Дилетантский взгляд в неведомое - Глава 4

Глава 4.  ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

В этой главе,а также в главах 5,6,7,8 делается попытка, не вдаваясь в детали
и не влезая в сложный математический аппарат, рассмотреть и сравнить входные и выходные данные теории, выявить возможные противоречия и еще раз подумать над тем, является ли теория относительности обобщением классической Физики на условия движения материи с субсветовыми скоростями, или она есть альтернатива классической физике.
Рассматривается также вклад теории относительности в создание и проведение  оценки различных моделей Вселенной.
 Основой теории относительности являются следующие положения (постулаты):
1. Постоянство скорости света относительно любой инерциальной системы отсчета, в том числе связанной как с источником, так и с приемником излучений.
Этот постулат введен на основании отрицательных результатов по измерению абсолютной скорости тел.
Введение этого постулата отвергает абсолютное движение тел, абсолютный покой, абсолютную систему отсчета. Движение источника и приёмника света в соответствии с теорией Допплера меняет не скорость передачи энергии, а лишь частоту передачи и приёма этой энергии.

2.  Инвариантность (одинаковость) всех физических законов в инерциальных системах отсчета. Именно этот постулат требует, чтобы теория относительности являлась обобщением классической физики, которая становится ее частью.
Этот постулат также необходим, поскольку любая теория не может считаться научной, если отвергает предыдущие достижения науки. Он вытекает также из Философского принципа простоты, устанавливающего единое начало всему многообразию вещей и явлений в мире.

3. Относительность одновременности событий. Если бы этот постулат не был введен, то можно было бы доказать мысленным экспериментом, что пространство либо не относительно, либо оно сокращается абсолютным образом.

4. Независимость допплеровского коэффициента от движущегося объекта. При данной скорости V не имеет значения что именно движется: источник или приемник излучения. Так: при удалении K=(C-V)/(C+V), a при сближении I/K=(C+V)/(C-V).
На произвольность такого постулата указывал академик Скобельцын в брошюре "Парадокс часов в теории  относительности". /Издательство " Наука", Москва/

5. Четырехмерность мира, (термин "пространство-время"), квазиортогональность осей системы отсчета. Это дает возможность определить однозначно положение точки в пространстве  относительно четырех  квазиортогональных, равноправных oceй координат, три из которых пространственные, и одна временная. При этом, равноправность  осей обуславливается необходимостью сохранения свойства изотропности пространства, а квазиортогональность - для возможности применения классического математического аппарата.
Необходимо также отметить, что нельзя составить геометрическую модель четырехмерного мира подобную модели трехмерного мира. Такая модель не получилась даже у С.П.Капицы, которую он пытался сделать в одной из телепередач "Очевидное -невероятное".

6. Эквивалентность гравитации и инерции. Постулат навеян эквивалентностью гравитационной и инертной масс тела, лучше бы сказать - равенством этих масс, а еще лучше сказать - это одно и то же.

7. Неевклидовость пространства.
Эквивалентность гравитации и инерции возможно себе представить лишь в неевклидовом пространстве, поскольку гравитационное поле радиально, а поле инерции прямолинейно.

На основании указанных постулатов создана специальная(частная) и общая теория относительности (последняя рассматривается в главе 7).
Основные результаты специальной теории относительности сводятся к относительности (в зависимости от скорости движения) времени, размеров и массы летящего с субсветовой скоростью объекта.

Если инерциальная система отсчета А движется относительно инерциальной системы отсчета В с субсветовой скоростью V, то наблюдатель в системе В зафиксирует замедление часов, сокращение размеров тел вдоль движения и увеличение массы тел в системе А в соответствии с теорией Лоренца.
Причем, в соответствии с определением времени как последовательного
течения процессов, его замедление означает замедление процессов, протекающих в системе А. А поскольку на базе каждого процесса можно построить часы, то все физические процессы: механические, термодинамические, электродинамические, обратимые, необратимые, возвратно-поступательные, волновые  также каким-то загадочным образом должны замедлиться.
Если хоть какой-либо процесс изменит иначе свое течение  или не изменит вообще, то на базе его можно сконструировать часы, ход которых вступит в противоречие с выводами теории  относительности. Такие возможности рассматриваются в нижеприведенной задаче.

