В каждой области науки наше незнание постепенно переходит в частичное знание, а затем в более полное.
Представьте себе, что автор некоторой теории берет за ее основу область, еще не изученную современной ему наукой и вместо того, чтобы изучить эту область, приписывает ей
качества, удобные для построения теории.
Когда наши знания доходят до этой области и несостоятельность приписанных качеств становится очевидной, автор переходит к новой неисследованной области.
Таким образом получается постоянное опережение естественного прогресса науки.
Если представить себе, что этот гносеологический прием применяется в нескольких основопологающих моментах теории и в математическом соединении этих моментов, то мы получим
несколько огрубленную и несколько расширенную схему, которую, тем не менее, полезно иметь в виду при рассмотрении теории относительности.
Попав в круг действия этой схемы, человек полноcтью теряет ориентацию.
Что придает теории относительности убедительность?
Ее связь с опытами, с экспериментами.
Наша задача заключается в том, чтобы оторвать ее от экспериментов, то есть показать, что ее экспериментальное происхождение носит лишь видимый, но не действительный характер.
Как это делается?
Вот перед нами принцип постоянства скорости света.
Прежде чем рассматривать вопрос о постоянстве или непостоянстве скорости света, надо рассмотреть, что такое скорость света.
А прежде чем рассматривать, что такое скорость света, надо рассмотреть, что такое просто скорость, скажем скорость поезда.
Как оказывается, здесь мы имеем дело с движением и с измерением движения.
Надо изучить, как мы измеряем движение.
После этого можно переходить к рассмотрению того, как этот материал применяется в теории относительности.
Здесь надо предупредить читателя, что этот переход следует производить исключительно осторожно, так как фактически он означает обратный подъем от скорости поезда к скорости
света и далее к вопросу о постоянстве или непостоянстве скорости света.
Но подниматься по линии теории относительности означает подниматься на двадцатый этаж здания, у которого нет фундамента.
Поэтому не стоит торопиться с этим подъемом.
Или, скажем, запрет на сверхсветовые скрости.
Он введен, насколько это можно понять, из опасения нарушить закон причинности.
Прежде, чем как-то использовать закон причинности, целесообразно рассмотреть, что это за закон, откуда он взят, где его можно применять, и где его нельзя применять.
После этого можно переходить к рассмотрению того, как этот закон применяется в теории относительности.
Изгибание пространства-времени.
Прежде чем заниматься вопросом об изгибании пространства-времени, также надо рассмотреть, что такое просто время.
Сейчас мы рассмотрим некоторые из этих моментов немного более подробно.
1
Представление об относительности движения.
В "Общедоступной теории относительности" приводится следующий пример.
Поезд едет прямолинейно равномерно.
Сопротивление воздуха вокруг поезда не учитывается.
Пассажир, стоя у окна поезда, выпускает из руки камень без сообщения толчка и видит, что этот камень летит вниз по прямой, а человек, стоящий у полотна железной дороги, видит, что камень летит по параболе.
Далее автор делает некоторые заключения.
Рассмотрим этот пример еще раз.
Прикрепим к борту вагона с наружной стороны прямую, вертикально расположенную проволоку.
Изготовим также проволоку, имеющую форму параболы и укрепим ее на земле в вертикальной плоскости, параллельной полотну железной дороги.
Подъехав к этой проволоке, пассажир выпускает из руки камень, без сообщения ему толчка.
Чертеж 1
Камень пойдет и вдоль прямой проволоки, и вдоль параболической.
Стадии этого процесса видны на чертеже.
Чертеж 2
Заметим, что наблюдатель в вагоне видит не только то, что камень летит вдоль прямой проволоки, но и то, что камень летит вдоль параболической.
Наблюдатель на земле видит не только то, что камень летит вдоль параболической, но и то, что камень летит вдоль прямой проволоки.
Рассмотрим второй пример.
Возьмем камень, подбросим его и, пока он будет в полете, скажем: "камень летит (движется)", а когда камень упадет, скажем: "камень лежит (неподвижен)".
Что в реальной действительности описывается в данном случае словами "камень летит"?
Движение (изменение) физической системы камень-Земля.
Это хорошо видно из альтернативного варианта.
Когда камень упал, мы говорим: "камень лежит (неподвижен)".
А между тем, если в этом втором варианте немного расширить наш кругозор, мы увидим, что физическая система камень-Солнце движется /изменяется/, физическая система камень-Сириус движется (изменяется), а мы
говорим: "камень лежит (неподвижен)".
Очевидно, что мы имеем в виду физическую систему камень-Земля.
Почему же, в таком случае, мы так прямо и не говорим, а говорим "камень летит"?
Потому, что Землю, на которой стоим, попросту не замечаем.
Эта неточность выражения имеет исторические корни.
Как это понять?
Очень просто.
Перенесемся мысленно на двадцать тысяч лет назад.
