Подумал, что Специальную теорию относительности можно сформулировать иначе. Гораздо проще. И это позволит нам решить некоторые проблемы, которые в современной физики пока считаются нерешенными.
Постараюсь объяснить суть моей идеи максимально просто и доступно.
Бросок мяча по двум траекториям
Пусть Петя и Маша, стоя рядом, в одном месте, одновременно кидают два одинаковых мяча одинаковой массы. При этом Петя кидает мяч в сторону, придавая ему горизонтальную скорость, а Маша просто отпускает мяч, так что он под действием силы тяжести падает вниз.
Это простейшая задачка по физике, и понятно, что скорость мяча V1, брошенного Петей, в любой момент времени будет больше, чем скорость мяча V2, брошенного Машей. При этом скорость V2 у мяча, брошенного Петей, является вертикальной составляющей вектора V1, и она будет всегда равна скорости мяча у Маши - ведь вниз оба мяча падают одинаково, под действием силы тяжести, поэтому вертикальное ускорение g, действующее на оба мяча, будет одинаковым, а следовательно, и вертикальная скорость у обоих мячей в любой момент времени будет одинаковой.
Бросок мяча в движущемся поезде
А теперь рассмотрим такой пример. Маша едет в вагоне поезда, который проезжает мимо платформы, на которой стоит Петя, с равномерной скоростью V. И Маша снова бросает мяч вниз, просто отпуская его.
Для Маши, в ее системе отсчета, мяч, как и в первом примере, под действием силы тяжести полетит вертикально вниз с ускорением g. Так что в какой-то момент времени он будет падать вниз со скоростью V2.
А вот для Пети, который наблюдает за падением мяча из неподвижной системы отсчета, мяч снова будет лететь по параболе: ведь мяч, вместе с вагоном, еще
и движется относительно Пети вправо со скоростью V. И поэтому скорость мяча V1 относительно Пети будет складываться из векторов V2 и V. При этом вертикальная составляющая скорости V1 для Пети в любой момент времени будет такой же, как и скорость падения мяча вниз для Маши - она будет равна V2. А горизонтальная составляющая скорости мяча будет равна скорости вагона относительно Пети - V.
Таким образом, в обоих примерах скорость мяча была разной у Пети и Маши, и одинаковой для них была только скорость падения мяча вниз под действием силы тяжести. Но если в первом примере у нас было два разных мяча, летящих с разной скоростью в одной неподвижной системе отсчета, то во втором примере у нас уже только один мяч, который летит с разной скоростью в двух разных системах отсчета, одна из которых движется относительно второй с некоторой скоростью. И при этом во втором примере скорость мяча, летящего относительно Пети, больше, чем скорость того же мяча, летящего относительно Маши, за счет того, что мяч, вместе с вагоном и Машей, движется относительно Пети еще и в горизонтальной направлении.
Движение луча света в движущемся поезде
А теперь рассмотрим такой пример. Пусть у нас есть световые часы, в которых импульс света периодически отражается от двух зеркал, расположенных вертикально, расстояние между которыми равно L. Время движения импульса от зеркала к зеркалу в неподвижной системе отсчета, связанной с часами, равно dT0=L/c.
А теперь пусть эти световые часы двигаются относительно неподвижного наблюдателя со скоростью V в направлении, перпендикулярном траектории светового импульса - горизонтально вправо.
И вот здесь уже начинается Специальная теория относительности. В нашем примере выше скорость мяча V1 относительно Пети была больше, чем скорость того же мяча V2 относительно Маши. Однако в СТО скорость света всегда должна оставаться одинаковой в любой системе отсчета. Парадоксальное требование, но оно должно соблюдаться.
Но ведь луч света относительно неподвижного наблюдателя, как и в примере выше, также проходит большее расстояние, чем относительно наблюдателя, находящего в движущемся вагоне! Как же быть? Как согласовать этот "парадокс" - при условии, что скорость света должна оставаться той же самой относительно обоих наблюдателей?
Единственный, как кажется, способ это сделать - предположить, что в движущейся системе отсчета время идет иначе, чем в неподвижной. И если мы примем, что расстояние между зеркалами L в обоих системах отсчета остается тем же самым, мы получим формулу СТО замедления времени: квадрат гипотенузы (сdT)^2 равен сумме квадратов катетов L^2+(V*dT)^2=(c*dT0)^2+(V*dT)^2. То есть:
И отсюда получаем формулу замедления времени:
Откуда взялась СТО
Как известно, Специальная теория относительности понадобилась, когда вдруг обнаружилось, что если скорость света в электромагнитных явлениях в любой системе отсчета должна оставаться одинаковой, то вместо преобразований Галилея нам нужны другие преобразования при переходе из одной системы отчета в другую. И вот отсюда взялись преобразования Лоренца.
При этом сам Лоренц поначалу ввел "замедление времени" как некий искусственный математический прием, не понимая, в чем состоит "физический смысл" такого чисто математического "трюка". Таким же искусственным приемом поначалу считал введение "местного времени", отличного от абсолютного, и Пуанкаре. А когда чуть позже выяснилось, что для сохранения одинаковой скорости света в любой системе отсчета требуется также предположить "сокращение длины" (вдоль движения тела) - Лоренц и Пуанкаре также посчитали все это искусственными предположениями.
Ну, а потом появился Эйнштейн и сформулировал все это в рамках отдельной Специальной теории относительности, казавшейся вполне ясной и внутренне логически непротиворечивой. Над которой с тех пор ломают свои головы не только школьники и студенты, но и многие профессиональные физики.
Новая формулировка СТО
Однако если мы снова обратимся к примеру выше с лучом света, то мы увидим, что в основе полученной формулы Лоренца "замедления времени" лежит не только постулат, что скорость света во всех системах отсчета должна оставаться той же самой, но и предположение, что расстояние L между зеркалами в неподвижной и движущейся системах отсчета остается неизменным.
