Относительность теории относительности

Относительность теории относительности

1. Несколько предварительных замечаний

2. Почему – теория относительности?
2.1 Принцип относительности Галилея
2.2 Преобразования Галилея
2.3 Природа света. Светоносный эфир
2.4 Расширение Лоренцем и Пуанкаре принципа относительности
2.5 Преобразования Лоренца

3. Аты-баты постулаты
3.1 Эфира нет – сказал Эйнштейн
3.2 Пространство и время выходят на сцену

4. Неодновременность одновременности
4.1 Две молнии. Проблема синхронизации хода часов
4.2 Свет и вектор скорости источника
4.3 Константа скорости света и сложение скоростей

5. Сокращение размеров тел
5.1 Сокращение размеров тел по Лоренцу
5.2 Сокращение размеров тел по Эйнштейну

6. Замедление времени
6.1 Куда летит фотон
6.2 Аберрация. Брадлей
6.3 Парадокс близнецов

7. Эффект Доплера
7.1 Эффект Доплера для звуковых волн
7.2 Эффект Доплера для света в рамках теории относительности
7.3 Поперечный эффект Доплера

8. Время как физическая величина
8.1. Понятие времени
8.2. Время в физике
8.3. Замедление времени. Механика. Регулятор Уатта


=================================

1. Несколько предварительных замечаний

Развитие физики второй половины 19-го и первой половины 20-го веков привело к появлению экспериментальных материалов, которые требовали пересмотра базовых основ классической физики. Исследования ученых, работавших над решением возникших противоречий и проблем современной им физики, приводили к довольно радикальным и парадоксальным результатам. Но самым радикальным из всех оказался Альберт Эйнштейн, создавший свою теорию относительности. В своей теории он не только «нашел» решение некоторых важных проблем современной физики, но и изменил многовековые представления человека о пространстве и времени.

Пространство и время перестали быть независимыми от материи, перестали быть просто сценой для драмы Вселенной. Они сами стали актерами, и вышли на сцену. В своей теории Эйнштейн представил новую теорию гравитации, в которой гравитационные силы были не свойством масс, а следствием геометрии искривленного пространства-времени.

Многие физические явления, имевшие весьма сложные и спорные обоснования с позиций классической физики на основании теории эфира, находили в теории Эйнштейна более простые объяснения, что давало основания в соответствии с известным принципом «Бритва Оккама» считать эфир лишним элементом картины мира.

========================================


2. Почему – теория относительности?

«Вот уж действительно, все относительно»
В.С. Высоцкий

Трудно найти более известную научную теорию, чем теория относительности. Ее название, некоторые ее базовые положения и следствия были хорошо известны даже не связанной с наукой широкой публике. Теория относительности была главным научным событием 20-го века, а портреты ее автора висели на стенах в самых неожиданных местах – от не связанных с наукой всевозможных государственных учреждений до частных квартир. Это считалось проявлением прогресса и устремленности в будущее.

Особенно была распространена знаменитая фотография Эйнштейна с высунутым языком. Она вызывала милую улыбку, мол, такой великий ученый, гений, и такой простой, может так по-мальчишески дурачиться. Но у некоторых она вызывала совсем другие ассоциации – ловко же я вас всех одурачил!

Такое положение теории относительности, безусловно, обеспечивали сотни, если не тысячи написанных и изданных популярных книг. Никакая другая научная теория не сопровождалась такой мощной компанией по ее популяризации, что, конечно же, выглядело несколько странным. 

Кроме научных статей и популярных книг по теории относительности, эффекты теории относительности широко использовались в жанре научной фантастики, которая была очень популярна в 20-ом веке. И даже поэты отдали дань теории относительности – она обыгрывалась в многочисленных стихах и песнях. Например, в Советском Союзе была широко известна песня очень популярного и любимого народом актера, поэта и барда Высоцкого, в которой обыгрывался принцип относительности, лежащий в основе теории относительности:

«Оделся по моде, как требует век,
Вы скажете сами –
Да это же просто другой человек,
А я тот же самый.

