|
|
|
|
|
|
|
Новый взгляд на специальную теорию относительности А. Эйнштейна. |
Автор: X-Strannik
29.04.2007
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. «Теория относительности размеров»
3. Неподвижная система отсчета
5. Обратимость наблюдаемых искажений
8. Теория наблюдаемых искажений
Современная наука настолько усложнила общую физическую картину мира, что, кажется, сама в ней уже безнадежно запуталась. Количество парадоксов и необъяснимых явлений растет, как снежный ком, физические законы приобретают такие сложные математические формы, которые с трудом воспринимаются даже самими математиками и физиками. Большинство людей уже перестали даже пытаться что-то действительно понять, в глубине души согласившись со своей «умственной неполноценностью».
Одной из теорий, которые все больше усложняют жизнь многим физикам, стала специальная теория относительности А.Эйнштейна с ее релятивистскими эффектами и возникающими в связи с ними парадоксами. Эта теория не только не прояснила вопрос о действительных физических и геометрических свойствах пространства, но, кажется, только еще больше его запутала, создав некоего мутанта под названием «четырехмерное пространство-время».
Кажется, за сотню лет уже назрела необходимость пересмотра некоторых принципов теоретической физики. Думаю, правильным подходом было бы последовать совету Оккама и не добавлять новых сущностей сверх необходимости. Т.е. не создавать для объяснения непонятных явлений еще менее понятные, такие как «четырехмерный континуум пространство-время» или «гиперболическое пространство скоростей».
Именно эту задачу решает теория наблюдаемых искажений. Данная теория не опровергает СТО, а только уточняет область ее применения – описание наблюдаемых искажений геометрических и физических свойств объектов, движущихся со скоростями, близкими к скорости света. Предложенный в ней подход позволяет разрешить большинство парадоксов как СТО, так и классической физики, объяснить причины искривлений геометрии пространства и пролить свет на многие другие неясности.
В общем, теория наблюдаемых искажений является попыткой расставить все по своим местам. В этой теории вся сложность и запутанность физической картины мира сводится к наблюдаемым искажениям. Физическое устройство мира оказывается простым, как апельсин. Довольно сложным остается только наблюдатель, но это вопрос уже другой теории.
1. «Теория относительности размеров»
Рассмотрим одно общеизвестное физическое явление – уменьшение размеров тел с увеличением расстояния. Всем известно, что чем дальше от нас предмет, тем он кажется меньше. Или не кажется? Возможно, линейные размеры тел действительно уменьшаются с увеличением расстояния до наблюдателя? Как это проверить? С помощью приборов, которым не может ничего казаться. Воспользуемся, например, фотоаппаратом. На фотографиях удаленные предметы также имеют меньшие размеры. Делаем вывод, что линейные размеры тел действительно зависят от расстояния до наблюдателя – чем больше расстояние, тем меньше размеры предметов. Очевидно, и время зависит от расстояния до наблюдателя – чем больше расстояние, тем в более дальнем прошлом находятся наблюдаемые объекты. Мы можем видеть звезду, которая уже давно потухла. С увеличением расстояния до наблюдателя, очевидно, уменьшаются и скорости объектов. По этой причине далекие звезды на небе почти совершенно неподвижны.
На основе данных рассуждений можно построить «теорию относительности размеров» (ТОР).
Наиболее продвинутые читатели уже возражают. Они утверждают, что уменьшение размеров удаленных объектов является всего лишь оптическим эффектом. Но что такое оптический эффект? Говорит ли он о том, что наблюдаемое явление является кажущимся, или о том, что наблюдаемое явление является действительным? Оптический эффект – это информация о физическом явлении, полученная наблюдателем в виде, например, электромагнитного сигнала (света). Чем большее расстояние прошел данный сигнал, тем больше вероятность искажения и самого сигнала, и информации, переносимой с его помощью. Наблюдатель, принявший сигнал с большого расстояния, может лишь сделать вывод, что явление является наблюдаемым.
Для того чтобы узнать действительное положение дел, наблюдатель должен совместиться с наблюдаемым объектом в пространстве (т.е. приблизиться к объекту как можно ближе) и наблюдать его некоторое время без изменения расстояния между наблюдателем и объектом (т.е. их скорости должны быть равны).
По мере приближения к объекту мы наблюдаем довольно странное явление – объект «растет» прямо на глазах. Прибыв на место, мы обнаруживаем, что все пришло в норму – наблюдаемый объект имеет нормальные размеры, время течет так же, как наше, и скорости такие, какие должны быть по нашим расчетам. Можем ли мы сделать вывод, что наши перемещения в стороне от наблюдаемого объекта влияют на его действительные размеры? Не знаю. Думаю, с уверенностью мы можем говорить только о том, что наши перемещения в стороне от наблюдаемого объекта влияют на его наблюдаемые размеры.
