Преобразование Лоренца без Эйнштейна

Реферат на тему:

Преобразование Лоренца без Эйнштейна

Введение

Уже прошло более ста лет, но дебаты по теории относительности не прекратились по сегодняшний день. Причина в логической противоречивости следствий («парадоксов»), вытекающих из СТО. К сожалению, критика касается только следствий, вытекающих из СТО, а не исходных посылок этой теории. В предыдущей статье «Проверим «Gedanken Experiments» Альберта Эйнштейна» [1] нам удалось обнаружить ошибки в «мысленных экспериментах» Эйнштейна. Это важно, поскольку они и их следствия определили неудачи теории относительности (логические противоречия, парадоксы и т.д.).

Теория относительности опирается на два постулата [2]:

1  Все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Как следствие, все инерциальные системы равноправны.

2  Никакими экспериментами невозможно обнаружить абсолютную систему отсчета. Как следствие, скорость света в любой инерциальной системе отсчета постоянна и является «предельной скоростью распространения взаимодействий».

Авторы различных учебников приводят различные варианты формулировок этих постулатов, сохраняя их суть. Но они «не замечают», что существует третий постулат. Он касается интерпретации пространственно-временных отношений в специальной теории относительности. Именно эйнштейновская интерпретация (объяснение), опирающаяся на «мысленные эксперименты», создала те «парадоксы» (точнее: логические противоречия), которые у всякого, кто стремится разобраться в сути явлений, вызывают неудовлетворение и желание переосмыслить эту теорию.

Любая физическая теория всегда имеет границы применимости. Эти границы применимости там, где теорию используют за пределами границ и получают абсурдные выводы. Это и границы во времени, когда устаревшая теория сменяется новой, имеющей более широкие пределы применимости. Теория относительности не исключение. По этой причине не следует рассматривать ее постулаты, как что-то «незыблемое». Это всего лишь гипотезы (предположения), которые могут быть оправданы практикой или же отвергнуты ей.

Преобразование Лоренца, сохраняющее уравнения Максвелла неизменными в любых инерциальных системах, описывают свойства световых лучей. Теория относительности А. Эйнштейна есть одно из возможных истолкований (объяснений) сущности и следствий этого преобразования. Таких объяснений, опирающихся на различное миропонимание (философию) может существовать множество.

В данной работе мы, опираясь на преобразование Лоренца, мы дадим по возможности полное физическое описание свойств световых лучей (электромагнитных волн), сохраняя классические (ньютоновские) представления о евклидовости пространства и единстве времени для всех инерциальных систем отсчета. При этом мы не будем опираться на изложенные ранее «постулаты» А. Эйнштейна и ошибочные положения эйнштейновской теории относительности.

1. Способы отображения

Любое наблюдение характеристик реального процесса или характеристик материального объекта в системе отсчета наблюдателя есть отображение их в эту систему отсчета, т.е. явление. В физике в основном используются два вида отображений.

1.  Классическое отображение. Со школьной скамьи, решая физические задачи механики, мы привыкли к тому, что положение тела в пространстве в данный момент времени отображается объективно (без каких либо искажений или запаздываний). Такое отображение опирается по своей сути на мгновенную передачу информации. Оно никогда и ни у кого не вызывало подозрений в некорректности, хотя никто и никогда не предлагал физической модели реализации этого способа.

2.  Отображение с помощью световых лучей. Такой способ отображения предметов и процессов для человека является основным, поскольку мы постоянно используем для этой цели свое зрение. В отличие от классического способа световые лучи могут передавать информацию с искажениями. Например, мы пользуемся лупой для увеличения изображения объекта. Это связано с искажениями фронта волны. Кривые зеркала в «комнате смеха» также пример такого рода искажений. Помимо этого, движение источника светового сигнала относительно наблюдателя обуславливает явление аберрации и эффект Доплера. Таким образом, информация, доставляемая световыми лучами, может быть искажена, т.е. принимаемая информация не всегда соответствует информации, посланной источником сигнала. Она может существенно отличаться от информации, получаемой классическим способом отображения.

3.  Однако оба способа не являются независимыми. Мы, зная скорость относительного движения систем отсчета, направление светового потока и т.д., всегда можем сделать переход (пересчет) от одного вида отображения к другому. Например, учитывая скорость распространения световых лучей, мы можем перейти от классического способа отображения к отображению явления световыми лучами. И обратно, можно всегда перейти от отображения световыми лучами к классическому отображению явлений. Это весьма важный факт.

Это положение будет служить отправной точкой наших исследований.

2. Две относительных скорости инерциальных систем

Известно, что Анри Пуанкаре за год до создания А. Эйнштейном СТО дал обобщение принципа относительности Галилея. Это обобщение позже стало одним из важных принципов теории познания [3]:

«Законы физических явлений должны быть одинаковыми как для неподвижного наблюдателя, так и для наблюдателя, движущегося прямолинейно и равномерно, поскольку у нас нет возможности убедиться в том, участвуем ли мы в таком движении или нет».

