Я не ученый, не физик и не математик, обычный человек. Почитав статьи в интернете, посвященные специальной теории относительности ( СТО ), у меня возник ряд вопросов по данной теме. В основном они касаются мысленных экспериментов и выводов на их основе. Все рассуждения будут построены на примерах из книги Леона Купера ФИЗИКА ДЛЯ ВСЕХ , том 2, посвященный данной теме. Почему я выбрал данного автора? Купер американский физик, лауреат Нобелевской премии, его книга адаптирована к уровню знаний обычного человека и он не использует сложный матаматический аппарат.
Перед изложением основного материала, я хочу сделать небольшое введение, которое считаю достаточно важным при обсуждении основного материала. В статьях посвещенных теории относительности, мне попался эпизод из биографии Эйнштейна, в котром говорится о том, что подтолкнуло его к размышлениям, которые и привели впоследствии к созданию теории относительностм. В 16 лет Эйнштейн представил себе, что он увидит, если будет двигаться со скоростью света. Видимо это был его первый мысленный эксперимент. И что он представил? Я увидел неподвижный или слегка пульсирующий фотон. При этом он ссылается на пример из обычной жизни. Два автомобиля едут по шоссе с одинаковой скоростью, тогда наблюдателю смотрящему на соседний автомобиль, он будет казаться неподвижным. И ключевое слово здесь КАЗАТЬСЯ. На самом деле автомобили двигаются с определенной скоростью. В его мысленном эксперименте фотон не неподвижен, а двигается со скорстью света. Вывод Эйнштейна о том, что неподвижная электромагнитая волна запрещена уравнениями МАКСВЕЛЛА неверен. В его мысленном эксперименте нет неподвижной электромагнитной волны, так же как и в случае с автомобилями. Они двигаются с вполне определенной скоростью. К чему я привел данный пример? Просто к выводами из мысленных экспериментов надо относиться очень осторожно и легко совершить ошибку в рассуждениях.
Первый эксперимент, который я хочу обсудить, касается опыта Майкельсона. Он очень хорошо описан в книге Купера, но вот к логике обсуждения возникает ряд вопросов. Приведу скриншототы из данной книги.
.
Очень кратко, что хотел установить Майкельсон в своем эксперименте? В конце 19 века , в физике, была популярна теория эфира. Майкельсон и хотел установить существует ли эфир и взаимодействует ли он с электромагнитным излучением (более подробно пожалуйста к литературе). Источник импульса и приемник закреплены и расстояние между ними постоянно, независимо от того двигается прибор или неподвижен. Как тогда может получаться картина которую приводит автор? Имеем только два варианта. 1. Импульс двигается независимо от прибора, то есть в момент излучения он переходит в неподвижную инерционную систему, что довольно сложно себе представить. В реальности импульс двигается между зеркалами интерферометра и представить себе как зеркало отодвигается от него за счет движения прибора довольно затруднительно ( ну а движение зеркала выше скорости импульса принципиально невозможно).
2. Считая, что эфир существует и взаимодействует с электромагнитным импульсом можно предположить следующую картину. Когда прибор движется, то эфир тормозит импульс ( ближайший аналог движущийся грузовик, если встать в кузове во время движения, то встречный поток воздуха будет оказывать сопротивление ). Тогда может создасться впечатление, что зеркало убегает от импульса. Но меня в данном случае интересует перпендикулярное, по отношению к движущемуся прибору, распространение импульса.
Никакого обоснования, почему импульс двигается по более длинному пути не приводится. Это считается само собой разумеющимся.
Допустим, что световой импульс тормозится эфирным ветром, как и в случае с параллельным движением. Но тогда он должен отклоняться в сторону противоположную движению прибора и никаким образом он не сможет достичь зеркала. Получили противоречие. Каким образом движение зеркала может вызвать распространение светового луча по диагонали? Источник импульса и приемник (зеркало) закреплены и соосны между собой. Может создасться впечатление, что импульс двигается по диагонали, но это иллюзия. Импульс в неподвижном приборе и движущемся распространяется по прямой линии. Никакого наклона луча не происходит. В конечном итоге результаты эксперимента Майкельсона известны. Автор пишет, что свет распространяется по диагонали в движущемся приборе с точки зрения неподвижного наблюдателя. В данном случае ошибка такая же, как и с неподвижным фотоном. Я могу это подробно объяснить, но слишком объемным получится текст.
Следующий мысленный эксперимент
В данном мысленном эксперименте ни о каком эфире речь уже не идет. Есть два движущихся объекта световой импульс и платформа, которая двигается относительно неподвижного наблюдателя. На платформе так же находится наблюдатель. Сразу отмечу очевидный факт, излучатель светового импульса находится на платформе (допустим в её начале), т.е. импульс при движении платформы находится в её системе отсчёта. Все обозначения, относящиеся к движущейся системе, будут иметь индекс 1. Автор утверждает, что с точки зрения движущегося наблюдателя выполняется соотношение (30.7), т.е. скорость света измеренная в движущейся системе не равна С. А так ли это?
