<< назад

Н  А  Ш  И     Д  И  С  К  У  С  С  И  И


Уже не один десяток лет формулы специальной теории относительности Эйнштейна, в основе которых лежат преобразования координат Лоренца, вызывают недоумение, подчас переходящее в возмущение, поскольку вроде бы явно приводят к парадоксальным выводам.

Вячеслав
ЖВИРБЛИС
E-mail: zhvir@yahoo.com
СТО:
ФОРМУЛЫ И ФАКТЫ

Так, если два тела движутся относительно друг друга, то любое из них можно считать неподвижным, и поэтому непонятно, длина какого из них должна сокращаться и какое из них должно испытать эффект замедления времени: кто из близнецов постареет раньше - тот, кто остался на Земле, или тот, кто отправился в далекое путешествие с околосветовой скоростью? На этом основании не раз делались (и делаются до сих пор) попытки доказать, что подобные противоречия свидетельствуют об ошибочности СТО. Более того, некоторые критики СТО договариваются даже до того, что обвиняют Эйнштейна в том, что он - агент международного империализма и сионизма и выдумал специальную теорию относительности специально (простите за невольный каламбур!) для того, чтобы дурить головы порядочным людям...

И это — несмотря на бесспорные факты, которые заключаются в том, что именно СТО позволила создать ядерное оружие и что до сих пор именно с ее помощью во всех развитых государствах проектируются и успешно работают ускорители элементарных частиц.

Поэтому дело, конечно, не в том, что специальная теории относительности неверна (лоренцевы преобразования координат лежат в основе электродинамики Максвелла, которую никто не пытается опровергнуть, ибо это невозможно), а в том, что физическому смыслу эффектов СТО, скорее всего, дается ошибочная интерпретация.

Попробуем разобраться в этой проблеме, для чего сформулируем один необычный парадокс.

Парадокс стрелочника.

Поставим себя в положение стрелочника, наблюдающего проходящие мимо него поезда. Пусть этот стрелочник сначала определит длину неподвижного состава, измерив ее своей мерной лентой, и поставит на рельсах в его начале и конце фонари разных цветов (скажем, зеленого в начале и красного в конце), которые загораются только тогда, когда над ними находится локомотив или вагон. А сам стрелочник распо-ложится точно посередине этой заранее отмеренной дистанции и станет следить за тем, в каком порядке зажигаются и гаснут фонари, когда над ними проходит поезд.

Если поезд идет медленно, равномерно и прямолинейно, и поэтому его движение достаточно точно описывается классической механикой, все очень просто: сначала под локомотивом загорится красный фонарь, который погаснет только после того, как его минует последний вагон. Но поскольку длина неподвижного поезда в точности равна расстоянию между фонарями, то в тот же самый момент, когда погаснет красный фонарь, загорится зеленый, который будет гореть вплоть до тех пор, пока его не минует последний вагон (рис. 1а). Естественно, ничего не изменится и в том случае, если считать, что поезд неподвижен, а движется железнодорожное полотно вместе со стоящим рядом с ним «классическим» стрелочником (рис.16). Стрелочник, в точном соответствии с принципом относительности, не сможет определить - движется ли он, или покоится.

А теперь допустим, что поезд несется с околосветовой скоростью, когда должны наблюдаться заметные эффекты СТО - в частности, сокращаться длина движущихся тел. Что тогда станет наблюдать «релятивистский» стрелочник? Если он посчитает, что он сам неподвижен, а движется поезд, то сократится длина состава, и поэтому, когда красный фонарь уже погаснет, зеленый фонарь еще некоторое время (зависящее от скорости поезда) будет гореть (рис. 2а). Но если предположить, что движется он вместе с рельсами, а не поезд, то сократится расстояние между фонарями, и они некоторое время (тоже зависящее от скорости поезда) будут гореть одновременно(рис. 26).

Получается, что лоренцево сокращение длины вроде бы дает возможность «релятивистскому» стрелочнику объективно определить - движется он или покоится! Однако это невозможно согласно постулату самой же СТО. Значит, специальная теория относительности действительно неверна, так как внутренне противоречива?

Свет, сфотографированный на лету.

Решение этого парадокса может быть только тоже парадоксальным: «релятивистский» стрелочник не должен иметь возможности определить с помощью разноцветных фонарей движется ли он или покоится, но при всем при том обязан наблюдать нечто иное, чем его «классический» коллега. Иначе чем отличаются их теории?

Еще в 1972 г. в журнале «Успехи физических наук» (т. 107, с. 141) была опубликована статья Я.А.Смородинского и В.А.Угарова, посвященная этой проблеме. Авторы, не выдвигая никаких произвольных гипотез, а анализируя только формулы СТО, пришли к выводу, что, скажем, шар, движущийся с околосветовой скоростью, будет выглядеть не как дыня, сплюснутая вдоль направления движения, а как тот же самый шар. Но этот ШАР ДОЛЖЕН ВЫГЛЯДЕТЬ ВРАЩАЮЩИМСЯ!

