Полезное знание под угрозой удаления из Википедии или другого сайта?
Сохраните его на Викизнании или Вавилон-wiki!

Специальная теория относительности

→ 
Материал из Викизнание
Перейти к: навигация, поиск

Специальная теория относительности (также известная как частная теория относительности, СТО) – физическая теория, описывающая преобразование законов движения, законов механики, электродинамики и лоренц-инвариантной теории гравитации на основе пространственно-временных отношений в инерциальных системах отсчёта, при скоростях движения, которые могут достигать скорости света. В рамках специальной теории относительности классическая механика Ньютона является приближением низких скоростей. Обобщение СТО, с учётом влияния электромагнитных и гравитационных полей на наблюдаемые и измеряемые пространственно-временные отношения, делается в общей теории относительности (ОТО), а также в метрической теории относительности (МТО). Известна также версия СТО – расширенная специальная теория относительности (РСТО), выведенная в другой аксиоматике и ограничивающая абсолютизацию относительности инерциальных систем отсчёта, присущую СТО.

Отклонения в протекании физических процессов, описываемые теорией относительности, от эффектов, предсказываемых классической механикой, называют релятивистскими эффектами, а скорости, при которых такие эффекты становятся существенными — релятивистскими скоростями.

Введение[править]

СТО основана на предположении о том, что скорость движения света равна одной и той же величине (примерно 300 тыс. км/сек) независимо от того, с какой скоростью движется наблюдатель, эту скорость измеряющий. Это предположение кажется парадоксальным, если присмотреться к нему внимательнее.

Например, всем известно явление: если вы высунете руку в окно, когда едете в автомобиле, то почувствуете ветер, даже в безветренную погоду. Физики описывают это явление следующими словами: в системе отсчета земли воздух имеет нулевую скорость, то есть, покоится, а в системе отсчета автомобиля - тот же воздух движется с большой скоростью и получается ветер. Физики посчитали, да это и нетрудно понять самому, что скорость такого ветра равна скорости автомобиля, только направлена в противоположную сторону: автомобиль едет вперед, а ветер дует назад.

Важно то, в обычных обстоятельствах, при переходе наблюдателя с неподвижной земли в движущийся автомобиль, скорость автомобиля вычитается из скорости всех ранее наблюдавшихся предметов. Рассмотрим пример. Будем считать скорости движения на север положительными, направленными "вперед", а скорости движения на юг - отрицательными, направленными "назад". Находясь на земле, мы наблюдаем неподвижный воздух (0 км/ч), автомобиль, движущийся на север (+100 км/ч), автомобиль, движущийся на юг (-90 км/ч) и велосипедиста, движущегося на север (+15 км/ч).

Теперь пересядем в автомобиль, который движется на север со скоростью +50 км/ч. Что мы увидим? Воздух создаст ветер (-50 км/ч (то есть, дующий на юг)). Первый автомобиль будет продолжать двигаться на север, но с меньшей скоростью (+50 км/ч). Второй автомобиль продолжит удаляться на юг, но уже с большей скоростью (-140 км/ч). А вот велосипедист станет отставать, то есть, будет двигаться относительно нас на юг. (-35 км/ч). Понятно, в чем идея? Когда наблюдатель приходит в движение, ему кажется, что весь мир отправляется назад. В численном выражении, его скорость вычитается из скоростей всех предметов.

Однако для света удобно считать, что если он двигался вперед со скоростью +300 тыс. км/с, то и продолжит двигаться с точно такой же скоростью! Если он двигался назад со скоростью -300 тыс. км/с, то и продолжит двигаться с точно такой же скоростью! Такое предположение кажется невероятным, но зато формально оно согласуется со стандартной процедурой пространственно-временных измерений, в которой все измерения осуществляются с помощью света. Многочисленными опытами показано, что в этом случае скорость света действительно не изменяется при выборе разных систем отсчета. При описании движения света с постоянной скоростью в системах отсчета, движущихся с разной скоростью, доказывается относительность понятия одновременности. В частности, получено замедление времени для движущихся систем отсчета.

Действительно со скоростью света происходит путаница. Вот фраза: “Например, всем известно явление: если вы высунете руку в окно, когда едете в автомобиле, то почувствуете ветер, даже в безветренную погоду”. Заметьте, здесь присутствуют два объекта – автомобиль и рука. Потом об автомобиле забывают и подразумевают, что рука движется относительно воздуха. Не помню, кто-то из великих высказал такую мысль, что если бы люди понимали смысл слов, то недоразумений было бы значительно меньше. Дело в том, что рука в данном случае не движется – ее движут. В этом случае, надо обращаться не к теории СТО, а к эмиссионной теории Вальтера Ритца. Выбросьте руку из автомобиля и она, примет скорость воздуха, при отсутствии гравитации. Рука может двигаться только по инерции. У нее нет ни крыльев, ни винта, ни любого другого движителя. Человек, спрыгнувший из автомобиля, поезда или чего-либо другого будет двигаться в своей среде (земля, асфальт, снег и т.п.) со своей скоростью. Эта скорость не слишком велика, а двигать его можно почти с любой доступной технически скоростью. О постоянстве скорости звука в определенной среде не говорит только ленивый. Скорость волны на воде, мазуте и т.д. тоже подчинены физическим свойствам среды (вязкости, гравитации и т.п.). Почему же мы отказываем в этом электромагнитному излучению? В кванте электрическое и магнитное поля индуцируют друг друга, переливают энергию из одной формы в другую и этим методом движутся сами, не теряя и не приобретая энергию. Это свойство материи. Если источник излучения света будет двигаться со скоростью большей, чем скорость 300 000 км/сек, то фотон, оторвавшись от своего источника, будет двигаться со своей скоростью, 300 000 км/сек, если это событие происходит в вакууме. Именно такое явление наблюдаем со звуком. Об этом немного можно прочесть в статье . http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/10537.html.