Вряд ли кто-то из читателей принял всерьез идею «теории относительности размеров». Однако, все вышесказанное подвело нас к необходимости определиться с ролью наблюдателя. Действительно, так ли уж важен наблюдатель, если физические законы носят объективный характер, а физические явления происходят независимо от того, наблюдают за ними или нет? С другой стороны, сложно говорить о физическом явлении, которое ни коим образом не может наблюдаться. Наблюдатель не наблюдает непосредственно само физическое явление, а регистрирует информацию о явлении, которая передается с помощью определенных сигналов, т.е. выступает в качестве приемника сигналов, источником которых является наблюдаемый объект. Тем самым наблюдатель вступает во взаимодействие с наблюдаемым объектом. Ненаблюдаемые физические явления не взаимодействуют с нами, даже если объективно где-то существуют. Гораздо больший практический интерес представляют наблюдаемые явления. Наблюдаемые физические явления отличаются от кажущихся, тем, что могут регистрироваться «объективными» приборами. Однако, информация о явлении может быть неполной или доходить до наблюдателя с пространственными и временными искажениями.
Например, ориентируясь только по звуку, мы не можем достоверно установить координаты пролетающего со сверхзвуковой скоростью реактивного самолета – в том месте, откуда слышен звук мотора самолета, самого самолета давно уже нет; регистрируя свет от очень далекой звезды, который шел до Земли многие годы, мы не можем быть уверены, что в действительности она уже не погасла.
Можно предположить, что информация о физическом явлении, или другими словами, наблюдаемые физические явления тем больше искажаются, чем дальше находятся от наблюдателя в пространстве или времени, или чем больше разница в скорости между явлением и наблюдателем.
На основании вышеизложенного мы можем сделать два важных вывода:
1. Наблюдаемая картина физического явления далеко не всегда совпадает с тем, как данное явление протекает в действительности.
2. Как только наблюдатель приближается к наблюдаемому объекту, чтобы «рассмотреть его получше», все приобретает привычный «нормальный» вид: геометрия пространства становится евклидовой, время течет с «нормальной» скоростью и в «нужном» направлении и т.д.
Согласно принципу относительности, во всех ИСО физические явления протекают одинаково. Однако, в разных ИСО одно и то же физическое явление может наблюдаться по-разному.
В качестве примера рассмотрим движение мячика:
В равномерно движущемся вагончике сидит мальчик и подбрасывает вертикально вверх мячик. Он наблюдает в качестве траектории мяча вертикальную прямую. Со стороны, стоя на земле, за мальчиком наблюдает отец. По его наблюдениям, мяч движется по параболе. Микроб, сидящий на мяче, вообще считает мяч неподвижным.
Какова же действительная траектория мяча? Не известно. Но наблюдаемая траектория зависит от того, в какой ИСО находится наблюдатель.
3. Неподвижная система отсчета.
Все ИСО движутся относительно друг друга – какую бы ИСО мы не выбрали в качестве неподвижной, всегда можно найти другую ИСО, относительно которой она будет двигаться. Возникает вопрос – что имеют в виду, когда говорят о неподвижной системе отсчета? Или какую ИСО можно считать неподвижной? Так как все ИСО равноправны, кажется, у нас нет причин отдать предпочтение какой-либо одной ИСО. Однако, что реально наблюдает наблюдатель? Только то, что другие объекты движутся или не движутся мимо него. Меньше всего причин у наблюдателя считать движущимся именно себя (в глубине души каждый человек уверен, что вся Вселенная вращается только вокруг него). Представляется естественным считать неподвижной системой отсчета (НСО) ИСО, в которой находится наблюдатель.
Итак, неподвижная система отсчета (НСО) – это ИСО, связанная с наблюдателем.
Теперь мы можем ответить на вопрос, как так может быть, что скорость света всегда одна и та же и равна c? Или в какой системе отсчета скорость света равна c?
Разумеется, в НСО.
Кое-кто может спросить, если мы движемся навстречу световому лучу, почему его скорость не возрастает?
Когда мы говорим, что движемся относительно какого-то объекта, то связываем НСО с этим объектом, мысленно помещая на него наблюдателя. Если мы говорим, что движемся относительно светового луча, то связываем НСО со светом, мысленно помещая на него наблюдателя. Но свет является «не совсем материальным» объектом – он не существует в покое. Получается, мы связываем НСО с пустым пространством. Бессмысленно говорить о движении относительно пустого пространства, также как о движении относительно света. Следовательно, свет всегда движется относительно нас (неподвижных наблюдателей) с одной и той же скоростью c.
Рассмотрим пример:
Наблюдатель A видит летящую мимо него ракету со скоростью v=0,5c. На ракете горит фонарь, который светит в направлении движения. В ракете сидит наблюдатель B.
В НСО(А) данное явление наблюдается следующим образом:
скорость наблюдателя А v(A)=0,
скорость ракеты v(В)=0,5c,
скорость света равна c,
скорость удаления света и ракеты друг от друга c-v(B)=0,5c.
В НСО(B):
скорость наблюдателя А v(A)=-0,5c,
скорость ракеты v(В)=0,
скорость света равна c,
скорость удаления света и наблюдателя А друг от друга c-v(A)=1,5c.
Обратите внимание на существенную разницу в наблюдениях A и B:
скорость удаления света от ракеты или, иначе говоря, скорость света относительно ракеты в НСО(А) равна 0,5c, а в НСО(B) – c.
Причина подобного несоответствия в том, что наблюдатель А, говоря о скорости света относительно ракеты, связывает НСО с ракетой, которую принимает неподвижной. Его собственная ИСО при этом оказывается движущейся относительно ракеты. Наблюдаемая скорость света в движущейся ИСО не обязательно равна c.
