов (или преобразований). Как нетрудно убедиться, в большинстве случаев преобразования СТО перестановочны, что не делает конечный результат соединения двух и более преобразований истинным.
Я называю описанное выше свойство преобразований СТО (формула (4)) нетранзитивностью.
Как известно, бинарное отношение R на множестве X называется транзитивным, если для любых трёх элементов множества a, b, c выполнение отношений aRb и bRc влечёт выполнение отношения aRc.
Если под R понимать преобразование СТО: умножение на αik = √(1 - vik²/c²), где индексы ik принимают значения, соответствующие состояниям пар ba, cb или ca, то как раз и выявится нетранзитивность этих преобразований, причём этот термин охватывает и случай нерефлексивности (пары ba, ab, aa) , т.е., абсурда трёх близнецов.
И где же выход из этих тупиков СТО? Он содержится в той самой идее Пуанкаре о существовании некой привилегированной системы отсчёта.
Многочисленные экспериментальные факты говорят о том, что в качестве такой системы во многих случаях может быть использована система отсчёта Земли, см., например, Ван Фландерн Т. Что глобальная навигационная система GPS говорит нам об относительности, Университет Штата Мэриленд и Мета Исследования. [http://www.scorcher.ru/art/theory/sto/relativity2.php].
Если события происходят вдали от Земли и других гравитирующих тел, то мы должны признать существование абсолютной системы отсчёта (АСО), и именно её брать в качестве исходной для всех расчётов. Отсюда следует, что формула (2э) должна быть изменена. Сначала запишем значение для интервала времени ∆t10 в ИСО1 относительно соответствующего интервала ∆t0 в АСО:
или
∆t10 = ∆t0√(1 – v10²/c²). (5),
где v10 - скорость ИСО1 в АСО.
Тогда между ИСО2 и ИСО1 относительный интервал (вместо (2э)) будет иметь вид:
Формула (6) впервые получена, видимо, Иглом в 1938, затем, независимо, Тангерлини в 1958 году и другими многочисленными исследователями, тоже независимо, ввиду фактического замалчивания сторонниками СТО всех результатов, противоречащих этой теории.
Уравнение (6) удовлетворяет требованиям коммутационности, транзитивности и рефлексивности. Третий близнец теперь спокойно спит в своей кроватке, а не требует соску, как это получалось у сторонников Эйнштейна. Теорию, построенную на преобразовании (6) и аналогичных ему преобразованиях длины отрезков и величины динамической (или, по-другому – лоренцевской) массы, будем называть теорией транзитивной метрики – ТТМ.
Большинство быстрых процессов, с которыми мы имеем дело на Земле и в которых имеют значение преобразования, зависящие от скорости － колебательные или вращательные (как, например, ускорители элементарных частиц, или движение спутников по орбите), поэтому, если за ИСО1 мы примем Землю, скорость которой v10 << c, то, с точностью (v10/c)^4, (6) легко преобразуется к виду:
где Δt21s - среднее по всему циклу значение интервала времени колеблющегося тела2.
vorb- орбитальная (или колебательная) скорость тела2 относительно тела1.
Таким образом, в условиях Земли реализуются свойства привилегированной СО. Этим объясняются результаты опытов Майкельсона-Морли, Хафеле-Китинга, работа навигационных систем и др.
Подчеркнём ещё раз: все описанные опыты и формула (7) ясно указывают на неравноправие систем отсчёта, так что СТО на практике никогда не применялась.
Опять о формуле (1лэ)
Вернёмся к этой формуле в ракурсе статьи Эйнштейна 1905 года.
Из уравнения (1лэ) следует, что в теории относительности отношение хода часов в ИСО΄ к ходу часов в ИСОн t΄/ t зависит от расположения часов. В частности, в координате x = vt/2 с точностью до (v/c)^4 часы ИСО΄ покажут то же время, что и в ИСОн, а при x = 0, время t΄ даже больше t, так что разрекламированное СТО замедление времени в движущейся ИСО΄ в этой точке действует с точностью до наоборот. Как это получилось?
Рассмотрим последовательность действий Эйнштейна.
Он берёт две идентичные ИСО и начинает одну из них (ИСО΄) двигать. Читатель, полностью ознакомившейся с его статьёй представляет, что ИСО΄ (как и ИСОн) оснащена множеством часов, которые, в процессе придания ей скорости v, меняют темп своего хода в соответствии с формулой (2э). Подразумевается (как и у Лоренца), что стрелки всех часов в обеих ИСО в момент времени t = 0 находились на нулевой отметке. Когда стрелки на часах ИСОн достигают отметки t, снимаются показания всех часов ИСО΄. Естественно, что, поскольку все точки ИСО΄ предполагаются физически ничем не выделенными и действия с часами ИСО΄ абсолютно одинаковыми, то все показания t΄ для разных точек должны совпадать!
Откуда же взялась неидентичность точек ИСО΄?
Пока мы тут внимательно следили за законами природы и логики, Эйнштейн пересинхронизировал часы ИСО΄ (???), в соответствии со своим представлением об изотропности скорости света – вручную подвёл стрелки часов!? Вот уж поистине: если природа и логика не подчиняются теории, тем хуже для природы!
Мало того: под t и t΄ замаскированы на самом деле приращения показаний часов по сравнению с моментом времени t = 0, т.е., Эйнштейн не просто подкорректировал показания часов, а изменил темп их хода, т.е., сделал (вручную!) их неидентичными для разных координат!
