Бархатная критика теории относительности

Специальная теория относительности (СТО) Альберта Эйнштейна, как никакая другая, получила удивительно мощный резонанс в широких кругах общественности, даже весьма далеких от науки. В то же время она разделила научный мир на своих непоколебимых апологетов и непримиримых противников. От момента ее создания в 1905 году до официального признания ждать долго не пришлось, значительно меньше, чем это потребовалось теории тяготения Ньютона. Эйнштейн был назван гением за создание СТО, хотя нобелевскую премию получил за существенно более скромную работу по объяснению фотоэффекта. Говоря об официальном признании теории относительности, я имею в виду, что ее поддержали многие видные ученые, она вошла в вузовские курсы, учебники и справочники по физике, ее выводы были использованы в других  научно-технических проектах и исследованиях, а также то весьма любопытное обстоятельство, что критика СТО даже была запрещена Академией наук СССР. Вместе с тем, защитников СТО было относительно мало, а противники её всё множились. При этом сама теория не развивалась, если не считать нескольких попыток переизложить её более логично и аккуратно. Первая из таких попыток была предпринята В.С. Игнатовским в 1910 году.

Ниспровергатели СТО в основном били по трем целям: по экспериментам, результаты которых мотивировали выбор постулата независимости скорости света от системы отсчета (Майкельсона-Морли), по экспериментам, которые якобы подтверждали ее следствия (лоренцево сплющивание эквипотенциальной поверхности движущегося электрона, обнаружение мюонов у поверхности Земли благодаря замедлению времени), а также по внутренней противоречивости (парадокс близнецов). Объем целей, а также их количество возрастали при переходе от СТО к общей теории относительности (ОТО). Упомяну лишь некоторые: вековое смещение перигелия Меркурия, гравитационное искривление траектории светового луча, красное смещение излучения из-за гравитации, поперечный эффект Доплера. Аргументы противников теории относительности заслуживают серьезного внимания и сводятся к следующим основным типам.

Во-первых,  результаты экспериментов, интерпретируемые защитниками в пользу теории, представляются ее противникам неоднозначными или же сомнительными с точки зрения точности и с методической стороны (например, опыты Майкельсона-Морли). Во-вторых, многие эффекты, предсказанные теорией относительности, можно объяснить и без нее (например, поперечный эффект Доплера, отклонение луча света вблизи тяготеющих масс). В-третьих, есть эксперименты, результаты которых противоречат предсказаниям СТО (например, узкополосная радиолокация Венеры группой академика Котельникова). В-четвертых, логика теории представляется противоречивой. Аргументы первых трех типов, я считаю весомыми и интересными. Они связаны в основном с проблемами верифицируемости теории, а информация о них весьма обильна и доступна. Поэтому здесь я не буду подробно их рассматривать. Замечу  только, что сколько ни добавляй новых аргументов такого рода, теорию относительности этим не сокрушишь. Но зато лучше поймешь и физику, и что такое наука вообще. Имеющиеся доводы четвертого типа защитники теории относительности парируют тем, что парадоксальные следствия необходимо рассматривать не извне, а изнутри теории; в этом случае, как они говорят, парадоксы перестанут быть таковыми. Это, в частности, касается парадокса близнецов. Подобный подход мне представляется совершенно неудовлетворительным. Проблемы логического и методологического порядка обусловлены, на мой взгляд, нарушением принципа объективности, которому должна удовлетворять любая научная теория. Вот на этих проблемах я и собираюсь сосредоточить основное внимание.

Прежде всего, рассмотрим вкратце основные мотивы разработки СТО. К моменту ее опубликования физика имела классическую механику материальных точек и теорию электромагнитного поля Максвелла. Первая предназначалась для описания вещественного мира, а вторая — другой формы материи, поля, существенно отличавшейся от первой. Тем не менее, очень хотелось объединить их в рамках некой общей теории. Естественно было предположить, что новая теория Максвелла должна быть включена в добрую старую классическую физику, а не наоборот. Однако в начале пути к данной цели сразу же возникли трудности. Интересно, какие и как же их пытались преодолеть?

Авторитетная классическая механика в описаниях движения объектов (материальных точек и их систем), начиная с XVII века, покоилась на фундаментальном принципе относительности Галилея: никакими механическими экспериментами внутри физической системы невозможно обнаружить прямолинейное и равномерное движение этой системы. Другими словами, все механические явления, происходящие в двух “лабораториях”, одна из которых движется относительно  другой прямолинейно и равномерно, неразличимы. К данному принципу добавляются простые линейные уравнения преобразования пространственных координат для перехода от одной системы отсчета к другой, движущейся относительно первой прямолинейно и с постоянной скоростью (равномерно). При этом время в обеих системах одинаково. Системы координат (или отсчета),  движущиеся прямолинейно и равномерно относительно друг друга называют еще инерциальными. Понятно, что все инерциальные системы равноправны, поскольку в них все механические явления происходят одинаково. Данное положение было несколько уточнено: законы механики в инерциальных системах имеют одинаковый вид. Другими словами, законы механики инвариантны относительно инерциальных систем.

