Преобразование Лоренца без Эйнштейна

Г. «Деформация» отображения пространственных отрезков. Продолжим анализ явления аберрации. Обратимся к рис. 4. В системе отсчета, связанной с излучающим объектом, световой луч, распространяясь без искажений, проходит расстояние R’. Это расстояние на рис. 4 слева отображено отрезком ON’. Направление светового потока идет под углом q’0 по отношению к вектору скорости.

В системе отсчета, связанной с наблюдателем этот отрезок «деформируется». Наблюдателю будет казаться, что световой луч подходит к нему под углом q, а расстояние, которое он проходит со скоростью света, будет иным (отрезок ON на рис. 4 справа). Отношение наблюдаемого расстояния ON к действительному (не искаженному движением) расстоянию O’N мы будем называть «коэффициентом деформации». Поскольку скорость света в любой системе отсчета одинакова, этот коэффициент будет пропорционален отношению времен распространения света вдоль этих направлений

(3.6)

Формула (3.6) описывает явление «деформации» в системе отсчета наблюдателя, движущегося относительно источника. Наблюдателю будет казаться, что свет прошел иное расстояние, отличное от действительного. Этот эффект, откровенно говоря, релятивисты «проморгали».

Еще одна закономерность:

Расстояние R (см. рис. 4) равно расстоянию между наблюдателем N и источником светового сигнала O в момент излучения сигнала источником. Расстояние R’ отвечает расстоянию между O и N’ или O’ и N в момент приема сигнала наблюдателем.

Итак, постоянство скорости света в вакууме и независимость этой скорости от выбора инерциальной системы отсчета (требуемое принципом А. Пуанкаре) не противоречит классическим пространственно-временным отношениям. В силу этого можно дать непротиворечивое описание световых явлений в рамках классических представлений о пространстве и времени и опираясь на модифицированное преобразование.

4. Закон «преломления» светового луча

А. Закон "преломления" светового луча. Критики СТО ограничиваются, как правило, анализом эффектов "сокращения" масштабов движущихся тел и "замедлением" времени. К сожалению, они не принимают во внимание, что движущийся объект пролетает мимо них с наблюдаемой скоростью v(t), и наблюдатель по мере движения объекта вынужден рассматривать его под различными углами наблюдения q. При этом возникает ряд интересных явлений, с частью которых мы уже познакомились.

Угол наблюдения q образован двумя векторами: вектором скорости движущегося тела и вектором, направленным вдоль светового луча от движущегося источника к наблюдателю. Теоретически он может меняться от 0 до 180 градусов в системе отсчета, связанной с наблюдателем. В системе отсчета, связанной с движущимся объектом, этот луч будет иметь другое направление, т.е. идти под другим углом q' (меняясь тоже от 0 до 180 градусов).

Из преобразования Лоренца известны следующие соотношения:

где: f и f ' частоты принимаемого и излучаемого сигналов соответственно.

Запишем теперь угол расхождения между лучами (угол аберрации), который нам понадобится в дальнейшем:

Допустим, что движущийся объект это линейка длиной Dx', ориентированная вдоль вектора скорости V. Нетрудно видеть, что наблюдаемая длина линейки будет зависеть от V и q. Кажущаяся длина линейки есть (2.5):

.

Формула, связывающая Dx и Dx', позволяет получить очень важное соотношение, которое можно назвать законом "преломления". Для этой цели умножим Dx на sinq и преобразуем это произведение.

(4.1)

Физический смысл полученного выражения можно проиллюстрировать рис. 5.

Рис 5.

Величина d это толщина светового луча. Она сохраняется постоянной в любой инерциальной системе отсчета. Если учесть, что ширина этого луча не зависит от выбора инерциальной системы отсчета, можно сформулировать закон "преломления" света при переходе наблюдателя из одной инерциальной системы отсчета в другую:

При переходе наблюдателя из одной системы отсчета в другую световой луч не меняет своего сечения; он поворачивается на угол аберрации d = q' - q.

Б. Наблюдаемая форма движущегося объекта. Полученное соотношение можно с успехом использовать для описания видимой формы движущегося объекта. Пусть мимо нас со скоростью V, параллельной оси x, пролетает куб, ориентированный по осям x,y,z или x',y',z'. Пусть лучи от неподвижного куба размером а х а направлены в точку встречи с наблюдателем под углом q’ (рис. 6А).