Создание СТО[править]

Предпосылкой к созданию теории относительности явилось развитие в XIX веке электродинамики. Результатом обобщения и теоретического осмысления экспериментальных фактов и закономерностей в областях электричества и магнетизма стали уравнения Максвелла, описывающие все проявления электромагнитного поля и его взаимодействие с зарядами и токами.

Другим следствием развития электродинамики стал переход от ньютоновской концепции дальнодействия, согласно которой взаимодействующие на расстоянии тела воздействуют друг на друга через разделяющую их пустоту, причём взаимодействие осуществляется с бесконечной скоростью, т.е. «мгновенно», к концепции близкодействия, предложенной Майклом Фарадеем, в которой взаимодействие передаётся с помощью промежуточных агентов – полей, заполняющих пространство – и при этом встал вопрос о скоростях распространения как взаимодействий, переносимых полями, так и самих полей. Скорость распространения электромагнитного поля в пустоте вытекала из уравнений Максвелла и оказалась постоянной и равной скорости света.

В связи с этим появляется новый вопрос – относительно чего постоянна скорость света? В максвелловой электродинамике скорость распространения электромагнитных волн (при условии измерения этой скорости с помощью электромагнитных часов и положения часов с помощью света) оказалась не зависящей от скоростей движения как источника этих волн, так и наблюдателя. Аналогичной оказалась и ситуация с магнитостатическими решениями, вытекающими из уравнений Максвелла: статические магнитные поля и силы Лоренца, действующие на движущиеся в магнитных полях заряды, зависят от скоростей зарядов по отношению к наблюдателю, т.е. уравнения Максвелла оказались неинвариантными относительно принципа относительности и преобразований Галилея – что противоречило ньютоновской концепции абсолютного пространства классической механики.

Специальная теория относительности была разработана в конце XIX – начале XX века усилиями Г. А. Лоренца, А. Пуанкаре, Лармора и А. Эйнштейна, и затем представлена Минковским в четырёхмерном формализме, объединяющем пространство и время. Вопрос приоритета в создании СТО имеет дискуссионный характер: основные положения и полный математический аппарат теории, включая групповые свойства преобразований Лоренца, в абстрактной форме были впервые сформулированы А. Пуанкаре в работе 1905 г. «О динамике электрона» на основе предшествующих результатов Г. А. Лоренца, а явный абстрактный вывод базиса теории — преобразований Лоренца, из минимума исходных постулатов был дан А. Эйнштейном в практически одновременной работе 1905 г. «К электродинамике движущихся сред». Однако Лармор ещё в 1897 г., до работы Лоренца 1899 г., приходит к преобразованиям Лоренца. Он также даёт релятивистскую формулу сложения скоростей (смотри Larmor J.J., 1900).

Опыт Майкельсона[править]

Основой для создания СТО и предшествующих теорий послужил опыт Майкельсона, который дал результат измерения, неожиданный для классической физики своего времени. Попытка проинтерпретировать этот результат в начале XX века вылилась в пересмотр классических представлений механики, и создание Лоренцом, Пуанкаре и Эйнштейном релятивистских физических теорий.

Постулаты СТО[править]

СТО полностью выводится на физическом уровне строгости из пяти постулатов (предположений):

  1. Справедлив принцип относительности Пуанкаре-Эйнштейна, являющийся расширением принципа относительности Галилея на все явления.
  2. Скорость света не зависит от скорости движения как источников, так и приёмников во всех инерциальных системах отсчёта. Это позволяет дистанционно произвести однозначную первоначальную синхронизацию всех имеющихся часов как в неподвижной, так и в движущейся системе отсчёта.
  3. Справедливость симметрий относительно поворотов в пространстве-времени Евклида.
  4. Справедливость симметрий относительно сдвигов в пространстве-времени Евклида.
  5. Пространственно-временные измерения осуществляются с помощью электромагнитных волн.

Формулировка второго постулата может быть шире: «Скорость света постоянна во всех инерциальных системах отсчёта», но для вывода СТО достаточно его формулировки, записанной выше. Некоторые постулаты сформулированы явно, а другие предполагаются неявным образом как в работах Эйнштейна, так и Пуанкаре, хотя и в разной степени.

Иногда пятый постулат СТО записывают как синхронизацию часов по А. Эйнштейну, но принципиального значения это не имеет: при различных условиях синхронизации изменяется математическое описание экспериментальной ситуации без изменения предсказываемых и измеряемых эффектов. Пятый постулат СТО является ключевым, так как без него скорость света не смогла бы появиться в преобразованиях Лоренца для координат и времени и в других формулах.

Раньше можно было встретить утверждение о том, что СТО обосновывает существование скорости света как предельной скорости распространения сигналов. Естественно, что это не может быть доказано в рамках СТО, которая не является теорией о распространении сигналов, а лишь использует свет в процессе измерений.

Постулаты расширенной СТО[править]

Анализ постулатов и результатов СТО показывает следующее. Все инерциальные системы отсчёта в СТО являются полностью эквивалентными. Все эффекты СТО в конечном итоге являются следствием того, что скорость света ограничена. Преобразования Лоренца могут быть выведены разными способами, в разной аксиоматике, в том числе путём использования представлений о математических группах.

Однако стандартная аксиоматика СТО является слишком жёсткой. Она крайне релятивистична, доводя принцип относительности инерциальных систем отсчёта до абсолюта. Из её постулатов нельзя представить себе существование хотя бы одной каким-то образом выделенной инерциальной системы. Принцип независимости скорости света парадоксален и потому с трудом играет роль исходной аксиомы СТО. Действительно, аксиомой, по определению, считается утверждение, не требующее доказательства ввиду своей очевидности. Но с самого начала принцип независимости скорости света от скорости наблюдателя был малопонятен и плохо сочетался с принципом относительности (следует отдать здесь должное гениальным первооткрывателям СТО).