Вот уж действительно, все относительно
Все-все, все»

В.С. Высоцкий

Почему же первая теория Эйнштейна была названа специальной теорией относительности (СТО)? Первая, потому что потом была и вторая – общая теория относительности (ОТО), которую с полным основанием назвали теорией пространства и времени, или новой теорией гравитации, пришедшей на смену теории великого Ньютона.

Основные положения специальной теории относительности (СТО) Эйнштейн изложил в своей знаменитой статье, опубликованной в 1905 году. Статья называлась – «К электродинамике движущихся тел». Из названия статьи понятно, что СТО описывает электродинамические процессы в движущихся системах. Название теория относительности возникло потом от названия одного из двух постулатов, положенных в основание теории – принципа относительности.


2.1 Принцип относительности Галилея

Принцип относительности для законов механики сформулировал Галилей в своей знаменитой книге «Диалог о двух главнейших системах мира – Птолемеевой и Коперника», опубликованной им в 1632 году. Эта книга была ответом на аргументы противников строения солнечной системы по Копернику. Следуя Аристотелю, они утверждали, что если бы Земля действительно вращалась вокруг своей оси, а еще и по орбите вокруг Солнца, то на Земле все предметы двигались бы в сторону, противоположную движению Земли. Человек, подпрыгнувший на месте, приземлялся бы уже в другом месте, а брошенный вниз с мачты корабля камень, упал бы в стороне от мачты. В ответ на это Галилей предложил им эксперимент с каютой равномерно и прямолинейно движущегося корабля, который он провел на самом деле. В такой каюте все неподвижные предметы оставались на своих местах, бабочка летала точно так же, как над цветами на лугу, подпрыгнувший человек приземлялся в том же месте, а капли воды падали по вертикали, точно попадая в сосуд с узким горлышком.

===============Примечание
По сути, этим экспериментом Галилей обосновал и затем сформулировал закон инерции: «если сумма действующих на тело сил равна нулю, то тело находится или в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения», который вошел в классическую физику как первый закон Ньютона – закон инерции. По Аристотелю тело двигалось только тогда, когда на него действовала сила, и останавливалось сразу после прекращения действия силы. На движение по инерции не обращали внимания. Например, на то, что лодка продолжала движение даже тогда, когда весла подняты из воды и уже не толкают лодку. Труды Аристотеля изучали в университетах. Авторитет его был настолько высок, что никому и в голову не приходило проверять истинность его учения экспериментами. Никому, кроме Галилея. Именно Галилея можно с полным основанием назвать родоначальником экспериментальной физики.
===================

Таким образом, Галилей обратил внимания на тот факт, что внутри каюты равномерно и прямолинейно движущегося корабля все предметы ведут себя так же, как и в каюте неподвижного корабля.

Систему отсчета, связанную с равномерно и прямолинейно движущимся телом, Галилей назвал инерциальной, и сформулировал положение – находясь внутри инерциальной системы, никакими механическими опытами невозможно установить, движется данная инерциальная система равномерно и прямолинейно, или находится в покое.

В более общем виде принцип относительности Галилея формулировался следующим образом:

Все законы механики имеют одну и ту же форму во всех инерциальных системах.


2.2 Преобразования координат Галилея

Галилей указал и преобразования координат, с помощью которых можно было перейти из одной инерциальной системы в другую. Эти преобразования в физике тоже называют его именем – преобразованиями Галилея. В этих преобразованиях при переходе из одной системы в другую, координаты изменялись в соответствии с относительным положением неподвижных систем, или с величиной и направлением относительной скорости систем, в случае их относительного движения.

Пространство и время в преобразованиях Галилея имели абсолютный характер. При переходе из одной инерциальной системы в другую, менялись только точки отсчета, относительно которых измерялись отрезки расстояний и времени, но само расстояние и скорость течения времени были неизменными.