На Земле сидит человек, видит бегущую собаку, сидящую кошку и говорит "собака бежит, кошка сидит".
Трудно было бы ожидать, что наш уважаемый предок стал бы говорить "физическая система собака-Земля движется (изменяется)".
Эта неточность выражения дошла и до наших дней.
2
Принцип относительности.
Галилео Галилей сделал следующее замечание.
Если в трюмах двух кораблей, один из которых движется прямолинейно равномерно, а другой находится в покое, производить опыты, то все эти опыты будут проходить в обоих кораблях одинаково.
Человек в трюме по течению этих опытов не сможет определить, в каком из кораблей он находится.
Опыт Майкельсона-Морли не обнаружил эфира.
Этот эфир предпологался неподвижным.
Необнаружение эфира оказалось большой неожиданностью для научной общественности того времени.
Эти результаты, то есть результаты опытов Галилея и Майкельсона суммировал Эйнштейн и сформулировал принцип относительности: законы, по которым изменяются состояния физических систем, не зависят от того,
к которой из двух координатных систем, движущихся относительно друг друга равномерно и прямолинейно, эти изменения состояний относятся.
Поставим вопрос почему считалось, что эфир необходимо должен быть?
Вспомним нашего уважаемого предка.
Когда Коперник и другие ученые лишили сначала Землю, а затем и Солнце прекрасного свойства неподвижности, он почувствовал себя неуверенно и ему захотелось опереться на что-то неподвижное.
На эту роль лучше всего подходил эфир.
Этот психологический момент, как мне кажется, сыграл определенную роль в постановке опыта Майкельсона.
Опытом Майкельсона эфир обнаружен не был.
Поскольку эфир обнаружен не был, значит надо сказать, что эфир обнаружен не был.
Этим заключением можно ограничиться.
Вовсе не обязательно запутывать все самым диким образом.
Это что касается опыта Майкельсона.
Перейдем к замечанию Галилея.
Поставим вопрос: возможны ли эксперименты, в которых эти корабли проявят себя по разному?
Введем третий корабль.
Пусть он движется произвольным образом.
чертеж 3
Тогда физическая система 1-3 будет двигаться (изменяться) не так, как движется (изменяется) физическая система 2-3.
Вот этот эксперимент.
3
Закон причинности.
Существуют две редакции этого закона.
1.Причина опережает следствие во времени.
2.Причина опережает следствие во времени во всех системах отсчета.
Первая была известна до появления в свет теории относительности, то есть на так называемом дорелятивистском уровне развития физики.
Вторая используется в теории относительности и была сформулирована её автором.
Рассмотрим здесь вторую формулировку.
Итак, причина опережает следствие во времени во всех системах отсчета.
Эта формулировка претендует на универсальный охват всех экспериментов без исключения.
Поэтому проверять её можно на любом эксперименте.
Рассмотрим её на примере бака с водой.
Возьмем бак с припаянным внизу краном, поставим на стол и нальем в него воду.
Пригласим также для участия в эксперименте четырех товарищей.
Пусть один из них выйдет из дома, сядет в автомобиль и поедет по дороге со скоростью 20км/ч.
Когда он уедет, откроем кран.
Вода начнет течь.
Второй товарищ, увидев это, должен выйти из дома, сесть в машину и поехать в том же направлении со скоростью 30км/ч.
Когда вода вытечет, третий товарищ должен выйти из дома, сесть в машину и поехать тоже со скоростью 30км/ч.
Устроим так, чтобы четвертый товарищ не видел начало и конец вытекания воды.
Немного погодя он выходит из дома, садится в машину и едет со скоростью 60км/ч.
Что происходит на трассе?
Второй товарищ догонит первого и сообщит ему, что вода начала течь, а затем третий товарищ догонит первого и сообщит ему, что вода кончила течь.
Четвертый товарищ догонит сначала третьего и услышит от него, что вода кончила течь, а затем второго и услышит от него, что вода начала течь.
Подытожим результаты.
Сам физический процесс идёт так, как он идёт, то есть вода течет сверху вниз.
В других условиях, например, в условиях невесомости, она просто не потекла бы.
Один из автомобилистов получил информацию об исходном физическом процессе в том же порядке, в котором он шел, а другой в обратном.
Нарушен-какой либо закон природы?
Нет. В этом нетрудно убедиться.
Эксперимент этот легко осуществим и не вызывает сомнений.
Значит нет ничего страшного в получении информации о физическом процессе в порядке, противоположном порядку самого физического процесса.
В этом виноваты условия наблюдения и система сигналов.
Поставим вопрос: что является причиной вытекания воды из бака?
Причиной вытекания воды из бака можно назвать и то, что мы налили в бак воду, и то, что открыли кран, и то, что называют тяготением Земли.
Но будет ли причиной вытекания воды из бака то, что наши товарищи выходят из дома, садятся в машины, куда то едут, о чем то переговариваются или же не переговариваются вообще?