Мы пришли к важному выводу:
результаты наблюдения одного и того же физического явления, наблюдаемого в НСО и в движущейся ИСО, могут существенно различаться.
Однако, если наблюдатель А захочет измерить скорость света относительно ракеты с помощью приборов, ему придется установить их на ракете. Приборы будут выступать в роли наблюдателя B и зарегистрируют скорость света равную c.
Относительная скорость света и ракеты в НСО стороннего наблюдателя A не является скоростью света в НСО(А) и не равна c.
5. Обратимость наблюдаемых искажений.
Наблюдаемый нами мир похож на гигантскую «линзу», которая показывает более или менее правильное изображение только в центре. При приближении к краям «линзы» изображение все больше искажается. Наблюдатель всегда находится в центре «линзы». Чем удаленнее от наблюдателя наблюдаемый объект в пространстве, времени или в скорости, тем с большими искажениями он наблюдается.
Почему же наблюдатель всегда находится в центре «линзы»? По той же причине, по какой наблюдатель на планете Земля всегда находится в центре «Земного круга». При этом поверхность Земли вблизи наблюдателя достаточно плоская. Искажения наблюдаемых объектов он может заметить только достаточно далеко, где-то у линии горизонта. Но когда он явится туда, чтобы «самолично проверить кривизну», все снова выравнивается – наблюдатель опять в центре «линзы».
Возможно, если посмотреть на мир «снаружи», издалека, как на Землю из космоса, он будет выглядеть не таким, каким мы привыкли его видеть. Однако, представляется важным отметить то, что, несмотря на наблюдаемую из космоса шарообразность Земли, после приземления космонавт видит, что ничего не изменилось – его дом такой же прямоугольный, каким был до отлета, и лужайка перед домом такая же плоская и ровная, какой была.
Очевидно, большое значение имеют размеры наблюдателя. Если наблюдатель не человек, а гигант, сопоставимый по своим размерам с размером Земли, то ему нет необходимости никуда лететь, чтобы убедиться в ее шарообразности.
Такое же значение может иметь и скорость наблюдателя. Если по поверхности Земли вдоль линии экватора разгонять ракету, то она может достичь такой скорости, при которой уже будет заметно, что линия экватора – вовсе не прямая, а окружность. Стремясь лететь по прямой, ракета оторвется от Земли и полетит в космос (Рис.1). В этот момент для неподвижного наблюдателя на Земле траектория ракеты вовсе не будет выглядеть прямой линией – он увидит, что мчащаяся горизонтально ракета начала подниматься вверх, все более отклоняясь от горизонтальной прямой линии (Рис.2).
Сам собой напрашивается вывод, что при наблюдении некоторых физических явлений важно учитывать масштаб наблюдателя – явления одного масштаба с наблюдателем (т.е. сопоставимые с ним по размерам, по скорости, на не очень далеких для наблюдателя расстояниях и не очень удаленные во времени) наблюдаются им с наименьшими искажениями.
Если двух наблюдателей A и B расположить в двух разных НСО, то, проводя наблюдения друг за другом, они зафиксируют одинаковые искажения объектов наблюдения. Если A будет наблюдать уменьшение размеров B, то B, соответственно, будет наблюдать такое же уменьшение размеров A. Если B наблюдает замедление времени A, то A наблюдает такое же замедление времени B. Таким образом, можно говорить о соблюдении принципа симметричности искажений, который следует из равноправия всех НСО: в любой НСО одинаковые физические явления наблюдаются одинаково (с одинаковыми искажениями).
Если наблюдатели A и B находятся на разных расстояниях в пространстве, времени или в скорости от объекта наблюдения C, то и наблюдаемая степень искажения C у них будет различной – тем большей, чем удаленнее наблюдатель от объекта наблюдения. Это можно назвать принципом относительности искажений: данные конкретные искажения возникают только относительно данного конкретного наблюдателя.
Симметричность и относительность позволяют сделать основной вывод из всего вышесказанного:
в рамках масштаба наблюдателя все наблюдаемые им искажения картины физического явления всегда носят обратимый характер – как только наблюдатель приближается к наблюдаемому объекту в пространстве, времени и в скорости (в идеале совмещаясь с ним), все искажения исчезают.
Я не буду здесь пересказывать основные положения специальной теории относительности А.Эйнштейна. Их можно найти в любом школьном учебнике по физике. Безусловно, эта теория стройна и красива. Однако, при внимательном рассмотрении в ней обнаруживаются явные противоречия, на которые принято закрывать глаза. Считается чуть ли не «дурным тоном» говорить о парадоксах СТО. Большинство авторов учебников по СТО, за не имением других аргументов, просто обвиняют не согласных с теорией в непонимании СТО. Некоторые даже считают, что парадоксальность теории придает ей особую «изюминку». Думаю, вместо слепого поклонения СТО и обвинения всех непонимающих ее в слабоумии, было бы полезно трезво взглянуть на теорию и попытаться разрешить ее парадоксы.
Начнем с самого известного – «парадокса близнецов».
