Опря Вадим Романович: другие произведения.

1. Принципы теории относительности и свойства времени. Главы 5 - 8

Журнал "Самиздат": [Регистрация] [Найти] [Рейтинги] [Обсуждения] [Новинки] [Обзоры] [Помощь]
Peклaмa:
Конкурс "Мир боевых искусств. Wuxia" Переводы на Amazon!
Конкурсы романов на Author.Today
Конкурс Наследница на ПродаМан

Устали от серых будней?
[Создай аудиокнигу за 15 минут]
Диктор озвучит книги за 42 рубля
Peклaмa
 Ваша оценка:
  • Аннотация:
    Главы 5 - 8.
    Последнее обновление 28/04/2011

Опря В. Р.

Принципы теории относительности и свойства времени




5. Метод радарной одновременности



Акустическая локация и радиолокация получили широкое распространение в технике уже после создания теории относительности. Тем не менее, в теории относительности получил распространение термин "радарная одновременность", который имеет непосредственное отношение к использованию, для ориентации в пространстве, отраженных сигналов.
Рассмотрим использование метода радарной одновременности на примере подводной лодки. Подводная лодка плывет на глубине в темноте, и, для того, чтобы собирать информацию о своем окружении, посылает вперед ультразвуковой сигнал, принимает его отражение и по этим данным определяет, какие объекты расположены у нее по курсу, на каком расстоянии они расположены и с какой скоростью движутся относительно самой лодки.
Технически это происходит так: в момент времени t1 наблюдатель с подводной лодки посылает со скоростью v (относительно подводной лодки) сигнал в направлении некоторого объекта, в момент времени t2 сигнал достигает цели и отражается обратно (рис. 26). Скорость v можно найти как разницу между скоростью звука в воде и скоростью самой подводной лодки относительно воды. Отраженный сигнал движется обратно со скоростью u (относительно подводной лодки) и в момент времени t3 достигает наблюдателя. Скорость u, очевидно, поскольку сигнал идет навстречу движущейся подводной лодке, равна сумме скорости звука в воде и скорости самой лодки.
Рисунок

Предположим, что пространство, в котором движется лодка, однородно. Поэтому, на всем протяжении пространства от лодки до объекта, скорости v и u считаем постоянными. И еще, считаем, что скорости v и u могут быть измерены наблюдателем. Также, наблюдателю известны моменты времени t1 и t3. То есть, наблюдателю точно известно, в какой момент он отослал сигнал и в какой момент он принял отражение этого же самого сигнала.
Событие отражения сигнала от объекта происходит вдали от наблюдателя, находящегося на подводной лодке, и этот момент времени он непосредственно засечь не может, поэтому, этот параметр, как и расстояние от наблюдателя до объекта, при проведении эксперимента неизвестен, но может быть найден расчетным путем.
Посмотрим, как весь этот процесс выглядит в координатной системе отсчета подводной лодки (рис. 27).
Рисунок

Скорость сигнала идущего к объекту и скорость сигнала возвращающаяся обратно различны потому, что сама подводная лодка движется относительно воды, то есть, среды распространения сигналов.
Промежуток времени, прошедший от момента испускания импульса, до момента принятия отраженного сигнала, может быть определен по формуле:
Формула

Откуда легко рассчитать расстояние от подводной лодки до объекта в момент отражения сигнала:
Формула

И теперь уже совсем просто рассчитать точный момент t2, в который сигнал достиг объекта и отразился:
Формула

Технически, локация в технике получила распространение в середине двадцатого века, но уже в начале двадцатого века уже было четкое понимание принципов этой технологии. И в начале двадцатого века к этому методу определения времени удаленного события, было добавлено одно существенное дополнение. Обнаружилось, что скорость света в вакууме - постоянная величина, которая не зависит от скорости, с которой движется наблюдатель. Оказалось, что в любой системе отсчета скорость света одинакова.
Использование квантов света, как носителей информации для методов локации, принципиально изменило методику определения одновременных событий. По крайней мере, в классической физике. Теперь, появился сигнал, скорость которого в вакууме не нужно было измерять, и она всегда заранее была известна. Формулы, описывающие процесс локации, упростились до крайности (смотри рис. 28):
Формула

и
Формула

Причем, согласно принципам теории относительности, эти формулы верны независимо от скорости движения наблюдателя, то есть, в любой системе отсчета. Для любого из наблюдателей, процесс локации им окружающего пространства будет выглядеть так:
Рисунок

На этом рисунке Наблюдатель A, с которым связана система отсчета Ot, проводит локацию другого объекта B. В некоторый момент времени (событие A1), наблюдатель посылает электромагнитный импульс в направлении другого объекта. Этот импульс (он показан штрихпунктирной линией) со скоростью света движется к своей цели, достигает ее (событие B) , отражается и движется обратно, опять же, со скоростью света. В некоторый момент времени (событие A3) наблюдатель регистрирует отраженный сигнал. Зная, что скорость света постоянна, наблюдатель может заключить, что промежутки времени, которые необходимы свету для достижения объекта B, и для того, чтобы вернуться обратно, равны. Из этого он делает вывод, что событие B произошло одновременно с некоторым событием A2, которое делит интервал A1A3 ровно пополам:
Формула

Такая методика определения пар одновременных событий использовалась еще в теории эфира Лоренца, в которой она называлась методом k-коэффициента, а в двадцатых годах двадцатого века в теории относительности она получила распространенное сейчас название метод радарной одновременности или метод радара.
Но уже в теории эфира Лоренца, было обнаружено, что наблюдатели, которые движутся относительно друг друга с достаточно большой скоростью, используя метод радара, получат разные результаты, и этот эффект был назван парадоксом одновременности. Вот как будет выглядеть определение одновременных событий в разных системах отсчета (рис. 29).
Рисунок

Предположим, что первый наблюдатель, который движется равномерно и прямолинейно, в событии A1 посылает световой сигнал в направлении события B, и в событии A3 принимает отраженный сигнал, и на основе полученных данных строит прямоугольную декартову систему координат. Если наблюдатель принимает самого себя в качестве начала отсчета, то в этой системе отсчета он сам неподвижен, и изменяется только время. Поэтому, ось времени t он построит через события A1, A2 и A3. Перпендикулярную оси времени пространственную ось x, он построит через одновременные события A2 и B. Все это построение основывается на том же принципе, как и построение перпендикуляров в евклидовой геометрии. Именно в прямоугольной декартовой системе координат A2tx, построенной первым наблюдателем, по результатам проведенных им измерений, изображены все события на рисунке 29.
Пусть, то же время, второй наблюдатель, который движется тоже равномерно и прямолинейно, но с некоторой скоростью, относительно первого наблюдателя, проводит аналогичные измерения. Дополнительно, предположим, что в событии A2 оба наблюдателя оказываются практически в одной точке пространства. Изобразим измерения, сделанные вторым наблюдателем, в системе координат построенной первым наблюдателем, то есть на том же рисунке 29.
В событии A'1 второй наблюдатель посылает сигнал в том же направлении, что и первый наблюдатель и в событии A'3 получает отраженный сигнал. Он тоже знает, что скорость света постоянная величина и использует этот факт. Ровно посередине, между событиями A'1 и A'3, расположено событие A'2. И наблюдатель, зная, что луч света, двигаясь с одинаковой скоростью в направлении события B' и обратно, должен был преодолеть одинаковое расстояние, приходит к выводу, что одновременны события A2 и B'.
В построенной вторым наблюдателем, на основе его измерений, системе координат, те же самые события происходят зеркально наоборот (рис. 30). И второй наблюдатель может решить, что именно он правильно построил систему координат, а ошибся первый наблюдатель.
Рисунок