Космический корабль, идеально термостатированный с температурой внутри  корабля 20'С,  идеально герметизированный с давлением воздуха внутри корабля 760 мм рт.ст., с идеально здоровыми (не болеющими) космонавтами с температурой тела 36,6°С отправляется в космическое путешествие и через некоторое время набирает в равноускоренном движении скорость относительно Земли такую, что время на корабле    с точки зрения земного наблюдателя замедляется в 10 раз (по масштабам релятевистских эффектов - это небольшое замедление времени).

1. На корабле  смонтирована электролампа освещения, питаемая от
электрогенератора или от аккумуляторной батареи.
Вопрос: изменится или нет с точки зрения земного наблюдателя яркость лампы? Если не изменится, то мы можем вместо лампы включать в патрон или розетку специально сконструированные электронные часы, ход которых не будет зависеть от скорости. Если изменится, то кроме того, что земной наблюдатель посочувствует космонавтам, путешествующим в темноте, и сделает вывод, что изменились характеристики источника тока и параметры электрических сетей.

2.Космонавты делают контрольные замеры температуры тела.
Вопрос:  Какие показания градусника увидят космонавты и земной
наблюдатель? Если одинаковые, то температура тела не зависит от скорости, и на базе ее постоянства можно сделать часы с независимым  от скорости ходом. Достаточно для этого сунуть под мышку космонавту термопару, подсоединенную к микродвигателю, постоянная скорость вращения которого и есть эти часы. Если данные показания градусника для космонавта и земного наблюдателя будут видеться разными, то кому-то из них придется воскликнуть: "не верь глазам своим". И скорее всего это придется сделать земному наблюдателю, поскольку космонавт находится в покое вместе с градусником в своей инерциальной системе, и для него ничего не меняется.
Учитывая также, что изменение температуры тела в десять раз  в этом случае надо оценивать по абсолютной шкале температур Кельвина, то она упадет с 300К до 30К, то-есть, до минус 240°С. Приняв во внимание также, что температура и давление воздуха внутри корабля упадут соответственно, то космонавты окажутся в тяжелейших условиях. Сами они и воздух превратятся в ледышки и при малейшем движении будут рассыпаться на мелкие льдинки. Но земной наблюдатель несмотря на это будет спокоен, ибо он знает, что космонавты ничего этого не ощущают.
 
3. Наш корабль пролетает около обитаемой планеты, на которой между двух бетонных столбов, расположенных вдоль движения корабля, натянута пружина, один конец которой подсоединен к столбу через силомер, стрелка которого стоит на отметке 10 кг.
Вопрос: какие показания силомера увидят космонавты? Если те же самые, то нет сокращения расстояния между столбами, ибо натяжение пружины не изменилось, и нет сокращения времени, поскольку вместо силомера можно смонтировать специально сконструированные пружинные часы, ход которых не будет зависеть от скорости. Если показания увидятся разными, то теперь уже космонавту придется воскликнуть:  "не верь глазам своим!". Сила натяжения пружины  будет относительна, что свидетельствует о потере инвариантности физических  законов.

4. Космонавты фотографируются в память о сверхскоростном космическом полете при экспозиции в I/100 секунды.
С точки зрения земного наблюдателя эта экспозиция будет равна I/10 секунды, то есть настолько велика, что фотопленка должна быть засвеченной.
Однако, смотря на привезенную космонавтами нормальную фотокарточку, стоя твердо на позициях теории  относительности, землянин будет уверять, что фото вышло нормальным в связи с относительностью процессов экспонирования пленки. Как и   все другие, эти процессы будут замедленными.

5. На космическом корабле расположен герметический цилиндр, продольная ось которого направлена по движению корабля.
Вопрос: какой вид примет с точки зрения земного наблюдателя уравнение Клапейрона PV/T=R, где P,V,T - давление, объем и температура внутри цилиндра,
R - газовая постоянная?
Поскольку P, V и Т относительны, то, чтобы инвариантность (одинаковость) закона сохранилась и сохранилось равенство левой и правой частей уравнения, должно быть относительным и R. А поскольку газовая постоянная содержит в себе число авогадро, то последнее также надо признать относительным.