Во всех учебниках приводится заведомо несимметричная ситуация: космонавт A отправляется с Земли к далекой звезде с околосветовой скоростью, на Земле остается его брат-близнец B (Рис.3). Здесь проявляется релятивистский эффект замедления времени – так как A движется в ИСО B с околосветовой скоростью, его время относительно B замедляется, и по возвращении на Землю близнец A оказывается моложе близнеца B. Но с точки зрения A, это B вместе с Землей движется относительно A, и это время B должно замедляться, т.е. B оказывается моложе A. Данный парадокс объясняется тем, что система отсчета космонавта A не является инерциальной – он испытывает ускорения, что естественно делает ситуацию несимметричной. Следовательно, никакого парадокса нет.
Но давайте попробуем смоделировать действительно симметричную ситуацию (Рис.4).
Пусть космонавты-близнецы A и B отправляются с неподвижной космической станции C одновременно с одинаковыми скоростями в противоположных направлениях, пролетают одинаковое расстояние и возвращаются на C. Кто из них окажется моложе?
Дабы избежать упреков в том, что системы отсчета космонавтов не являются инерциальными, пусть космонавты A и B, долетев до космических станций A’ и B’, находящихся на одинаковом расстоянии от C, не тормозят и не разворачиваются, а пошлют друг другу радиосообщение, в котором укажут свой возраст. Разумеется, на преодоление расстояния от одного корабля до другого радиосигналу потребуется некоторое время , и каждый космонавт получит сообщение от другого гораздо позже, чем отправит свое. Но в полученном A сообщении будет указан возраст B такой же, каким был возраст A, когда он отправлял свое сообщение, а в полученном B сообщении будет указан возраст A такой же, каким был возраст B в момент отправки его сообщения. Т.е. в обоих сообщениях будет указан одинаковый возраст.
Рассмотрим другой мысленный эксперимент – знаменитый «поезд Эйнштейна», демонстрирующий относительность одновременности.
Вот его описание в одном университетском учебнике:
«Представим, что некий поезд проходит мимо вокзала с постоянной скоростью V (Рис.5). На поезде, в его середине, находится импульсный излучатель света O’, а в начале и конце – приемники излучения A и B, при этом AO’= O’B. В момент, когда O’ поравнялся со стоящим на перроне вокзала наблюдателем O, излучатель испускает импульс света. В поезде, вследствие равенства расстояний AO’ и O’B, приемники A и B примут световые сигналы одновременно.
Несколько иначе дело обстоит с точки зрения наблюдателя O на перроне. В его системе отсчета свет также распространяется во всех направлениях со скоростью c. Но пока свет доходил до приемников на поезде, хвост поезда переместился к наблюдателю, а голова поезда – от наблюдателя, так что интервалы времени распространения света до A и B вовсе не одинаковы: до A – меньше, а до B – больше. Приход световых сигналов к приемникам на поезде с точки зрения наблюдателя на перроне – события неодновременные!
Таким образом, одновременность событий – понятие относительное».
Но давайте внесем небольшие изменения в этот мысленный эксперимент:
Пусть приемниками излучения на поезде являются часы. В поезде часы синхронизированы, и в момент принятия сигнала часы A и часы B показывают время t0. Для наблюдателя с перрона приход световых сигналов к приемникам-часам – события неодновременные. Но, наблюдая сначала освещенные часы A, через некоторое время – освещенные часы B, он замечает, что и те и другие показывают время t0. Следовательно, по наблюдениям с перрона, на стене A вагона время t0 наступило раньше, а на стене B – позже. Т.е. на стене A время идет ускоренно, а на стене B – замедленно. Интересно, как практически может существовать физическое тело, в каждой точке которого время течет по-разному, или все точки которого находятся в разном времени – каждая в своем?
А если в поезде находятся большие механические часы? Очевидно, все шестеренки часов полностью рассинхронизируются, и часы сломаются. Но наблюдатель в поезде заявит, что ничего подобного – часы прекрасно идут и показывают точное время.
А если в поезде сидит ребенок? У него что – правая половина тела вырастет быстрее, чем левая?
Данный мысленный эксперимент показывает, что время на задней стене A вагона идет быстрее, чем на перроне, т.к. свет от источника до приемника A проходит меньшее расстояние, соответственно, за меньшее время. Интересно, как это согласуется с релятивистским эффектом замедления времени?
Вообще, утверждение, что в движущейся ИСО часы рассинхронизируются, означает именно то, что все точки движущейся целой структуры, основанной на причинно-следственных закономерностях, находятся в разном времени. Это приводит к нарушению тех самых причинно-следственных закономерностей и, следовательно, к разрушению целой структуры. Таким образом, если рассматривать движение не элементарных частиц, а сложных физических объектов, например людей, то они должны разрушаться при высоких скоростях, что противоречит принципу относительности – в своей системе отсчета движущийся человек неподвижен, и вряд ли он разрушится от того, что что-то быстро пролетит в стороне от него. Любая структура как целое состоит из частей и сама является частью более крупной целой структуры. Сохранение целостности структуры обеспечивается именно точной синхронизацией ее частей, т.е. одинаковым течением времени во всех частях целого. Инвариантность времени следует из инвариантности скорости света – следствие после причины наступает не раньше и не позже, а ровно через столько времени, сколько требуется фундаментальному сигналу для прохождения расстояния от причины до следствия. Протекание одного и того же процесса с различными скоростями приводит к отсутствию закономерностей, т.е. к хаосу. Структура мира как целого сохраняется именно потому, что время течет одинаково во всех его частях, т.е. является инвариантом.
8. Теория наблюдаемых искажений.