Ясно,что нет.
Сейчас мы говорим простым, общепринятым языком.
Но современная наука изъясняется не так просто.
Пойдем навстречу принятому в научных кругах способу разговора.
Вручим первому и четвертому товарищу часы и прикрепим к первой и четвертой машине три линейки, пересекающиеся в одной вершине и под прямым углом.
Таким образом мы получим возможность назвать первую и четвертую машину системами отсчета и заключить, что выражение "причина в системе отсчета" является просто ерундой.
Это выражение является составной частью второй формулировки закона причинности.
Поэтому и эта формулировка является ерундой.
4
Принцип эквивалентности.
В общей теории относительности дано:
"...в пользу расширения теории относительности говорит еще один хорошо известный физический факт.
Пусть К - галилеева координатная система, то есть такая, относительно которой (по крайней мере в рассматриваемой четырехмерной области) некоторая масса, достаточнго удаленная от других, движется прямолинейно
и равномерно.
Пусть К1 - вторая координатная система, которая относительно К движется равномерно ускоренно.
Тогда достаточно изолированная от других масса совершает относительно К1 ускоренное движение, причем ни ускорение, ни направление этого ускорения не зависят от химического состава и физического состояния
этой массы.
Может ли наблюдатель, покоящийся относительно координатной системы К1, отсюда заключить, что он находится в "действительно" ускоренной координатной системе?
Ответ на этот вопрос должен быть отрицательным, ибо только что указанное поведение масс, свободно движущихся относительно К1, может быть столь же хорошо объяснено следующим образом.
Координатная система К1 не имеет ускорения, но в рассматриваемой пространственно-временной области имеется гравитационное поле, вызывающее ускоренное движение тел относительно системы К1.
Такого рода объяснение становится возможным благодаря тому, что из опыта нам известно о существовании силового поля (а именно гравитационного поля), обладающего замечательным свойством сообщать всем
телам одно и тоже ускорение.
Механическое поведение тел относительно координатной системы К1 будет таким же, какое обнаруживается на опыте по отношению к системам, которые мы привыкли рассматривать, как "покоящиеся" или как
"законные"; поэтому и с физической точки зрения естественно считать, что обе системы К и К1 с одинаковым правом могут рассматриваться как "покоящиеся", иначе говоря, обе системы равноправны в качестве
координатных систем для физического описания процессов.
Из этих соображений видно, что построение общей теории относительности должно одновременно привести и к теории тяготения, ибо гравитационное поле можно "создать" простым изменением координатной
системы."
Схема рассуждений автора такова: автор представляет некий мысленный эксперимент, задает вопрос, дает на него отрицательный ответ, апеллируя при этом к экспериментальным данным, делает заключения.
Обычно критика этого момента сводилась к попыткам показать, что человек может установить, что он находится в действительно ускоренной координатной системе.
Такая критика бесперспективна.
Приведём пример.
Допустим, вдали от небесных тел и близко друг к другу находятся две ракеты.
Двигатели обеих ракет выключены.
Физическеая система А-В не изменяется или почти не изменяется.
Двигатель ракеты В начинает работать и создает тягу.
Можно ли сказать, что ракета В движется ускоренно?
Речь идет о слове "движение".
Неграмотно говорить о движении одного тела, будь то ракета А или ракета В.
Если мы хотим немного более грамотно описать ситуацию, нужно сказать следующее.
Налицо две ракеты в пространстве.
Двигатели обеих ракет выключены.
Физическая система А-В не изменяется или почти не изменяется.
Двигатель ракеты В начинает работать.
Благодаря этому физическая система А-В движется (изменяется) с ускорением.
А как можно критиковать принцип эквивалентности?
Налицо опять две ракеты в протранстве.
Два варианта.
В первом варианте двигатели обеих ракет выключены.
Ракета А находится вблизи большого небесного тела и падает на него.
Ракета В находится вдали от тяготеющих тел.
Во втором варианте обе ракеты находятся вдали от тяготеющих тел.
Двигатель ракеты А выключен.
Двигатель ракеты В работает таким образом, что физическая система А-В движется (изменяется) так же, как и в первом варианте.
Если мы хотим ясно описать суть дела, надо сказать, что налицо физическая система, состоящая из двух тел, в двух различных вариантах.
В обоих случаях эта физическая cистема движется (изменяется) одинаково, но обусловлены эти движения (изменения) разными причинами, разными факторами.
Если реализован один второй вариант, надо сказать, что реализован второй вариант.
Если вместо этого сказать, что налицо первый вариант, такое объяснение не будет столь же хорошим.
Напротив.
Оно оставляет желать лучшего, так как на самом деле имеет место второй вариант.
5
Рассмотрев основополагающие моменты теории относительности, можно заключить, что переходить отсюда в сферу действия математики не представляется возможным.