В то же время, до сих пор остаётся неизвестной истинная причина постоянства скорости света в вакууме. Также не определена структура физического вакуума, в котором распространяются электромагнитные волны. Являются ли кванты света самостоятельными автономными объектами, движущимися по инерции в пустом пространстве, или они всё-таки переносят свою энергию и импульс через колебания среды вакуума посредством волнового взаимодействия? Как бы то ни было, теория должна иметь возможность учесть любые эффекты взаимодействия вакуума как некоторой среды с электромагнитным полем и с веществом. Не исключены также и перекрёстные эффекты при движении тел в вакууме, когда внутри этих тел распространяется электромагнитная волна, а вещество тел взаимодействует с вакуумом. Однако стандартная аксиоматика СТО не позволяет учесть подобные эффекты – эфира в СТО, как известно, нет из-за крайней релятивистичности теории. Поэтому в СТО нельзя и говорить о сущностном влиянии вакуума на распространение электромагнитных волн.

В аксиоматике расширенной СТО находятся внутренне непротиворечивые, логически понятные аксиомы теории, преодолевается абсолютизация релятивизма, расширяются возможности теории в описании действительности, с сохранением всех ранее достигнутых в СТО результатов, многократно проверенных на практике [1].

В расширенной специальной теории относительности (РСТО) система аксиом имеет следующий вид:

  1. Выполнение принципа относительности (если все материальные тела физической системы привести в состояние свободного и равномерного прямолинейного движения относительно системы, условно называемой покоящейся, то явления в движущейся системе отсчёта для сопутствующего наблюдателя будут выглядеть так же, как в покоящейся системе отсчёта для неподвижного в ней наблюдателя).
  2. Существует такая изотропная система отсчёта, в которой скорость распространения света одинакова по всем направлениям и не зависит от скорости излучателя света.
  3. Справедливость симметрий относительно поворотов в пространстве-времени Евклида. В частности, при движении системы отсчёта оси координат считаются остающимися параллельными осям неподвижной системы отсчёта. Также подразумевается независимость скорости света от направления его распространения в поперечном направлении относительно скорости движения инерциальной системы отсчёта.
  4. Справедливость симметрий относительно сдвигов в пространстве-времени Евклида. Это означает линейность преобразований координат и времени из одной инерциальной системы отсчёта в другую (все координаты в преобразованиях входят в первой степени, члены с более высокими степенями отсутствуют). Кроме этого считается, что поперечная длина стержня не зависит от знака скорости перемещения этого стержня, а определяется абсолютным значением скорости.
  5. Пространственно-временные измерения осуществляются с помощью электромагнитных волн.

По сравнению с СТО, в РСТО делается замена второго постулата СТО о независимости скорости света для любого наблюдателя на аксиому об изотропности пространства. В результате, формулы СТО и его постулат о постоянстве скорости света для всех наблюдателей оказываются выведенными в другой аксиоматике, исходя из РСТО.

Но в чём же ещё заключается преимущество РСТО перед СТО? Для ответа на этот вопрос рассматривается распространение света внутри движущихся тел. В системе отсчёта S, где тело покоится, скорости света внутри тела с3 и с4 в противоположных направлениях оси Х зависят от абсолютного показателя преломления и теоретически могут зависеть ещё от направления и величины скорости движения тела в изотропной системе отсчёта S0 . Последнее вытекает из того, что движение тела в S0 может изменить скорости распространения света внутри тела, например, подобно эффекту увлечения эфира. С точки зрения S0 , скорости света внутри тела будут равны с5 и с6. Из вычислений возникают соотношения между направленными в одну сторону скоростями с4 и с6, с3 и с5. Эти соотношения при упрощающих предположениях переходят в стандартные формулы сложения скоростей в опыте Физо, когда движущаяся вода увлекает свет и эффективно увеличивает его скорость. Но если не делать никаких упрощений, РСТО предполагает возможность появления дополнительных эффектов, за счёт неравенства скоростей с3 и с4. Такое неравенство скоростей вполне возможно при больших скоростях или ускорениях движения тела в изотропной системе отсчёта. Подобных предсказаний СТО сделать не может, ввиду излишней жёсткости своих постулатов.

За счёт возможного влияния физического вакуума на показатели преломления света, измерения внутри движущихся и ускоряющихся тел могут привести к другим результатам по сравнению с внешними измерениями промежутков времени и длин этих же тел и по сравнению с измерениями внутри покоящихся в изотропной системе тел. Поскольку фазовая скорость света внутри материальных тел зависит от абсолютного показателя преломления ~n, то через этот показатель и должно проявляться влияние физического вакуума. В теории РСТО преобразования координат и времени имеют вид:

~x={\frac  {x'+Vt'}{{\sqrt  {1-(n+\omega {\frac  {dn}{d\omega }})^{2}V^{2}/c^{2}}}}},y=y',z=z',


~t={\frac  {t'+(n+\omega {\frac  {dn}{d\omega }})^{2}Vx'/c^{2}}{{\sqrt  {1-(n+\omega {\frac  {dn}{d\omega }})^{2}V^{2}/c^{2}}}}}.\qquad \qquad (1)

В веществе показатель преломления зависит от угловой частоты волны ~\omega согласно формуле:

~n=ck/\omega ,\qquad \qquad (2)

причём волновое число ~k=2\pi /\lambda также является функцией от ~\omega (здесь ~\lambda есть длина волны). В общем случае в преобразования Лоренца вместо скорости распространения света в вакууме следует подставить групповую скорость света в веществе, равную с учётом (2):

~c_{m}={\frac  {d\omega }{dk}}={\frac  {c}{n+\omega {\frac  {dn}{d\omega }}}}.