Эта работа почему-то не получила широкой известности, хотя ее выводы имеют принципиально важное значение для понимания физического смысла эффектов, наблюдаемых в мире больших скоростей: «релятивистский» стрелочник, следя за вспышками фонарей, должен увидеть то же самое, что и его «классический» коллега, и не может решить - движется ли он, или покоится.

А именно, если «релятивистский» стрелочник посчитает себя неподвижным, то сделает лишь вывод, что вращается движущийся поезд (рис. За), а если решит, что неподвижен поезд, то заключит, будто вращается он сам, стрелочник (рис. 36). Но не сможет установить - кто «на самом деле» движется, а кто покоится.

То есть вопрос о существовании «абсолютной» скорости движения по инерции в «абсолютной» системе координат (и, следовательно, о существовании «мирового эфира», с чего вся эта запутанная история начиналась и продолжается по сей день) вообще лишен какого-либо физического смысла (именно это утверждение, как известно, и лежит в основе специальной теории относительности). Абсолютно лишь ус-коренное - например, вращательное - движение или, в общем случае, движение по искривленным траекториям.

Конечно, мысль о том, что лоренцево сокращение длины все же можно наблюдать, настолько въелась в сознание нескольких поколений читателей научной, научно-популярной и научно-фантастической литературы, что может показаться, будто описанный выше феномен представляет собой лишь очередной теоретический трюк, не имеющий никакого отношения к действительности. Однако дело в том, что реальность это го явления была доказана с помощью весьма наглядного и убедительного эксперимента. Тому, кто не верит, можно посоветовать разыскать в библиотеке журнал «Успехи физических наук» за 1973 год (т. 109, с. 157), в котором опубликован перевод статьи французского физика М.Дюге «Свет, сфотографированный на лету».

Принципиальная схема этого опыта такова. Современные лазеры позволяют создавать световые импульсы длительностью порядка пикосекунды (то есть 10'12 с) и даже менее. Пикосекундный световой импульс, летящий, естественно, со скоростью света, имеет длину всего около 10'2 см, то есть практически выглядит как точка. Если четыре пикосекундных лазера разместить по сторонам квадрата и заставить их сработать строго синхронно, то в пространстве со скоростью света полетят четыре световые точки, а если вслед за ними, через строго рассчитанный промежуток времени, испустить еще четыре синхронных пикосекундных импульса, то полетит как бы скелет куба, образованного восемью световыми точками, размещенными по его вершинам (рис, 4), И с помощью сверхскоростной кинокамеры можно зафиксировать, что происходит с ним во время его движения.

Так вот, бесстрастная кинокамера и подтвердила, что световой «куб» остается кубом, а не превращается в параллелепипед, сжатый по направлению движения, но при этом вращается, как то и предсказано теорией.

Существует, но не наблюдается.

Существует, но не наблюдается не только лоренцево сокращение длины движущихся тел, но и... «абсолютная» инерциальная система отсчета. Вот как это получается.

Для того, чтобы вообще можно было наблюдать движение, необходимо обязательно располагать двумя нехитрыми измерительными приспособлениями: мерной лентой с делениями, расположенными на одинаковых расстояниях R друг от друга, и часами, стрелки которых движутся по кругу со скоростью V и делают один оборот за время Т = 2*pi*R/V. В классической механике оба эти устройства связаны с «абсолютной» системой координат, и с их помощью можно, например, наблюдать (а без измерений не может быть и наблюдений!), как два тела движутся равномерно и прямолинейно с одинаковой скоростью Vo параллельно и потому всегда находятся друг от друга на одинаковом расстоянии Ro(рис. 5а).

В небесной механике существуют теоремы, называемые теоремами сложения движений. Согласно одной из них, параллельный перенос двух тел эквивалентен их взаимному вращению в противоположных направлениях - каждое из них, крутясь, как бы догоняет другое (рис. 5б). В этом случае кинетическая энергия поступательного движения просто заменяется равной ей кинетической энергией вращательного движения.

 А что произойдет, если в какой-то момент отказаться от «абсолютной» системы координат, а с ней и от возможности что-либо измерять? До этого момента система обладала определенным запасом кинетической энергии, а куда она потом девалась? Исчезла, как исчезло и само движение?