2.3 Закон сложения скоростей классической физики

Если одна ИС (инерциальная система) движется со скоростью v2 относительно другой, которая в свою очередь движется со скоростью v1 относительно принятой за исходную (пассажир идет по вагону, который движется относительно Земли), то скорость второй ИС (пассажира) относительно исходной (Земли) равна сумме скоростей пассажира и вагона:

v/ = v1 + v2               

И в случае противоположно направленных движений:

v/ = v1 - v2               

При взаимно перпендикулярном направлении движений двух ИС относительно исходной (горизонтально летящий самолет сбрасывает бомбу, которая, падая с ускорением вертикально вниз, сохраняет вектор горизонтальной скорости самолета), суммарная скорость определяется с помощью теоремы Пифагора (корень квадратный из суммы квадратов скоростей):

v/ = ^ v12 + v22

где ^ - корень квадратный

Это закон сложения скоростей классической физики для простейших случаев.


2.4 Природа света. Светоносный эфир

С самого зарождения физики как науки перед ней встал вопрос о природе света. На этот вопрос давались различные ответы, но закрепилась в физике только одна – корпускулярная теория, нашедшая экспериментальное подтверждение. По этой теории свет представлялся потоком частиц (корпускул), исходящих от светящегося тела. Попадая в глаз, они формируют образ предмета.

С развитием физики были выявлены оптические явления, которые невозможно было объяснить с помощью корпускулярной теории света. Например, знаменитые «кольца Ньютона», относительно которых сам Ньютон предполагал, что в этом случае свет проявляет волновые свойства. Или явление интерференции – наложение двух световых потоков, которые в зоне их совмещения создавали не только освещенные, но и темные места. Появилось представление, что свет это волны, и появилась волновая теория света, которая к 19-му веку в плане признания научным сообществом значительно опередила корпускулярную теорию.

С появлением волновой теории света встал вопрос о среде, в которой возбуждались световые волны. Была высказана гипотеза, что такой средой является эфир – некое невесомое и невидимое вещество, заполняющее все мировое пространство. С введением в науку эфира как мировой среды, он неизбежно оказывался в роли абсолютной системы отсчета, все движения тел относительно которой приобретали абсолютный, а не относительный характер.

Во второй половине 19-го века Альберт Майкельсон совместно с Эдвардом Морли провели серию экспериментов со своим уникальным интерферометром по обнаружению абсолютного движения Земли относительно эфира. Все эксперименты дали отрицательный результат – официальная наука согласилась, что в экспериментах Майкельсона-Морли движения Земли относительно эфира обнаружено не было.

Эксперименты Майкельсона-Морли поставили под сомнение существование эфира, а вместе с ним и волновую теорию света. Возникший в физике кризис попытался разрешить Гендрик Антон Лоренц.


2.5 Расширение Лоренцем и Пуанкаре принципа относительности Галилея

Для разрешения возникшего кризиса Лоренц выдвинул неожиданную и парадоксальную гипотезу – все движущиеся в эфире тела, сокращают свои размеры в направлении своего движения относительно эфира, а скорость течения времени замедляется пропорционально скорости движения.

С учетом этого преобразования Галилея, в случае движения одной инерциальной системы (штрихованной) относительно другой в положительном направлении оси (х), приобретали вид:

x/ = x0 * ^(1 – v2 / c2)
y/ = y0
z/ = z0
t/ = t0 / ^(1 – v2 / c2)

где (^)  – корень квадратный

Эти преобразования получили название преобразований Лоренца. Из этих преобразований видно, что размеры движущегося со скоростью (v) тела по осям (y) и (z), перпендикулярным направлению движения не изменяются. Размер тела по оси (х), параллельно которой тело движется, сокращается пропорционально скорости, течение времени при этом замедляется также пропорционально скорости.

