25299-1 (Новая интерпретация теории относительности)

НОВАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

В статье рассматриваются специальная и общая теории относительности с новой точки зрения. Сущность указанных теорий раскрывается с помощью метода моделирования. Это дает возможность не только понять действительный смысл преобразований Лоренца, но и по новому переосмыслить традиционный геометрический подход в теории гравитации. В ортодоксальной интерпретации СТО и ОТО на первый план выходят понятия пространства и времени вообще , что не позволяет выявить материальные корни этих теорий и фактически затушевывает их суть. Ньютоновскую физику роднит с СТО и ОТО то обстоятельство, что все они исходят из представления о мире, как о пространственно-временном вместилище всего сущего, независимом от материи. В рамках этих теорий мир, или пространство-время, может рассматриваться и в отсутствие материи. В настоящее время ясно, что это фундаментальное предположение выглядит недостаточно обоснованным. Целью настоящей статьи как раз и является попытка предложить другую структуру теоретической физики и указать то место на пути развития этой науки, начиная с которой она могла бы отклониться от выбранного ею магистрального пути.

1. ВВЕДЕНИЕ

На первый взгляд, в специальной и общей теориях относительности рассматривается и описывается пространство и время вообще физическое, биологическое, социальное и т. п. , а не определенные пространственно-временные характеристики определенных физических событий. Но как, например, не существует человека вообще , а существуют конкретные люди, так не существует и времени вообще , но есть конкретные временные процессы. Поэтому возникает вопрос : насколько оправдан в теории относительности указанный общий подход к понятиям пространство и время и как в действительности связаны пространственно-временные характеристики конкретных явлений, описываемых СТО и ОТО, с пространственно-временными параметрами других явлений ?

Для начала в качестве примера рассмотрим второй закон Ньютона

(1)

Несмотря на универсальность данного закона, здесь время означает не любое время, а время, связанное с определенными механическими процессами. Аналогичным образом обстоит дело и с другими формулами, где речь идет не об абстрактном времени вообще , а о времени, как характеристике определенных физических процессов. Не составляют исключения и формулы, получаемые из преобразований Лоренца.

В СТО две инерциальные системы отсчета (ИСО), соотносящиеся друг с другом, изолированны, т. е. физически не связаны между собой. Однако формулы свидетельствуют : в движущейся ИСО все временные интервалы растягиваются , а пространственные длины укорачиваются . О том, что происходит в движущейся ИСО, позволяют судить математические преобразования. Но в случае преобразований Галилея две ИСО соотносятся непосредственно, а в случае преобразований Лоренца такое соотнесение происходит с помощью материального посредника светового сигнала. То есть в первом случае имеет место двучленное отношение, а во втором трехчленное.

Между тем имеется универсальная закономерность, которую можно сформулировать так : отношение (результат сопоставления) двух систем не тождественно отношению трех и более систем. Именно этот факт и порождает те необычные пространственно-временные отношения между двумя ИСО, которые возникают в СТО.

Для пояснения сказанного рассмотрим следующий пример. Глаз меньше Солнца и на каком бы расстоянии ни находился наблюдатель, объективное двучленное отношение между глазом и Солнцем (отношение их размеров) остается именно таким. Но вот наблюдатель подносит к глазу ладонь и заслоняет Солнце. Тем самым в отношения включается третий элемент. Ясно, что двучленные отношения не тождественны трехчленным. Это можно выразить и математически, не упуская из виду конкретный характер данных отношений. В противном случае неверное истолкование математических соотношений приведет к выводу, что ладонь по мере приближения к глазу становится больше Солнца.

Обратимся теперь к известной релятивистской формуле

(2)

Какую реальную физическую нагрузку несут ее символы ? относится к условно покоящейся ИСО ; и - к движущейся ИСО. А к какой из этих двух систем относится скорость света c ? Ни к какой ! Процесс распространения электромагнитных колебаний это самостоятельный элемент объективного трехчленного отношения.

Подчеркнем, что формулы, получаемые из преобразований Лоренца, описывают конкретный физический процесс поведение света в различных ИСО. В преобразованиях Лоренца описывается световой сигнал, единый для двух ИСО. И условия, заданные этими преобразованиями, предполагают совместное, триединое рассмотрение движения света относительно как покоящейся, так и движущейся систем отсчета. В рамках преобразований Лоренца это - вопрос коренной, центральный, потому что события, описываемые в системах координат, соотносящихся со световым лучом, оказываются вторичными по отношению к главному событию движению света, представляя собой, по существу, проекцию светового луча на ту или иную систему координат, в результате чего и появляется возможность проводить соответствующие измерения и вычисления.