Таким образом, еще Лоренцу был известен принцип относительности одновременности. Точнее, принцип относительности одновременности, определенной по методу k-коэффициентов. Или по методу радарной одновременности, как принято говорить сейчас. Полученные по методу радарной одновременности одновременные события будут всегда расположены перпендикулярно мировой линии, по которой движется наблюдатель. То есть, мировая линия и линия, соединяющая одновременные события, будут расположены под углом 0+d. Но у Лоренца, в отличие от теории относительности, было свое объяснение этого явления.
Теория эфира Лоренца основывалась, фактически, на двух принципах, на принципе невозможности обнаружить выделенную систему отсчета, и принципе постоянства скорости света, почти так же, как в теории относительности Эйнштейна. В некоторых источниках, именно в такой редакции излагаются и принципы теории относительности, а в результате, авторы этих трудов вынуждены искать другие различия между теориями Лоренца и Эйнштейна, и, естественно, вынуждены уделять повышенное внимание критике теорий эфира.
Как я уже отмечал, после 1915 года Эйнштейн пересмотрел свои взгляды на многие физические концепции, и именно это позволило ему сформулировать общую теорию относительности. В частности, начиная с 1918 года, Эйнштейн пишет в своих статьях о том, что пространственно-временной континуум это и есть релятивистский эфир. И, если бы причина разногласий между Эйнштейном и Лоренцам сводилась к спору о существовании эфира, то Лоренц должен был праздновать победу. Но этого не произошло. Наоборот, Лоренц признал правоту Эйнштейна, стал помогать ему в работе, и всячески популяризировал теорию относительности.
Этот факт объясняет В. Л. Гинзбург в статье "Кто и как создал теорию относительности", опубликованной в Эйнштейновском сборнике за 1974 год:
"Сейчас, после создания СТО, мы знаем, что это свидетельствует как раз о соблюдении принципа относительности в электродинамике, но Лоренц отнюдь не считал время t' временем в движущейся системе отсчета, он называл это время местным и полагал, что "имеет дело просто со вспомогательными величинами, введенными лишь с помощью математического ухищрения". В частности, переменную t' нельзя было назвать "временем" в том же смысле, как переменную t. В 1915 г. Лоренц писал то же самое: "Главная причина моей неудачи заключалась в том, что я всегда придерживался мысли, что только переменную t можно рассматривать за истинное время и что мое местное время t' должно рассматриваться не более как вспомогательная математическая величина".
Речь идет о том, что истинным временем в теории эфира Лоренца могло быть только одно время t, связанное с абсолютной системой отсчета. Во всех остальных системах отсчета ход времени был искажен, но наблюдатель этого не замечал - физическая иллюзия. Ему казалось, что время идет точно так же, но его ощущение хода времени, местное время t' было только иллюзией или, с точки зрения математики, вспомогательной величиной.
И далее:
"Лоренц и Пуанкаре понимали этот принцип лишь как утверждение о невозможности заметить равномерное движение тела относительно эфира. Перейти отсюда к рассмотрению всех инерциальных систем отсчета как совершенно равноправных (такова современная формулировка принципа относительности) можно без особого труда, только если понимать преобразования Лоренца как имеющие смысл перехода к движущейся системе отсчета". [16 стр. 367].
Вот теперь, все становится на свои места. Основой разногласий были представления о существовании абсолютного времени и абсолютного пространства в теории Лоренца, и отрицание этих концепций релятивистами. Лоренц полагал, что пространство само по себе не может быть пустым "ничто" и обладает физическими свойствами. И он видел только одну форму такого существования пространства - форму трехмерного эфира и абсолютной, хотя и не выделенной среди прочих, системы отсчета. Когда Эйнштейн показал, что идею мирового эфира можно "релятивировать", Лоренц признал теорию относительности. Если бы основой их разногласий были именно представления об эфире, то следовало признать, что прав оказался Лоренц, а не Эйнштейн.
Лоренц в первом десятилетии двадцатого века полагал, что существует только одна система отсчета, в которой идет истинное время t, а во всех остальных системах собственное время наблюдателя t' это лишь иллюзия. Эта физическая иллюзия, по мнению Лоренца, вызванная сокращением длин, замедлением хода времени и увеличением массы движущихся тел, не позволяет наблюдателю определить, находится ли он в абсолютной системе отсчета или в системе отсчета движущейся относительно этой абсолютной системы.
Эйнштейн был согласен с Лоренцем в том, что скорость света постоянна в любой системе отсчета. Эйнштейн был согласен с Лоренцем в том, что выделенную систему отсчета обнаружить невозможно. Различие в их подходах состояло в том, что Лоренц считал, что среди всех различных систем отсчета, в которых физические законы кажутся совершенно одинаковыми, есть одна абсолютная система отсчета, обнаружить которую невозможно, потому, что она никак не выделена.
А Эйнштейн предположил, что различные инерциальные системы отсчета не просто кажутся одинаковыми, а действительно физически эквивалентны.
Очевидно, теория относительности была непонятна значительному числу физиков в первой половине двадцатого века, но признание Эйнштейном существования релятивистского эфира, было уже непонятно большинству физиков релятивистов. А поэтому, ряд важнейших концепций, развитых Эйнштейном в ходе его работы над созданием теории поля, во многих трактовках теории относительности, выпадают из физической картины мира, просто потому, что концепции, развитые Эйнштейном, не вписываются в эти трактовки.




6. Поворот системы отсчета



Для объяснения того, что двигающиеся с разной скоростью наблюдатели различным образом определят пары одновременных событий, в теории эфира Лоренца был введена величина, которая получила название "дефект одновременности". Дефект одновременности можно определить как систематическую ошибку, возникающую при синхронизации удаленных часов в движущейся системе отсчета. Согласно теории эфира Лоренца, по причине дефекта одновременности, движущийся наблюдатель определит пары одновременных событий неверно, и, чем с большей скоростью он движется, и, чем дальше от него в направлении движения расположено наблюдаемое событие, тем больше будет ошибка. Рассматривать концепцию дефекта одновременности удобно на классическом примере поезда, с большой скоростью движущегося мимо неподвижной платформы (рис. 31).
Рисунок

В некоторый момент времени наблюдатель A, находящийся на середине платформы и наблюдатель B, находящийся в середине движущегося поезда, оказываются практически в одной точке пространства и времени A2=B2. Наблюдатель A, находящийся на платформе, при помощи метода радарной одновременности определит, что одновременно с событием A2 происходят события C2 и D2, а так же, все события, которые расположены на прямой линии C2D2. Для этого, он в событии A1, отправит к концам платформы световой сигнал, а в событии A3 получит отражение этого сигнала. Таким образом, он синхронизирует показания своих часов с часами, которые расположены по краям платформы и по этим данным построит систему координат taxa, которая и показана на рисунке 31.
В этой системе координат, движущийся наблюдатель перемещается по мировой линии B1B2B3. Для определения одновременных ему событий, этот наблюдатель тоже использует световые сигналы, скорость которых одинакова и в системе отсчета наблюдателя A, и с точки зрения наблюдателя B. Предположим, что длина поезда равна длине платформы, по крайней мере тогда, когда поезд неподвижен, относительно этой платформы. Тогда, одновременные событию B2 моменты времени, определенные наблюдателем B, по методу радарной одновременности, будут расположены вдоль линии E2F2.
Как видно из схемы, прямые линии E2F2 и C2D2 пересекаются только в одной точке, в событии A2=B2. Чем дальше от этой точки расположено событие, тем больше разница в определении того, в какой момент времени то или иное событие произошло. Вот эта разница и была названа дефектом одновременности.
Величина дефекта одновременности пропорциональна расстоянию в пространстве от события, в котором произошло некоторое событие, до точки, в которой были синхронизированы часы наблюдателей A и B. А еще, эта величина пропорциональна скорости, с которой движется наблюдатель B, относительно наблюдателя A.
Формула