Эта гипотеза объясняла отрицательный результат экспериментов Майкельсона-Морли – размеры самого интерферометра сокращались в направлении его движения относительно эфира. Продольное плечо уменьшалось по сравнению с поперечным, и такое новое соотношение плеч интерферометра как раз и компенсировало разность хода световых лучей, которая и должна была показать наличие эфирного ветра. Эта гипотеза давала основание полагать, что отрицательные результаты экспериментов Майкельсона-Морли не доказывали отсутствие эфира и не лишали оснований великолепное здание волновой теории света, многократно доказавшей свою истинность на практике.

Лоренц в дальнейшем доработал свою гипотезу о сокращении тел при их движении относительно эфира до теории, обосновав это сокращение законами физики. К этому времени Максвелл уже доказал, что свет имеет электромагнитную природу и является, по сути, электромагнитными волнами, и в теории Лоренца было обосновано, что никакой опыт с оптическими или электромагнитными явлениями не может обнаружить движение Земли относительно эфира. Лоренц утверждал, что эфир существует, при движении Земли по орбите вокруг Солнца на Земле дует эфирный ветер, но природа устроена так, что этот эфирный ветер человек никакими экспериментами обнаружить не может.

Это утверждение, по сути, было обобщением принципа относительности Галилея с механических явлений на электромагнитные процессы. Однако Лоренц не акцентировал на этом внимания и не выделял это положение как постулат. Для Лоренца не все системы отсчета были равноправными и относительными. Лоренц был убежден в существовании эфира, что автоматически приводило к утверждению абсолютной системы отсчета, относительно которой можно было измерять истинные (абсолютные), а не относительные скорости всех тел во Вселенной.

В этом Лоренц был последователем Ньютона, который тоже был убежден в существования абсолютного пространства и связанной с ним абсолютной системы отсчета. Движение относительно этой абсолютной системы отсчета является абсолютным движением. Наличие эфира, по мнению Лоренца, фактически подтверждало утверждение Ньютона о существовании во Вселенной абсолютного пространства и абсолютной системы отсчета.

===================Примечание
Сделаем попутное замечание по поводу абсолютной системы отсчета. Если во Вселенной существует некая выделенная «неподвижная» точка, относительно которой движутся все тела во вселенной, то, приняв эту точку за начало системы координат, мы получили бы абсолютную систему отсчета. Современная астрономия и космология основаны на теории Большого взрыва – образовании Вселенной в результате взрыва некоторой небольшой по размерам области (черной дыры), в которой материя находилась в состоянии сингулярности. Если это так, то во Вселенной должен быть центр, в котором и произошел этот взрыв, и относительно которого Вселенная теперь расширяется. И этот центр вполне может играть роль начала координат абсолютной системы отсчета для нашей Вселенной.
=========================

Принцип относительности за Лоренца, в том виде, в каком он вошел в теорию относительности Эйнштейна, сформулировал французский ученый Анри Пуанкаре:

 «Законы физических явлений будут одинаковыми как для покоящегося наблюдателя, так и для наблюдателя, находящегося в состоянии равномерного прямолинейного движения, так что мы не имеем и не можем иметь никаких средств, чтобы различить, находимся мы в таком движении или нет».

В более общем виде принцип относительности Пуанкаре формулировался так:

Все законы физики (явления природы) имеют одну и ту же форму (инвариантны) для всех инерциальных систем.

Именно в таком виде принцип относительности и вошел в качестве первого базового постулата в СТО. И именно по этой причине теория Эйнштейна и получила название теория относительности.

========================================


3. Аты-баты постулаты


Все здание теории относительности было построено Эйнштейном как следствие из сочетания двух базовых постулатов – принципа относительности и постоянства скорости света.

Согласно принципу относительности абсолютно все инерциальные системы равноправны – любую из них можно совершенно произвольно принять за неподвижную и оценивать скорости других систем относительно выбранной. Согласно преобразованиям Лоренца в движущейся с некоторой скоростью системе размеры тела сокращаются в направлении движения, а течение времени замедляется. Причем эти изменения носят тоже произвольный характер. Из трех систем, движущихся относительно друг друга с разными скоростями, можно две любые из них выбрать в качестве исходных, и тогда сокращения размеров тел и замедление времени в третьей системе будут различными в одно и то же время по отношению к двум выбранным за исходные.