Рис. 6

Если куб находится очень далеко от нас, то человеческий глаз увидит плоское изображение. Однако если человек знает, что форма предмета куб, его мозг быстро восстановит "изображение". Наблюдателю будет казаться, что летящий куб "развернут" на угол d по отношению к своей истинной ориентации (рис. 6 В).

Отметим следующее:

1.                Наблюдаемая форма куба сохраняется, но изображение будет поворачиваться при изменении угла наблюдения на угол d(q). Ориентация куба в движении вдоль оси х напоминает фигуру высшего пилотажа под названием "кобра". Наибольший наблюдаемый «поворот» куба будет при критическом угле наблюдения. Это напоминает во многом явление либрации.

2.                Пусть цвет куба зеленый, а его скорость порядка 0,7с. Цвет куба при изменении угла наблюдения будет меняться от фиолетового при малых углах и до красного больших скоростях. Изменение цвета - явление, известное под названием эффект Допплера.

Описанная выше визуальная форма движущегося куба есть сугубо субъективное явление, полученное при участии головного мозга. Это субъективная кажимость (как говорят: "обман зрения"). Теперь необходимо рассмотреть объективную кажимость (объективное явление), т.е. то, что мы будем измерять на самом деле, например, с помощью оптического дальномера.

В. Измеряемая форма движущегося объекта. Оставим в стороне иллюзии, связанные с субъективным человеческим восприятием (оптической иллюзией). Реальная форма объекта может быть получена методами радиолокации или иными объективными оптическими методами измерений расстояния с помощью световых лучей или электромагнитных волн. Однако нам нет необходимости использовать столь сложные средства, поскольку мы знаем закон "преломления" светового луча. Результаты измерений покажут, что (рис. 6 С):

1. Измеряемая с помощью световых лучей форма движущегося куба меняется, хотя с кубом на самом деле не происходит никаких изменений.

2. Изменение измеряемой формы куба связано с изменением направления фронта светового луча.

Закон «преломления» светового луча позволяет сравнительно просто определить наблюдаемую форму движущегося объекта. Например, если вписать в куб сферу, можно описать изменение ее формы при движении.

5. Локация Венеры

Прежде, чем переходить к экспериментам, связанным с локацией Венеры, рассмотрим три модели определения расстояния радиолокационным способом. Допустим, что мимо нас со скоростью V движется объект, расстояние до которого нам необходимо определить методом радиолокационных измерений. Для этой цели мы посылаем электромагнитный импульс к этому объекту и принимаем отраженный сигнал. Измеряя время распространения сигнала до объекта и обратно, и зная скорость света, мы сможем определить расстояние до объекта. От РЛС до объекта сигнал распространяется без искажений. Мы будем считать, что от РЛС сигнал распространяется со скоростью света без искажений, а отраженный сигнал искажается. Здесь возможны три различных варианта исчисления времени возвращения сигнала:

1)                При распространении к РЛС скорость света и скорость движения объекта складываются по закону параллелограмма (классическая механика Ньютона).

2)                Релятивистский вариант (специальная теория относительности). Время распространения сигнала от РЛС к объекту равно времени возвращения отраженного сигнала к РЛС.

3)                Вариант, учитывающий «деформацию» пространственного отрезка при возвращении отраженного сигнала к РЛС.

Не приводя простых расчетов, выпишем формулы для этих трех случаев:

1)                Первый вариант приводит к следующему значению времени прохождения сигнала «РЛС – объект – РЛС . При малых скоростях относительного движения мы будем иметь .

2)                Релятивистский вариант дает простой результат .

3)                Вариант с учетом «деформации» . При малых скоростях мы будем иметь . Таким образом, первый и третий варианты при малых скоростях дают одинаковый результат с точностью до членов (V/c)2.

А. Локация Венеры. Теперь мы можем обсудить результаты локации Венеры, приведенные в [7], [8]. Поскольку детальное описание приведено в указанной литературе, мы приведем цитаты, характеризующие эти измерения [7]:

«… Радиолокация Венеры в 1961 г. впервые дала возможность преодолеть технический барьер и выполнить решающий эксперимент по проверке относительной скорости света в пространстве. Предполагалось, что радар даст погрешность ± 1,5 км, и при этом из-за вращения Земли в вычисленных расстояниях могла возникнуть разность до 260 км в зависимости от того, какую принять из двух моделей для распространения волн. Венера наблюдалась в нижнем соединении.