Философский принцип А. Пуанкаре фактически включает в себя оба постулата А. Эйнштейна (гипотезы). Эти гипотезы были сформулированы Эйнштейном, опираясь на принцип Галилея-Пуанкаре, но без упоминания имени Пуанкаре. Многие исследователи отмечают эту научную нечистоплотность. Мы отказываемся от эйнштейновских постулатов, поскольку философский принцип Галилея-Пуанкаре имеет более высокий научный статус, нежели частнонаучные гипотезы, предложенные Эйнштейном.

Проблема на заре 20 века заключалась в том, как применить этот принцип к классической электродинамике и согласовать ее с классической механикой. На наш взгляд Эйнштейн «приватизировал» правильное направление. Однако он так до конца не смог осмыслить и продолжить развитие идеи Пуанкаре. Мировоззренческие и физические ошибки породили СТО, полную логических противоречий (парадоксов). Конечно, каждый человек имеет право высказывать свое мнение. Но научное сообщество должно уметь четко отделять «зерна от плевел». А для этого необходимо стоять на материалистических мировоззренческих позициях и твердо опираться на материалистическую теорию познания объективной истины [4].

А. Предварительные замечания. Напомним, что время едино для всех инерциальных систем, а пространство является общим для них. Преобразование Лоренца сохраняет инвариантной форму уравнений Максвелла, которые описывают электромагнитные волны (свет). Поэтому, в первую очередь, эти преобразования применимы к световым явлениям. С них мы и начнем анализ. Преобразование Лоренца удобно выражать через приращения (интервалов времени и пространственных отрезков):

(2.1)

Оно связывает пространственные интервалы и интервалы времени в системе отсчета, например, источника света, с теми пространственно-временными интервалами, которые будут передаваться с помощью света в систему отсчета движущегося наблюдателя и регистрироваться в ней. То, что информация передается светом, важный момент, который всегда следует иметь в виду. Как известно, при движении точечного источника светового излучения имеют место три важных эффекта: явление аберрации света, эффект Доплера и эффект искажения фронта световой волны. В силу этого для различения интервалов в разных системах отсчета мы будем ставить штрихи у переменных, относящихся к системе отсчета источника света.

Мы начнем обсуждение с эффекта Доплера. Значение термина "Аберрация света" в Энциклопедическом словаре Брокгауза и Ефрона формулируется следующим образом:

«Аберрация света состоит в том, что мы, наблюдая звезду, видим последнюю не в том месте, где она находится, вследствие движения Земли вокруг Солнца и времени, необходимого для распространения света. Если бы Земля была недвижима или если бы свет распространялся мгновенно, то и световой аберрации не существовало бы. Поэтому, определяя положение звезды на небе посредством зрительной трубы, мы должны отсчитать не тот угол, под которым наклонена звезда, а несколько — впрочем, очень мало, как сказано ниже, — увеличив его в сторону движения Земли….».

В момент наблюдения мы будем видеть наблюдаемое («кажущееся») положение движущегося источника света. Сам же источник сместится за время прохождения света от него к наблюдателю, и будет находиться уже в другой точке. Если рассматривать две инерциальные системы (система источника и система наблюдателя), то возникает вопрос: какова скорость их относительного движения? Он закономерен, поскольку мы имеем фактически две скорости. Одна из них наблюдаемая скорость v(t), связанна с видимым положением источника, другая V связана с действительным положением источника. В общем случае эти скорости могут быть различны.

Рис. 1

Эйнштейн «прозевал» этот важный момент. Он принял наблюдаемую скорость v(t) за действительную относительную скорость инерциальных систем. На самом деле только скорость V является действительной скоростью относительного движения.

Наблюдаемая скорость v(t) есть «искаженное отображение» действительной скорости движения в системе отсчета наблюдателя, полученное с помощью световых лучей. Если скорость V является характеристикой сущности, то наблюдаемая скорость v(t) это явление. Мы не будем здесь останавливаться на описании категорий «явление и сущность». О них мы подробно написали в работе «Аберрация света и парадокс Эренфеста» [5].

Б. Измерение скорости v(t). Относительную скорость движения v(t) можно измерить разными способами. Штрихи у символов будут всегда относиться к системе отсчета, связанной с источником светового сигнала (базовая система отсчета).

В базовой системе отсчета световой луч не испытывает аберрации, отсутствуют эффект Доплера и искажение фронта светового сигнала.

Первый способ. Он рассмотрен в [6]. В системе К' имеется неподвижный источник, который излучает короткие световые импульсы через равные интервалы времени DT'. В системе К мы будем видеть траекторию, "разделенную" этими вспышками на равные пространственные интервалы Dx, которые покоятся в системе К. Измеряя интервал времени между вспышками DT, в системе К можно определить наблюдаемую (кажущуюся) скорость движения инерциальных систем. "Кажущейся" мы называем эту скорость потому, что мы наблюдаем в системе К "искаженный" движением интервал времени DT’.