Это приводит к преобразованиям (1), отличающимся от частных преобразований Лоренца введением абсолютного показателя преломления ~n и его производной по угловой частоте волны ~{\frac  {dn}{d\omega }}, с целью учёта скорости электромагнитной волны в веществе любого вида.

В РСТО допускается, что пространственно-временные измерения могут производиться не только с помощью электромагнитных, но и гравитационных (или иных) волн [2]. Это означает возможность введения в преобразования Лоренца и в другие формулы СТО вместо скорости света скорости волны, с помощью которой производятся измерения. В результате выбора той или иной волны соответственно изменяется ход наблюдаемых явлений, по-другому интерпретируются результаты экспериментов.

Сущность СТО[править]

Следствием постулатов СТО являются преобразования Лоренца, заменяющие собой преобразования Галилея для нерелятивистского, «классического» движения. Эти преобразования связывают между собой координаты и времена одних и тех же событий, наблюдаемых из различных инерциальных систем отсчёта.

В СТО видоизменяются также и законы динамики. Так, можно вывести, что второй закон Ньютона, связывающий силу и ускорение, должен быть модифицирован при скоростях тел, близких к скорости света. Кроме того, можно показать, что и выражение для импульса и кинетической энергии тела имеет более сложную зависимость от скорости, чем в нерелятивистском случае.

Специальная теория относительности получила многочисленные подтверждения на опыте и является безусловно верной теорией в своей области применимости. Учёт достижений экспериментальной физики позволяет утверждать, что в пределах своей области применимости – при пренебрежении эффектами гравитационного взаимодействия тел – СТО является справедливой с очень высокой степенью точности (до 10−12 и выше) (см. список литературы). По меткому замечанию Л. Пэйджа «В наш век электричества, вращающийся якорь каждого генератора и каждого электромотора неустанно провозглашает справедливость теории относительности — нужно лишь уметь слушать».

Четырёхмерный континуум — пространство-время[править]

С математической точки зрения, непривычные свойства СТО можно интерпретировать как результат того, что время и пространство не являются независимыми понятиями, а образуют единый четырёхмерный континуумпространство-время Минковского, которое является псевдоевклидовым пространством. Вращения базиса в этом четырёхмерном пространстве-времени, смешивающие временную и пространственные координаты 4-векторов, выглядят для нас как переход в движущуюся систему отсчета и похожи на вращения в обычном трёхмерном пространстве. При этом естественно изменяются проекции четырёхмерных интервалов между определёнными событиями на временную и пространственные оси системы отсчёта, что и порождает релятивистские эффекты изменения временных и пространственных интервалов. Именно инвариантная структура этого пространства, задаваемая постулатами СТО, не меняется при переходах от одного события к другому, и гарантирует независимость результатов экспериментов от используемой инерциальной системы отсчёта.

Аналог расстояния между событиями в пространстве Минковского, называемый интервалом, при введении наиболее простых координат, аналогичных декартовым координатам трёхмерного пространства, даётся выражением:

~\Delta s^{2}=c^{2}\Delta t_{{}}^{2}-\Delta x^{2}-\Delta y^{2}-\Delta z^{2}=\eta _{{ab}}\Delta x^{a}\Delta x^{b},
~\left\{x^{0},x^{1},x^{2},x^{3}\right\}=\left\{ct,x,y,z\right\},
~\eta _{{ab}}={\mathrm  {diag}}\left\{1,-1,-1,-1\right\}.

Обратите внимание: теоретически «квадрат расстояния» между двумя разными событиями может быть не только положительным, но и отрицательным и даже нулём. Именно незнакоопределённость метрики определяет свойства пространства-времени, делая его геометрию псевдоевклидовой (см. напр. световой конус).

Отношения специальной теории относительности с другими физическими понятиями[править]

Основная статья: Гравитация

Для учёта влияния гравитации и электромагнитного поля на результаты измерений вначале была разработана теория ОТО как особое расширение теории относительности, в котором допускается кривизна пространства-времени. Следующим шагом стало включение специальной и общей относительности в метрическую теорию относительности (МТО) [3].

Тем не менее, динамика даже в рамках СТО может учитывать гравитационное взаимодействие, пока потенциал гравитационного поля много меньше квадрата скорости света ~c^{2}, смотри Лоренц-инвариантная теория гравитации. В некоторых случаях специальная теория относительности перестает работать и в масштабах звёздных и галактических систем, требуя замены на ОТО или МТО. В частности, это необходимо при расчёте явлений в нейтронных звёздах, в ядрах галактик, при попытке распространить теорию относительности на Метагалактику и более крупные объекты.

Классическая механика[править]

Теория относительности входит в существенное противоречие с некоторыми аспектами классической механики. Например, парадокс Эренфеста показывает несовместимость СТО с понятием абсолютно твёрдого тела. Надо отметить, что даже в классической физике предполагается, что механическое воздействие на твёрдое тело распространяется со скоростью звука, а отнюдь не с бесконечной скоростью (как должно быть в воображаемой абсолютно твёрдой среде).

Квантовая механика[править]

Специальная теория относительности (в отличие от общей) полностью совместима с квантовой механикой. Их синтезом является квантовая теория поля. Более того, такое квантовомеханическое явление как спин без привлечения теории относительности не имеет разумного объяснения. Однако обе эти теории вполне независимы друг от друга. Возможно построение как квантовой механики, основанной на нерелятивистском принципе относительности Галилея (см. уравнение Шрёдингера), так и теорий на основе СТО, полностью игнорирующих квантовые эффекты.