где: T - дефект одновременности, L - расстояние от события, до точки синхронизации, v - относительная скорость движения наблюдателей, а c - скорость света в вакууме.
Согласно этой же формуле, при одинаковых скоростях удаленных наблюдателей, v=0, дефект одновременности отсутствует, то есть, они могут одинаково синхронизовать свои часы и окружающие их события. Кроме того, независимо от относительной скорости движения наблюдателей, когда они находятся в одной точке пространства, они могут одинаково синхронизировать свои часы, то есть, произвести локальную синхронизацию, а вот окружающие из события ими будут определены с дефектом одновременности.
Локальная синхронизация, это один из абсолютов теории относительности:
"Если два события происходят одновременно в одном и том же месте, то они остаются одновременными для любого наблюдателя, как бы он ни двигался". [13 стр. 28]
В то же время синхронизация отдельных событий расположенных удалено, всегда относительна. Проведем мысленный эксперимент. Предположим, что расположившись неподвижно на поверхности Земли, Вы рассчитываете некоторое событие, которое должно произойти одновременно с Вами в ближайшей большой галактике, подобной нашему Млечному Пути, галактике M31 или Туманности Андромеды, которая находится на расстоянии 2,56·106 световых лет. Теперь, предположим, что Вы садитесь в машину и начинаете двигаться в направлении Туманности Андромеды со скоростью 60 км/час = 16,7 м/с, относительно поверхности Земли. Теперь, рассчитанное Вами одновременное событие сместится в прошлое на величину
Формула

Учитывая, что один световой год равен примерно 9,46·1015 метров, а скорость света в вакууме равна 299792458 м/с, то это смещение составит примерно
Формула

Это примерно пять с половиной суток. Совсем немного, учитывая, что световой сигнал от этого события будет идти до Земли два с половиной миллиона лет. Как видите, при таких скоростях, явление существует, но его обнаружение представляет собой очень сложную задачу. Если Вы разогнались бы до космических скоростей, например, 60 километров в секунду, то смещение измеренного вами одновременного события уже составило бы
Формула

Космические скорости, это еще не релятивистские, но на таких значительных расстояниях дают уже ощутимый сдвиг одновременных событий.
Будет ли означать такой сдвиг в 54 года, что Ваше ускорение реально сместило ход времени в галактике Туманность Андромеды на эту величину? Конечно, нет. Не будет ли этот результат означать, что сами Вы перенеслись во времени на 54 года? Тоже нет. Величина в 54 года связана только с поворотом построенной Вами системы координат и применяемой Вами методикой измерения одновременных событий.
Это явление в теории относительности принято называть относительностью одновременности, и заключается оно в том, что абсолютно определить одновременность удаленных отдельных событий невозможно. Используя метод радарной одновременности, разные наблюдатели могут получить различные результаты. Например, наблюдатель, расположенный на платформе, используя метод радарной одновременности, построит координатную сетку время/расстояние, показанную на рисунке 32. На этой схеме изохронны (линии, показывающие одновременные события в этой системе отсчета) расположены перпендикулярно оси времени. Наблюдатель в поезде, используя тот же самый метод, построит точно такую же координатную сетку, как на рисунке 32, только вместо перрона, вдоль координатной оси расположится поезд.
Рисунок

А вот с точки зрения наблюдателя расположенного на перроне, построенная движущимся наблюдателем координатная сетка будет искажена (рис. 33). Это мы, зная правила построения перпендикуляров в геометрии Минковского, можем утверждать, что построенные движущимся наблюдателем изохронны, перпендикулярны оси времени tb. Физик начала двадцатого века уверенно сказал бы, что они только кажутся перпендикулярными движущемуся наблюдателю, а в действительности, это физическая иллюзия и она является источником дефекта одновременности.
Изложение принципов теории относительности с использованием концепции "дефекта одновременности" приводит профессор Сорбонны В. Курганов в книге "Введение в теорию относительности". В ней профессор Курганов делает следующее утверждение:
"Теория Эйнштейна сохраняет за светом, точнее за всеми электромагнитными колебаниями, роль основного "хронологического агента". Иными словами, она принимает за "стандартный" интервал, или эталон времени, тот промежуток времени, который требуется световому сигналу, чтобы пройти некоторый выбранный раз и навсегда путь в пространстве. Следовательно, теория Эйнштейна связывает эталон времени с эталоном длины" [14, стр. 97].
И далее:
"Выбранный таким образом эталон времени называется эталоном Эйнштейна-Ланжевена". [14, стр. 98]
Рисунок

Я не возражаю, что теория относительности связывает эталон времени с эталоном длины, это верно. Постоянство скорости света позволяет измерять длину в единицах времени, например, 1 световой год, это расстояние, которое преодолеет луч света за один год.
Но вот роль основного хронологического агента для электромагнитного излучения, представляется сомнительной. Хронологические свойства пространственно-временного континуума определяется его топологией, а электромагнитное излучение может использоваться для изучения этой топологии только потому, что возникнув, свет сразу начинает двигаться в вакууме с наибольшей возможной скоростью, и скорость эта равна во всех системах отсчета. Впрочем, в подобной трактовке Курганов далеко не одинок. Существуют же учебники по физике, в которых теория относительности помещена в раздел "оптика". Хотя и верен тот факт, что:
"Эйнштейн распространил область применимости принципа Галилея на оптические явления и тем самым обобщил специальный принцип относительности на совокупность всех физических явлений", [14, стр. 102]
но даже специальная теория относительности выходит далеко за рамки оптики.
В основе таких представлений о теории относительности, лежит концепция релятивизма развитая Эрнстом Махом, которая и привела к созданию теории относительности. Согласно этой концепции, пространство, само по себе, это просто пустота, не имеющая физических свойств, а значит, причинной постоянства скорости света, причиной сокращения размеров движущихся тел, замедления времени, и увеличения их массы, могут быть только свойства взаимодействующего между собой вещества. Ну, например, как Курганов приписывает свету роль хроноагента. Эйнштейн долгое время следовал этой концепции и, в течение ряда лет до 1915 года, пытался создать теорию гравитации, в которой пространство не обладало бы никакими физическими свойствами, и было бы просто пустотой. В итоге, в 1915 году, Эйнштейн пришел к выводу, что пространство изменяет свою геометрию под действием гравитации, что было отказом от базовых релятивистских концепций Эрнста Маха.
В трактовке Курганова:
"световым сигналам отводится исключительная привилегия выступать в роли часов". [14, стр. 104]
И поэтому:
"На этих часах должно быть просто поставлено то время, которое было "сообщено" каждым из них при помощи световых сигналов". [14, стр. 99]
Такая трактовка логично следует из концепции, что пространство само по себе не является физическим объектом, но она очень сильно упрощает реальное положение дел.
Используя световые сигналы, удаленным часам действительно можно сообщить необходимую информацию, при помощи световых сигналов можно синхронизировать удаленные часы, но не световые сигналы причина различий в построении сеток времени в разных системах отсчета. Существует альтернативный способ синхронизации часов. Заключается он в том, чтобы просто собрать все часы вместе, в одной точке, если речь идет о системе отсчета поезда, то можно собрать их вместе в любом вагоне поезда, произвести локальную синхронизацию, а затем, разнести по вагонам. Единственное условие, после синхронизации скорость перемещения часов относительно поезда должна быть значительно меньше скорости. После этой операции можно сравнить показания часов, используя метод радарной одновременности. Если выполнены все условия, результаты должны совпасть. Часы, синхронизированные по методу медленных перемещений, в движущемся поезде распределятся вдоль мнимой прямой линии E2B2F2 (рис. 31). Существование такого простого альтернативного способа синхронизации удаленных друг от друга часов, это сильный аргумент в пользу того, что не электромагнитное излучение, само по себе, является хронологическим агентом, как утверждает Курганов, а речь идет о глубинных свойствах самого пространственно-временного континуума. Электромагнитное излучение лишь тоже подчиняется этим законам.
Период в развитии релятивистской теории, когда пространство рассматривалось как не имеющее физических свойств, закончился с созданием общей теории относительности, когда Эйнштейн наделил физическими свойствами пространственно-временной континуум в целом, а трехмерные евклидовы пространства, связанные с разными системами отсчета, он стал рассматривать только как отдельные сечения этого цельного объекта. И хронологическими свойствами, в этой концепции, обладает именно пространственно-временной континуум, а не электромагнитное излучение.
Когда речь идет о теории относительности, об эквивалентности всех инерциальных систем отсчета, термин "дефект одновременности" вообще не должен использоваться, потому, что он предполагает существование абсолютной системы отсчета и системы отсчета, в которой одновременность определяется с "дефектом". Использованный Кургановым способ описания явлений теории относительности привязан к трехмерным гиперплоскостям, к определенным системам отсчета. Поэтому Курганов описывает три различных явления, происходящие с движущимися объектами, как он пишет, три основные релятивистские свойства ([14] стр. 144), относительность одновременности, относительность интервалов времени и относительность релятивистского сокращения длин (свойство взаимности релятивистского сокращения).
В действительности, в теории относительности, при переходе от одной системы отсчета к другой, речь идет не о трех отдельных явлениях, а только об одном явлении, о повороте системы отсчета. С этой точки зрения, свойство относительности одновременности заключается в том, что при использовании прямоугольной декартовой системы координат, вместе с поворотом оси времени поворачивается и пространственные оси координат. А свойство относительности интервалов времени, и свойство взаимности релятивистского сокращения длин, связаны с тем, что при поворотах системы координат меняются проекции событий на ось времени и пространственные оси. Например, на рисунке 34 хорошо виден и поворот пространственной оси координат x→x', вместе с изменением системы отсчета t→t', и изменение проекций события A на оси координат.
Рисунок

