ПРИНЦИП ЭКВИВАЛЕНТНОСТИ В ОБЩЕЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ.
Почитав комментарии к статьям, решил вернуться к теме "Теория относительности Эйнштейна". Причин несколько:
1. Ответить всем читателям физически тяжело.
2. Как говорил Максим Камеррер: " просто для развлечения. Встречаются забавные моменты".
3. Какая связь между мысленными экспериментами Эйнштейна и его "Теорией относительности"? Можно ли основываясь на мысленных экспериментах понять данную теорию. Какова логика Эйнштейна? Можно ли опираясь на "мнение" наблюдателей построить физическую теорию?
Почему я начал рассмотрение с ОТО, а именно с мысленного эксперимента, в котором Эйнштейн( и его последователи) рассматривают поведение объекта в "знаменитом" лифте Эйнштейна? Все просто. В данном мысленном эксперименте нет никаких "релятивизмов" и процессы, происходящие в данном случае, можно рассматривать в рамках классической физике. Итак сам мысленный эксперимент. Его разбор будет основан на типичной статье, в которой популярно объясняются положения теории Эйнштейна. Привожу выдержки из статьи:
Во всех научно-популярных статьях подход одинаков. Сразу хочу обратиь внимание на следующее:
Поле сил инерции. А что это такое и зачем данное понятие ввёл Эйнштейн? И чем он обосновывает наличие такого "поля"?
Автор статьи пишет: " Подвес будет испытывать натяжение, в случае движения лифта с ускорением, и что? Естественно будет, согласно всем законам физики. И на этом основании можно говорить о наличии поля сил инерции в объёме лифта. Каких сил? Груз имеет массу. Это неотемлемое свойство материальных объектов нашей Вселленной. Если на тело оказывается какое то воздействие( причём контактное или нет, не имеет значения), тело стремиться сохранить состояние покоя( или движения с постоянной скоростью и направлением), что в физике и называют инерцией. Груз в лифте, через подвес, соединён с корпусом лифта( потолком). Естественно при движении лифта груз будет следовать за движением лифта. А куда ему деваться? При этом подвес будет испытывать растяжение. Всё так как описывает автор. Причём на основании этого вводится понятие "поле сил инерции". Каких сил? Откуда появляются какие то силы в объёме лифта? А теперь следующее: я могу, не нарушая никаких условий мысленного эксперимента, прикрепить груз вне лифта( к основанию лифта). При движении лифта подвес будет испытывать натяжение? А куда он денется, согласно всем законам физики. Видит груз наблюдатель в лифте или нет, находится груз в лифте или вне его, побвес будет испытывать растяжение в любом случае. Но тогда, если следовать логике автора статьи( и Эйнштейна), у нас появится поле сил инерции вне внутреннего объёма лифта? Причём объем данного поля будет зависеть от длины подвеса подвеса. Ну не забавно ли? Если лифт неподвижен и находится в гравитационном поле, то всё будет точно также. Тут спорить не с чем, за одним исключением. Если лифт начинает движение, то согласно Эйнштейна, должно возникнуть поле сил инерции, ведь оно обусловлено только движением лифта с ускорением. Имеем два поля, воздействующих на тело одинаковым образом. Очень интересно. А если задать вопрос: когда автомобиль берет на буксир другой автомобиль, тоже возникает поле сил инерции, направление которого противоположно движению автомобиля, но перпендикулярно гравитационному полю.?
Теперь насчёт весов. Если весы имеют контакт с корпусом лифта, а груз имеет контакт с весами, то при движении лифта с ускорением всё будет так, как описывает автор. А если весы и груз будут находиться в центре лифта, не имея с корпусом лифта контакта( не забываем что гравитация отсутствует), каковы будут показания весов в момент начала движения лифта и до момента когда пол лифта лостигнет весов. Именно пол лифта достигнет весов, что следует из законов физики, чтобы там не утверждал наблюдатель в лифте. Так что, поле сил инерции возникает только при контакте весов с корпусом лифта? А до этого момента его не существует, так как весы неподвижны. А почему собственно они должны двигаться? При движении лифта хоть с ускорением, хоть без ускорения никаких сил, которые бы воздействовали на весы не наблюдается. Так с чего бы им перемещаться? И это просто следует из законов классической физики. Не убедительно? Ну рассмотрим два школьных примера:
1. Вы стоите на полу равномерно двигающегося вагона. Если вагон начинает ускоряться или тормозит, то что происходит? Вы имеете контакт с вагоном, через подошвы ваших ботинок, и в наличие еще имеется то, что в физике называется трением. Подошвы ботинок следуют за движением вагона, а ваша верхняя часть в силу того, что мы называем инерцией стремится остаться в покое. В результате вы отклоняетесь вперёд или назад и вам кажется, что на верхнюю часть что то воздействует. Но на самом то деле всё наоборот.
2. Раньше в вагонах были такие плафоны на подвеске. Как груз в лифте. При торможении или ускорении поезда как вели себя плафоны? Отклонялись от вертикального положения. Наблюдателю казалосью что на них воздействует какая то сила вызываюшая отклонение. А на самом деле? Плафон стремится сохранить состояние покоя, а вагон через подвес, вывести его из этого состояния. Ну и где здесь силы инерции? Инерция присутствует, а вот никаких сил не наблюдается.