Развитие квантовой теории всё ещё продолжается, и многие физики считают, что будущая полная теория ответит на все вопросы, имеющие физический смысл, давая их в пределах как СТО в сочетании с квантовой теорией поля, так и с учётом ОТО. Скорее всего СТО ожидает такая же судьба, как и механику Ньютона — будут точно очерчены пределы её применимости. В то же время такая максимально общая теория пока является очень отдалённой перспективой, и не все учёные считают, что её построение вообще возможно.

Эффекты СТО[править]

К наиболее распространенным эффектам СТО, их ещё называют релятивистскими эффектами, относят:

Замедление времени[править]

Время в движущейся системе отсчета течет медленнее:

t'={\frac  {t_{0}}{{\sqrt  {1-(v/c)^{2}}}}},

где ~t_{0} - промежуток времени между двумя событиями в движущейся со скоростью ~vсистеме отсчёта, ~t' - промежуток времени между этими же событиями, отсчитываемый в покоящейся системе отсчёта.

С этим эффектом связан так называемый парадокс близнецов.

Обычно парадоксы возникают там, где не все понятно. Что мы знаем о времени? Вариантов ответа на этот вопрос много, но они мало привязаны к физическим явлениям. Что нужно “подкрутить” в природе, чтобы мы дольше жили? Это сладкая мечта. А почему мы живем именно столько лет, а не больше или меньше? Внутри нас происходят химические реакции, то есть одни молекулы и атомы соединяются с другими или наоборот распадаются на части. В каждом человеке эти реакции идут примерно с одной и той же скоростью. А как происходит реакция и от чего зависит ее скорость? Чтобы произошла реакция, электроны молекул должны возбудиться определенным образом для соединения друг с другом. Но никакого другого метода возбуждения молекул кроме как столкновения молекул непосредственно или поглощения или излучения фотона наука не знает, да похоже что его и не существует из-за избыточности. Природа все-таки следует принципу Оккама. Опыт показывает, что возбуждение молекул через фотоны (дальнодействие) более предпочтительно, чем непосредственный контакт (близкодействие). Как не странно на первый взгляд это выглядит, но для генерации (излучения) фотона требуется время. Это и есть одна из составляющих физического времени. Чем дольше генерируются все фотоны, тем дольше проистекает реакция, и тем дольше мы живем. Скорость генерации фотона зависит от скорости генератора (электрона) относительно вакуума. Чем больше скорость электрона, тем дольше с него “скручивается” фотон по той причине, что он длиннее. КВАНТ. А наше восприятие времени строится на относительной длине (энергии) фотонов, а не на абсолютной величине фотонов. Так что мы можем жить со своей скоростью в любой ИСО. Стороннему наблюдателю будет видится, что в одной ИСО люди живут долго, а в другой мало. Но и движения одних людей будут сильно отличаться друг от друга. Выше приведенная формула описывает данное замедление времени в зависимости от скорости генератора. Немного о времени можно прочесть в статье http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/10438.html.

Сокращение линейных размеров[править]

Линейные размеры тел в движущейся системе отсчета сокращаются:

l'=l_{0}{\sqrt  {1-(v/c)^{2}}}\ , для длины.
V'=V_{0}{\sqrt  {1-(v/c)^{2}}}\ , для объема.

Такое сокращение размеров еще называют лоренцевым сокращением.

С сокращением размеров вообще нет никаких проблем, если не выходить за пределы здравого смысла. Еще в начале 20-го столетия Вальтер Ритц говорил: “В частности, может оказаться и так, что часть или вся масса имеет электромагнитное происхождение, однако она будет постоянной и не зависимой от абсолютной скорости. Меняется не масса, но сила. Эксперименты Кауфмана вполне допускают и эту новую точку зрения”. Можно ли представить, что электрон представляет собой некоторый контейнер, в котором содержится электромагнитная энергия в виде фотонов? Потом эта энергия в виде определенного количества излучается при ускорении этого контейнера. Сложная конструкция для природы. Проще предположить, что фотон это часть электрона, и он эту часть теряет при излучении и, естественно, сам становится меньше по размеру. Можно конечно предполагать, что электрон раздувается в результате потери своей части или выдумывать еще что-нибудь, но это малопродуктивно. А раз размеры частиц (возможно, тоже происходит и с протонами и нейтронами) уменьшаются, то логично предположить, что изменяется и общий размер тела, содержащих эти частицы. А уж, в каких пропорциях идет уменьшение размера по осям координат, можно только гадать. http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/10537.html.

«Утяжеление» при движении[править]

Релятивистская масса движущегося объекта больше массы покоя:

m'={\frac  {m_{0}}{{\sqrt  {1-(v/c)^{2}}}}}\ .

Однако, в современной физической литературе по СТО ~m — масса частицы (инвариантная масса) не зависит от скорости, являясь инвариантом относительно преобразований Лоренца, и является величиной неаддитивной. В данной формуле речь идет о так называемой «релятивистской массе», которая возрастает с увеличением скорости. «Утяжеление» следует понимать лишь условно, как будто справедлив закон Ньютона, а не аналогичный ему закон релятивистской динамики. В современной физической литературе понятие «релятивисткой массы» практически заменено на понятие «массы-энергии», и встречается в основном в ранних работах по теории относительности.

Следует подчеркнуть обратимость эффектов СТО. Например, эффект замедления времени в движущейся системе отсчёта 2 относительно неподвижной системы 1 отсчёта справедлив и для наблюдателя в движущейся системе – для него его собственная система отсчёта 2 неподвижна, и с его точки зрения замедляться время будет в системе отсчёта 1, движущейся в противоположную сторону. Это же касается и видимого сокращения размеров движущихся тел. Данные эффекты являются следствием принятой в СТО процедуры измерения времени и размеров посредством электромагнитной волны и процедуры установления одновременности, то есть связи между пространственной координатой тех или иных часов и временем регистрации события этими часами.

