Вы здесь

Фиговые листики теории относительности

Фиговые листики теории относительности

Канонизированная версия появления теории относительности (ТО), вкратце, такова. На рубеже XIX-XX веков был в оптике движущихся тел жуткий кризис. Физики захлебнулись в противоречиях, сидели в прострации и не знали, что делать дальше. Тут-то Эйнштейн и вывел этих недотёп на путь истинный. Все-то противоречия его ТО устранила, все-то эксперименты она объяснила, да ещё кучу предсказаний сделала – и все они великолепно подтвердились на опыте!

Ну, красная цена канонизированным версиям хорошо известна: «Боже мой, что скажет история?» - «Да не волнуйтесь, история солжёт, как всегда!» И точно! Никаких противоречий ТО не устранила: она их послала куда подальше, а от себя новых насадила, ласково называя их парадоксами. Никаких экспериментов она не объяснила: она выдала постулаты без каких бы то ни было объяснений. А что касается дух захватывающих предсказаний ТО – мол, у движущегося с околосветовой скоростью объекта продольный размер сокращается чуть не в ноль, время растягивается чуть не на веки вечные, а масса растёт в дурную бесконечность – так правда в том, что все эти предсказания великолепно подтверждаются лишь мысленными экспериментами. А в физических экспериментах – не считая тех, тривиальные результаты которых ничего не доказывают – всё получается не так, как предсказывает ТО. Вам трудно такое представить? Ничего страшного: по меткому выражению Ландау, «ныне учёные способны постигать даже то, чего не могут себе вообразить». Было бы желание!

Ради исторической справедливости напомним, что вышеупомянутый «жуткий кризис» случился из-за представлений о природе света. Которые были, мол, больно наивными. А особенно – у Лорентца, чья концепция по законченности своей наивности была самой выдающейся. Всё пространство у него было под завязку заполнено особой субстанцией – эфиром. Механические напряжения в этой субстанции описывались уравнениями Максвелла. Читаешь Лорентца и изумляешься: становится совершенно понятно, почему уравнения Максвелла именно таковы, каковы они есть. А также – почему в эфире возможны упругие волны. Которыми, как считалось, и был свет. Причём, эта эфирная концепция охватывала и вещество тоже! Лорентц представлял «частички материи» как могущие свободно передвигаться «местные модификации в состоянии эфира». Развив теорию Максвелла на случай присутствия электрических зарядов и выведя законы их взаимодействия и движения, Лорентц объяснил все известные тогда явления в оптике, электродинамике, а также в испускании и поглощении тепла.

Но была здесь и заковыка, из-за которой-то всё и вышло. С эфиром, казалось бы, можно было связать выделенную систему координат – для отсчитывания абсолютных скоростей физических объектов. Смотрите: скорость упругих волн определяется упругими свойствами среды, поэтому скорость света должна быть константой по отношению к эфиру. Значит, если прибор движется в эфире, то для этого прибора скорость света должна определяться по правилам векторного сложения. Тогда для света легко объяснялся бы линейный эффект Допплера. А также – боковой снос (аберрация по Брэдли), из-за обращения Земли вокруг Солнца с линейной скоростью 30 км/с. Скорость эта приличная – Земля, по идее, должна со свистом пронизывать эфир. Но увы: наземные оптические эксперименты, например, опыт Майкельсона-Морли, показывают, что такого «пронизывания эфира» нет – как будто околоземный эфир вместе с Землёй тащится. Как же тогда околоземный эфир без всяких турбулентностей продирается сквозь эфир межпланетный? Эта проблема, по линии гидродинамики, устранялась бы, если плотность эфира у поверхности Земли была бы на несколько порядков больше, чем в межпланетном пространстве. Но скорость света и там, и сям – одинакова! Неужели, при изменении плотности среды на несколько порядков, не изменяются её упругие свойства? Нет, концы с концами никак не сходились…