Отвлечёмся от светового импульса и рассмотрим в качестве объекта движущийся автомобиль. Платформу предполагаем достаточно длинной для движения автомобиля. В нулевой момент времени автомобиль на платформе и платформа начинают одновременное движение. Пусть скорость автомобиля будет 60 км/час, а платформы 40 км/час. Что скажет наблюдатель находящийся на платформе и имеющий возможность определить скорость движения платформы относительно неподвижной системы? Он скажет, что скорость движения автомобиля и платформы отличаются на 20 км/час., при этом автомобиль двигающийся по платформе мимо него будет иметь скорость скорсть в 60 км/час, а отнюдь не 20 км/час. Что скажет на этот счёт неподвижный наблюдатель. Ровно то же самое, автомобиль двигается по платформе со скоростью 60 км/час, а платформа двигается со скоростью 40 км/час. При этом координаты положения автомобиля в пространстве подчиняются преобразованиям Галилея. В случае светового импульса всё то же самое. Почему получился вывод не совпадающий с выводом автора о меньшей скорсти света в движущейся системе по сравнению с неподвижной. Ну во-первых потому, что здесь имеет место быть точно такая же субъективная ошибка, как и в мысленном эксперименте Эйнштейна с неподвижным фотоном. Не корректное рассмотрение происходящего в мысленном эксперименте. Нельзя вычитать из скорости движения объекта в движущейся системе, скорость движения самой системы относительно неподвижной системы. Они абсолютно не связаны между собой, что бы там не говорил наблюдатель находящийся в движущейся системе. Между собой связаны только координаты объекта в неподвижной и движущейся системе, через преобразования Галилея.
Следующий мысленный эксперимент автора книги описывает случай, когда наблюдатель находится в движущейся системе относительно неподвижного наблюдателя. В данном случае интересна логика рассуждений автора.
Сразу отмечу интересное утверждение автора, если первый наблюдатель (который стоит на платформе и находится в неподвижной ИСО) КАЖЕТСЯ второму(который находится в движущемся ппоезде, движущаяся ИСО) движущимся вправо, то он будет видеть, что первый наблюдатель движется навстречу световому сигналу испущенному правыми часами и удалятся от сигнала испущенным левыми часами. Все дальнейшие рассуждения автора построены на этом факте. Первое, что хочется отметить, движущемуся наблюдателю КАЖЕТСЯ что первый наблюдатель сдвигается вправо. Если кажется, то и уменьшение расстояния между неподвижным наблюдателем и правым источником импульса, то же кажущееся. Кажущееся уменьшение расстояния делим на постоянное значение скорости света и получаем все дальнейшие выводы. Следует тогда при разборе всех мысленных экспериментов применять ещё один постулат: в мире иллюзий скорость света постоянна и равна скорости света в реальном мире. Теперь попробуем разобраться, насколько верна картина описываемая автором.
Между какими источниками светового импульса находится неподвижный наблюдатель? Судя по всему, между двух столбов(на чём крепились большие часы на станциях в начале 20 века.), на которых закреплены источники импульса. Естественно стрелки часов находятся в одинаковом положении(часы синхронизированы). Что видит наблюдатель находящийся в вагоне поезда? Он видит, что человек на платформе стоит посередине ( по условиям эксперимента) между двух неподвижных столбов. В принципе у него может создастся впечатление, что человек сдвигается вправо(явление хорошо известное в астрономии-параллакс, угловое смещение объекта на фоне неподвижных звезд), но ведь никому в голову не приходит принимать его за реальное. Но так как человек на платформе стоит между двух неподвижных предметов, то расстояние между ним и столбами будет "изменяться" синхронно и никакого изменения расстояния между ним и столбами движущийся наблюдатель не заметит( ну если он находится в адекватном состоянии). Кроме того (можно нарисовать картинку, если кому трудно представить), что видит наблюдатель подезжая к платформе? Двигаясь влево, относительно человека стоящего на платформе, сперва ему будет казаться, что расстояние между левыми часами больше, чем между правыми(обычное искажение перспективы). Когда он будет находиться напротив неподвижного наблюдателя, эти расстояния будут равны. При дальнейшем движении вправо ему будет казаться, что правый столб находится дальше, а отнюдь не то ,что неподвижный наблюдатель смещается к правому столбу. В данном случае имеет место та же ошибка, что и в случае с неподвижным фотоном. Кроме того на платформе стоят часы, синхронизированные между собой. Автор эксперимента, в своих рассуждениях, предполагает, что движущийся наблюдатель должен увидеть разные показания часов. Каким образом? Если предположить, что часы движущегося наблюдателя так же были заранее синхронизированы с часами на платформе, то посмотрев на положение стрелок на своих часах, он сделает вывод, что его часы показывают точно такое же время, как и часы на платформе. От скорости движения поезда всё описанное не зависит.
В заключение хочу привести ещё одну цитату из книги:
Наблюдатель находится в движущейся системе и у него имеются световые часы построенные определённым образом. Что пишет автор? Наблюдатель в движущейся системе верит, что перемещается он (почему верит? Ведь он действительно находится в движущейся системе). Поэтому он считает, что свет в его часах распространяется по диагональному пути. Во-первых, опять появляется ничем не подтверждённое распространение света по диагонали в движущейся системе, во-вторых наблюдатель настолько уверен в этом, что не смотря на то ,что он знает, что световые часы находятся с ним в одной ИСО и должны показывать то, что изображено на рис.41, он принимает, что часы будут показывать ситуацию на рис.40. Извините, но такую логику я не понимаю. Она противоречит даже точки зрения Эйнштейна: любой наблюдатель вправе считать себя неподвижным, находясь в своей ИСО.
На этом я заканчиваю. В зависимости от реакции тех, кому будет интересно почитать данные размышления я планирую опубликовать следующие статьи на эту тему. Слишком много вопросов накопилось у меня поэтому поводу. Просто предлагаю начать дискуссию. Приветствуется критика(конструктивная) и своё виденье проблемы.