Но кто это сказал? Это же только предположение. А что, если это не так? Что, если мы предположим, что это расстояние L в движущейся системе отсчета увеличивается относительно неподвижного наблюдателя? И, соответственно, происходит не замедление времени, а луч света в движущейся системе отсчет просто проходит большее расстояние, а время в двух системах отсчета течет одинаково?
И если мы обозначим за L1 расстояние между зеркалами в движущейся системе отсчета (как его воспринимает неподвижный наблюдатель), то тогда L1 в движущейся системе отсчета для неподвижного наблюдателя будет равно (по формуле определения катета): L1^2=(c*dT)^2 - (V*dT)^2.
И тогда отношение расстояний между зеркалами в неподвижной и движущейся системах отсчета L/L1=с*dT0/(dT*(c^2-V*2)^1/2. И если время в обеих системах отсчета течет одинаково, то есть dT0=dT, то мы получаем: L/L1=1/(1-v^2/c^2)^1/2.
Опа! Да это же знакомая формула! Это фактор Лоренца! И теперь получается, что фактор Лоренца просто показывает нам, как меняется расстояние L между зеркалами в неподвижной и подвижной системе отсчета! То есть показывает, как увеличивается масштаб длины (расстояния) в направлении, перпендикулярном направлению движения движущейся системы отсчета относительно неподвижной.
И тогда такую СТО можно сформулировать следующим образом:
1). Скорость света во всех системах отсчета остается той же самой (постулат СТО Эйнштейна сохраняется).
2). Никакого замедления времени не происходит.
3). Никакого "сокращения длины" вдоль направления движения движущейся системы отсчета не происходит.
4). Вместо этого происходит "увеличение длины" (увеличение масштаба расстояния) поперек к направлению движения движущейся системы отсчета.
Экспериментальная проверка
Таким образом, предложенная мною СТО, как и СТО Лоренца-Пуанкаре-Эйнштейна, позволяет объяснить, почему скорость света в любой системе отсчета остается той же самой. Но дает этому совсем другое объяснение.
Какое же из этих двух объяснений следует считать правильным? Ответить на этот вопрос может только эксперимент. И эксперименты говорят нам о том, что правильной является предложенная мною трактовка.
Расширение ширины струи меонов
Сравнительно недавно, в конце 2008 г., группа ученых из Фермиевской лаборатории в г. Беркли, США, насчитывающая несколько сотен человек, представила результаты анализа своих наблюдений множественного рождения мюонов при столкновениях высокоэнергетических протон-антипротонных пучков в протон-антипротонном коллайдере Тэватрон. Этими учеными было установлено, что при энергии протонов порядка одного ТэВ и выше рождение групп мюонов происходило, вопреки ожиданиям, на значительном расстоянии от оси сталкивающихся пучков – на удалении до 1 см и более от оси пучков и даже за пределами вакуумированного канала (радиус которого составлял 1,5 см), то есть, фактически, уже в теле детектора.
При этом такие события происходили примерно в 20 % случаев (150 000 из 750 000), а максимальное количество мюонов, рожденных в одном таком событии, достигало восьми, что позволяет говорить о рождении целых мюонных струй. В то же время, согласно Стандартной модели элементарных частиц, базирующейся на законах и следствиях специальной теории относительности, мюоны должны были появляться на расстояниях от оси пучка не больших, чем 1–2 миллиметра.
Этот опыт однозначно свидетельствует о том, что поперечные размеры области взаимодействия элементарных частиц увеличиваются с ростом энергии этих частиц, вопреки предсказаниям Специальной теории относительности Эйнштейна.
Кривая вращения галактик
В 1939 году Хорес Бэбкок в своей диссертации опубликовал первое серьёзное свидетельство поведения кривой вращения, кардинально отличавшегося от предсказаний: его кривая вращения галактики туманность Андромеды не убывала обратно пропорционально квадратному корню, а являлась «пологой» — снаружи от центрального балджа скорость практически не зависела от радиуса.
Позднее астрономы обнаружили, что подобное отклонение от кеплеровских орбит наблюдается и во многих других галактиках (особенно часто в спиральных). В результате физики, для объяснения этого отклонения скорости орбит, предположили, что в галактиках присутствует какая-то "скрытая дополнительная масса", которая создает дополнительные гравитационные силы. И эту массу физики стали приписывать некоей "темной материи". Проблема, однако, в том, что природа этой "темной материи" до сих пор остается неизвестной и непонятной, и что она из себя представляет, физики до сих пор объяснить не могут.
Моя формулировка СТО дает этому очень простое объяснение: при движении звезд относительно друг друга по их орбитам, расстояние между звездами - поперечное их относительной скорости движения относительно друг друга - для внешнего наблюдателя увеличивается. И в результате наши наблюдения входят в противоречие с нашими расчетами, что мы трактуем как "нарушение закона тяготения" (как появление дополнительных гравитационных сил).
Расширение Вселенной и разбегание галактик
Наконец, тогда становится понятным, почему происходит "расширение пространства" в нашей Вселенной и "разбегание галактик", которое физики сегодня объясняют присутствием во Вселенной другой загадочной субстанции - "темной энергии".
Однако никакой "темной энергии" также не существует - это чисто релятивистский эффект, имеющий ту же природу, что и отклонение звезд от кеплеровских орбит: наша Вселенная вращается, и поскольку чем дальше от нас находятся галактики, тем больше их орбитальная скорость - то тем больше "расширяется пространство" при наблюдениях с Земли за более удаленными галактиками. И, соответственно, тем быстрее они для нас "удаляются".