Специальная теория относительности – гениальное озарение или математическая фантазия? - Сергей Александрович Гурин
Но объяснение должно ведь быть! И вдобавок, из-за всеобщего убеждения в постоянстве скорости света, просто необходимо было решить проблему неинвариантности уравнений Максвелла.
Хотелось бы конечно проследить полностью путь образных размышлений (именно образных, а не математических, потому, что, по моему мнению, невозможность найти решение проблемы на уровне интуитивного объектного моделирования и дает толчок для развития теоретического и математического аппарата), приведший теоретиков к известным выводам, из которых наиболее известны преобразования Лоренца и Пуанкаре. Но кратко это, на мой взгляд, выглядит так:
НАЧАЛО ПУТИ
При рассмотрении явления аберрации, в системе отсчета связанной с телескопом, свет приходящий от звезд (для простоты представления примем направление на звезду нормальным к плоскости орбиты Земли), из-за движения системы телескопа относительно системы внешнего пространства, проходит путь, отклоненный от вертикали, по которой он продолжает двигаться в собственной системе. Тогда получается, что в разных системах свет проходит разные по длине пути. В неподвижной системе астронома путь света длиннее. Но если скорость света не меняется от системы к системе, значит в системе телескопа время прохождения светом пути от источника до приемника должно быть больше чем в системе света – явная проблема.
В опытах Майкельсона-Морли получается, что или эфир существует и полностью увлекается Землей, или его не существует вовсе. Однако в упомянутых ранее опытах Физо результат получался явно меньше, чем если бы эфир полностью увлекался движущейся средой, но все-таки увлекался.
В результате сопоставления этих эмпирических данных была выдвинута гипотеза о сжатии пространства при движении, а также предположение о существовании местного для системы отсчета времени. Появились первые преобразования, давшие коэффициент ускорения или замедления (из какой системы смотреть) времени, сокращения длины движущихся предметов в направлении движения. Впоследствии все это назвали преобразованиями Лоренца, а поправочный коэффициент фактором Лоренца. Этот фактор и является той самой релятивистской поправкой, которую стали использовать везде и всегда как само собой разумеющееся (при этом, в подавляющем большинстве расчетов и выводов формул, её отбрасывают в виду чрезвычайной малости).
В свое время (по общепринятому ходу истории науки) Лоренц только объяснил на уровне «почему», а математический аппарат для полных расчетов, и, замечу, специально для этого, разработал Пуанкаре. Одной из целей этого была упомянутая выше необходимость создать аппарат преобразований, в которых инвариантны уравнения Максвелла для электромагнитного поля, что и было достигнуто (кто-бы сомневался, математики, а особенно гениальные, еще ни разу не подвели). Ну, тут уж народ развернулся.
Вводится понятие «относительности одновременности» событий. Вкратце напомню принцип (как его объясняют в общедоступных источниках), так как это пригодится в дальнейшем.
Два наблюдателя находятся в разных системах, у них по трое часов, одни у наблюдателя и двое равноудалены от него в противоположных направлениях. Часы одинаковые и расстояния, на которые удалены часы, также одинаковы для обоих систем. Часы изначально показывают одно и тоже время. Если системы относительно друг друга не двигаются, то все события одновременные в одной системе также одновременны в другой. Но при движении одной системы относительно другой в направлении, совпадающем с линией, соединяющей часы, одновременность для наблюдателей нарушается.
Для объяснения использовался мысленный эксперимент (этот метод вообще стал очень излюбленным способом подтверждения справедливости релятивистики, что вполне понятно ведь скорость света до сих пор недостижима). В неподвижной системе у крайних часов одновременно подаются световые импульсы, которые достигают наблюдателя (назовем его часовой потому, что неподвижен) за одинаковое время. Но до наблюдателя в движущейся системе (летчика) свет от переднего, по ходу движения его системы, импульса дойдет раньше, чем свет от заднего, так как летчик перемещается к переднему импульсу и отдаляется от заднего. И вот вам события одновременные в неподвижной системе не одновременны в подвижной. Все логично.
Дальше больше, появившийся математический аппарат позволяет предсказать и рассчитать изменение длины движущегося объекта для неподвижного наблюдателя. По расчётам, движущийся объект сокращает свою длину в направлении совпадающим с направлением движения, перпендикулярные движению размеры не изменяются.
Читатель, искренне надеюсь, дочитавший до настоящего места, наверное недоумевает: зачем я излагаю прописные истины. Но прошу еще немного терпения – без изложения этих примеров, пусть давно известных и разобранных в литературе, будет сложнее передать ход рассуждений автора и сделанные им выводы.
Тем более, что максимально углубляться в существующее положение современной науки не есть цель данной работы, хотя есть огромное к этому искушение. И если читателю хочется быстрее ознакомиться с рассуждениями автора, и он (читатель) прекрасно знаком с основами появления и обоснования СТО, то эти исторические экскурсы можно спокойно пропустить.
Я же продолжу, и кратко изложу суть знаменитых мысленных экспериментов, на которых как на пьедестале и взгромоздилась СТО нарастив фундаментальную математическую фигуру. И так как создателем СТО является Эйнштейн, то на его размышлениях и остановимся. Повторюсь, изложение краткое, не дословное.
ЛАБОРАТОРИЯ ВООБРАЖЕНИЯ.
Догоняем светв одном с ним направлении, и при достижении скорости света, свет перестанет двигаться вперед, но будет совершать колебательные движения. Что по словам самого экспериментатора – Эйнштейна «просто немыслимо». И это уже зародило у него повод для размышлений (опять же, по его словам).
Эксперимент с поездом и платформой. На платформе стоит смотритель, мимо платформы движется вагон, в середине которого находится пассажир. В момент, когда пассажир поравняется со смотрителем, в концы вагона попадают молнии. До смотрителя свет от ударов дойдет одновременно, а к пассажиру, двигающемуся вперед, свет от передней молнии дойдет быстрее чем от задней (где-то уже это было), а значит события для пассажира не одновременны. В этом опыте Эйнштейн определяет относительность одновременности событий при переходе из неподвижной системы отсчета в движущуюся.
Пытаемся передать сигнал со сверхсветовой скоростью. Сигнал будет передаваться по ленте, сделанной из материала, по которому сигналы могут распространяться с какой угодно скоростью. Отправитель и адресат находятся у ленты, причем лента движется от получателя к отправителю, т.е. противоположно движению сигнала. Тогда скорость передачи сигнала будет равна разнице скоростей распространения сигнала по ленте и самой ленты. Но здесь уже сразу при расчете этой разницы используется релятивистская поправка. При условии, что скорость сигнала по ленте и скорость ленты могут быть любой, то возможно решение с отрицательным временем передачи сигнала, т.е. получатель получит