6. Масса корабля в связи с её относительностью стремится к бесконечности при субсветовой скорости корабля, и его ускорении, стремящемся к нулю.
Изменение ускорения по какому-либо другому закону означало бы, что на корабле можно поставить часы (например ходики), ход которых не соответствовал бы выводам теории относительности. Движущая корабль сила F окажется постоянной для любого наблюдателя: F=ma=const( m-масса,а-ускорение).
А это означает не что иное, как наличие на корабле часов, ход которых не зависит от скорости корабля, для чего достаточно вмонтировать в сопло двигателя вертушку, постоянная скорость вращения которой будет отсчитывать неизменно текущее время. Поэтому и космонавты будут ощущать изменение структуры своего тела.
Бедные космонавты! Двигатель не тянет, ускорение падает, время замедляется. Они замерзают, физически слабеют, сидят в темноте и не знают, когда  доберутся до далекой цели и вернутся ли в родные края.

 7.При условии, что любой космический корабль с космонавтами не должен и не может набрать скорость выше скорости потока электромагнитного излучения.
   Не следует здесь продолжить анализ теории относительности чтобы доказать или отвергнуть возможность преодоления кораблем этого светового барьера.Лишь предположим, что он преодолен. Такую возможность   еще раньше восприняли дюбители новизны, фанаты, ученфе и начали действовать.
               
  Земной   наблюдатель с превышением скорости света не согласится и, видимо, сделает вывод об относительности скорости света. В различных системах отсчета скорость света различна и этот постулат ошибочен.

Итак, космический корабль движется со сверхсветовой скоростью, чему способствуют принцип дальнодействия и классическая физика в целом. Однако при этом будут наблюдаться некоторые необычайные явления, такие, как:
Следствие может происходить ранее своей причины.  Списывается, например, такая возможность, когда снаряд, пущенный с Земли на луну, для наблюдателя, летящего со сверхсветовой скоростью с луны на Землю, взорвется ранее, чем будет выстрелен. Поспешив еще более, космонавт, пролетая мимо расчета, готовящего снаряд к пуску, может крикнуть:
-Ребята, не стреляйте, в этом нет необходимости, ваш снаряд уже взорвался на луне!
Объект, от которого корабль улетает, окажется не сзади, а спереди, поскольку корабль догоняет излученные ранее объектом волны. Создается впечатление, что корабль движется к покинутому объекту, тем не менее удаляясь от него. Подобная ситуация описана в известной английской песенке, вольный перевод которой приведен ниже.
Юная леди по имени Кэт
Двигалась много быстрее,чем свет,
Опережая пространство и время,
Одолевая всех тягостей бремя.
Но торопливость ее подводила -
Всё у неё кувырком выходило.
Наоборот все дела выполняла:
С конца начинала - началом кончала.
Завтра умчится,вчера прибежит,
Днем засыпает,а ночью не спит.
К цели спешит моя юная Кэт,
А цель всё уходит,
Надежды достичь ее нет.

Рассмотренная в настоящей главе задача с идеальным космическим кораблем, приводит к выводу, что либо все физические законы, все свойства и характеристики вещества, все физические константы, все протекающие в мире процессы относительны, что приводит теорию относительности к идеалистическому релятивизму, либо выводы этой теории об относительности поезда времени, пространства и массы ошибочны, а следовательно ошибочны постулаты.

Постулат еще неоднократно будет рассматриваться в последующих главах. В части же постулата (инвариантность законов) необходимо дополнительно сказать  следующее.
Принципом относительности Галилея установлена одинаковость законов механики для всех инерциальных систем отсчета, как покоящихся, так и движущихся, поскольку все входящие в уравнения и формулы законов величины: время, пространство, масса, температура, давление, объем, плотность и др не являются относительными. То есть, одинаковость законов означает неизменность уравнений и Формул, неизменность функциональной зависимости между величинами входящими в уравнения и формулы, неизменность рассчитанных по ним результатов.
В теории относительности же указанными свойствами законы обладают только в покоящихся инерциальных системах отсчета. В движущихся системах уравнения и Формулы, функциональная зависимость входящих величин и результаты расчета приобретают другой вид и другие значения именно из-за относительности входящих величин.
Эйнштейну пришлось переписать в новом виде законы механики Ньютона, формулы приращения частоты Доплера, уравнения электродинамики Максвелла и др. Вместо инвариантности введено понятие ковариантности, когда классические законы при определенных условиях вытекают из релятивистских. Однако, как будет рассмотрено в дальнейшем, не все релятивистские законы охватывают классические.
Эти соображения также говорят против постулата №2.