Обычно, связанные с поворотом осей координат преобразования
Формула
приводятся в серьезных учебниках и отягощены специальным математическим аппаратом, а в популярных изданиях по теории относительности, объяснения по-прежнему дается в терминах замедления хода времени, сокращения размеров тел и относительности одновременности.
Очень часто, в популярных изданиях, как и в книге профессора Курганова, смешиваются представления релятивизма Эрнста Маха, теории Лоренца и, одновременно, присутствует резкая критика представлений о физическом эфире, характерная для раннего периода развития теории относительности. Вот, к примеру, профессор Курганов пишет:
"Невозможность приписать инерциальным лабораториям, находящимся в относительном движении, какие-то "абсолютные" скорости приводит к представлению о полной взаимности между двумя такими лабораториями, например, поездом и железнодорожным полотном". [14, стр. 103]
То есть, он трактует первый принцип теории относительности в стиле теории Лоренца, а затем, он так резко критикует теорию эфира, что редактор книги, Н. Мицкевич вступается за Лоренца и в сноске отмечает:
"Проф. Курганов кратко касается гипотезы о мировом эфире в форме, развивавшейся Лоренцем, и довольно категорично говорит о внутренней противоречивости этой гипотезы. На самом деле противоречия содержались лишь в первоначальных примитивных попытках использовать гипотезу эфира, тогда как в теории Лоренца с формальной точки зрения противоречий нет. Все экспериментальные факты находятся в согласии, как с теорией относительности Эйнштейна, так и с теорией Лоренца. Однако теория Лоренца отягощена ненужными понятиями, которые играют роль "вещей в себе" (в принципе не поддается измерению и даже наблюдению, например, абсолютная скорость движения систем отсчета в мировом эфире), поэтому сам Лоренц впоследствии перешел на позиции Эйнштейна". [14, стр. 175]
Приведенные здесь причины перехода Лоренца в ряды физиков релятивистов дополняют изложенные в прошлой главе.
Курганов далеко не одинок. Например, Р. Толмен (Richard C. Tolman), профессор Калифорнийского Технологического Института, в книге "Относительность, термодинамика и космология" дает такую редакцию первого принципа теории относительности:
"невозможно обнаружить равномерное поступательное движение системы в свободном пространстве или в какой-либо гипотетической эфирной среде, которая могла бы это пространство заполнять". [17 стр. 26]
Подобные трактовки теории относительности распространены достаточно широко. Но даже в том случае, когда в описании первого принципа относительности фигурирует слово "эквивалентность", это еще не означает, что эквивалентность понимается как действительная физическая эквивалентность, а не как эквивалентность наблюдений за физической вселенной в разных системах отсчета.
Теория эфира Лоренца и представления классической физики об абсолютном пространстве, формально изгнанные из теории относительности, возвращаются в нее неявно, под другими именами и с другим физическим обоснованием. Идея, заложенная Альбертом Эйнштейном в первый принцип относительности, может быть понята только как антитеза аналогичной концепции теории эфира Лоренца. И эта идея, которая слишком сильно ломает устоявшиеся стереотипы, пока еще не стала доминирующей, несмотря на видимость всеобщего признания теории относительности.




7. Модели времени и пространства



В источниках по теории относительности обычно приводятся две модели представлений о пространстве и времени. Несколько упрощенно, это звучит так: существует модель классической физики с абсолютным пространством и абсолютным временем, в которой, для объяснения постоянства скорости света, необходимы представления об эфире, и существует модель теории относительности, в которой абсолютного пространства и эфира нет. На деле, моделей больше, и стоит их рассмотреть подробнее.
В классической физике трехмерное пространство, пространственный континуум, и время рассматривались отдельно. Время и пространство считались двумя разными физическими величинами, которые соседствуют на графиках и формулах только потому, что так их удобнее изучать. Как, например, на графиках соседствуют масса звезды и ее светимость, или число заболевших гриппом и количество вспышек на Солнце. Пространство считалось цельным множеством связанных между собой точек - пространственным континуумом, а время считалось только наиболее общей мерой изменчивости, мерой хода физических процессов. Пространственный континуум представлялся трехмерной гиперплоскостью, имеющей свойства евклидовой геометрии. Продемонстрировать классические представления о пространстве и времени можно следующей схемой (рис. 35).
Рисунок

Макс Борн пишет следующее про представления о пространстве и времени в классической физике:
"предполагается, что понятия типа "момент времени", "одновременность", "раньше", "позже" и т.д. имеют сами по себе априорный смысл, правомерный для всей Вселенной". [4 стр. 221]
В девятнадцатом веке, для объяснения механизмов гравитационного взаимодействия между веществом и электромагнитного взаимодействия между электрическими зарядами физиками был разработан целый ряд теорий эфира. Согласно этим теориям, эфир был средой, которая наряду с обычным веществом, располагалась в пространстве.
Лоренц тоже исходил из того, что трехмерное пространство существует как единое связанное целое - абсолютное пространство. И, раз это пространство существует как единое связанное трехмерное целое, то каждому событию, произошедшему в определенной точке пространства, должны соответствовать определенные события в других точках пространства. Если точно знать, какие именно события в разных точках пространства соответствуют друг другу, можно определить актуальную одновременность.
Если бы, как предполагает ряд физиков, существовали тахионы, частицы, двигающиеся только со скоростями большими, чем скорость света, то, наблюдая за движением тахионов, можно было бы с большой точностью определить актуальную одновременность, а значит, определить абсолютную систему отсчета. Это бы стало бы опровержением первого принципа теории относительности. И до тех пор, пока гипотеза о возможном существовании тахионов не опровергнута, нельзя отказываться и от представлений об актуальной одновременности и от представлений о сосуществующих событиях.
В этой модели физического мира, в каждой системе отсчета можно построить множество одновременных событий, в соответствии со связанной с этой системой отсчета системой координат, но определить, какая именно из них совпадает с абсолютным пространством, невозможно. Соответственно, в каждой инерциальной системе отсчета, наблюдатель вправе считать именно себя неподвижным, и вправе считать, что ход времени связан именно с его системой отсчета, но все это физическая иллюзия, а в действительности существует только одно направление времени и одно абсолютное пространство. В соответствие этим представлениям о природе времени и пространства можно поставить схему на рисунке 36.
Рисунок