С релятивистской массой несусветная путаница. А ведь прояснение этого явления содержится в самом слове - релятивистская. Относительно чего происходит “утяжеление”? Все, буквально все, понимают это “утяжеление” абсолютно, то есть масса растет абсолютно. Электрон ускорился, излучил фотон, стал меньше размером и в тоже время стал более тяжелым. Чепуха какая-то. А дело обстоит так. Электрон представляет собой заряд, который обладает массой. Если представить электрон в виде некоторого шара (это не принципиально), то увидим, что этот шар окружен электрическим полем. Поле обладает не линейной радиальной напряженностью. Чтобы придать ускорение электрону необходимо воздействовать на поле электрона другим каким-то полем. Допустим воздействующее поле равномерное и плоское. Сила воздействия на электрон зависит также и от площади сечения заряда. Чем больше площадь сечения заряда и, естественно, напряженности поля на этой площади, тем с большей силой внешнее поле воздействует на электрон. При воздействии этого поля на поле электрона, последний получит ускорение и излучит фотон. В результате этого электрон потеряет часть массы и часть заряда. Может оказаться так, что масса изменяется по одному закону, а площадь сечения поля заряда по другому закону. И если окажется, что сечение убывает быстрее чем масса, то для придания одного и того же ускорения, после излучения фотона (приобретения другой скорости электроном) потребуется увеличить плотность внешней силы. То есть, масса электрона абсолютно уменьшилась, но относительно воздействующей на его внешней силы, масса увеличилась. Возможно, и сила может уменьшиться абсолютно, но относительно возрастет. Выше приведенная формула и отражает данное относительное “утяжеление”. В этом случае масса при увеличении скорости не возрастает до бесконечности, а, напротив, масса стремится к нулю. В физическом плане это означает, что при надлежащем ускорении вся масса электрона “развернется” в фотон, то есть в электромагнитную энергию. Электрон просто испарится, а мы будем думать, что нашей внешней силы недостаточно, чтобы продвинуть электрон к регистрирующему устройству. Все это можно отразить в математике, возможно, мы и получим предложенную формулу изменение массы от скорости. Но где найдешь математика? Все заняты более серьезными делами. Не до релятивистской массы.

Комментарии[править]

Так же, как и в случае квантовой механики, многие предсказания теории относительности противоречат интуиции, кажутся невероятными и невозможными. Это, однако, не означает, что теория относительности неверна. В действительности то, как мы видим (либо хотим видеть) окружающий нас мир и то, каким он является на самом деле, может сильно различаться. Уже больше века учёные всего мира пробуют опровергнуть СТО. Ни одна из этих попыток не смогла найти ни малейшего изъяна в теории. О том, что теория верна математически, свидетельствует строгая математическая форма и чёткость всех формулировок.

О том, что СТО действительно описывает наш мир, свидетельствует огромный экспериментальный опыт. Многие следствия этой теории используются на практике. Очевидно, что все попытки "опровергнуть СТО" обречены на провал потому, что сама теория опирается на три постулата Галилея (которые несколько расширены), на основе которых построена ньютонова механика, а также на дополнительные постулаты. Результаты СТО не вызывают какого-либо сомнения в пределах максимальной точности современных измерений: лучше 10^{{-12}}, а в некоторых аспектах — до 10^{{-15}}. Более того, точность их проверки является настолько высокой, что постоянство скорости света положено в основание определения метра — единицы длины, в результате чего скорость света становится константой автоматически, если измерения вести в соответствии с метрологическими требованиями и при обязательном использовании стандартной процедуры измерений на основе электромагнитных волн.

Замечания к теории относительности Эйнштейна (в.н.с. ИБК РАН Векшин Н.Л.):