Положим, результат-то Майкельсона-Морли Лорентц объяснил сокращением размеров конструкций их установки вдоль направления её движения в эфире. Это не было вспомогательной гипотезой. Из теории Лорентца прямо следовало, что электроны деформируются вдоль направления своего движения в эфире, превращаясь из шариков в сплюснутые эллипсоиды, а магнитные и электрические силы при этом изменяются так, что атомы в твёрдом теле занимают новые положения равновесия. От этого размер тела вдоль движения сокращается – на множитель, равный лорентцеву квадратному корню. С одной стороны, это было замечательно: хоть и наивное, но объяснение всё-таки. А с другой стороны выходило, что теория, основанная на абсолютных скоростях в эфире, в итоге разъясняла: вот этих-то скоростей, ребятки, вам и не видать, как своих ушей! Было в этом, знаете, что-то обескураживающее...

И вот, когда Лорентц по этому поводу пребывал в полном раздрае, стал ему чёрт нашёптывать: «Душка моя! Ты проверь: вдруг невозможность засечь абсолютную скорость – это универсальный принцип? Такой, что любому оптическому приборчику безразлично, стоит он в эфире или едет!» - «Сгинь, сгинь, - отмахивался Лорентц. – Такой абстракционизм моей теорией не опишется!» - «Да не скромничай, - втолковывал чёрт, - дело нехитрое! Стоит приборчик или едет, а оптическая картинка в нём одна и та же, так? Значит, в обоих случаях уравнения Максвелла идентичны! Вот и прикинь, как такое может быть! Если не ты, то кто же?»

Ну, Лорентц и прикинул – вышла, как и следовало ожидать, чертовщина полнейшая. В движущейся системе отсчёта уравнения Максвелла принимают точно такой же вид, как и в покоящейся, если выполнить особые преобразования линейной и временной координат. В результате этих преобразований, в движущейся системе отсчёта линейные масштабы сокращаются, в направлении движения, на множитель, равный лорентцеву квадратному корню, а временной масштаб, наоборот, на такой же множитель растягивается. «Господа! – умолял Лорентц. – Преобразования, которые я получил – это всего лишь формальный математический приём! Вы не подумайте, что в движущейся системе отсчёта происходят реальные деформации пространственных и временных масштабов!»

Всё! На этом месте лорентцевы игрушки кончились, и начался эйнштейновский монументализм. Никто не оценил результаты Лорентца так высоко, как Эйнштейн. Он проворно положил их в основу свеженькой концепции. Всё её содержание, в сущности, и сводилось к преобразованиям Лорентца и следовавшим из них деформациям пространственных и временных масштабов – с той лишь разницей, что эти деформации объявлялись реальными. «Постойте, - говорили ошарашенные физики. – Вон у Лоренца теория, так теория. Преобразования Лорентца – выведены им на основе его подхода. А у Вас?» - «А у меня, – растолковывал Эйнштейн, - преобразования Лорентца изначально присутствуют!» - «Да откуда они у Вас взялись-то?» - «Ах, господа, вы совсем тупые, что ли? Я их просто у Лорентца, как бы это выразиться, спостулировал. Имею право!» Кроме этого, Эйнштейн ещё «спостулировал» у Лорентца соотношение между массой и энергией (для случая электрона), а также выражение, описывающее рост массы электрона при увеличении его скорости. Там тоже множителем является лорентцев квадратный корень, так что внешне всё получилось очень даже в масть. Кстати, в знак признания заслуг Лорентца, это выражение поначалу так и называлось: формула Лорентца-Эйнштейна. Правда, у Лорентца эта формула была, опять же, чётко выведена, а у Эйнштейна, опять же, никакого вывода не было – эта формула у него тоже «изначально присутствовала». Уж на что Лорентц был утончённым интеллигентом, так даже он в своей «Теории электронов» высказал, что об Эйнштейне думает: «Его результаты… в основных чертах совпадают с теми результатами, которые мы получили… причём главное различие различается в том, что Эйнштейн просто постулирует то, что мы старались, с некоторыми затруднениями и не всегда вполне удовлетворительно, вывести из основных уравнений электромагнитного поля». Опять же – какая наивность! Во-первых, на утончённых интеллигентов и рассчитано. Во-вторых, многие ли читали «Теорию электронов»? А газеты читали многие. И в кинематограф ходили. Вот для всех них и устроили грандиозный кошачий концерт – про то, что Эйнштейн сбацал не фигнюшку какую-нибудь, а теорию, да к тому же гениальную. Трудно было найти домохозяйку или портового грузчика, которым все уши не прожужжали про то, что теперь, оказывается, «всё относительно». Пришлось потихоньку и физикам подтягиваться к переднему краю.