Сформулируем теорию наблюдаемых искажений применительно к специальной теории относительности:
Релятивистские эффекты специальной теории относительности являются наблюдаемыми искажениями протекания физических явлений при большом расстоянии между наблюдателем и объектом наблюдения по скорости.
Следовательно, должны соблюдаться два условия:
1) принцип симметричности наблюдаемых искажений;
2) принцип относительности наблюдаемых искажений.
Нет сомнений, что релятивистские эффекты СТО удовлетворяют поставленным условиям:
1) симметричность:
если два наблюдателя A и B движутся относительно друг друга со скоростью v близкой к c, то они будут наблюдать одинаковые замедления времени, сокращения длин и другие релятивистские эффекты друг у друга, так как каждый из них считает свою систему отсчета неподвижной, а систему отсчета другого движущейся со скоростью v;
2) относительность:
если два наблюдателя A и B движутся с разными скоростями относительно объекта наблюдения C, то они будут наблюдать различные замедления времени и сокращения длин C, так как в системах отсчета A и B объект наблюдения C будет иметь различные скорости; т.е. конкретные релятивистские искажения возникают только относительно данного конкретного наблюдателя.
Из всего вышесказанного следует основной вывод:
релятивистские эффекты должны иметь обратимый характер.
Т.е. при уравнивании скоростей наблюдателя и наблюдаемого объекта все наблюдаемые искажения, проявляющиеся в виде релятивистских эффектов, должны исчезать без всяких последствий.
Вот здесь то и проявляется существенное различие между СТО и теорией наблюдаемых искажений. «Парадокс близнецов» в СТО демонстрирует, что хоть эффект замедления времени и исчезает при уравнивании скоростей, но само время наблюдателя и наблюдаемого объекта остается различным – один близнец при встрече оказывается моложе другого.
В теории наблюдаемых искажений эффект замедления времени является только наблюдаемым, а не действительным – при встрече оба близнеца оказываются одного возраста, т.к. в действительности никакого замедления времени не было (оно только наблюдалось).
Следует подчеркнуть еще раз, что наблюдаемые искажения не являются кажущимися – в роли наблюдателя может быть не только человек, но и любые «объективные» приборы.
9. Причина наблюдаемых релятивистских искажений.
Вспомним уже упоминавшееся выше утверждение, что наблюдатель наблюдает не само физическое явление, а только сигналы, несущие информацию о явлении.
Вернемся к эксперименту «поезд Эйнштейна». Думаю, наблюдатель на перроне может только утверждать, что сигналы с информацией о событиях A и B дошли до него не одновременно. Учитывая постоянную скорость сигнала c, наблюдателю остается сделать вывод, что в момент приема сигналов он находится на разных расстояниях от A и B. Ситуация выглядит таким образом, как будто поезд удаляется от наблюдателя. Поэтому сигнал от задней стены A вагона приходит к наблюдателю раньше, чем сигнал от передней стены B.
То же самое можно сказать и о замедлении времени.
Представьте себе удаляющийся от вас поезд. Вы за ним наблюдаете, принимая от него световые сигналы. Так как поезд удаляется, расстояние между ним и вами постоянно увеличивается. Поэтому увеличивается и время прохождения световым сигналом этого расстояния, т.е. каждый следующий сигнал доходит до вас с все большей задержкой во времени. Если вы наблюдаете за часами на поезде, то каждый следующий сигнал от часов будет запаздывать все больше. Таким образом, вы будете наблюдать замедление хода часов, т.е. замедление времени.
Обратите внимание, что действительного замедления времени на поезде не происходит, оно только наблюдается. Если вы станете догонять поезд, расстояние между вами начнет сокращаться, а часы на поезде будут ускорять свой ход. Когда ваша скорость и скорость поезда уравняются, часы на поезде пойдут в нормальном темпе. Но если между вами и поездом все еще значительное расстояние, сигнал от часов до вас будет доходить с задержкой на время, необходимое для преодоления этого расстояния, т.е. часы на поезде будут отставать. Если же вы догоните поезд и зайдете в вагон, то увидите, что часы идут нормально и показывают точное время. Таким образом, эффект замедления времени на поезде является обратимым, что и свойственно наблюдаемым искажениям.
В данной ситуации так же будет наблюдаться эффект сокращения длины. Так как поезд удаляясь, движется под углом к наблюдателю, то длина оптической проекции поезда, видимой наблюдателем, будет меньше действительной длины поезда.
Вы, конечно, можете возразить, что подобные эффекты наблюдаются повсеместно и не являются чем-то странным, тем более их никто не называет релятивистскими. Для их объяснения даже не нужно придумывать специальную теорию. Но в чем принципиальная разница между описанными эффектами и релятивистскими? Рискну предположить, что и те и другие имеют общую природу. Основная разница между ними в том, что вышеописанные эффекты скорее можно отнести к оптическим, а релятивистские эффекты имеют физический характер, т.е. в первом случае мы наблюдаем искажения оптических сигналов (световых), а во втором – всех фундаментальных сигналов. Но, думаю, эта разница не принципиальна. И в том и в другом случае наблюдаемые искажения убедительно объясняются геометрией движения в пространстве и постоянством скорости фундаментального сигнала.