 Если «абсолютной» системы координат больше не существует, то поступательное движение можно заменить вращением только в том случае, если тела представляют собой не бесконечно малые материальные точки классической механики, а тела конечных размеров - скажем, с радиусом R. Тогда они, оставаясь на постоянном расстоянии Ro/R друг от друга, будут вращаться вокруг своих собственных осей со скоростью V/Vo (рис. 5в), то есть станут телами, обладающими спинами, как настоящие элементарные частицы.

 Это можно пояснить так: для земного наблюдателя Солнце восходит и заходит каждые 24 часа, а если бы наблюдатель находился на Солнце, то для него «восход» и «заход» Земли происходил бы каждые 27 суток (это период обращения Солнца вокруг своей оси). Не сложно сообразить, что все эти преобразования, позволяющие избавиться от «абсолютной» системы координат, сохранив при этом «абсолютный» характер движения, можно выразить простеньким соотношением: R/Ro = V/Vo.

 Имеют ли эти преобразования какой-либо физический смысл? Отождествим систему двух вращающихся тел с классической моделью атома водорода, находящегося в основном, невозбужденном состоянии. Тогда R - классический радиус электрона Re, a Ro - классический радиус атома водорода Рн, из чего следует, что Re/Рн = V/Vo = e^2/h = 1/137, где е - заряд электрона, h - постоянная Планка, а безразмерная величина 1/137 - так называемая константа Зоммерфельда, или постоянная тонкой структуры. То есть V - это скорость движения электрона в атоме водорода, a Vo - некая «абсолютная», но непосредственно не наблюдаемая скорость движения атома в «абсолютной» системе координат, равная скорости света С! Потому-то скорость света и фигурирует в знаменитой формуле Эйнштейна Е = mС^2.

 И, наконец, последнее. Известно, что на неподвижные электрические заряды действует только сила Кулона F>, а если эти заряды движутся параллельно друг другу, то на них действует еще и сила Лоренца Fл = - Fk(V^2*C^2), которая как бы ослабляет кулоновское взаимодействие. В результате суммарная сила взаимодействия движущихся зарядов F = Fk( 1 - V^2/С^2) становится равной нулю при V = С (рис.6). Иначе говоря, в «абсолютной» системе координат классической механики вообще нет никаких электромагнитных взаимодействий (святая истина!), но эти взаимодействия есть, слава Богу, в реальном мире (без них бы не существовало ни атомов, ни молекул, ни планет, ни звезд, не говоря уж о нас с вами), свойства которого как раз и описывает СТО. Что же в этом плохого?

Время - это часы.

Время почему-то считается непостижимой загадкой природы. Но еще Лукреций Кар писал:

Также и времени нет самого по себе, но предметы
Сами ведут к ощущенью того, что в веках совершилось,
Что происходит теперь и что воспоследствует позже;
И неизбежно признать, что ничем ощущаться не может
Время само по себе, вне движения тел и покоя.


 А современные физики говорят еще проще: «Время - это часы».

Действительно, время можно измерять только с помощью любого реального периодического процесса, и поэтому в нем и в возможности влияния на его ход физических воздействий нет ничего загадочного. Так, если по причине какой-то технической неисправности ваши часы станут сильно торопиться (то есть их стрелки станут двигаться быстрее), но вы продолжите полностью доверять их показаниям, не имея контактов с внешним миром (например, находясь в изолированном помещении при постоянной освещенности и температуре), то длительность суток для вас сократится. А если часы станут сильно отставать, то сутки станут как бы длиннее.

 Любые часы представляют собой тот или иной материальный объект, существующий как таковой только благодаря силам физических (например, электромагнитных) взаимодействий. Если величина этих сил изменится, то изменится и скорость хода часов (то есть скорость движения их стрелок). И в результате время будет течь либо быстрее, либо медленнее.

1. «Классический" стрелочник не может определить - движется ли поезд (а) или покоится, а движется сам стрелочник вместе с железнодорожным полотном (б).

2. Вследствие наблюдаемого лоренцева сокращения длины движущихся тел «релятивистский» стрелочник может определить - движется ли поезд (а) или движется стрелочник вместе с железнодорожным полотном (б).

3. Лоренцево сокращение длины движущихся тел существует, но не наблюдается «релятивистским» стрелочником, так как по криволинейной траектории движется либо поезд (а), либо стрелочник (б).


Самые простые часы - опять-таки классический атом водорода, в котором электрон вращается вокруг протона со скоростью V/Vo = 1/137, где, в соответствии со сказанным выше, Vo = С представляет собой некую «абсолютную», но непосредственно не наблюдаемую скорость движения в «абсолютном» пространстве (рис. 7). Такой атом устойчив лишь в том случае, если сила электромагнитного взаимодействия электрона и протона F = Fk - Fл равна центробежной силе Fu. А из этого условия несложно вывести; что «стрелки» атомных часов совершают один полный оборот за время Т = To/sqr(1-V^2/V0^2). И если по какой-либо причине величина V/Vo изменится, то измеряемое время станет течь либо быстрее, либо медленнее. И точно так же станет изменяться ход любых других часов - хоть механических, хоть биологических. Вот и все, что следует из специальной теории относительности.