Интересен своими темными пятнами еще один вывод теории относительности - парадокс часов или парадокс близнецов: близнец-путешественник после возвращения из космического путешествия с околосветовой скоростью к близнецу-домоседу, окажется моложе последнего.
Уже более полувека идут споры между учеными по поводу этого парадокса. Герберт Дингл, бывший президент Британского королевского астрономического общества, реши тельно отверг утверждение теории  относительности о различных темпах старения покоящегося и путешествующего близнецов. Он писал:
"Обнаруживается не имеющий даже аналога факт, что выдающиеся физики, занимающие высокое положение в университетах и исследовательских лабораториях, до такой степени не понимают теорию относительности, что считают эти фантастические эффекты ее неизбежным следствием".
Дингл утверждал при этом, что поскольку движение относительно, то каждому из близнецов будет казаться, что часы другого отстают, а это означает, что при встрече их часы будут показывать одно и то же время. Никакого парадокса нет. Имеет место симметрия в замедлении времени обоих близнецов.
Признавая симметрию во времени в движущихся друг относительно друга инерциальных системах отсчета, Уильям Мак-Кри, в прошлом также президент Британского королевского астрономического общества, утверждает, однако, что асимметрия во времени является следствием воздействия на часы ускорений, возникающих при разгоне и торможении космического корабля. Ускорение воздействует на часы и жизненные процессы космонавта таким образом, что они замедляются в период разгона корабля, оставаясь в замедленном темпе при дальнейшем инерциальном движении, и ускоряются до прежнего темпа при торможении. В результате при встрече близнецов часы покажут разное время.
Мак-Кри при этом не  отвечает на следующие вопросы:

1. По какой причине движущиеся часы замедляются при воздействии ускорения, и замедляются именно для близнеца-домоседа, поскольку в системе отсчета, связанной с космическим кораблем, этого замедления нет.

2. По какой причине движущиеся часы сохраняют замедленный темп (опять же с точки зрения близнеца-домоседа) после  окончания воздействия ускорения.  Надо полагать, что замедление темпа от воздействия ускорения и вследствие его относительности - это не одно и то же, поскольку последнее компенсируется согласно Динглу замедлением часов домоседа (теперь уже с точки зрения космонавта).
3. Почему часы восстанавливают при торможении свой прежний темп, несмотря на то, что они испытывают точно такое по величине и направлению ускорение, как и при разгоне.

В самом деле, если после воздействия ускорения часы не восстанавливают свой ход, то логика нас приводит к тому, что возвратившиеся из полета часы будут идти медленнее, чем часы домоседа. Если же после воздействия ускорения часы восстанавливают свой ход, то тогда парадокс часов связан исключительно с ускорением, является абсолютным и не имеет никакого отношения к релятивистским эффектам.

Однако, имеется еще одно объяснение парадокса часов на основе эффекта Доплера.
Космонавт и домосед имеют часы, работающие от бортового импульсного источника с частотой следования импульсов в одну секунду. Обе пары
часов запускаются в момент старта и останавливаются в момент прибытия корабля к точке старта (в момент финиша). Космонавт излучает n импульсов при удалении и    n импульсов при возвращении корабля, затратив, таким образом, на весь путь      2n секунд. Домосед же примет 1/R*n длинных импульсов и K*n коротких импульсов(здесь появляется постулат №4).Таким образом, часы домоседа покажут время, равное n(I/R+K), где К - доплеровский коэффициент.
Так, как К всегда меньше единицы, то выражение I/R+K больше 2.  Таким образом по часам домоседа прошло больше времени, чем по часам космонавта. Дальнейшие выкладки приводят к формуле коэффициента: К = c-v/c+v.
Такое решение, когда вначале вводится постулат, а затем находится его математическое выражение можно назвать доказательством от приятного.

Между прочим, стрелки обоих часов в момент финиша будут стоять на одних и тех же делениях шкал, поскольку оба отсчитали 2n импульсов.

Таким образом, в этой главе выявлены слабая обоснованность или даже необоснованность выбора постулатов (1,2,4), некоторый алогизм и мистика в выводах теории об относительности времени, пространства и массы.

Другие постулаты и результаты их применения в теории относительности рассматриваются в последующих главах.

Г. Минковский (немецкий математик и физик, один из учителей Эйнштейна) изложил специальную теорию относительности в понятиях четырехмерного пространства -времени, выбрав для этих целей четыре равноправных квазиортогональных оси координат, три из которых пространственные и одна временная. Такой выбор осей диктуется необходимостью сохранения свойства изотропности пространства-времени и применения в практически  неизменном виде классического математического аппарата.
Разработанная Минковским четырехмерная модель специальной теории относительности позволила ему утверждать:
"Отныне не существуют отдельно пространство и отдельно время, а существует единый континуум пространство-время".