А что же Лоренц? Его условие идентичности уравнений механики в движущейся и неподвижной ИСО (та самая (1лэ)) не выполняется при естественном процессе придания скорости реальным телам.
Уравнения в движущихся системах невозможно привести к тому же виду, что и в неподвижной. У движущегося близнеца не просто замедлится время, у него изменятся все физические процессы.
Этот же вывод можно сделать на основании уравнений Лиенара-Вихерта: при приближении к скорости света атом просто развалится от действия магнитных сил.
Об относительности без формул
Всё вышеизложенное основано на простой логике и школьных физике и математике. Понятия транзитивности и рефлексивности изучаются ещё в 4-м классе, поэтому, вообще говоря, непонимание этих простых истин со стороны фанатично исповедующих теорию Эйнштейна можно объяснить или меркантильной заинтересованностью, или некоторой зашореностью, тем более удивительной, что эти люди позиционируют себя как выдающиеся математики, способные решить сложнейшие уравнения общей теории относительности (ОТО).
Существует и другая категория людей. Они просто не любят формулы.
Учитывая, что на площадках, где люди ищут просто популярные объяснения и не хотят особо вникать в строгие доказательства, покажем некоторые казусы ТО, очевидные даже без формул.
Самым громким результатом ТО было замедление времени в движущейся системе отсчёта. Это было настоящей находкой для журналистов. Газеты пестрели заголовками: "Клерк из патентного бюро в Берне остановил время!". То, что самый невероятный фейк может превратиться в массовый гипноз, сейчас, например, никто не сомневается. Физики же в те времена были обескуражены результатами опытов Майкельсона-Морли и безуспешными попытками обнаружить эфир с немыслимыми свойствами: колоссальными плотностью и упругостью.
Но если избавиться от навязчивого гипноза, то уже в самой фразе о замедлении времени можно легко обнаружить противоречие.
В самом деле, Земля же тоже движется, тогда время на ней замедлено. Относительно чего? Значит, есть какая-то ИСО, в которой время идёт быстрее? Продолжая эти рассуждения применительно к другим планетам, Солнцу, Галактике как раз и придём к неизбежности существования АСО. И что любопытно: не всякое движение относительно Земли вызывает замедление времени, потому что некоторые движения уменьшают скорость относительно АСО!
Таким образом, несостоятелен не только принцип относительности, но и утверждение, что при движении тела относительно произвольной ИСО физические процессы в этом теле замедляются.
Сторонники СТО на последний аргумент отвечают, что мы не можем знать темп хода часов на других ИСО: чтобы сравнить часы их надо свести вместе, т.е., изменить их движение, но при этом изменится их ход.
Не хочется издеваться над этим детским лепетом, но! Каким образом это отменяет изложенное выше логическое противоречие? Вопрос измерения — это совсем другой вопрос! Ещё Пуанкаре понимал всё это, а радиотехника уже со времён Попова и Маркони позволяла определить темп хода местных часов методом двухстороннего обмена строго периодическими импульсами излучения. Кстати, на этом основана работа GPS.
Что с того?
Итак, мы установили, что электродинамика и механика быстрых движений адекватно могут быть описаны только с учётом существования абсолютной системы отсчёта (АСО). Работа GPS, ускорителей, опыты Хафеле-Китинга на самом деле подчиняются не СТО, а теории Фицджеральда-Лоренца-Пуанкаре.
Ниже перечислены некоторые следствия этих фактов, которым будут посвящены отдельные статьи.
1. Почему в транзитивной метрике преобразования Лоренца для циклических движений относительно Земли с точностью до (v/c)^4 совпадают с преобразованиями относительно АСО, а для ТО такого соответствия нет?
2. Агностицизм ТО в вопросе сравнения хода часов в различных ИСО и методы такого сравнения в ТТМ. Определение расстояний оптическими методами.
3. Общая теория относительности (ОТО) получает свои дифференциальные уравнения как преобразования мгновенных ИСО, поэтому накапливает ошибки нетранзитивности. В результате она приходит к ошибочным выводам о существовании так называемых "чёрных дыр" с "горизонтами событий" и торможении света перед ними. Реальные сверхсжатые космические объекты имеют другие свойства, что подтверждается астрономическими наблюдениями.
4. Откуда берутся понятия?
5. Пространство-время в ТО. Мнимость пространства в теории относительности — это просто математический трюк, и не надо даже в рамках этой теории искать в нём физический смысл. Главное — дифуравнения, а соответствие их реальности — это другой вопрос.
6. Почему фотон не тормозится в гравитационном поле, как это утверждает ОТО?
7. Фотон без мистики ОТО. Может ли фотон увеличивать свои частоту и энергию в гравитационном поле? Какое отношение это имеет к GPS, ГЛОНАСС, ходу часов, "красному смещению" и Большому Взрыву?
8. Психологический шок "тепловой смерти Вселенной". Действительно ли "всё пропало"? Спасут её вполне реальные непотенциальные силы, а не мистические параллельные вселенные.
Понять физику без учёта непотенциальных взаимодействий -- всё равно, что понять стереометрию без учёта 3-го измерения, социум без учёта наличия разума и интересов людей, полёт птиц без учёта крыльев.
Кажущиеся столь различными проблемы квантовой механики, теории относительности, 2-го закона термодинамики решаются одним способом – учётом непотенциальных взаимодействий.