В трехэлементном соотношении

(3)

сокращается не длина вообще , а длина фиксации пробега светового луча. С самим светом, как и с обеими системами отсчета, ничего не происходит, но реальная проекция конкретного физического процесса на две ИСО будет разной.

С другой стороны, увеличившийся временной интервал в (2) означает, что в движущейся ИСО свету потребуется больше времени, чтобы покрыть расстояние, одинаковое с зафиксированным отрезком в покоящейся ИСО. При сравнении же результатов измерения оказывается, что временной интервал в движущейся ИСО как бы растягивается ( [1], с. 90-123).

Распространено мнение, что эффекты сокращения длин и замедления временных процессов характерны только для скоростей, близких к скорости света. Однако это далеко не так. Приведем в качестве примера летящий высоко в небе самолет. Его видимые размеры кажутся уменьшенными, а скорость движения (временной процесс) замедленной. Для пассажиров самолета те же явления на земной поверхности (например, движущиеся автомобили) выглядят аналогичным образом. То есть между наблюдателем на земной поверхности и наблюдателем в самолете существует равноправие, симметрия явлений. Но, в отличие от СТО, в этом примере параметром является не относительная скорость, а взаимное расстояние. Тем не менее структура формул для укороченных длин и растянутых временных интервалов аналогична формулам, получаемым в СТО. Этот наглядный пример в какой-то степени подтверждает вышесказанное. Не будь этой наглядности, то, изучая подобные формулы, можно было бы и в самом деле решить, что наш самолет укоротился , а время на нем замедлилось .

В следующем параграфе изложенные выше рассуждения мы подтвердим и подробно раскроем с помощью простой и наглядной (аналоговой) модели СТО ( [2], с. 28-39).

2. МОДЕЛЬ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Рассмотрим систему, состоящую из двух наблюдателей и двух стержней (фиг. 1)

. Здесь АВ и A`B ` -стержни длиной , которые можно назвать единичными масштабами. В точках Д и Д ` расположены наблюдатели. R постоянное расстояние, R1 - переменное расстояние. Таким образом, каждый из наблюдателей жестко связан с соответствующим стержнем (системой отсчета). Из фиг. 1 легко получить следующие соотношения, справедливые относительно обоих наблюдателей

(4)

(5)

Соотношения (4) характеризуют кажущееся уменьшение длины одного стержня по отношению к другому стержню в зависимости от расстояния R1 . Соотношение (5) характеризует неизменность протяженностей обоих стержней при изменении расстояния R1 , то есть представляент собой инвариант преобразований. Отметим, что в (4) уменьшение длины не есть результат действия неких внутренних молекулярных сил в стержнях. Систему наблюдатель в Д стержень АВ назовем системой отсчета K; систему наблюдатель в Д ` -

стержень A`B ` назовем системой отсчета K ` . В каждой из указанных систем отсчета наблюдатели могут производить отсчет угловых размеров стержней по отношению друг к другу. Для наблюдателя в Д система отсчета К (стерженьАВ ) является собственной системой отсчета. Соответственно, для наблюдатенля в Д ` собственной системой отсчета будет система К ` (стержень A`B` ).

Однако, если наблюдатели не могут покинуть точки Д и Д ` (например, если R - большая величина), то априори они не смогут установить соотношения (4) и (5). Но пусть в точках A, B, A`, B` имеются зеркала. Тогда с помощью световых сигналов каждый из наблюдателей обнаружит, что выполняется следующее соотношение

(6)

где - постоянная величина с размерностью длины, характеризующая то обстоятельство, что стержни параллельны друг другу. Из (6) видно, что

.

Таким образом, наблюдатели в конце концов придут к следующим соотношениям, полученным из опыта

(4`)

(5`)

Пусть теперь наблюдатель в Д рассматривает в собственной системе отсчета К реальный временной процесс движение светового сигнала из точки А в точку В и далее в точку С . Так как , где c - скорость света ; - время движения сигнала из A в B , то

(7)

Далее, , где - время движения сигнала из точки A в точку C и

(8)

Подставляя (7) и (8) в (4 ` ) и (5 ` ) и учитывая, что величины можно взаимно не сокращать, а почленно умножить на подкоренное выражение, наблюдатель в Д получит соотношения

(4`` )

(5`` )

где - величина с размерностью скорости,

- величина с размерностью длины,

- инвариантная величина, характеризующая неизменную протяженность стержней и выраженная через пространственно-временные характеристики светового сигнала