Новая интерпретация теории относительности

НОВАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

В статье рассматриваются специальная и общая теории относительности с новой точки зрения. Сущность указанных теорий раскрывается с помощью метода моделирования. Это дает возможность не только понять действительный смысл преобразований Лоренца, но и по новому переосмыслить традиционный геометрический подход в теории гравитации. В ортодоксальной интерпретации СТО и ОТО на первый план выходят понятия пространства и времени вообще , что не позволяет выявить материальные корни этих теорий и фактически затушевывает их суть. Ньютоновскую физику роднит с СТО и ОТО то обстоятельство, что все они исходят из представления о мире, как о пространственно-временном вместилище всего сущего, независимом от материи. В рамках этих теорий мир, или пространство-время, может рассматриваться и в отсутствие материи. В настоящее время ясно, что это фундаментальное предположение выглядит недостаточно обоснованным. Целью настоящей статьи как раз и является попытка предложить другую структуру теоретической физики и указать то место на пути развития этой науки, начиная с которой она могла бы отклониться от выбранного ею магистрального пути.

1. ВВЕДЕНИЕ

На первый взгляд, в специальной и общей теориях относительности рассматривается и описывается пространство и время вообще физическое, биологическое, социальное и т. п. , а не определенные пространственно-временные характеристики определенных физических событий. Но как, например, не существует человека вообще , а существуют конкретные люди, так не существует и времени вообще , но есть конкретные временные процессы. Поэтому возникает вопрос : насколько оправдан в теории относительности указанный общий подход к понятиям пространство и время и как в действительности связаны пространственно-временные характеристики конкретных явлений, описываемых СТО и ОТО, с пространственно-временными параметрами других явлений ?

Для начала в качестве примера рассмотрим второй закон Ньютона

(1)

Несмотря на универсальность данного закона, здесь время означает не любое время, а время, связанное с определенными механическими процессами. Аналогичным образом обстоит дело и с другими формулами, где речь идет не об абстрактном времени вообще , а о времени, как характеристике определенных физических процессов. Не составляют исключения и формулы, получаемые из преобразований Лоренца.

В СТО две инерциальные системы отсчета (ИСО), соотносящиеся друг с другом, изолированны, т. е. физически не связаны между собой. Однако формулы свидетельствуют : в движущейся ИСО все временные интервалы растягиваются , а пространственные длины укорачиваются . О том, что происходит в движущейся ИСО, позволяют судить математические преобразования. Но в случае преобразований Галилея две ИСО соотносятся непосредственно, а в случае преобразований Лоренца такое соотнесение происходит с помощью материального посредника светового сигнала. То есть в первом случае имеет место двучленное отношение, а во втором трехчленное.

Между тем имеется универсальная закономерность, которую можно сформулировать так : отношение (результат сопоставления) двух систем не тождественно отношению трех и более систем. Именно этот факт и порождает те необычные пространственно-временные отношения между двумя ИСО, которые возникают в СТО.

Для пояснения сказанного рассмотрим следующий пример. Глаз меньше Солнца и на каком бы расстоянии ни находился наблюдатель, объективное двучленное отношение между глазом и Солнцем (отношение их размеров) остается именно таким. Но вот наблюдатель подносит к глазу ладонь и заслоняет Солнце. Тем самым в отношения включается третий элемент. Ясно, что двучленные отношения не тождественны трехчленным. Это можно выразить и математически, не упуская из виду конкретный характер данных отношений. В противном случае неверное истолкование математических соотношений приведет к выводу, что ладонь по мере приближения к глазу становится больше Солнца.

Обратимся теперь к известной релятивистской формуле

(2)

Какую реальную физическую нагрузку несут ее символы ? относится к условно покоящейся ИСО ; и - к движущейся ИСО. А к какой из этих двух систем относится скорость света c ? Ни к какой ! Процесс распространения электромагнитных колебаний это самостоятельный элемент объективного трехчленного отношения.

Подчеркнем, что формулы, получаемые из преобразований Лоренца, описывают конкретный физический процесс поведение света в различных ИСО. В преобразованиях Лоренца описывается световой сигнал, единый для двух ИСО. И условия, заданные этими преобразованиями, предполагают совместное, триединое рассмотрение движения света относительно как покоящейся, так и движущейся систем отсчета. В рамках преобразований Лоренца это - вопрос коренной, центральный, потому что события, описываемые в системах координат, соотносящихся со световым лучом, оказываются вторичными по отношению к главному событию движению света, представляя собой, по существу, проекцию светового луча на ту или иную систему координат, в результате чего и появляется возможность проводить соответствующие измерения и вычисления.

В трехэлементном соотношении

(3)

сокращается не длина вообще , а длина фиксации пробега светового луча. С самим светом, как и с обеими системами отсчета, ничего не происходит, но реальная проекция конкретного физического процесса на две ИСО будет разной.

С другой стороны, увеличившийся временной интервал в (2) означает, что в движущейся ИСО свету потребуется больше времени, чтобы покрыть расстояние, одинаковое с зафиксированным отрезком в покоящейся ИСО. При сравнении же результатов измерения оказывается, что временной интервал в движущейся ИСО как бы растягивается ( [1], с. 90-123).