Ох, с каким же скрипом это у них получалось! Инерция мышления мешала! Что это для физиков значило – «всё относительно»? А это значило, что про абсолютные скорости в эфире следовало забыть. «И про эфир – тоже!» - настаивал Эйнштейн. Потому что про абсолютные скорости в эфире было забыть гораздо легче, если сначала забыть про сам эфир. Сейчас кому-то может показаться смешным расстраиваться из-за таких пустяков, но в то время на физиков было смотреть больно. Ведь отказ от эфира означал отказ от кучи наработок и, в первую очередь, от тогдашних представлений о свете – ради которых, собственно, эфир в своё время и придумали. «Но, - продолжал раздавать ценные указания Эйнштейн, - уравнения Максвелла нужно сохранить!» Это тоже понятно: без уравнений Максвелла теряли бы смысл преобразования Лорентца, а заодно и всё то, что называлось «теорией относительности». Поэтому, уравнения Максвелла пришлось сохранить. Но без эфира. Вот вы, дорогой читатель, можете представить упругие волны в среде, только без этой среды? Не получается? Странно… Впрочем, у физиков это тоже не сразу получилось. Они быстро поняли, в чём проблема: всё портило словечко «упругие». Это словечко они отбросили, и картинка заиграла: получились у них просто-волны, без всякой среды. Вот, оказывается, что такое свет: это волны в том, чего нет! Потихонечку-полегонечку даже теорию развили вот этого самого – чего нет. Это у них называется «теория поля». Презабавнейшая вещь! Студенты так и хлопают глазами, пытаясь сообразить – с какой стати это «поле» описывается уравнениями Максвелла, и откуда эти уравнения взялись.

А всё – из-за того, что «всё относительно». Из-за того, что к движению физических тел следует подходить, мол, с позиций формальной логики. Поясняем: с этих позиций плевать, кто относительно кого движется, ибо если тело А движется относительно тела В, то, формально, тело В тоже движется относительно тела А. Плевать-то плевать, но, на практике, движения тел зачастую оказываются однозначными – например, камень падает на Землю, а не наоборот. Кто сомневается, тому можем справочку предъявить. Вот эта справочка: если скорость соударения камня с Землёй равна V, то кинетическая энергия, которую после этого соударения можно превратить в другие формы энергии, равна половине произведения квадрата V на массу камня, но уж никак не на массу Земли. Значит, действительно, падал камень. Сия справочка выдана на основании закона сохранения энергии. Законнее не бывает – так что не придерёшься.

Знаете, почему так получается? Потому что угораздило кинетическую энергию быть квадратичной по скорости! Из-за этой квадратичности, превращения энергии при ускоренном движении конкретного тела адекватно описываются лишь в какой-то конкретной системе отсчёта. То есть, для адекватного описания, скорость тела приходится брать, так сказать, однозначную! Закон, как говорится, порядка требует. А особенно – закон сохранения энергии! Там, где этот закон работает, скорости оказываются истинными-однозначными, и никакого бардака – с относительными скоростями – нет!