На этом рисунке абсолютное пространство и направление течения времени обозначены жирными линиями, хотя, при проведении физических наблюдений выделить их среди прочих невозможно. И в представлениях Лоренца, эфир это не что-то помещенное в пространство, а само физическое пространство, трехмерный континуум, это была принципиальная позиция Лоренца. Макс Борн, в книге "Эйнштейновская теория относительности", проанализировав множество существовавших в 19 веке теорий эфира, отмечает:
"Лоренц выдвинул чрезвычайно смелый лозунг, который до тех пор никогда еще не высказывался с такой решительностью: Эфир покоится в абсолютном пространстве!
В принципе это - отождествление эфира с абсолютным пространством. Абсолютное пространство оказывается не вакуумом, но чем-то имеющим определенные свойства. Его состояние можно описать с помощью двух направленных величин - электрического поля E и магнитного поля H; как таковое это нечто и называется эфиром". [4 стр. 200]
Еще короче, эту идею можно было выразить так: трехмерное пространство это и есть эфир. По сути, теория эфира Лоренца, это уже первая теория поля. Кроме того, Лоренц знал, что в 1898 году Пауль Гербер высказал предположение, что гравитационное взаимодействие передается со скоростью света, и что в поле гравитации пространство искривляется. Это очень похоже на модель, использованную Альбертом Эйнштейном в общей теории относительности в 1915 году. Сам Эйнштейн позже утверждал, что об исследованиях Пауля Гербера он ничего не знал, и это вполне может быть правдой. В книге Эрнста Маха "Механика. Историко-критический очерк ее развития", которая предопределила интерес Альберта Эйнштейна к релятивистской физике, Мах лишь вскользь упоминает о работе Гербера, не вдаваясь в подробности:
"Пауль Гербер (Paul Gerber ... 1898) находит из движения перигелия Меркурия (41 секунда за столетие) скорость распространения тяготения, равной скорости распространения света. Будь это определение верно, оно бы говорило в пользу эфира, как среды тяжести". [20. стр. 163]
Так что у Лоренца были все основания отождествлять эфир не только с абсолютным пространством и средой проводящей электромагнитное взаимодействие, но и со средой проводящей гравитационное взаимодействие. Казалось бы, он уже у самом начале двадцатого века был на пороге создания теории, аналогичной общей теории относительности, но решение нашел только в 1915 году Альберт Эйнштейн. Для Лоренца, вероятно, именно это стало самым значимым доводом, определившим смену его убеждений. А для фундаментальной науки в целом, это обозначило крупную победу релятивизма.
После опубликования принципов теории относительности и геометрии Минковского, явно или неявно, появился еще целый ряд физических моделей, различным образом трактующих принципы теории относительности. Примером может служить уже приводимый выше первый принцип относительности в редакции Р. Толмена или он же в в редакции М. В. Сажина в цикле лекций "Теория относительности для астрономов":
"Законы, по которым изменяются состояния физических систем, не зависят от того, к которой из двух координатных систем, движущихся друг относительно друга прямолинейно и равномерно, эти изменения относятся". [21 параграф 1.3]
Формально, все правильно, но приведенное выше утверждение, это основание теории Лоренца, в этой редакции нет того значения, которое привнес в эту теорию Альберт Эйнштейн. То, что при переходе из одной системы отсчета в другую физические законы, записанные в виде тензорных уравнений, сохраняют свой вид, было идеей Лоренца, а не Эйнштейна.
Данное утверждение для теории относительности не принцип, а лишь следствие принципа эквивалентности всех инерциальных систем отсчета. Я уже отмечал, что теорию Эйнштейна от теории Лоренца как раз и отличает утверждение о полной физической эквивалентности всех инерциальных систем отсчета, но очень часто, в работах по теории относительности, принцип эквивалентности трактуется именно в стиле теории эфира Лоренца. То есть, он трактуется как эквивалентность результатов любых экспериментов, проведенных в различных инерциальных системах отсчета. Если абсолютная система отсчета никак не выделена, и ее невозможно обнаружить, то будем считать, что ее и не существует. Вывод как раз в стиле философского релятивизма: то, что нельзя увидеть, не существует.
А в результате получается теория эфира Лоренца, за вычетом представлений об абсолютной системе отсчета и заменой слова "эфир" словом "поле". Такой подход к проблеме соотношения пространства и времени можно продемонстрировать схемой приведенной на рисунке 37.
Рисунок

От предыдущей схемы, демонстрирующей теорию Лоренца, эта отличается только тем, что абсолютная система отсчета не только не выделена, но и считается не существующей. Похожую на эту схему можно найти в ряде источников по теории относительности, но она не вполне точна. Давайте вносить коррективы. Обратим внимание на фрагмент текста, в котором
Макс Борн описывает процесс измерения длины жесткого стержня, он его называет линейкой, в разных системах отсчета:
"материальная линейка представляет собой не пространственную вещь, а пространственно - временную конфигурацию. Каждая точка линейки существует в этот, следующий, следующий за ним и т.д. моменты времени. Исчерпывающее представление рассматриваемой линейки (одномерной в пространственном измерении), таким образом, представляет собой не отрезок оси x, а скорее полоску в плоскости x, ct".
и далее:
"именно сама полоска, как многообразие мировых точек (событий) есть физическая реальность, а не ее поперечное сечение". [4 стр.247]
На мой взгляд, термин "физическая реальность" в данном контексте использован не вполне точно. Любое пространственное сечение это физическая реальность. Речь идет о связанности между собой отдельных точек линейки, инструмента, при помощи которого мы исследуем свойства пространственно-временного континуума. И речь идет о том, что вполне реально существуют объекты, которые мы можем использовать в качестве жестких стержней - линеек, и их собственная длина является инвариантом, величиной, независящей от выбора системы отсчета.
Макс Борн описывает модель пространственно-временного континуума, в котором отдельные точки-события принадлежат не пространственным трехмерным гиперплоскостям, а мировым линиям, то есть, как бы "подвешены" в пространственно-временном континууме на мировых линиях. А жесткий стержень - линейка движется в пространственно-временном континууме по параллельным мировым линиям (рис. 38), которые и образуют "полоску", о которой пишет Макс Борн.
Рисунок

Поперечное сечение этой линейки, то, что мы считаем точками линейки, в определенный момент времени, это множество событий физически никак не связанных между собой в этом сечении. И в любом другом пространственном сечении, в другой системе отсчета, попавшие в него точки-события тоже не будут никак связаны между собой. Любая связь может быть проведена только через мировую линию, а в пространственных сечениях мировую линию провести нельзя. А раз так, то какая разница, в каком из сечений измерять длину линейки. И дальше Борн пишет:
"Совершенно аналогичным образом линейка в теории Эйнштейна имеет различные длины соответственно "точке зрения" наблюдателя. Одна из этих длин - статическая, или собственная, длина - больше всех остальных, но это не делает ее более реальной, чем все другие. Использовать различия между "видимым" и "действительным" в этом наивном смысле не более разумно, чем спрашивать, какова действительная координата x точки x, y, когда точно не известно, какая именно система координат xy имеется в виду". [4 стр.248]
Это только одно из существующих среди физиков релятивистов мнений на то, что считать длиной линейки. Например, А. И. Жуков в книге "Введение в теорию относительности" пишет: "Не все, конечно, физические понятия и величины являются относительными. Например, масса тела есть величина абсолютная - она не зависит от скорости тела. Как бы мы ни измеряли массу - в неподвижном состоянии или на "лету", мы получим одинаковый результат (если, разумеется, соответствующие измерительные приборы работают правильно). Точно так же, не зависят от состояния движения тела его длина, ширина и вообще геометрические размеры. Если тело не является абсолютно твердым, его размеры в процессе движения могут меняться, но в один и тот же момент времени они будут одинаковы для всех наблюдателей, как бы быстро друг относительно друга эти наблюдатели ни двигались". [13 стр.28]
Когда Жуков пишет: "как бы мы ни измеряли массу" - он перескакивает через необходимость иметь методику измерения и методику обработки полученного результата. Характерное для теоретической физики отождествление результата измерения, наблюдения, и самой физической величины. К примеру, тот факт, что луч света, проходя у поверхности звезды, немного задерживается и изменяет свое направление, можно объяснить различными способами, как уменьшение скорости света в гравитационном поле, концепция, которую Эйнштейн прорабатывал до 1915 года, или как изменение геометрии пространства. Точно так же, и результаты экспериментов по измерению массы, например, упоминаемые в первой главе эксперименты Джозефа Томсона, которые с позиций классической физики можно было трактовать как увеличение массы с ростом скорости.
Утверждение о постоянстве массы вне зависимости от скорости объекта требует другой методики оценки полученных измерений. Методики, в которой инертная масса, мера кинематической инертности тела, должна определяться не через классическую скорость, а через быстроту, скорость, исчисляемую по правилам геометрии Лобачевского. А для этого необходима теория, которая бы объяснила явление и требовала именно такой методики полученного результата. Без этой теории, утверждение Жукова не столь очевидно, если не ссылаться на безусловный приоритет первого принципа теории относительности.
Измерение длины тела тоже должно производиться по определенной методике. Например, если мы измеряем положение одного конца движущегося объекта в момент времени t1, а другого в момент t2, то полученный результат вряд ли будет длиной этого объекта. Для измерения длины объекта, мы должны совместить линейку и концы измеряемого объекта в один момент времени. Это отмечает Я. П. Терлецкий в книге "Парадоксы теории относительности":
"Под длиной движущегося масштаба надо понимать расстояние между его концами, измеренное при помощи неподвижного эталона в один и тот же момент времени для каждого конца. Одновременность измерения положений концов является существенно необходимым условием опыта". [12 стр. 38]
По мнению Терлецкого, если объект движется относительно инструмента измерения, то, вследствие принципа относительности одновременности, мы не можем быть уверены, что измерение положения концов объекта произошло в один момент времени. Ведь в системе координат наблюдателя, производящего измерения, и в системе координат измеряемого объекта, если скорость между ними значительна, одновременные моменты времени будут определены по-разному. А, следовательно, единственной настоящей длиной объекта является длина, измеренная инструментом, покоящимся в системе отсчета самого объекта, то есть, его собственная длина. А все остальные "длины", это проекции собственной длины на другие системы отсчета.
Но вернемся к Максу Борну и его утверждению, что пространственное сечение линейки не является "реальным". Отметим, что пространственная гиперплоскость не является связанным множеством точек, поэтому, поставим в соответствие описанной Максом Борном модели пространственно-временного континуума следующую схему (рис. 39).
Рисунок