Музыка Вселенной?

Согласно гипотезе Поля Дирака, все мировые константы, в том числе и скорость света, могут изменяться со временем. Если это так, то соответственно должны изменяться и силы всех физических взаимодействий.

 Прямые попытки обнаружить это явление экспериментально до сих пор не увенчались успехом из-за того, что ожидаемый эффект чрезвычайно мал. Но, возможно, неудачи объясняются еще и тем, что мировые константы изменяются не монотонно, - либо в сторону увеличения, либо в сторону уменьшения, - а совершают периодические колебания как и все, что происходит в живой и неживой природе, в результате чего создается впечатление, будто в среднем ничего особенного не происходит. Но если эти колебания не случайны, а слагаются из закономерного набора многочисленных гармоник, наподобие благозвучных музыкальных аккордов? Самый яркий тому пример - циклические колебания солнечной активности, в которых наблюдаются соразмерные периоды от нескольких минут до нескольких сотен лет. Общепринятого объяснения этому явлению не существует, и поэтому можно предположить, что колебания солнечной активности отражают ход неких вселенских «часов». Если это так, то в том же ритме должны протекать и другие явления природы.

4. Схема эксперимента, в котором было доказано, что движущиеся тела не деформируются, а выглядят вращающимися (красные точки - пикосекундные лазерные импульсы, фиксируемые сверхскоростной кинокамерой)
.
5. Параллельное равномерное движение двух материальных точек в «абсолютной» системе координат классической механики, где есть «абсолютные" единицы намерения длины и времени (а); эквивалентное ему взаимное вращение тех же материальных точек с теми же скоростями (б); эквивалентное этому движению вращение тел конечных размеров в случае отсутствия "абсолютной» системы координат (в).

6. При параллельном движении двух электрических зарядов между ними возникает сила Лоренца F», как бы стремящаяся ослабить силу электростатического взаимодействия Кулона F..


Еще А.Л.Чижевский установил связь между активностью Солнца и процессами, происходящими в биосфере. А наш современник С.Э.Шноль обнаружил связь между солнечной активностью и колебаниями скорости процессов, происходящих не только в биологических, но и биохимических, химических и даже физических системах - вплоть до процессов радиоактивного распада! А другому нашему современнику, Б.М.Владимирскому, удалось установить, что циклически меняющаяся солнечная активность достоверно коррелирует с результатами многих точных физических измерений - вплоть до измерений скорости света и гравитационной постоянной (см. «ТМ», №8 за 1999 г.)...

Все эти явления (называемые макрофлуктуациями) как раз и можно объяснить колебаниями хода мировых «часов», оказывающих влияние на силы электромагнитного взаимодействия. Автору этих строк тоже удалось наблюдать подобный эффект с помощью несложного устройства, позволяющего регистрировать флуктуации работы выхода электронов из металла в полупроводник (патент РФ № 2006988).

Работа выхода электрона - это энергия, которую ему нужно сообщить для того, чтобы он был способен преодолеть границу раздела фаз, а эта энергия, естественно, зависит от сил электромагнитного взаимодействия частицы с кристаллической решеткой. Поэтому, если на противоположные поверхности полупроводниковой пластины напылить тонкие слои различных металлов, которые характеризуются различными работами выхода электронов, то при изменениях этих величин в цепи должны возникнуть колебания тока, а их можно зарегистрировать с помощью чувствительного микроамперметра (рис. 8).

7. Простейшие "часы" Вселенной: классический атом водорода.
8. Принципиальная схема электрофизического «кольцара»: а - полупроводник (фосфид галлия); б - алюминий; в - серебро; г - микроамперметр.
9. Флуктуации тока в электофизическом "кольцаре", связанные с вориациями активности Солнца


Такие колебания действительно удалось обнаружить (рис. 9), причем они действительно оказались достоверно связанными с изменениями активности Солнца. Более того, на протяжении трех месяцев непрерывных измерений в цепи этого устройства, помимо флуктуаций, наблюдался и постоянный ток, возникновение которого невозможно объяснить тривиальными причинами. Это устройство можно с полным правом назвать электрофизическим аналогом «кольцара» Лазарева (см. «ТМ» № 7 за 1999 г.).

Так что, уважаемые господа: факты свидетельствуют о том, что, критикуя СТО, вы критикуете не Эйнштейна, а матушку-природу Или, если угодно, самого Господа Бога, сотворившего столь странный мир...


ТЕХНИКА - МОЛОДЕЖИ 11'1999