Представьте себе, как на крутом повороте заносит быстро мчащийся автомобиль. Чем больше скорость автомобиля, тем сильнее он стремится двигаться по прямой, и тем ощутимее для него кривизна дороги. Точно также движущиеся с релятивистскими скоростями объекты начинает «заносить» в нашем не совсем «прямом» пространстве. Чем больше скорость движения, тем более проявляется кривизна пространства. Если предположить, что трехмерное пространство наблюдателя имеет сферическую форму, то движущиеся с релятивистскими скоростями объекты «заносит» в направлении, перпендикулярном всем трем наблюдаемым, т.е. в четвертое измерение.
Предположим, что в системе отсчета Первого наблюдателя произошли
два события, например, одновременно ударили две молнии в момент
времени t0 = 0c на
расстоянии 1c (1
световая секунда) в точках O и
A (Рис.6). А в системе отсчета
Второго наблюдателя Первый наблюдатель движется со скоростью
.
Тогда Второй наблюдатель сообщает, что действительно, было два удара молнии, и первая молния действительно ударила в начале координат в точке O в момент времени t0 = 0c, но вот вторая молния ударила на расстоянии 2c от первой в точке A' и через промежуток времени Δt' ≈ 1,74c:
Таким образом, создается впечатление, что движущуюся систему
отсчета «заносит» в направлении OV,
и фундаментальный сигнал из точки A
в точку
A' приходит
с запозданием на время
,
где c – скорость
фундаментального сигнала.
Обратите внимание, что
(Δx)2 - c2(Δt)2 = (Δx')2 - c2(Δt')2 = c2 – это инвариантный интервал пространства – времени между двумя событиями.
Так как мы говорим не о некоем гибриде под названием «пространство – время», а о четырехмерном пространстве, все составляющие инвариантного интервала
S2 = (Δx)2 + (Δy)2 + (Δz)2 - c2(Δt)2 = (Δx')2 + (Δy')2 + (Δz')2 - c2(Δt')2
можно рассматривать в качестве координатных интервалов события в четырехмерном пространстве. Таким образом, реальное физическое пространство оказывается минимум четырехмерным. Так как четвертое измерение не наблюдается геометрически, расстояние cΔt является мнимым, не наблюдаемым, и проявляется только в задержке фундаментального сигнала. Соответственно, и геометрия четвертого измерения является неевклидовой.
В случае с молниями Второй наблюдатель в точке A'наблюдает удар молнии, который произошел 1,74c назад в точке A. Т.е. мы можем говорить о наблюдаемом релятивистском эффекте относительности одновременности событий.
Если в системе отсчета Первого наблюдателя между точками O и A лежит стержень длиной 1c (1 световая секунда), то в системе отсчета Второго наблюдателя длина стержня наблюдается в проекции – |OB| = 0,5c.
В нулевой момент времени молния ударяет в конец стержня
O. Второй конец стержня
B, двигаясь со скоростью
,
через время
достигает точки A', где в него ударяет вторая молния. Т.е. мы можем говорить о наблюдаемом релятивистском сокращении длин движущихся объектов
Нет никаких видимых причин ограничивать размерность реального пространства каким-либо конечным числом измерений. Т.е. в принципе, число измерений (перпендикулярных направлений) может быть бесконечно. Другими словами, бессмысленно говорить о геометрии пустого пространства.
Другое дело – наблюдаемое пространство. Наблюдаться геометрически могут только три измерения. Попытайтесь представить в своем воображении, как выглядит четырех- или более мерное пространство (4 или более перпендикулярных направления). Не получается? Причина неудачи – вовсе не ваше «слабоумие», как может показаться на первый взгляд. Просто любое наблюдаемое пространство имеет трехмерную геометрию. 3 измерения – это оптимальное число, при котором объекты локализуются в пространстве в виде тел, имеющих замкнутые объемы, т.е. приобретают форму.
Все остальные измерения объектов не могут наблюдаться геометрически, но проявляются в виде физических свойств: массы, импульса, энергии и т.д.
Попытки добавить дополнительные измерения в наблюдаемую геометрию пространства приводят к искривлениям, которые, возможно и могут наблюдаться при определенных условиях в виде геометрических искажений, но обычно наблюдаются в виде изменения физических свойств пространства.
В самом начале мы уже проводили аналогии с оптикой, и не случайно. Вообразите себе, что вы находитесь в центре стеклянной сферы. Тогда существующие вокруг вас геометрические (трехмерные) объекты будут вами наблюдаться как двумерные (оптические) проекции на вашу сферу. Вообразим себе действительное существование подобной сферы вокруг наблюдателя (разумеется, не стеклянной) и назовем ее сферой наблюдения. Тогда физические (четырех- и более мерные) объекты будут наблюдаться как физические проекции на трехмерную сферу наблюдения.
Трехмерные тела являются лишь объемным изображением, не имеющим физических свойств. Физические свойства телам придают дополнительные измерения, наблюдаемые в проекции на трехмерную сферу наблюдения. Например, четвертое измерение тела, проецируясь на трехмерный объем, может придать этому объему пространственную плотность, т.е. проявиться в виде физической массы; движения в перпендикулярных направлениях в проекции могут выглядеть, например, как движение тела внутрь самого себя (сила притяжения), или проявляться в виде внутренней энергии тела.