В теории Эйнштейна используются уравнения Лоренца, в которых фигурирует время, по умолчанию считавшееся непрерывным. У классических физиков XIX века, включая Лоренца, не было сомнений в том, что время непрерывно, существует само по себе и имеет векторное направление «в будущее». Однако всякое движение прерывно. Например, стрелки часов вроде бы движутся непрерывно, но если присмотреться, то они передвигаются скачками, даже секундная стрелка. Движение дискретно, причём, любое движение. Непрерывность возникает лишь как математический предел. Это хорошо понимали Ньютон и Лейбниц, открывшие дифференциальное исчисление. Если мы хотим пользоваться понятиями времени и скорости не для грубого описания передвижения автомобиля по дороге, а для точных физических процессов (причем, не только квантовых), то параметр времени должен фигурировать в уравнениях как дискретный. Релятивисты ошибочно рассматривают время как континуум, сжимающийся при субсветовых скоростях. Хотя Эйнштейн прозорливо осознал, что многие процессы дискретны, квантованы (электронные переходы в атомах, излучение и т.д.), но до дискретности хода времени он, увы, не додумался. То, что никакого непрерывного времени в природе нет, Лоренц и Эйнштейн не понимали. Эйнштейн даже использовал понятие четырехмерного «пространства-времени», паразитируя на математическом формализме Минковского. Современные физики делают примерно то же самое. Отсюда - спекуляции насчёт перемещений во времени, недоразумения по поводу замедления хода времени при субсветовых скоростях, дискуссии об обратимости времени и т.п. Вторая ошибка Эйнштейна (да и не только Эйнштейна) – в смешении понятий «часы» и время». Слова «часы» и «время» ошибочно отождествляют, к сожалению, не только дилетанты, но и физики-профессионалы. Если вдуматься, то легко осознать, что существуют часы, но не время. Часы это не время. Время не часы. Часы – материальный объект, например, это циферблат со стрелкой. Время не объект, а количественная характеристика процесса движения объекта. Эйнштейн наивно отождествлял эти два понятия, рассматривая время как физический объект на примере часов, перемещающихся с субсветовой скоростью. Движение стрелки часов, в принципе, можно обратить вспять, запустить часовой механизм «взад» нет проблем. Можно ли вернуться в прошлое? Нет. Потому что времени, как материальной сущности, в природе не существует. А что можно обратить вспять? Процессы. Например, переход молекулы под действием фотона в возбужденное состояние может привести (как один из вариантов) к полной деградации энергии кванта в тепло. Возврат молекулы в исходное невозбужденное состояние формально равносилен возврату времени (в отношении данной молекулы). Ведь если с молекулой ничего не произошло, то она идентична себе самой – той, которая была исходно. Если же рассматривать не отдельную молекулу, а молекулу в среде, то при деградации энергии эта среда изменилась, например, нагрелась или охладилась. В этом заключается термодинамическая необратимость. Хотя в природе нет никакого времени, как реального объекта, но мы пользуется абстрактным понятием времени, как удобным физическим параметром, характеризующим необратимость процессов и скорость этих процессов. Если мы хотим, чтобы математический аппарат, описывающий движение одного объекта относительно другого с использованием параметра «время», обрел некий физический смысл, мы должны говорить о дискретности времени и использовать соответствующие уравнения. Третья ошибка Эйнштейна заключается в том, что в теории относительности он мысленно рассматривал два объекта, которые быстро (с субсветовыми скоростями) движутся в пустом пространстве, где кроме этих двух тел ничего нет. Но ведь реально два движущихся объекта всегда находятся не в пустоте, а во Вселенной, т.е. имеется третий объект – бесконечное множество атомов водорода, звёзд, планет, электромагнитных полей… Образно говоря, во Вселенной нет ни одного места, где Вселенной нет. Основываясь на отрицательном результате эксперимента Майкельсона-Морли, гениальный Эйнштейн правильно исключил из рассмотрения эфир, но заодно - глупо (гениальность и кретинизм – родные сёстры) выплеснул с эфиром всю Вселенную. Эйнштейн и его последователи незаконно перенесли мысленный опыт на реальность. Четвертая ошибка заключается в пренебрежении взаимодействиями между двумя объектами. На самом-то деле любые два объекта всегда хоть как-то, но взаимодействуют, ибо энергия взаимодействия никогда не равна нулю даже на любых сколь угодно далёких расстояниях; взаимодействие отлично от нуля хотя бы в десятом знаке после запятой (гравитационное притяжение тел, кулоновское взаимодействие и т.п.). В практических целях этим обстоятельством в большинстве «земных» случаев можно пренебречь. Но, строго говоря, особенно для электромагнитных и гравитационных полей, это некорректно. Эйнштейн ошибочно твердил об универсальной локальности объектов и оппонировал Бору. Но Бор был абсолютно прав насчёт нелокальности, ведущей к тесной связи двух удалённых волновых пакетов, полученных при расщеплении исходного пакета. Это доказано экспериментально современной квантовой физикой. Пятая ошибка в том, что вместо объективного физического времени Эйнштейн ввёл субъективное время, которое зависит от исследователя, двигающегося или не двигающегося относительно объектов. Верный тезис о невозможности провести одновременные измерения двух процессов в разных объектах, движущихся с разными субсветовыми скоростями, Эйнштейн подменил на сомнительный постулат о разном течении времени в двух системах, имеющих разную скорость. Правильней было бы говорить не о замедлении времени, а о замедлении процессов квантовых переходов, замедлении передачи энергии и т.д. И тогда формальное «замедление времени» было бы логически понятным и аргументированным. Шестая ошибка в том, что Эйнштейн пользовался понятием «пространство», как физическим объектом. Во Вселенной нет никакого пространства. Есть материальные объекты, электромагнитные поля и тому подобное, но не пространство. Говорить о наличии пространства как такового в отсутствие материи это всё равно как сказать, что в природе существует нуль. Нуль существует в математике, как удобный параметр, означающий «ничто». В природе вообще нет никаких цифр. Цифры и буквы – суть символы, а не объекты. Эйнштейн как-то раз изрёк замечательный афоризм: «Человеческий мозг склонен принимать символ за реальность». Вполне самокритично. Седьмая ошибка – использование понятия прямолинейного равномерного движения, веденного ещё Ньютоном. Увы, в природе не бывает движения, которое бы было и прямолинейным, и равномерным. Например, пешеход идёт не равномерно и не строго прямо. Каждый шаг – дискретное событие, причем, по отношению к планете Земля человек движется по окружности, ибо Земля не плоскость, а шар. Окружность аппроксимируется прямой линией только на малом участке пути. То же самое относится к любому движущемуся объекту на земле или в небе, будь то лошадь, телега, пуля или самолет. А ракета в космосе? Даже при межгалактических перелётах (не говоря уж о полётах на Луну) движение ракеты будет происходить не по идеальной прямой, т.к. космический корабль находится в притяжении двух или более небесных тел. Является ли полёт ракеты равномерным? На некоторых участках пути его можно в практическом смысле признать равномерным, хотя оно, строго говоря, не равномерно. Движение реальных объектов во Вселенной не подчиняется ни прямолинейности, ни равномерности. И даже падение яблока на голову Ньютона было не равномерное, а с ускорением. Восьмая ошибка это постулат о том, что скорость света является предельной и постоянной. Разве не уменьшается меняется скорость света при попадании в среду с показателем преломления выше 1 (из вакуума – в стекло)? Уменьшается. А может ли существовать среда с показателем преломления меньше 1? Пока не известно. Но теоретически возможно. Значит, постулат Эйнштейна повисает в вакууме. А верно ли утверждение Эйнштейна, что субсветовые скорости нельзя складывать? По-моему, не верно. Например, если скорость ракеты 200 тыс. км в секунду, то две такие ракеты, согласно Эйнштейну, летят навстречу друг другу со скоростью не 400 тыс., а 300, т.е. 2 + 2 = 3. Вот такая забавная арифметика. И девятая, самая грубая, ошибка – сам принцип относительности движения, который был введён ещё Галилеем. Движение относительно лишь в математическом смысле: жук ползёт по земле или земля ползёт под жуком – уравнения можно написать одинаковые. Но всё-таки здравый смысл правильно подсказывает, что именно жук ползёт по планете Земле, а не она по нему. Большая масса Земли чрезвычайно инерционна, в сравнении с массой жука. Инерция и гравитация – результат неоднородности Вселенной, её сильной анизотропии. Важно понять элементарную, но фундаментальную мысль: планеты, звёзды и другие материальные объекты распределены неоднородно, имеются скопления в определённых местах галактики (хотя они и движутся). И вся Вселенная не изотропна, ибо галактики расположены неоднородно. Полёт на ракете в сторону Солнца будет не эквивалентен полёту в сторону Сириуса, причём, и по силам тяготения, и по последствиям. Движение тел во Вселенной не относительно, оно абсолютно. Таким образом, теория относительности Эйнштейна основана на ряде некорректных допущений и постулатов. «Как же так!? – возмущенно удивится иной эмоциональный читатель, - ведь теория Эйнштейна доказана экспериментально!» Ничего подобного, - ответствую я ему. Например, расширение Вселенной, якобы подтвердившее теорию относительности, является мифом. Красное смещение излучения далёких звёзд, реликтовое излучение и прочие явления существуют, но легко объясняются без релятивизма (эту тему я рассмотрел в книге «Миллениум-мифы», 2012, с.8-17; см. также брошюру А.И. Староверова «От парадокса Эренфеста – к стационарности Вселенной», 2009). Когда современные экспериментаторы наблюдают в ускорителях многократное увеличение времени жизни мюонов при субсветовых скоростях, они воспринимают сей факт как подтверждение релятивизма. Однако время жизни мюонов в этих опытах может зависеть не столько от скорости как таковой, сколько от устранения взаимодействия мюонов со средой, т.е. это может не иметь прямого отношения к теории Эйнштейна. Дело в том, что мюоны сами по себе являются довольно долгоживущими частицами, легко успевающими вступать во взаимодействия. При взаимодействиях время жизни сильно укорачивается. В ускорителе же мюоны попадают в условия, когда они практически свободны, не взаимодействуют со средой, вот почему и живут долго (кстати, мюоны в ускорителе движутся не по прямой и не равномерно). Другой пример. При поглощении светового кванта молекула красителя, находясь в воде, может иметь время жизни возбужденного состояния, например, 1 наносекунду, но в вакууме время жизни возрастёт, например, до 10 наносекунд и т.д. Хотя скорость молекулы красителя в вакууме гораздо выше, чем в растворителе, но она не субсветовая и никоим образом не является причиной увеличения времени жизни. В науке довольно часто бывает, что ошибочные постулаты приводят к красивым математическим уравнениям, вроде бы неплохо описывающим реальность. Например, фундаментальные уравнения Максвелла про электромагнитные поля были выведены из неверных положений об эфире, токе смещения и прочем. В основе этих уравнений лежали не только блестящие опыты Фарадея, но и ошибочных опыты других исследователей. Уравнение Аррениуса (насчёт энергии активации и экспоненциальной зависимости скорости реакции от температуры) по физическому смыслу несостоятельно, но оно до сих пор используется в химии и биохимии. И так далее. По-видимому, примерно то же самое произошло с уравнениями Лоренца и Эйнштейна. Математика сильнее физики. Убедительную критику теории Эйнштейна см. также на страничке www.antidogma.ru/library/standard.html Некоторые содержащиеся там замечания совпали с моими. Апологеты теории относительности совершенно не терпят критику. В советское время Академия наук даже приняла постановление не принимать к публикации никаких материалов с критикой теории. Отсюда автоматически следует, что это не теория, это религия. Причем, религиозное поклонение Эйнштейну до сих пор хорошо кормит релятивистов, как священников кормит церковь.