Геометрические свойства пространства-времени Минковского определяются выражением для квадрата расстояния (интервала) S(2) между
двумя событиями: S(2)= cat(2) -ax(2)-аy(2)-az(2), где
ax, ay, az -  разности координат событий (проекции интервала S на пространственные оси),at - разности моментов времени этих событий (член cat-
проекция интервала на временную ось).

Поскольку выбранные оси координат равноправны и ортогональны, постольку можно по произвольно заданным координатам at, ax, ay, az определить  интервал S между двумя событиями согласно формуле Минковского.
Положим, что два события А и В имеют координаты:
A;;ta, xa, ya, za; B;;tв, xв, yв, zв такие, что tв-ta=at=lc, xв-xa=ax=1м; yв-ya=ay=1м; zв-za=az=1м; тогда S(2)=(3*10(2)*1)(2)-1-1-1=9*10(16)-3; S = 3*10(2)м.

От какой и до какой точки пространства надо отложить этот отрезок в 3*10(8)метров, если проекции интервала на пространственные оси равны всего по одному метру?

Положим еще, что ax=1м, а ay=az=0, тогда вследствие ортогональности осей координат и сat как проекция интервала S на временную ось должна быть равна 0. Иначе говоря, события вдоль любой пространственной оси не имеют права быть разновременными.

Дальнейшие рассуждения приводят к тому, что движение материального тела вдоль любой из пространственных осей должно происходить с застывшим, как у Шляпочника в Зазеркалье, временем, а движение вдоль временной оси - без изменения пространственных координат.

Следует также рассмотреть, что может означать движение вдоль временной оси? Вдоль пространственной оси мы можем идти, бегать вперед-назад, ехать на велосипеде, лететь на ракете и стоять на месте. Равноправность осей требует, чтобы и вдоль временной оси мы могли бы двигаться в будущее и в прошлое с различным темпом времени и жить с застывшим временем.

Возможность путешествия в прошлое подтверждает Э.Чудинов в работе: "Теория относительности и философия" (Из серии "Над чем работают, о чем спорят философы", Москва, 1974Г.) Он пишет: "теория относительности не исключает возможности путешествия в прошлое".
 
Перед человечеством открываются широчайшие перспективы. Если можно путешествовать в прошлое и обратно, то можно, например, проникнув вглубь прошлых веков вывезти в наше время короля Артура, императора Наполеона и даже живого динозавра. Можно, проникнув в 1917 год с соответствующими материалами о нашей жизни, предотвратить победу Октябрьской революции, и Россия пошла бы по другому пути. Существовали бы одновременно невидимые одна другой две России - одна процветающая, другая  - бедная.
Таковы внутренние противоречия, дающие основание считать геометрию четырехмерного пространства-времени, как не имеющие физического смысла математические упражнения.

Содержит в себе противоречие и релятивистская формула сложения скоростей двух объектов, движущихся со скоростями V1 и V2 относительно выбранной системы отсчета А. Относительная скорость между этими объектами определяется по формуле:
V=V2-V1/1-V1V(2)/C(2).
Пусть космический корабль, движущийся со скоростью V1 относительно системы отсчета А, связанной с конечной целью путешествия, излучает световой импульс. Космонавт будет утверждать, что импульс удаляется от него со скоростью с,       то-есть, V=C. Тогда скорость импульса V2 относительно конечного пункта будет равна:
V2=V(1-V1V2/C(2)+V1; V2=V+V1/1+VV1/C(2).
Если корабль достигнет световой скорости V1=C, то,как следует из формулы 2 скорость луча относительно конечного пункта будет равна скорости света V2=C. Этот результат трактуется в теории относительности как независимость скорости света от движения источника света.
Таким образом, и космический корабль,и луч света движутся к цели с одинаковой скоростью, и с точки зрения наблюдателя в системе отсчета А достигнут цели одновременно. С точки зрения же космонавта луч достигнет цели ранее корабля. Получили логическое противоречие. А поскольку релятивистская формула сложения скоростей вытекает из преобразования Лоренца:
X'=X-Vt/;1-V(2)/C(2); t'=t-VX/C(2)/;1-V(2)/C(2);
постольку эти преобразования внутренне противоречивы.