В [3] на рис. 4 значения большой полуоси орбиты Земли – астрономические единицы (а.е.), полученные по ньюкомбовским орбитам Земли и Венеры и вычисленные по лазерным наблюдениям в Мильстоуне с использованием эйнштейновской модели (с - модели) для распространения света; при этом были обнаружены чрезмерно большие вариации в значении а.е., превосходящие иногда 2000 км….»

Действительно если экспериментально обнаруженные вариации иногда превосходят 2000 км при максимально возможном ожидаемом отклонении в 260 км, это уже не «погрешность вычислений», а непригодность теории. Для сравнения заметим, что «ньютоновский вариант» укладывается в пределы ошибок измерений ± 1,5 км. Продолжим цитирование:

«…Естественно, астрономическая единица имеет единственное значение, вариации же наблюдаемой величины превышали максимальное значение всех возможных ошибок. Вариации а.е. содержали суточную компоненту, пропорциональную скорости вращения Земли, тридцатидневную компоненту , пропорциональную скорости движения системы Земля – Луна и синодическую компоненту, пропорциональную относительным скоростям.

Я провел анализ восьми радарных наблюдений Венеры, опубликованных в 1961 г. [4], используя две модели: с и с + v. Результаты были опубликованы в 1969 г. В статье «Радарная проверка относительной скорости света в пространстве» [5]. На рис. 1 в [5] представлен график разностей между средними гелиоцентрическими радиус-векторами Венеры (вычисления велись по таблицам Ньюкомба) и 1) Ньюкомбовскими возмущенными радиусами – эта разность обозначена через N , и 2) радиусами, найденными по радарным измерениям расстояний для эйнштейновской с - модели (Е) и 3) ими же для галилеево-ньютоновской c + v - модели (G). Все разности выражены в миллионных долях а.е.

Так полный анализ с – модели по всем данным радиолокации дал значение планетных масс почти такие же, как у Ньюкомба, и при этом в Мильстоуне использовалась эйнштейновская с – модель [3], то кривая Е должна совпадать с N с точностью до максимально возможных ошибок в наблюдениях. Однако проанализированные мною наблюдения свидетельствуют против с – модели Эйнштейна, поскольку разности N – E значительно превосходят ошибку.

Точки на кривой G представляют значения, полученные по эфемеридам, которые я вычислил по методу Коуэлла для численного интегрирования уравнений движения. Хорошее согласие между эфемероидными точками и кривой G неопровержимо свидетельствует в пользу с + v - модели, т.е. подтверждает ньютоновскую модель движения света в пространстве…»

Итак, эксперимент опровергает предсказания специальной теории относительности. Но он не противоречит ни первому варианту, рассмотренному выше, ни третьему варианту. Есть еще эксперименты, не согласующиеся со СТО, но мы их рассматривать не будем.

Заметим, что аналогичная ситуация возникла в 1961 году. Тогда группа ученых, возглавляемых академиком В.А. Котельниковым, провела локацию Венеры другим способом и тоже обнаружила расхождения с предсказаниями теории относительности. Ученые были поставлены в такое положение, когда им пришлось «оправдываться» за эксперименты (природу), не оправдавшие надежды релятивистов.

Когда-то некий экспериментатор обратился к Эйнштейну, утверждая, что теория относительности противоречит его экспериментам. На это Эйнштейн ответил: «Тем хуже для эксперимента». Но это хуже и для научной истины, на которую опирается наука.

Б. Астероиды. Драматической может оказаться ситуация при возможной бомбардировке Земли блуждающим астероидом. Здесь ошибка в вычислениях может иметь катастрофические последствия для Человечества. Задумайтесь об этом апологеты теории относительности.

В. Второй «Gedanken Experiment» Эйнштейна. Теперь нам можно познакомиться с одним из «мысленных экспериментов» А. Эйнштейна, чтобы понять причину неудач специальной теории относительности. Обратимся к [9], где дано краткое описание второго эксперимента.