О каком бардаке идёт речь? А вот, например, Эйнштейн утверждал, что «движущиеся часы замедляют свой ход». В терминах относительных скоростей это сразу приводит к «парадоксу часов» (или «парадоксу близнецов»): часы N1 движутся относительно часов N2, поэтому часы N1 идут медленнее; но часы N2 тоже движутся относительно часов N1, поэтому медленнее идут часы N2. Из такой находки популяризаторы ТО выжали всё, что только можно. Благодаря их подвижничеству, любой желающий мог, в свободное от основной работы время, попрактиковаться в вывихивании своих мозгов, пытаясь совместить два взаимоисключающих утверждения – да остаться при этом в рамках формальной логики. Это называлось «теория относительности для миллионов». Кстати, помимо «парадокса часов», можно было бы поизгиляться ещё насчёт совершенно аналогичных «парадокса длин» и «парадокса масс» - но в приличном релятивистском обществе это было не принято. «Реальное» сокращение длины – оно ведь должно вызываться реальными силами, которые должны совершать реальную работу… Видите, куда заносит – даже с длинами? Не говоря уже про массы! Это приводит к парадоксам с энергией – что нехорошие ассоциации вызывает. А приколы с часами, как полагали, к парадоксам с энергией не приводят. Ведь атомных часов тогда ещё не было даже в проекте – были, в лучшем случае, швейцарские хронометры. Так что насчёт «движущихся часов» грех было не поизгиляться!

Так вот, Эйнштейн отлично понимал: бардак с относительными скоростями возможен лишь там, где превращений кинетической энергии не происходит. Поэтому он и оговорил, что «специальный принцип относительности» применим лишь для систем отсчёта, «движущихся друг относительно друга прямолинейно и равномерно». Правда, ни одной такой системы отсчёта он не указал: в реальном физическом мире, все практические системы отсчёта оказываются в той или иной степени ускоренными. Казалось бы, здесь у Эйнштейна очевидный недочёт! Но это для нас, для простых смертных, очевидный недочёт. А для гениев – всё по-другому. Этот недочёт Эйнштейн превратил в увесистую дубину против своих критиков. Они-то, глупенькие, выстраивали свои рассуждения, ориентируясь на реальный физический мир, в котором ускорения неизбежны. Как только у них доходило до ускорений – тут же следовал удар дубиной: «Вы вышли за границы применимости теории, которую критиковать пытаетесь! Тундра неогороженная!» Останавливающий эффект был колоссальный.

И ведь до сих пор релятивисты полагают, что специальная теория относительности (СТО) справедлива для неускоренных систем отсчёта. Только они не уточняют – где же сыскать дурака, сиднем сидящего в такой системе. Сел на пенёк – так перестал ускоряться, что ли? Не смешите! Во-первых, этот пенёк имеет центростремительное ускорение из-за суточного вращения Земли. Во-вторых, Земля сама обращается вокруг Солнца. В-третьих, Солнечная система обращается вокруг центра Галактики... Где же он, чудесный неускоренный пенёк, на котором седалище полноценно отдохнуло бы от суеты мирской? Или, выражаясь научным слогом, где же практические системы отсчёта, в которых должны работать предсказания СТО? Сотня лет прошла, а ни одной такой системы отсчёта релятивисты не указали. Но ведь это скандал: где же у этой теории область применимости?

«А вот область применимости не трожьте! – обижаются релятивисты. – Во-первых, даже криволинейное и ускоренное движение на маленьком отрезочке можно считать прямолинейным и равномерным, понимаете?» Понимаем. Это называется: «понарошку». Как в детском садике! «А во-вторых, - продолжают они, - если кто желает рассчитать, например, релятивистское изменение хода атомных часов, то непременно находится система отсчёта, в которой предсказания СТО срабатывают!» Ага, ага. Непременно находится! Только не благодаря СТО! Надо же было умудриться сморозить такой шедевр: великолепную, внутренне непротиворечивую теорию, из которой прямиком следует, что она неприменима на практике! «Но в этом нет ничего страшного, - успокаивают нас, - это следствие как раз ошибочное!» Ну, действительно: несмотря ни на что, подходящая-то система отсчёта находится! Если удачно применить метод научного тыка! Вон, какой-нибудь несчастный космический аппарат, с атомными часами на борту, движется и относительно других космических аппаратов, и относительно наземных лабораторий, и относительно Луны, планет, Солнца… Прикидываете, сколько у него относительных скоростей? И нужно не захлебнуться в этом изобилии, а, удачно научно тыкнув, выбрать одну-единственную относительную скорость – вот тогда для его бортовых часов предсказания СТО блестяще сработают!