Максвелл, как он сам скромно считал, создал теорию электромагнитного поля как математическую форму идей Фарадея, возникших в результате глубокого обдумывания огромного количества экспериментов. При этом изобретение уравнений поля производилось в предположении существования некоей среды, названной эфиром. Так что, волны поля рассматривались как распространение напряжений эфира. Иначе говоря, считалось, что электромагнитные волны распространяются не в пустоте, а в гипотетическом эфире, природа и устройство которого, однако, оставались неясными. Вместе с тем, наличие эфира в теории было существенным, поскольку уравнения поля содержали в качестве одного из параметров скорость распространения волн, определяемую относительно именно эфира, а не какой-нибудь произвольной системы отсчета. Неопределенность физической (механической) сущности эфира является, несомненно, дефектом теории, но, во-первых, он не разрушает теорию Максвелла и, во-вторых, не он определяет трудности включения законов Максвелла в классическую механику. В конце концов, можно было бы подождать до лучших времен, когда бы эфир либо обрел теорию, либо рассеялся как нереальная фикция. Считается, что главная проблема заключалась в том, что уравнения Максвелла не инвариантны, в противоположность законам классической механики, относительно преобразований Галилея, то есть их вид меняется в зависимости от системы отсчета координат. Данное обстоятельство можно понимать как то, что законы электромагнитного поля не могут быть импортированы в семейство законов классической механики, и даже жестче: они вообще не являются законами с точки зрения последней. Тем не менее, уравнения Максвелла имели и сейчас  имеют столь большую ценность, что отбрасывать их или как-то реформировать не представлялось ни возможным, ни целесообразным. Рассмотрим сложившуюся ситуацию более подробно.

В уравнениях Максвелла, как уже отмечалось, фигурирует скорость распространения электромагнитных волн относительно эфира, который, при желании, можно рассматривать как систему отсчета, относительно которой данная скорость и определяется. Однако в классической механике нет законов, содержащих скорости движения относительно каких либо (инерциальных) систем отсчета, поскольку все ее законы инвариантны относительно любой из них. В законах механики допустимы лишь скорости, с которыми движутся объекты или же их части относительно друг друга. Например, законно рассматривать скорость сближения пули и мишени, которые обе являются объектами некоей теории, но скорости каждой из них относительно некоторой системы координат не имеют механического смысла и в законах механики фигурировать не могут. Это может показаться парадоксальным, но только на первый и поверхностный взгляд. Скорость сближения или удаления объектов и есть их относительная скорость, которая абсолютна в том смысле, что сохраняется в любой системе координат.

Итак, ситуация противоречива. С одной стороны, чтобы уравнения Максвелла, содержащие скорость, можно было импортировать в классическую механику, необходимо рассматривать эфир как один из объектов теории электромагнитного поля, но этому препятствует неясность его физической природы. С другой стороны, если эфир считать просто системой отсчета, то, помятуя о неинвариантности уравнений Максвелла относительно преобразований Галилея, мы вступаем в противоречие с принципом относительности о равноправии всех инерциальных систем отсчета (получается, что эфир — система отсчета, отличная от всех других).

Эйнштейн разрешил указанное противоречие следующим образом. Раз эфир не может быть ни объектом, ни системой отсчета, то он не должен существовать вообще и о нем лучше забыть. А скорость распространения электромагнитных волн тогда следует постулировать как константу для всех инерциальных систем отсчета, чтобы выполнялся принцип относительности Галилея. При этом остается еще одна проблема — инвариантность уравнений при переходах между системами отсчета. Законы классической механики инвариантны, как уже говорилось, относительно преобразований Галилея, а законы электромагнитного поля — нет, но они оказались инвариантными относительно преобразований Лоренца, которые к моменту создания СТО были уже известны. Однако загвоздка заключалась в том, что относительно последних не инвариантны законы классической механики. И тогда было решено модернизировать классическую физику. А именно, сохранив сам принцип относительности Галилея (инвариантность законов относительно всех инерциальных систем), следовало лишь заменить преобразования Галилея лоренцевыми, что и было сделано в СТО.

Преобразования Лоренца, как и Галилея, линейны, но содержат константу, обозначающую скорость электромагнитных волн (света). При этом скорости относительного перемещения объектов и систем отсчета не могут превзойти скорость света, так как в противном случае в уравнениях преобразований под знаком квадратного корня окажется отрицательная величина.  Кроме того, и это самая важная отличительная особенность, преобразованиям подвергаются не только пространственные координаты, но и время. Время в подвижной системе координат оказывается зависящим от места его измерения и скорости перемещения данной системы относительно неподвижной. С учетом новых, лоренцевых, преобразований старые законы классической физики были трансформированы в релятивистские так, что при обычных скоростях, значительно меньших непреодолимой скорости распространения электромагнитных волн в вакууме, они с достаточной для практики точностью переходили в прежние, классические законы. Это позволило апологетам теории относительности заявить, что последняя является обобщением и уточнением старой физики.