«В т о р о й о п ы т [9]. Сравнение хода часов. При сравнении хода часов, связанных с системами отсчета, движущихся друг относительно друга, необходимо помнить, что нельзя одни часы в системе S сравнить с одними часами в системе S’, так как часы пространственно совпадают друг с другом лишь в один момент времени. … Пусть в той точке, где расположены часы в системе S’, находится источник света (рис. 7).

Рис. 7

Световой сигнал, испущенный перпендикулярно к v, отразится зеркалом … и вернется обратно. Для наблюдателя в S’ время, необходимое для этого равно Dt’ = 2z0/c

Наблюдатель, покоящийся в S, измерит это время посредством пары часов… Так как скорость света не зависит от системы отсчета, ….

(15.4)

Интересно отметить, что для наблюдателя, покоящегося в системе S, время Dt больше, нежели собственное время. Это явление называется «замедлением времени»».

Комментарий. Напомним, что мы до сих пор придерживались классической концепции пространственно-временных отношений и не столкнулись с не интерпретируемыми явлениями. Мы предложим объяснение, оставаясь в рамках этой концепции.

Предварительное замечание. Световой луч, достигнув движущейся поверхности, отражается от нее. Точка отражения становится новым (вторичным) источником светового сигнала. В силу этого в системе отсчета S время возвращения светового луча будет искажено (эффект «деформации» расстояния). Оно будет отличаться от действительного времени прохождения. Здесь мы воспользуемся тем, что в системе отсчета любого источника излучения свет не претерпевает искажений.

Рис. 8

Время прямого прохождения от часов к зеркалу в собственной системе отсчета источника излучения (сплошная линия на левой фигуре рис. 8) равно DT = z0/c. Лучи, имеющие искажения, показаны на рис. 8 пунктиром.

Время обратного прохождения собственной системе отсчета точки отражения как источника (сплошная линия на правой фигуре рис. 8) равно . В системе отсчета, связанной с источником света, световой луч идет в обратном направлении как бы «медленнее», чем в прямом направлении. На рис. 8 сплошной линией показаны не «деформированные» участки пути света, а пунктирными – «деформированные».

Таким образом, действительное время прохождения луча равно . Тот же результат получается в системе отсчета, связанной с зеркалом. Он не зависит от того, в какой инерциальной системе мы измеряем время прохождения. В результате учета «деформации» расстояния эффект «замедления времени» исчезает. Никакого «замедления времени» в природе не существует! Нет и «сжатия» масштабов вдоль направления движения.

6. Эффекты при вращательном движении

А. Эффекты при круговом движении. Вращательное движение – одна из ступенек, где СТО проявила в полной мере свою несостоятельность. Но прежде, чем переходить к этим явлениям, обсудим вопросы отображения при критическом угле наблюдения (прямолинейное движение) (2.7).

Рис. 9

Следовательно, наблюдаемая скорость будет равна действительной линейной скорости движения источника света. Наблюдатель будет видеть движение светящегося источника по окружности с действительной линейной и угловой скоростью. Это имеет место только в случае, если наблюдатель покоится на оси вращения.

Рис. 10

Если же наблюдатель хотя бы немного сместится, все явления («деформация» расстояния, эффект Доплера, девиация аберрации) появятся вновь. Если же объект протяженный (не материальная точка), то возникает явление либрации при наблюдении движения планеты вокруг другого объекта из-за периодических колебаний во времени угла аберрации.

Мы не стали рассматривать вопросы, связанные с произвольным движением источника света и наблюдателя. Переход к этим вопросам усложнит описание и приведет к интегральным обобщениям, но сам подход к описанию явлений сохранится прежним. Определяющим фактором, как и ранее, останется величина скорости относительного движения, вычисляемая классическим способом (параллелограмм скоростей), и относительное расстояние между объектами.

Б. Парадокс Эренфеста. Он был сформулирован нидерландским физиком-теоретиком Паулем Эренфестом в 1909 году. Цитируем [10], обозначив буквами в скобках (а) места, которые будем комментировать:

«Описание. Рассмотрим плоский, абсолютно твердый диск, вращающийся вокруг своей оси таким образом, чтобы линейная скорость его края была сравнима со скоростью света по порядку величины. Согласно специальной теории относительности, длина края этого диска должна испытывать лоренцово сокращение, равное

где l - длина края вращающегося диска относительно внешнего наблюдателя, l0 - длина края вращающегося диска относительно внутреннего наблюдателя (находящегося на диске), v - линейная скорость вращения края диска, а c - скорость света.