Ёлки-палки, до чего же мы докатились? Чем «одна-единственная относительная» скорость отличается от истинной-однозначной? Ну, разве вот чем: если вы хотите сделать правильные расчёты, то «одну-единственную относительную» скорость можно найти, действительно, лишь методом научного тыка – а истинная-однозначная скорость известна заранее. Надо только знать, как истинные-однозначные скорости отсчитывать.

Секрета из этого не делают. Прямо говорят: здесь не обойтись какой-то одной системой отсчёта; их – целое семейство. Причём, области пространства, в которых следует опираться на ту или иную систему отсчёта из этого семейства, строго разграничены. Это разграничение в точности повторяет разграничение областей действия тяготения больших космических тел (см. наш очерк «Бирюльки и фитюльки всемирного тяготения»). Действительно, имеется множество свидетельств о том, что, в областях планетарных тяготений, солнечное тяготение «отключено». Именно такой подход, дорогой читатель, объясняет не только фактическую картину океанских приливов (нет там никаких «приливных горбов»!), но и феномен астероидов-Троянцев, а также чудеса кинематики у парочки Земля-Луна, которая вовсе не обращается вокруг «общего центра масс»: Луна-то, можно сказать, обращается, а вот Земля всего лишь колеблется вперёд-назад вдоль местного участка своей околосолнечной орбиты. Так вот: из-за разграничения областей действия солнечного и планетарных тяготений, малое тело, где бы оно ни находилось, тяготеет – и, если есть возможность, падает – только к одному «силовому центру»: к солнечному или планетарному. Этим и обеспечивается однозначность превращений энергии при свободном падении малых тел – благодаря чему и являются реалиями их истинные-однозначные скорости.

Так по отношению к чему эти скорости следует отсчитывать? Смотрите: малое тело испытывает тягу, направленную вниз по местной вертикали – подчиняясь определённым предписаниям. Которые задают «склоны» для собственных энергий (масс) элементарных частиц: «верх» - это там, где эти энергии больше, а «низ» - там, где они меньше. Чем круче местный участок такого «склона», тем больше местное ускорение свободного падения – ведь кинетическая энергия малого тела при свободном падении за счёт того и растёт, что, при перемещении его вниз, обязана уменьшаться его масса. И, если превращения энергии при свободном падении определяются геометрией местного участка «склона» для собственных энергий, то истинная-однозначная скорость – это, по определению, и есть скорость относительно местного участка этого «склона» (авторское название этой скорости – локально-абсолютная). Правда, на практике такое определение мало что даёт: как можно знать скорость физического объекта относительно каких-то там «предписаний»? Ведь ещё великий Мах учил, что «на практике мы можем проследить движение тела только относительно других тел»… Не пужайтесь, граждане: как раз на практике легко находится подходящее тело отсчёта. Для физических явлений в пределах планетарной сферы тяготения, таким телом отсчёта является планета, а для физических явлений между планетарными сферами тяготения – Солнце. Можно сказать, что в солнечное «инерциальное пространство» встроены области планетарных «инерциальных пространств», которые находятся в орбитальном движении вокруг Солнца. Причём, в области планетарного «инерциального пространства», на истинной-однозначной скорости физического объекта никак не сказывается то, что сама эта область находится в орбитальном движении.