Разумеется, бессмысленно говорить о сфере наблюдения без наблюдателя. Выше мы уже сделали вывод, что ИСО наблюдателя всегда неподвижна (НСО). Сейчас следует добавить, что пространство наблюдателя всегда геометрически трехмерно и евклидово. Так как физические объекты являются всего лишь проекцией на трехмерную сферу наблюдения, то все наблюдаемые искажения являются лишь искажениями проекций и зависят от положения наблюдателя, т.е. возникают относительно наблюдателя.
Рассмотрим движущееся физическое тело как проекцию на трехмерную сферу наблюдения (Рис.7).
Т.к. тело имеет энергию покоя E0 = mc2, можно предположить наличие движения по крайней мере в одном перпендикулярном направлении со скоростью c – назовем ее условно скорость покоя. При наблюдаемом движении тела у его скорости появляется перпендикулярная составляющая, т.е. вектор скорости отклоняется на угол α, где
.
Тогда γc – полная скорость тела в реальном пространстве, а
E = m ∙ γc ∙ c = γmc2 – полная энергия движущегося тела.
Перпендикулярная составляющая полной скорости является проекцией скорости тела на четырехмерное физическое пространство и равна
где v – наблюдаемая скорость тела.
Так как четвертое измерение не наблюдается геометрически, но отвечает за физические свойства объектов, можно назвать γv физической проекцией скорости или физической скоростью.
Тогда импульс как физическое свойство движущегося тела определяется физической скоростью:
p = m ∙ γv = γmv
Так как, повторимся, четвертое измерение не наблюдается геометрически, наблюдаемой скоростью тела будет являться проекция физической скорости на трехмерное геометрическое пространство – перпендикулярная составляющая, равная v. Иначе ее можно назвать геометрической скоростью.
Обратите внимание, что в прямой геометрической проекции мы наблюдаем только геометрические свойства объектов (формы, траектории и т.п.). Если бы мы наблюдали физические свойства в прямых проекциях, то все перпендикулярные измерения были бы равны нулю, т.е. не наблюдались не только геометрически, но и физически. Физические свойства проецируются поворотом, полностью сохраняя свою конфигурацию.
Например, составляющими энергии покоя тела E0 = mc2 являются не геометрические проекции скорости c (они равны нулю), а физические, полученные в результате поворота – при этом никакой геометрической траектории движения не наблюдается. Также и импульс тела, являясь физическим свойством, наблюдается не в геометрической проекции p = mv, а в физической – p = γmv.
Поясним вышесказанное на примере (Рис.8). Пусть движущимся телом являются часы, которые в момент начала движения в точке O показывают время 0 с. Пусть такие же часы расставлены вдоль траектории движения. Все часы синхронизированы.
Скорость движущихся часов:
Тогда
Через 1с после начала движения в момент времени t0 = 1cдвижущиеся с физической скоростью 2vчасы окажутся в точке A'четырехмерного пространства и покажут время t0 = 1c. Положение стрелок часов можно считать частью их физической конфигурации, или физическим свойством часов в точке A'
Геометрическое наблюдаемое положение часов в момент времени t0 = 1c будет в точке A трехмерного геометрического пространства. Таким образом, наблюдаемая (геометрическая) скорость движения часов равна v. Однако, физическое положение часов в момент времени t0 = 1c будет в точке A", но оно никак не проявится еще в течение времени Δt = 1c.
Для того, чтобы узнать, в какой момент времени часы будут наблюдаться в точке A", надо расстояние OA" разделить на наблюдаемую скорость:
Для того, чтобы узнать, какими физическими свойствами будут обладать наблюдаемые в точке A" часы (а положение стрелок в точке A" мы считаем физической конфигурацией, или физическим свойством часов в точке A"), надо расстояние OA" разделить на физическую скорость:
Таким образом, часы будут наблюдаться в точке A" в момент времени t = 2c, но стрелки этих часов будут показывать время t0 = 1c. Т.е. мы можем говорить о наблюдаемом релятивистском эффекте замедления собственного времени движущихся объектов
Одним из следствий данного эффекта является наблюдаемое увеличение «продолжительности жизни» движущихся объектов – они за свое время «жизни» проходят гораздо большее расстояние, чем могли бы, действительно двигаясь с наблюдаемой скоростью.
Еще одно следствие не так очевидно.
Пусть вместе с часами движется второй наблюдатель. В момент времени t=2c мы видим второго наблюдателя в точке A", часы которого показывают время t0=1c. Если мы сейчас помашем ему рукой, он это заметит только, когда его часы покажут время 2t=4c, мы же увидим его ответное махание в момент времени 2∙2t=8c. Т.е. движущийся объект всегда наблюдается с задержкой во времени тем большей, чем он дальше от начала координат (начала движения). Отсюда следует вывод, что невозможно совместить в одной точке пространства в один и тот же момент времени два объекта, которые движутся относительно друг друга, если только это не момент начала движения. В частности, представляется невозможным синхронизировать часы в двух системах отсчета, одна из которых движется относительно другой, в момент времени, когда их произвольно выбранные начала координат совпадают в пространстве, как это часто предлагается. Так же, два наблюдателя, один из которых движется относительно другого, не могут совершить какое-то действие одновременно, глядя друг на друга – например, помахать рукой.