На этой схеме пространственные гиперплоскости изображены не сплошными линиями, а как множество не связанных между собой точек. И здесь можно задать резонный вопрос, а если в каждый отдельный момент времени точки пространства не связаны между собой, и в каждый последующий за ним момент времени, и дальше, то, как вообще пространство нашей вселенной остается связанным, а не дробится на отдельные фрагменты?




8. Одновременность и сосуществующие события



Идея о том, что событиям можно просто назначить определенное значение времени, используя, к примеру, метод радарной одновременности, была заимствована Эйнштейном отчасти из теории Лоренца, отчасти из представлений Эрнста Маха. При таком подходе, одновременными стали называться события, которым были назначены одинаковые значения времени. Но при этом была потеряна изначальная идея, согласно которой действительно одновременными являются события, сосуществующие в физической вселенной, а не те, которым присвоены определенные числовые характеристики. И снова, лучше начать с классической физики.
Концепция времени в классической физике такова: существует только настоящее, прошлое уже не существует, а будущее еще не существует. Соответственно, все одновременные события нашей вселенной, согласно этой концепции, это одновременно существующие события, сосуществующие события, а не события, которым присвоили одинаковое значение времени. Можно привести цитату из книги философа Ганса Рейхенбаха "Направление времени":
"Единственной реальностью является настоящее. Когда оно уходит, мы вступаем в новое настоящее, всегда оставаясь, таким образом, в вечном "теперь". Что же такое время, если все, что мы получаем от него, является этим "теперь", тем единственным моментом, который уходит вместе с нами сквозь поток событий, текущий от неизменяемого прошлого к непознаваемому будущему?" [8 стр. 12]
Сущность времени интересовала большинство видных философов, и в Древности, и в эпоху Возрождения, и в двадцатом веке. Ганс Рейхенбах пишет:
"Течение времени, изменение не является свойством бытия, говорит Парменид, и Кант соглашается с ним, добавляя, что время - это только форма, в которой мы воспринимаем бытие". [8 стр. 26]
Таким образом, согласно этой концепции, ось времени на графиках это не реальное направление движения, а лишь форма, с помощью которой удобно изучать изменчивость окружающего нас мира.
Между пространственной гиперплоскостью и осью координат времени в классической физике есть существенное различие. Точки пространственной гиперплоскости, пространственного континуума, считаются сосуществующими. Точки-события, расположенные на оси времени, связаны между собой, но они не сосуществуют. Если существует какое-то из этих событий, настоящее время, то все остальные, относящиеся к прошлому и будущему, оказываются несуществующими. То есть, существование какого-то из событий на оси времени, исключает сосуществование с ним любого другого из этих событий.
Когда мы в пространстве-времени классической физики проводим арифметизацию событий, присваиваем им координаты в пространстве и времени, то мы знаем, что события с одинаковым значением времени сосуществуют, а события с разным значением времени не могут сосуществовать, хотя на графиках, в координатах пространства и времени, мы их можем видеть одновременно, как сосуществующие. Так удобнее их воспринимать и исследовать.
То есть, в классической физике, мы заменяем последовательность событий, из которых могут сосуществовать только те, которые имеют одинаковое значение абсолютного времени, моделью, в которой изображения событий сосуществуют. Это просто математический прием. И это вполне эквивалентная замена, до тех пор, пока мы помним, что события с разным значением времени не сосуществуют.
Теория Лоренца, в этом плане, остается в рамках классической концепции времени. А именно, в теории Лоренца существует только настоящее, но физические свойства пространства таковы, что мы не можем точно определить сосуществующие события, и вынуждены использовать разные системы исчисления времени в разных системах отсчета и, произвольно назначать события "одновременными". Тем не менее, замена сосуществующих событий событиями, которым присвоено одинаковое значение времени, в теории Лоренца совершенно законно. Ведь согласно этой теории, в каждый конкретный момент абсолютного времени сосуществуют только события настоящего, которые образуют абсолютное пространство.
В теории относительности сама идея сосуществования событий, я использую именно этот термин, чтобы не путать его с одновременностью, определенной как равенство показаний часов, была отброшена, как изжившая себя идея, которая связанна с абсолютным пространством. Пусть так, но эта идея позволяет прояснить некоторые отличия теории относительности от теории эфира Лоренца, поэтому стоит обратить на нее внимание.
В теории относительности, в отличие от теории эфира Лоренца, существование множества различных, физически совершенно одинаковых систем отсчета, признается физическим фактом, а не иллюзией. И по этой причине, замена сосуществующих событий одновременными перестает быть эквивалентной. В этот момент, когда мы заменяем величину, выражающую изменчивость физического мира интервалом между событиями, мы заменяем "форму изменчивости, в которой мы воспринимаем бытие" геометрией, в которой время может двигаться в разных направлениях. И здесь существенно то, что длина разных путей во времени в пространстве Минковского может быть различна.
В трудах по теории относительности арифметизацию событий, при которой часам назначается время в соответствии с выбранной системой отсчета, преподносят как вполне допустимую замену классической концепции сосуществования событий. А все потому, что в теории эфира Лоренца она действительно была допустима. И в результате, мы получаем качественно иное состояние. Это очень похоже на трюк иллюзиониста: в руке яйцо, взмах и вылетает голубь.
Вернемся к свойствам времени. Раз мы предположили, что существует только настоящее время, то на любой мировой линии мы можем поставить только одну точку, соответствующую какому-то моменту настоящего времени. Множество всех таких точек должно полностью отделять область будущего от области прошлого. И еще, множество всех точек настоящего времени образует трехмерное пространство не связанных между собой точек, которое отделяет область будущего от области прошлого. Это может быть трехмерная псевдоевклидова гиперплоскость, а может быть искривленная трехмерная поверхность, такая, как показана на рисунке 40 жирной пунктирной линией.
Рисунок