Распространено мнение, что эффекты сокращения длин и замедления временных процессов характерны только для скоростей, близких к скорости света. Однако это далеко не так. Приведем в качестве примера летящий высоко в небе самолет. Его видимые размеры кажутся уменьшенными, а скорость движения (временной процесс) замедленной. Для пассажиров самолета те же явления на земной поверхности (например, движущиеся автомобили) выглядят аналогичным образом. То есть между наблюдателем на земной поверхности и наблюдателем в самолете существует равноправие, симметрия явлений. Но, в отличие от СТО, в этом примере параметром является не относительная скорость, а взаимное расстояние. Тем не менее структура формул для укороченных длин и растянутых временных интервалов аналогична формулам, получаемым в СТО. Этот наглядный пример в какой-то степени подтверждает вышесказанное. Не будь этой наглядности, то, изучая подобные формулы, можно было бы и в самом деле решить, что наш самолет укоротился , а время на нем замедлилось .

В следующем параграфе изложенные выше рассуждения мы подтвердим и подробно раскроем с помощью простой и наглядной (аналоговой ) модели СТО ( [2], с. 28-39).

2. МОДЕЛЬ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Рассмотрим систему, состоящую из двух наблюдателей и двух стержней (фиг. 1)

. Здесь АВ и A`B ` -стержни длиной, которые можно назвать единичными масштабами. В точках Д и Д ` расположены наблюдатели. R постоянное расстояние, R1 - переменное расстояние. Таким образом, каждый из наблюдателей жестко связан с соответствующим стержнем (системой отсчета). Из фиг. 1 легко получить следующие соотношения, справедливые относительно обоих наблюдателей

(4)

(5)

Соотношения (4) характеризуют кажущееся уменьшение длины одного стержня по отношению к другому стержню в зависимости от расстояния R1 . Соотношение (5) характеризует неизменность протяженностей обоих стержней при изменении расстояния R1 , то есть представляент собой инвариант преобразований. Отметим, что в (4) уменьшение длины не есть результат действия неких внутренних молекулярных сил в стержнях. Систему наблюдатель в Д стержень АВ назовем системойотсчета K; систему наблюдатель в Д ` -

стержень A`B ` назовем системой отсчета K ` . В каждой из указанных систем отсчета наблюдатели могут производить отсчет угловых размеров стержней по отношению друг к другу. Для наблюдателя в Д система отсчета К (стерженьАВ ) является собственной системой отсчета. Соответственно, для наблюдатенля в Д ` собственной системой отсчета будет система К ` (стержень A`B` ).

Однако, если наблюдатели не могут покинуть точки Д и Д ` (например, если R - большая величина), то априори они не смогут установить соотношения (4) и (5). Но пусть в точках A, B, A`, B` имеются зеркала. Тогда с помощью световых сигналов каждый из наблюдателей обнаружит, что выполняется следующее соотношение

(6)

где - постоянная величина с размерностью длины, характеризующая то обстоятельство, что стержни параллельны друг другу. Из (6) видно, что

.

Таким образом, наблюдатели в конце концов придут к следующим соотношениям, полученным из опыта

(4`)

(5`)

Пусть теперь наблюдатель в Д рассматривает в собственной системе отсчета К реальный временной процесс движение светового сигнала из точки А в точку В и далее в точку С . Так как, где c - скорость света ; - время движения сигнала из A в B , то

(7)

Далее, , где - время движения сигнала из точки A в точку C и

(8)

Подставляя (7) и (8) в (4 ` ) и (5 ` ) и учитывая, что величины можно взаимно не сокращать, а почленно умножить на подкоренное выражение, наблюдатель в Д получит соотношения

(4`` )

(5`` )

где - величина с размерностью скорости,

- величина с размерностью длины,

- инвариантная величина, характеризующая неизменную протяженность стержней и выраженная через пространственно-временные характеристики светового сигнала

Что конкретно означают соотношения (4 `` ) и (5 `` ) ? представляет собой расстояние, которое пробегает световой сигнал за время по отношению к системе K` и является проекцией светового луча на эту систему ; - время, за которое световой сигнал достигает точку C. Однако для наблюдателя в Д точки B` и C тождественны (совпадают). Поэтому наблюдатель в Д придет к выводу, что то же самое расстояние световой сигнал в системе K` пробежит за большее время (время как бы растянулось ). Для наблюдателя в Д скорость светового сигнала по отношению к стержню A`B` равна, то есть меньше c и поэтому сигнал затрачивает большее время для достижения точки B ` . Наблюдатель в Д ` получит те же соотношения (4 `` ) и (5 `` ), так как он вполне может считать, что световой сигнал испущен не из A в B , а из точки A ` в точку B ` . Отметим, что численные значения скорости света в обеих системах отсчета будут равны только в случае, если сигнал излучается из точки, лежащей в центре между A и A` на прямой ДД `. Но если наблюдатели изолированны друг от друга, то для них этот факт не имеет значения. Величина скорости света c для каждого из них будет предельной, а по отношению к другой системе отсчета она всегда будет иметь вид

(9)

Видно, что в модели СТО выполняются два положения : 1. Предельный характер скорости света в каждой из систем отсчета ; 2. Равноправие (симметрия) двух систем отсчета.