Длины внутренних (относительно края диска) окружностей также должны испытывать это сокращение, но не пропорциональное, сохраняющее этот диск плоским, а такое, чтобы последний обретал отрицательную кривизну. В радиальном направлении лоренцова сокращения нет, поэтому радиусы диска должны сохранять свою длину.

Согласно Эренфесту, это свидетельствует о невозможности приведения абсолютно твердого тела во вращательное движение (поскольку абсолютно твердое тело не может изменять свою форму). В то же время, в классической механике известно множество примеров жестких дисков, вращающихся с достаточно большой скоростью (шлифовальные камни, крыльчатки пылесосов и т.д.), для которых эффекты специальной теории относительности должны быть ощутимыми

Решение. Данный парадокс является софизмом (a). Абсолютно твердое тело - это такая же идеализация, допускаемая классической механикой, как материальная точка, идеальный газ, идеальная жидкость и т.д. (b). Реальные тела не являются абсолютно твердыми и деформируются под воздействием соответствующих сил. Этот момент особо оговаривается в специальной теории относительности, в которой все воздействия передаются с конечной скоростью, не превышающей скорость света. В классической механике, если подействовать на абсолютно твердое тело некоторой силой, то все его точки должны мгновенно (одновременно) прийти в движение. Согласно специальной теории относительности, подобная ситуация невозможна, и точки тела не одновременно приходят в движение по мере того, как передают друг другу начальное воздействие с некоторой конечной скоростью. Следовательно, диск Эренфеста может вращаться и может изменять свою форму (c).

Впрочем, дело здесь даже не в этом, а в том, что сжатие тел, движущихся с околосветовой скоростью, - это кинематический эффект, который существует в одних системах отсчета и исчезает в других системах отсчета. Это сжатие не обусловлено никакими силами (поскольку происходит в инерциальных системах отсчета, движущихся равномерно и прямолинейно), оно обусловлено самой геометрией пространства-времени нашей Вселенной (d). Проблема в том, что в случае вращающегося диска говорить, что это сжатие не обусловлено никакими силами, можно только с большой натяжкой. Вращение диска - это неинерциальное движение, в котором действуют центробежные силы. Эти силы, правда, не искривляют диск, а только растягивают его в радиальном направлении (e). ….

Более того, в случае вращающегося диска мы не только не можем говорить, что его периметрическое сжатие не обусловлено никакими силами, но даже то, что это сжатие является лоренцовым! (f). Лоренцово сжатие происходит только в относительном движении, в котором мы всегда можем указать такую систему отсчета, в которой движущееся (и, соответственно, сжимающееся) тело покоится. Например, внутреннюю систему отсчета самого этого тела. Но во вращательном движении мы не можем указать такую (локальную!) систему отсчета, относительно которой вращающееся тело покоилось бы, которую невозможно было бы отличить от невращающейся системы отсчета….

Происходит это потому, что вращательное движение осуществляется не относительно каких-то конкретных тел, а относительно всего пространства-времени нашей Вселенной. Или, что равносильно, относительно всех материальных тел во Вселенной. Вполне возможно, что не только существующих, но и тех, которые существовали когда-то или будут существовать....

Пока теория относительности не ответит на эти вопросы, бесполезно искать решение данного парадокса, оставаясь в ее сегодняшних рамках. Можно только искать экспериментальное подтверждение обозначенных в нем эффектов... (g)».

Комментарии к объяснению. Пусть диск вращается вокруг оси z, а наблюдатель находится на оси диска. Согласно Эренфесту в соответствии с теорией относительности и преобразованием Лоренца имеют место два эффекта:

1.                «Сжатие» длины окружности при неизменном радиусе вращающегося диска (релятивистское «сокращение» длины). Это «сжатие» тем сильнее, чем больше расстояние от оси вращения и чем больше угловая скорость.

2.                Поскольку линейная скорость пропорциональна радиусу, периферийные слои должны вращаться медленнее, чем внутренние. Возникает постоянно нарастающее во времени смещение кольцевых слоев друг относительно друга.

Страницы: 1, 2, 3