Из (2.1) следует

(2.2)

Наблюдаемая скорость равна:

 

Второй способ [6]. Мы можем в системе К' разместить линейку длиной Dx' , ориентированную вдоль скорости относительного движения инерциальных систем. В системе К траекторией движения будет прямая линия, на которой мы зафиксируем неподвижную точку. Измеряя время DT, за которое линейка проходит эту точку, можно вычислить скорость движения v(t). Эта скорость будет также зависеть от угла наблюдения q.

(2.3)

Независимо от способа измерений, мы имеем один и тот же результат. Замедление скорости имеет интересные следствия. Если v/c > 0.5, то при малых углах наблюдения q наблюдаемая скорость движения объекта будет превышать скорость света в вакууме.

Полученный результат имеет интересные следствия.

Во-первых, когда источник света виден наблюдателю под углом q = 90^о, мы имеем v(t)= v. Здесь наблюдаемая скорость совпадает с относительной скоростью движения инерциальных систем К' и К, которая входит в преобразование Лоренца. Скорость v, входящая в преобразование Лоренца, есть наблюдаемая скорость относительного движения инерциальных систем отсчета (явление). Она не является действительной скоростью относительного движения инерциальных систем отсчета.

Рис. 2

 

Во вторых, мы будем наблюдать неравномерное движение источника светового сигнала (рис. 2). Его наблюдаемая скорость постоянно уменьшается. Наблюдаемое "ускорение" (замедление) равно

 

где z – поперечная координата движущейся точки.

В частности, при q = 90^о ускорение равно a = -v³/cz. Существует ли "на самом деле" это ускорение или же нам это "кажется" (объективная "кажимость")? Означает ли это, что на движущуюся частицу действуют какие-то силы? "Реальны" ли эти силы или же они тоже "кажущиеся"? Как быть с принципом причинности? Ответ очевиден. Световые лучи, передавая информацию, искажают ее. По этой причине наблюдаемая скорость не может быть действительной скоростью относительного движения V.

В третьих, многие исследователи справедливо указывают на конвенциальный характер выбора угла q = 90^о. Почему именно этот угол был выбран А. Эйнштейном для определения действительной скорости относительного движения инерциальных систем отсчета? Ни Эйнштейн, ни его последователи не дали аргументированного ответа. Ссылка на аналогию с классическими представлениями неуместна.

В. Определение действительной скорости относительного движения инерциальных систем отсчета V. Зависимость наблюдаемой скорости движущегося объекта обусловлена искажениями светового луча и конечной величиной его скорости. При первом способе измерений Пространственные отрезки между наблюдаемыми вспышками остаются равными, но искажается наблюдаемый интервал времени между вспышками из-за эффекта Доплера.

(2.4)

Во втором случае наблюдаемое время DТ не претерпевает изменений, но искажается фронт волны. Вследствие этого нам будет казаться, что «длина» движущегося отрезка зависит от угла наблюдения q.

(2.5)

Интересно отметить, что существует критический угол наблюдения q_крит, при котором искажения отсутствуют, и мы будем наблюдать неискаженные интервалы времени и длины отрезков. При q_крит имеем Dx =Dx’; DT = DT’. При таком угле наблюдения (q = q_крит) мы сможем сравнительно просто определить действительную скорость относительного движения V. Она легко выражается через наблюдаемую с помощью световых лучей (эйнштейновскую) скорость относительного движения инерциальных систем.

(2.6)

Критический угол определяется выражением (2.7)

(2.7)

В отличие от наблюдаемой скорости v(t) действительная (неискаженная) скорость V не зависит от угла наблюдения q, т.е. неизменна для любой точки наблюдения или угла наблюдения. Эта скорость относительного движения инерциальных систем отсчета может быть выше скорости света (2.6).

Таким образом, рушится один из мифов СТО о существовании «предельной скорости распространения взаимодействий». Мы в наших работах не раз говорили, что этот постулат бессодержателен по смыслу. Взаимодействие есть процесс, а не материальный объект, и к нему неприменимы «механические» мерки.

Преобразование Лоренца, выраженное через действительную скорость относительного движения (2.4), имеет вид:

(2.8)

Оно сохраняет инвариантной форму уравнений Максвелла.

Это преобразование названо модифицированным преобразованием. Напомним, что никаких предположений относительно пространственно-временных отношений в инерциальных системах отсчета мы пока не делали. Что касается действительной относительной скорости движения инерциальных систем отсчета V, то она является обычной (классической) скоростью движения источника относительно наблюдателя и соответствует мгновенной передаче информации от источника к наблюдателю.

Критический угол q_крит интересен во многих отношениях. При нем отсутствует эффект Доплера и расстояние, проходимое световым лучом, отображается без искажений и т.д. Он важен при анализе движения светового источника по окружности. При анализе вращательного движения источника (наблюдателя) мы вернемся к нему и опишем его особенности.