Первый принцип теории относительности, об эквивалентности различных систем отсчета, часто трактуют, только, как возможность провести это трехмерное пространство бесконечным числом физически эквивалентных способов. Но при этом можно показать следующее. Если мы предполагаем, что существует только настоящее, а будущее еще не существует, и прошлое уже не существует, то существовать может такое пространство только в одном экземпляре. И, если мы случайным способом построим одно такое пространство, то это полностью исключает построение пространства альтернативным способом. Если мы предположим противоположное, то окажется, что хотя бы на одной мировой линии сосуществуют разные моменты времени, прошлое и будущее.
Таким образом, мы действительно можем построить такое трехмерное пространство в пространственно-временном континууме бесконечным числом различных способов, но только одно единственное. И так мы возвращаемся к исходным постулатам теории Лоренца, согласно которым, существует только одно трехмерное пространство, но мы не знаем, как именно его построить. И, таким образом, оказывается, что различие между первым принципом теории относительности и принципами, на которых была построена теория Лоренца, упирается в концепцию о сосуществовании моментов прошлого, настоящего и будущего. И если мы не готовы принять такое решение, и считаем, что существует только настоящее, то первый принцип теории относительности полностью сводится к принципам теории Лоренца. И тогда заслуга Эйнштейна только в том, что он несколько упростил терминологию теории Лоренца.
А если мы утверждаем, что между принципами теории Лоренца и теории Эйнштейна есть принципиальная разница, и разные системы отсчета действительно физически эквивалентны, то мы должны принципиально пересмотреть классические представления о природе времени.
Знал ли об этом Эйнштейн? Безусловно, знал. И Лоренц, и Эйнштейн, это понимали. И совсем не случайно, в своей статье "Относительность и проблема пространства" Эйнштейн пишет:
Четырехмерный континуум не распадается объективно на сечения, среди которых были бы сечения, содержащие все одновременные события; для пространственно протяженного мира понятие "сейчас" теряет свой объективный смысл. В связи с этим пространство и время должны рассматриваться как объективно нераспадающийся четырехмерный континуум". [2, стр. 753]
В этом утверждении есть информация и о том, что пространственно-временной континуум нельзя мыслить трехмерными гиперплоскостями, изменяющимися во времени, и о том, что пространственно-временной континуум это цельный геометрический объект. Только вот цельность пространственно-временного континуума и единство пространства со временем, в литературе по теории относительности, как правило, трактуют очень ограниченно, чаще всего как невозможность отделить время от пространства в формуле
Формула

Но это далеко не все то, что Эйнштейн вкладывал в понятия единства пространства и времени и цельности пространственно-временного континуума.
Авторы по теории относительности обычно говорят о фактах сосуществования прошлого, настоящего и будущего иносказательно, повторяя высказывания Альберта Эйнштейна, они пишут о единстве пространства и времени, о том, что пространственно-временной континуум это цельный геометрический объект, и тому подобное. Но здесь главное осознавать, что речь идет не о свойствах математической модели, которой пользуются физики, а о свойствах того мира, в котором мы живем. И тогда получается, что по убеждениям Эйнштейна прошлое и будущее хотя и не недоступно для проникновения, при существующем уровне технологий, сосуществует с настоящим не в математических моделях, а в реальном мире.
Чуть дальше, в цитировавшейся выше статье, Эйнштейн поясняет:
"Эта четырехмерная структура (пространство Минковского) мыслится как носитель материи и поля. Инерциальные пространства, вместе со связанными с ними временами, являются привилегированными четырехмерными координатными системами, связанными линейными преобразованиями Лоренца. Так как в этой структуре не существует каких-либо сечений, которые объективно представляли бы "сейчас", понятия события и становления не исключаются полностью, но усложняются. Поэтому, представляется более естественным мыслить физическую реальность как четырехмерные события вместо развития событий трехмерных.
Это жесткое четырехмерное пространство специальной теории относительности есть в некоторой степени аналог неподвижного трехмерного эфира Лоренца. Для этой теории справедливо также следующее утверждение: описание физических состояний постулирует пространство как заданное с самого начала и существующее независимо". [2, стр. 754]
Согласно этой концепции, любая пространственная трехмерная гиперплоскость - пространство одновременных событий, как его представляет классическая физика, это просто одно из сечений этого жесткого и существующего с самого начала четырехмерного релятивистского эфира. И сравнение с эфиром здесь не случайно, эфир теории Лоренца мыслился как объект протяженный в пространстве, который изменяется со временем, а релятивистский эфир теории относительности это объект протяженный во времени. И что бы Эйнштейн ни вкладывал в понятие "с самого начала", по мысли Эйнштейна, этот объект уже существует с самого начала, независимо от того, в какой точке пространства и времени находится наблюдатель, и независимо от того, что ему кажется, что события прошлого безвозвратно исчезли, а события будущего еще не произошли.
Обращаю ваше внимание. Цитируемая выше статья Альберта Эйнштейна, написана им в пятидесятых годах. Переписка с Александром Фридманом состоялась четверть века назад. И теперь, Эйнштейн рассматривает модель, в которой Большой Взрыв, с которого началось существование физической Вселенной, каким-то образом сосуществует с моментом настоящего времени, а так же, с моментами будущего времени.
Этот вывод может показаться неворятным, но этот вывод следует из первого принципа относительности в редакции Эйнштейна, и это именно то, что отличает его от теории эфира Лоренца. Без него мы получаем просто теорию эфира Лоренца и теорию Пауля Гербера в интерпретации Эйнштейна, а вовсе не теорию относительности Эйнштейна. И здесь нужно делать выбор, либо рассматривать происходящие в релятивистской физике явления в гиперплоскостных моделях, как это обычно и делается, несмотря на предупреждение Эйнштейна о том, что "четырехмерный континуум не распадается объективно на сечения, среди которых были бы сечения, содержащие все одновременные события", либо действительно признать приоритет первого принципа относительности и выйти за пределы физики эфира Лоренца. В противном случае, нужно честно сказать о том, что ничего кроме обновленной терминологии, современная трактовка специальной теории относительности не добавляет к теории эфира Лоренца.
Но так же, очевидно, что Эйнштейн избегал открытого обсуждения этого вопроса. И это тоже понятно. В двадцатых годах двадцатого века, обострять и без того необычную теорию было не в интересах Эйнштейна. Особенно в таком вопросе, как свойства времени. Это в конце двадцатого века сюжет путешествий во времени в фантастической литературе стал не только обычным, но уже и несколько избитым штампом. Сейчас книга Герберта Уэллса "Машина времени", впервые изданная в 1895 году, считается классикой и основой направления хронофантастики. А на рубеже 19 и 20-го веков, реакция читателей на эту книгу была совсем иной. Критики всерьез обсуждали психическое здоровье автора идеи перемещений во времени, и причинной послужила именно эта книга.
Так и в теории относительности, признание факта сосуществования будущего, прошлого и настоящего, могло только отпугнуть физиков от этой теории. Было достаточно тех потрясений, которые с собой принесли теория эфира Лоренца и специальная теория относительности, а вслед за ними и общая теория относительности. Еще одну волну откровений широкая общественность вряд ли приняла. Информация о том, что теория относительности требует еще и сосуществования различных моментов времени, однозначно стала бы сильным доводом против теории относительности.
Показательно, что когда Ричард Фейнман показал, что позитрон можно рассматривать как электрон, который движется во времени в обратном направлении, большинство физиков восприняли это не более, чем занимательный факт, просто следствие симметрии ряда физических уравнений. Рейхенбах, например, пишет:
"Следует отметить, что данная интерпретация означает не только и не просто обращение направления времени, но и отказ от временного порядка". [8 стр. 354]
"Это наиболее серьезный удар, который понятие времени получало когда-либо в физике. Классическая механика не может дать оценку направлению времени, но она может, по крайней мере, определить временной порядок". [8 стр. 355]
Ганс Рейхенбах готов признать существование такого явления в интерпретации Фейнмана, но только на расстояниях и в рамках промежутков времени, характерных для квантовой физики. Очень странная позиция, учитывая то, что в космических лучах позитроны могут существовать весьма длительное время и проходить значительное расстояние, и мы не можем принять трактовку Фейнмана наполовину. Если она верна на уровне квантовых эффектов, то должна быть верна и в целом, а это означало бы пересмотр представлений о времени.
Тем не менее, в этом вопросе Фейнман весьма последовательно следует духу статей Альберта Эйнштейна по теории относительности. Но очевидно, современная физика еще не готова пересмотреть классические представления о природе времени. А в результате, приобрела известность урезанная версия теории относительности, урезанная почти до теории эфира Лоренца, которая столкнулась с целым рядом трудностей. Описывая эти трудности, Н. А. Черников в статье "Геометрия Лобачевского и релятивистская механика" отмечает, что:
"Проблема релятивистского описания системы двух частиц наталкивается на серьезные препятствия". [9 стр. 808]
И далее:
"Рассмотрим теперь две частицы. Мы не знаем, какими уравнениями определяется их движение, но какими бы уравнениями оно не определялось, в результате решения этих уравнений движения мы, во всяком случае, должны получить пару мировых траекторий. Возникает вопрос, в каком случае заданная пара мировых траекторий представляет движение двух взаимодействующих только друг с другом частиц? В нерелятивистской механике можно ответить на это просто. Мировая гиперплоскость t = t0 пересекает заданные траектории в двух мировых точках. Соединим эти точки отрезком прямой и разделим отрезок в отношении масс m1 к m2. Меняя t0, получаем множество точек деления. Если это множество заполняет мировую прямую, то рассматриваемая пара частиц предоставлена самой себе. В противном случае на нее действуют внешние силы. Здесь существенно, что гиперплоскость t = t0 инвариантна относительно преобразований Галилея. В случае же Лоренца ответить на поставленный вопрос весьма затруднительно. Не ответив же на него, трудно определить импульс системы частиц, общее время системы и т. п.". [9 стр. 809, 810]
Трудности же заключаются в том, что на практике при решении задач в теории относительности оперируют мировыми линиями как цельными объектами, не считая нужным прослеживать ход времени физических процессов при этом. Траектории движения частиц в пространственно-временном континууме рассматриваются как мировые линии, а происходящие столкновения частиц между собой, рассматриваются как пересечение мировых линий. Если при пересечении мировых линий оказывается, что пройденное физическое время одной из частиц меньше, чем у другой, это объясняют релятивистским замедлением хода времени. При этом в большинстве случаев, полученные интервалы мировых линий, между событиями взаимодействия частиц, никак не согласуются с первым принципом теории относительности. Это создает еще один слой неопределенности в понимании свойств времени и дает возможность существования казусов, по сравнению с которыми парадокс близнецов - мелкая неприятность.
Когда мы рассматриваем тригонометрию взаимодействующих инерциальных систем отсчета, то сталкиваемся с необходимостью признания факта того, что в каких-то из физических систем отсчета пройдет больше или меньше физического времени, чем в других системах. И это традиционно объясняется относительным замедлением времени в одной из систем, относительно другой. Но, как видно из примера, приведенного Черниковым, это снимает только самые очевидные вопросы, оставляя другие без ответа. И в целом, задача двух и более тел (к которой, в широком смысле, относится и парадокс близнецов) в традиционной теории относительности так и не была решена.
Соглашусь, для того, чтобы кардинально пересматривать представления о времени, совершенно недостаточно довода "а, почему бы и нет", и нужны веские основания. Ну что же, рассмотрим некоторые из них.