Из (9) видно также, что скорость v не может быть больше скорости света c , так как в этом случае мы получим мнимую величину скорости c` .

В модели СТО соотношения (4 `` ) и (5 `` ) описывают не пространство и время вообще , а только конкретные пространственно-временные характеристики светового сигнала по отношению к той или иной системе отсчета. Так как по своей логической структуре соотношения (4 `` ) и (5 `` ) аналогичны соотношениям, получаемым в СТО, то этот факт представляется исключительно важным. Аналогичным образом обстоит дело и с преобразованиями Лоренца, где речь идет не об абстрактном времени вообще , а времени, как характеристике движения светового сигнала по отношению к той или иной системе отсчета. Между тем общепризнанно, что в теории относительности описывается пространство и время вообще , то есть все пространственно - временные процессы: физические, биологические, социальные и т. п. В противном случае из-за неравного протекания указанных процессов был бы несправедлив принцип относительности и можно было бы вычислить абсолютную скорость системы отсчета наблюдателя.

С нашей точки зрения существует два возможных пути для согласования СТО с физической действительностью. Первый путь - признать, что СТО описывает только пространственно-временные характеристики световых сигналов, не имеющих никакого отношения к пространственно-временным характеристикам других явлений (физических, химических, биологических, социальных), то есть утверждается, что СТО не описывает пространство и время "вообще", а только конкретное физическое явление - движение светового сигнала по отношению к той или иной системе отсчета ( [1]) . Такой прямолинейный подход приводит к выводу, что СТО не может являться универсальной теорией пространства-времени и эта теория не может служить основой современной физики, так как она описывает только одно единственное конкретное явление - движение светового сигнала. .

Мы придерживаемся второго подхода, который заключается в том, что действительно в СТО пространство - время определяется только движением световых (или ему подобных) сигналов, но здесь явление движения светового сигнала является основой, базой для всех пространственно-временных отношений, в т. ч. физических, биологических, социальных и прочих. Принцип относительности непосредственно связан с указанным обстоятельством. Только в этом случае можно говорить о пространстве и времени "вообще" , основываясь на одном конкретном пространственно-временном материальном процессе.

Второй путь представляется более предпочтительным, так как соединяет между собой не подлежащий сомнению философский принцип материальности и разработанную Эйнштейном и подтвержденную всем последующим опытом теорию относительности.

Эйнштейн по данному вопросу высказался лишь однажды. Он писал : Теорию относительности часто критиковали за то, что она неоправданно приписывает центральную теоретическую роль явлению распространения света, основывая понятие времени на его законах (подчеркнуто мной А. К. ). Положение дел, однако, примерно таково. Чтобы придать понятию времени физический смысл, нужны какие-то процессы, которые дали бы возможность установить связь между различными точками пространства. Вопрос о том, какого рода процессы выбираются при таком определении времени, несуществен. Для теории выгодно, конечно, выбирать только те процессы, относительно которых мы знаем что-то определенное. Распространение света в пустоте благодаря исследованиям Максвелла и Лоренца подходит для этой цели в гораздо большей степени, чем любой другой процесс, который мог бы стать объектом рассмотрения ([3] , с. 24).

С нашей точки зрения, такая позиция Эйнштейна представляется неудовлетворительной. Если бы выбирались другие процессы, то в преобразованиях, аналогичных преобразованиям Лоренца, отсутствовала бы константа c скорость света. Но это недопустимо в силу предельного характера скорости света. Следовательно, основой пространственно-временных отношений в СТО является именно движение со скоростью света и центральная теоретическая роль явления распространения света совсем не случайна.

Световой сигнал строит пространственно-временные отношения между телами или структурными элементами тел, создает метрику. Ясно, что такое пространство-время может быть только относительным.

С этой точки зрения замедление распада нестабильных элементарных частиц связано с их структурным строением и увеличением времени обмена сигналами распада между структурными элементами частицы, так как скорость таких сигналов между этими элементами, с точки зрения покоящегося наблюдателя, равна и зависит от скорости v . В системе же отсчета движущейся частицы эта скорость равна скорости света c ( в единицах времени и длины этой системы отсчета ). Именно поэтому можно говорить, что каждая система отсчета обладает своим собственным временем.

На фиг. 1 можно явно показать величину скорости v . Так как, что является уравнением окружности, то мы получаем фиг. 1б. Из фиг. 1б видно, что при мы имеем

что является переходом от преобразований Лоренца к преобразованиям Галилея. При v > c наша модель теряет смысл.

В модели можно определить и так называемое пространство событий . Очевидно, что им является полуплоскость над прямой ДД ` , где каждая точка может быть охарактеризована временем и


29-04-2015, 01:56