Более того, наблюдая движение объекта (т.е. скорость), мы не можем наблюдать его действительную координату (в настоящий момент времени), мы наблюдаем только ту координату, в которой он находился некоторое время назад. Если же мы наблюдаем действительную координату (в настоящий момент времени) объекта, то не наблюдаем никакого движения (т.е. скорости) – объект неподвижен. Это напоминает неопределенности квантовой физики – может быть, не случайно.
Реальные физические объекты обнаруживают свое существование только при взаимодействии с другими объектами. Данное взаимодействие происходит посредством обмена сигналами между объектами. Т.е. реальные физические объекты являются источниками сигналов. Для того, чтобы наблюдать реальный физический объект, необходимо прямо или опосредованно (через другие объекты) принять от него сигнал. Т.е. наблюдатель является приемником сигналов.
Наблюдаемые физические объекты представляют собой только совокупность сигналов от реальных физических объектов, принимаемую наблюдателем. Конфигурация наблюдаемых сигналов зависит от взаимного положения относительно друг друга реального физического объекта и наблюдателя. Разумеется, положение наблюдателя по отношению к реальному физическому объекту или реального физического объекта по отношению к наблюдателю никак не может менять действительную конфигурацию реального физического объекта. Думаю, вполне обоснованным будет предположение, что наблюдаемые физические объекты – это лишь проекции реальных физических объектов на сферу наблюдения, являющиеся совокупностью сигналов от реальных физических объектов.
Можно сделать вывод, что наблюдаемый физический мир является физической проекцией реального многомерного мира на трехмерную сферу наблюдения. Все наблюдаемые физические явления, являясь проекцией реальных физических явлений, возникают только относительно наблюдателя, и картина их проявления зависит от взаиморасположения реального физического явления и наблюдателя. Наблюдаемые искривления пространства и времени являются лишь искажениями проекций. Таким образом, все наблюдаемые искажения пространства и времени полностью обратимы, т.е. не являются реальными искривлениями.
Следует обратить особое внимание, что в теории проекций наблюдатель понимается как реальный физический объект, совсем не обязательно обладающий сознанием. Основная функция физического наблюдателя – наблюдать, т.е. принимать сигналы от реальных физических объектов. Если реальные физические объекты выступают в качестве источников сигналов, то физический наблюдатель является приемником. В роли физического наблюдателя может выступать не только человек, но и любой физический прибор, способный регистрировать сигналы.
Можно предположить, что основным фактором, так сказать «фундаментальным кирпичиком», на котором строится вся наблюдаемая картина мироздания, является именно скорость фундаментального сигнала. Если в реальном физическом мире скорость фундаментального сигнала стремится к бесконечности, то теряют смысл сами понятия времени и расстояния – все события происходят одновременно на неопределенных расстояниях или в разное время без каких-либо закономерностей.
Именно в проекции на наблюдателя скорость фундаментального сигнала всегда равна c. Благодаря чему появляется разрыв между причиной и следствием во времени (это время наблюдателя) и в пространстве, где расстояние определяется временем, затрачиваемым фундаментальным сигналом на путь от источника к приемнику. Таким образом, причинно-следственные связи, закономерности, и даже само пространство и время проявляются только относительно наблюдателя.
Бессмысленно говорить о физических и геометрических свойствах реального мира самого по себе – без наблюдателя. Так как сами эти свойства проявляются лишь в проекции на наблюдателя. Мир без наблюдателя – это в пределе бесконечномерное пространство, больше похожее на хаос.
Таким образом, есть основания предполагать, что физическую и геометрическую упорядоченность (структурированность) миру придает именно присутствие наблюдателя. Учитывая, что наблюдатель сам является частью реального физического мира, можно сделать заключение, что физический мир представляет собой единую неразрывную систему [реальный мир → наблюдатель] типа [источник → приемник].
1. Реальный физический мир представляет собой бесконечномерное пространство, говорить о физических и геометрических свойствах которого мало смысла. Реальный физический мир наблюдается в виде проекции на сферу наблюдения и проявляет свои физические и геометрические свойства только относительно наблюдателя. Так как физический мир представляет собой единую систему [источник → приемник], в которой в качестве приемника выступает наблюдатель, представляется невозможным исключить наблюдателя из наблюдаемой общей физической картины мира.
2. ИСО наблюдателя всегда является неподвижной ИСО (НСО). Именно все НСО эквивалентны в отношении любых физических процессов.
3. Время является инвариантной величиной. Его инвариантность обеспечивается именно постоянством скорости фундаментального сигнала во всех НСО.
4. Пространство наблюдателя трехмерно и евклидово. Именно в этом пространстве выполняются законы классической физики Ньютона.
Однако, по мере удаления от наблюдателя (в том числе и по скорости), геометрия наблюдаемого им пространства все более искажается. Искривления пространства становятся особенно заметными у границы сферы наблюдения. В искривленном неевклидовом пространстве соответственно искажаются и физические закономерности. Физические законы начинают требовать внесения поправок на кривизну и приобретают более сложную форму. Именно системой таких поправок и является СТО.
Так как все искривления геометрии пространства являются только наблюдаемыми и исчезают по мере приближения к центру сферы наблюдения, все релятивистские эффекты СТО также являются только наблюдаемыми искажениями физических и геометрических свойств пространства около границы сферы наблюдения. Таким образом, как геометрия пространства, так и релятивистские эффекты СТО носят относительный характер и являются полностью обратимыми.
29.04.2007