Может, истинные-однозначные скорости кому-то кажутся умозрительными фантазиями? Отнюдь: истинная-однозначная скорость прибора детектируется на опыте! И это получилось задолго до первой эйнштейновской статьи. Знаете, у кого? Вы только потерпите, не смейтесь – у Майкельсона и Морли в 1887 году! Вам, наверное, трудно в это поверить, потому что во множестве учебников и монографий подчёркивается огромная роль, которую сыграл в становлении СТО эксперимент Майкельсона-Морли: результат его, якобы, оказался «нулевым», никакого «абсолютного» движения обнаружено не было. Те, кто такое пишут, что-то путают. Может, они и правы насчёт «огромной роли» - если, конечно, Эйнштейн считал эту роль настолько огромной, что просто не смог найти подходящих для такого случая слов, и поэтому про Майкельсона и Морли в своей статье даже не упомянул. А что касается «нулевого результата», то слухи о нём несколько преувеличены. Ну, да: не проявилось орбитальное движение Земли вокруг Солнца – по этому поводу и устроили вселенскую скорбь. Но ведь был повод и для радости: интерферометр реагировал на своё движение в направлении на местный восток – из-за вращения Земли вокруг своей оси. Правда, линейная скорость этого движения на два порядка поменьше, чем 30 км/с – но это всё же больше, чем совсем ничего. Заметьте: прибор Майкельсона-Морли – это вам не интерферометр Саньяка, где свет движется во встречных направлениях в обход контура с ненулевой площадью, благодаря чему детектируется собственное вращение прибора. У прибора Майкельсона-Морли площадь контура нулевая! И, к тому же, это вам не акселерометр, который используется в системах инерциальной навигации – где детектируется ускорение, а затем оно интегрируется и, таким образом, вычисляется скорость. Нет: к изумлению релятивистов, прибор Майкельсона-Морли реагировал непосредственно на свою скорость – причём на вполне конкретную.

Далее был ещё целый ряд экспериментов, которых релятивисты называют «аналогами» эксперимента Майкельсона-Морли. В этих, с позволения сказать, «аналогах» результаты были действительно нулевые. То, что там не проявлялось орбитальное движение вокруг Солнца – это само собой. Но там не проявлялось и движение установки из-за суточного вращения Земли. Странно? Нет, не странно: оно и не могло там проявиться. Вот, например, что вытворяли Таунс с сотрудниками. Ставили пару мазеров на платформу, пучками атомов навстречу друг другу – причём, вдоль линии запад-восток. Измеряли частоту биений этой парочки. Затем поворачивали платформу на 180° и снова измеряли частоту биений. И так – много раз, на протяжении более полусуток. «Орбитальный эфирный ветер» при такой методе обнаружился бы. А «суточный» – нет, поскольку, при повороте платформы на 180°, допплеровские сдвиги частот у мазеров просто менялись ролями, и частота биений оставалась прежней. Другие специалисты ставили на платформу два инфракрасных мазера ортогонально друг другу – и давай поворачивать эту платформу туда-сюда на 90° между положениями, когда резонатор одного мазера ориентирован по линии север-юг, а резонатор другого, соответственно, по линии восток-запад. Если бы дул «эфирный ветер», он приводил бы к неодинаковым сдвигам частот у резонатора, ориентированного «вдоль ветра», и у резонатора, ориентированного «поперёк ветра»; поэтому, при тех самых поворотах платформы, частота биений мазеров соответственно изменялась бы. Размах этих изменений, соответствующих скорости 30 км/с, составил бы 3 МГц. А обнаружили – 270 кГц, да не из-за «эфирного ветра», а из-за магнитострикции, т.е. изменения длин металлических стержней резонаторов под воздействием магнитного поля Земли. Вклад же из-за суточного движения установки должен был иметь размах около 300 Гц при синфазности с «магнитным» эффектом. Ясно, что этот вклад было невозможно увидеть: как выражаются экспериментаторы, он был «погребён в шумах». Другого рода шутки получались в тех случаях, когда измерения проводились при неизменной ориентации всех элементов установки по отношению к земной поверхности. Таких экспериментов было множество – исследования ионного стандарта частоты, двухфотонная спектроскопия в атомном пучке, сличения частот ортогонально расположенных лазеров… Всё это делалось с сумасшедшей точностью. Но что толку от этой сумасшедшей точности, если проявление суточного «эфирного ветра» было неизменным на протяжении всего интервала измерений? Как здесь увидеть, что это проявление вообще существует? Увидеть эффект можно тогда, когда его проявление хоть как-то изменяется. А если нет – то, как ни всматривайтесь, эффекта всё равно не увидите!

Страницы


В нашей электронной онлайн библиотеке вы можете бесплатно и без регистрации прочитать «Фиговые листики теории относительности» автора Деревенский О. на телефоне, андроиде, айфоне, айпаде. Сейчас вы находитесь в разделе „читать“ на странице 1. Приятного чтения.