Теперь рассмотрим другой пример по этой теме:
Теперь вместо лифта ракета. Из рисунка следует, что объект в гравитационном поле и в ускоряющейся ракете ведёт себя, на взгляд наблюдателя, одинаковым образом. Подробно не останавливаюсь, всё это описано в литературе. А теперь посмотрим, что происходит с точки зрения классической физики.
1. В гравитационном поле все происходит так, как и описано в литературе.
2. А если гравитация отсутствует? Имеем неподвижную( или равномерно перемещающуюся) ракету. В ней находится наблюдатель и держит в руке объект. При этом он обязательно должен находится в контакте с корпусом ракеты, ну хотя бы как то закрепить ноги на полу ракеты. Если ракета не ускоряется, то выпустив объект из руки, что увидит наблюдатель? Объект будет неподвижно " висеть" в объёме ракеты. Кто то думает по другому? Если ракета начнёт ускоряться, что произойдёт? Объект как был неподвижен, так и останется неподвижным, так как никакие силы на него при ускорении ракеты не действуют. Гравитационным взаимодействием между корпусом ракеты и объектом пренебрегаем. Но даже если его учесть, то объект будет перемещаться в сторону движения лифта, что очевидно, то есть условно вверх. И что происходит? Объект неподвижен, а перемещается лифт, с ускорением или без не имеет значения. У наблюдателя складывается впечатление, что объект движется к полу лифта. Но это иллюзия. На самом деле лифт движется к объекту. Ну и где здесь силы инерции, а тем более поле сил инерции?
3. Если наблюдатель отпускает объект когда лифт двигается с ускорением, что произойдет? Наблюдатель выпускает объект. Объект продолжает движение с той скоростью, которую он имел в тот момент когда его выпустил наблюдатель. Ведь наблюдатель, объект и лифт составляли одно целое, так что объект ускорялся вместе с лифтом и наблюдателем. Но как только наблюдатель выпустил объект, объект стал перемещаться равномерно в направлении движения лифта. Ведь никакие силы на него больше не действуют. А лифт продолжает ускорятся. И что в результате? Лифт просто догоняет объект, а наблюдателю в лифте кажется, что объект движется к полу лифта. Опять иллюзия?
4. Кроме того динамика движения объекта при наличие гравитационного поля и в его отсутствии совершенно разная. Подробно расписывать не буду, слишком долго.
Что в итоге? Никакого поля сил инерции не существует. А следовательно о какой эквивалентности гравитационног поля и поля сил инерции можно вести речь? А зачем собственно Эйнштейну понадобилось вводить данное понятие?Он писал: если лифт неподвижен в гравитационном поле, то луч света, на взгляд наблюдателя в лифте, будет "изгибаться" к полу лифта. Что он связывал с воздействием гравитации на деформацию пространства и так называемые" геодезические" линии по которым происходит движение светового луча. Если в движущемся с ускорением лифте имеется поле сил инерции, эквивалентное гравитационному, то и луч света в таком случае также будет "изгибаться". Ну а дальше всё просто, можно переходить к связи ускорения, гравитации, деформации пространства и движению света при таком подходе. И для таких построений всего то необходимо было приравнять иллюзию к реальности. Но это стандартный подход Эйнштейна. А как он пришёл к тому, что называется " теорией относительности"?
Вот что писал сам Эйнштейн: " Если представить, что вы перемещаетесь в пространстве со скоростью электромагнитного импульса( фотона), то он должен вам ПОКАЗАТЬСЯ неподвижным или слегка пульсирующим. И приводит пример с автомобилями, двигающимися с одинаковой скоростью. Ведь на взгляд пассажиров автомобилей они неподвижны. Кто бы спорил. Мало того, при известной ловкости пассажир может перебраться из одного автомобиля в другой. Но вот дальше он делает интересное заключение: " Так как неподвижный электромагнитный импульс запрещён уравнениями электродинамики, то над этим стоит подумать. И создал "теорию относительности". " О чём подумать? О том, что если вы перемещаетесь в пространстве с такой же скоростью как объект, то он покажется вам неподвижным? Но это тривиально. О каких нарушениях электромагнетизма можно говорить в данном случае? Импульс перемещается в пространстве со скоростью света? Да. Он неподвижен? Нет. Законы электродинамики не распространяются на кажущуюся( иллюзия) неподвижность объекта. Любой сторонний наблюдатель скажет, что он видит два объекта перемещающиеся в пространстве с одинаковой скоростью. С его точки зрения никаких нарушений электродинамики не происходит. Другие наблюдатели скажут тоже самое. Кто прав? Один Эйнштейн или все остальные? Сам то Эйнштейн понимал, что такое относительность? Всегда ли можно полагаться на мнение наблюдателя о каком то процессе? А ведь это стандартный подход Эйнштейна в его мысленных экспериментах. Вы думаете, что это касается только его знаменитого лифта? В следующей статье хочу вернуться к рассмотрению движения светового импульса в движущейся инерциальной системе. То есть к базовому мысленно эксперименту СТО. Кому интересно может почитать.