Ссылки[править]

1. Федосин С. Г. Современные проблемы физики. В поисках новых принципов, М: Эдиториал УРСС, 2002, 192 стр., Ил.26, Библ. 50 назв. ISBN 5-8360-0435-8.

2. Fedosin S. G. Electromagnetic and Gravitational Pictures of the World. Apeiron, Vol. 14, No. 4, P. 385 – 413 (2007); статья на русском языке: Электромагнитная и гравитационная картины мира.

3. Федосин С. Г. Физические теории и бесконечная вложенность материи, Пермь, 2009, 844 стр., Табл. 21, Ил.41, Библ. 289 назв. ISBN 978-5-9901951-1-0.

Внешние ссылки[править]

См. также:[править]


Физика (экспериментальнаятеоретическая)
Основные разделы МеханикаТермодинамикаМолекулярная физикаЭлектричествоМагнетизмКолебанияВолныКвантовая физикаЯдерная физикаАтомная физикаФизика элементарных частицТеория поля
Механика Классическая механикаСпециальная теория относительностиОбщая теория относительностиРелятивистская механикаКвантовая механикаМеханика сплошных сред
Термодинамика и
молекулярная физика
Физика плазмыФизика конденсированного состояния
Электродинамика Оптика
Колебания и волны ОптикаАкустикаРадиофизикаТеория колебаний
Смежные науки НанотехнологияХимическая физикаФизическая химияМатематическая физикаАстрофизикаГеофизикаБиофизикаФизика атмосферыМетрологияНанометрологияМатериаловедение
Другие разделы КосмологияСтатистическая физикаФизическая кинетикаКвантовая теория поляНелинейная динамика
Хочешь уточнить, добавить или исправить текст?
Редактировать статью Подписаться на обновления