Обратите внимание, что для выполнения описанного плана реформирования физики не нужны никакие эксперименты. Все можно сделать "кончиком пера"на небольшом количестве страниц. Так оно и было в действительности. Первая статья Эйнштейна 1905 года “К электродинамике движущихся тел” занимает около тридцати страниц. Вместе с тем, чтобы теория относительности была принята физиками как физическая теория, необходимы были физические ее обоснования. Поэтому постулат о постоянстве скорости света во всех системах отсчета вместе с ненужностью эфира был подперт опытами Майкельсона и Морли, в которых не удалось обнаружить движение Земли относительно эфира и которые, однако, до сих пор вызывают споры. А другое, но уже теоретическое, обоснование, выдвигаемое еще и в качестве главного мотива, состояло в том, что одновременность двух и более событий принципиально относительна. Так что, относительны не только пространственные координаты, но и время, что и было учтено в теории относительности.

Итак, была создана теория относительности, из которой неискушенный народ с восхищением вынес только одно: в мире все относительно — все-все! Возможно, он был доволен потому, что данное откровение раньше было ему и так интуитивно понятно, а теперь же стало еще и научно обоснованным. А последнее слово, как мы привыкли считать, за наукой. Однако объектом теории Эйнштейна является вовсе не относительность, а, как считают его апологеты, пространство и время, теперь уже слившиеся в единый и неделимый континуум пространства-времени. А как же иначе? Ведь у теории должны быть объекты, которые она описывает и которые имеют аналоги во внешнем мире. В противном случае вся теория относительности превращается просто в некий принцип, лежащий не в физике, а вне ее. Впрочем, и принцип относительности Галилея является метафизическим, а соответствующие преобразования координат есть лишь преобразования координат, а не законы физики. Так должно быть хотя бы потому, что уравнения преобразований относятся к системам координат, которым нет место в теории, содержанием которой являются законы, инвариантные относительно систем координат. Интересно, что формально уравнения преобразований Галилея и Лоренца сами инвариантны относительно инерциальных систем координат. Более того, при выводе последних такая инвариантность получается не сама собой, а постулируется явным образом. Данное обстоятельство указывает на то, что правила преобразований очень хотелось наделить таким же главным свойством, что и другие законы физики. А как же иначе? Ведь преобразования Лоренца теперь должны играть роль не только инструментов построения изображений реального мира, а составить ядро законов самого пространства-времени. Но включение систем координат и правил переходов между ними в теорию лишают последнюю, повторю еще раз, объективности. А трудности с ее верифицируемостью принципиально обусловлены тем обстоятельством, что это супертеория, содержащая изображаемое в качестве воображаемого (в понятиях, обсуждаемых в статье "Где в науке гнездится крамола?" — http://www.proza.ru/2012/05/29/976).

С изображениями мы имеем дело очень часто. И это происходит всякий раз, когда мы пользуемся органами чувств и измерительными приборами. Объективно лишь то, что не зависит от последних. Фиксируется же объективное нашим разумом как воображаемое само по себе, без нашего инструментария и "строительных лесов". В этом случае мы можем спроектировать воображаемое на изображаемое, имеющее более непосредственную связь с внешним миром, и проверить, а не беспочвенно ли наше воображение. Можно, наоборот, спроектировать изображаемое на воображаемое, чтобы попытаться понять первое. Если у нас одни только изображения, то мы, ничего не поймем, но все подтвердим как реально существующее. В промежуточных случаях одни будут галлюцинировать, а другие — спекулировать. Наиболее ярко это проявилось сначала в научно-популярных публикациях о теории относительности, из которых я особо выделяю изящную и остроумную работу К. Дьюрелла "Азбука теории относительности". Затем последовали фантастические романы, в которых ускользающая определенность только на руку авторам, да и читателям — интересно.  Но и в серьёзных работах обнаружился странный феномен, называемый парадоксом штриха. На него обратил внимание О.Е. Акимов (http://sceptic-ratio.narod.ru). В одной системе отсчета координаты и время обозначаются без штриха, а в другой — со штрихом. Понятно, это для различения образов одного и того же события в разных системах координат. Очевидно, что кроме прямых преобразований координат имеются и обратные. Далее у различных авторов начинается путаница с применением этих преобразований. А все это потому, что внутрь теории относительности запущен наблюдатель, который мечется между системами координат, между изображениями в них некоторого объекта. Такой подход отражает лишь реальные муки другого наблюдателя, расположенного вне данной "теории". А сам объект ускользает от неправильно подготовленного воображения.