Цитируемая литература:

[1] Альберт Эйнштейн Собрание научных трудов в четырех томах. Под редакцией И. Е. Таммма, Я. И. Смородинского, В. Г. Кузнецова. Том 1. Работы по теории относительности (1905-1920) Серия: "Классики науки". Изд. "Наука" Москва 1965 г.
[2] Альберт Эйнштейн Собрание научных трудов в четырех томах. Под редакцией И. Е. Таммма, Я. И. Смородинского, В. Г. Кузнецова. Том 2. Работы по теории относительности (1921-1955) Серия: "Классики науки". Изд. "Наука" Москва, 1966 г.
[3] А. С. Эддингтон "Теория относительности" ОНТИ Государственное технико-теоретическое издательство Ленинград, Москва, 1934г.
[4] Макс Борн "Эйнштейновская теория относительности", изд.2-е, испр. Издательство "Мир", Москва, 1972 г.
[5] Угаров В. А. "Специальная теория относительности", изд. 2-е, пер. и доп. Издательство "Наука", главная редакция физико-математической литературы, Москва, 1977 г.
[6] Окунь Л. Б. "Понятие массы", журнал "Успехи физических наук" Июль 1989 г., стр. 511. Официальный сайт журнала http://ufn.ru/.
[7] Бёрке У. (William L. Burke) "Пространство-время, геометрия, космология". Пер. с англ. - Москва: Мир, 1985.
[8] Рейхенбах Ганс "Направление времени". Пер. с англ. Изд 2-е стереотипное. - Москва, Едитория УРСС, 2003.
[9] Н. А. Черников "Геометрия Лобачевского и релятивистская механика". Физика элементарных частиц и атомного ядра, 1973, том 4, Вып. 3. Объединеный институт ядерных исследований, Дубна.
[10] Н. А. Черников "Трудные вопросы теории относительности". Физика элементарных частиц и атомного ядра, 1987, том 18, Вып. 5. Объединенный институт ядерных исследований, Дубна.
[11] В. Н. Дубровский, Я. А. Смородинский, Е. Л. Сурков "Релятивистский мир".- М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1984. (Библиотечка "Квант". Выпуск 34.
[12] Я. П. Терлецкий "Парадоксы теории относительности". изд.Наука, Москва 1966 г.
[13] А. И. Жуков "Введение в теорию относительности". Государственное издательство физико-математической литературы, Москва 1981 г.
[14] В. Курганов "Введение в теорию относительности", пер. с франц. В. Д. Захарова. Изд. "Мир", Москва 1968г.
[15] Ф. С. Завельский "Масса и ее измерение". М.: Атомиздат, 1974.
[16] Эйнштейновский сборник 1974. Ответственные редакторы В. Л. Гинсбург и Г. И. Наан, Составитель У. И. Франкфурт, Акадкмия Наук СССР, Отделение ядерной физики, Москва, Издательство "Наука", 1976 г.
[17] Р. Толмен "Относительность термодинамика и космология". Пер с английского. Под ред. Я. А. Смородинского. Изд. Наука, Главная редакция физико-математической литературы, Москва 1974.
[18] Л. Д. Ландау Е. М. Лифшиц "Теоретическая физика в десяти томах. Том II. Теория поля". Изд. седьмое, исправленное. Москва, "Наука", Главная редакция физико-математической литературы 1988 г.
[19] Нинул А. С. Тензорная тригонометрия. Теория и приложения. - М.: Мир, 2004.


 Ваша оценка:

Популярное на LitNet.com О.Бард "Разрушитель Небес и Миров. Арена"(Уся (Wuxia)) М.Анастасия "Инициация ведьмы"(Любовное фэнтези) М.Атаманов "Искажающие реальность-6"(ЛитРПГ) Д.Сугралинов "Дисгардиум 2. Инициал Спящих"(ЛитРПГ) А.Григорьев "Биомусор 2"(Боевая фантастика) Ю.Резник "Семь"(Антиутопия) Д.Игнис "Безудержный ураган 2"(Уся (Wuxia)) А.Минаева "Замуж в другой мир"(Любовное фэнтези) К.Федоров "Имперское наследство. Вольный стрелок"(Боевая фантастика) Л.Лэй "Пустая Земля"(Научная фантастика)
Связаться с программистом сайта.

Новые книги авторов СИ, вышедшие из печати:
И.Мартин "Время.Ветер.Вода" А.Кейн, И.Саган "Дотянуться до престола" Э.Бланк "Атрионка.Сердце хамелеона" Д.Гельфер "Серые будни богов.Синтетические миры"

Как попасть в этoт список
Сайт - "Художники" .. || .. Доска об'явлений "Книги"