Однако не все величины в инерциальных системах зависят от произвола наблюдателя. Согласно теории относительности есть величина, которая неизменна во всех инерциальных системах, значение которой не зависит от скорости инерциальной системы. Эта величина – скорость света. Постоянство скорости света и ее независимость от движения источника и наблюдателя – второй базовый постулат теории относительности.

Сразу отметим, что из этого постулата, а также из преобразований Лоренца для массы движущихся тел, прямо следовали предельный характер скорости света и неприменимость классического закона сложения скоростей для света. Сумма или разность скорости света со скоростью инерциальной системы или тела давала в результате скорость света для любой другой инерциальной системы, произвольно принятой в качестве неподвижной. Скорость света можно сравнить с гвоздем, на который наколоты календарные листочки всех инерциальных систем.

================Примечание
Из формулы Лоренца по увеличению массы движущихся тел с ростом их скорости следовал вывод о предельности скорости света для любых физических тел. Действительно, если скорость тела приближалась к световой, под корнем оказывалась бесконечно малая величина, деление на которую устремляла массу тела к бесконечности. Для изменения скорости бесконечно большой массы, хотя бы на малую величину, требовалась бесконечно большая энергия, которой в наличии, разумеется, нет. Отсюда следовал вывод о невозможности достижения материальными телами скорости света.
========================

Постоянство скорости света и ее независимость от движения источника следовала из системы уравнений Максвелла для электромагнитного поля задолго до Эйнштейна. Этот постулат следовал также из экспериментов Майкельсона и преобразований Лоренца – при переходе из одной инерциальной системы в другую расстояния и скорость течения времени изменялись так, что скорость света оставалась неизменной.

Таким образом, оба базовых постулата теории относительности не были «изобретены» Эйнштейном. Не были «изобретены» Эйнштейном и лежащие в основе теории относительности преобразования Лоренца. Более того, почти все релятивистские эффекты, который Эйнштейн «вывел» на основании своей теории, были открыты до создания Эйнштейном своей теории относительности.

И, несмотря на это Эйнштейн своей теорией без преувеличения совершил революцию в науке – он изменил базовые основы мира. Без преувеличения можно сказать, что после появления теории относительности Эйнштейна мир стал другим. Что же нового было в теории Эйнштейна, если все ее базовые основы были созданы до него?


3.1 Эфира нет – сказал Эйнштейн

Первое, что лежит на поверхности, Эйнштейн отменил эфир. Он сказал – эфира нет, эфир не нужен. Он заявил, что все беды физики девятнадцатого века, все проблемы и кризисы, с которыми сталкивались Максвелл, Лоренц, Пуанкаре и многие другие ученые, были следствием того, что научный мир исходил из ложного представления о существовании эфира, как мировой среды. На самом деле не только никакого эфира нет, но он совершенно и не нужен – все законы и выводы, которые с таким трудом получали ведущие физики на основании теории эфира, легко и естественно выводились из созданной им теории относительности без всякого эфира. И это было весомым аргументом в пользу принятия научным сообществом теории относительности. Здесь работал известный принцип под названием «бритва Оккама» – не умножай сущностей. Из двух объяснений одного и того же явления всегда нужно выбирать более простое, так как оно и оказывалось более верным.

Нет, разумеется, не Эйнштейн отменил эфир. Действительно, развитие науки приводило к тому, что дальше ей все труднее было уживаться с эфиром. Эйнштейн создал теорию, которая приводила ко всем сделанным ранее выводам и релятивистским эффектам, но уже без опоры на теорию эфира. Эфир был исключен из его теории.

Эфир был исключен не только из теории Эйнштейна, но и из науки. Многие ученые сначала не приняли теорию относительности и критиковали ее. Но научный мир пошел за Эйнштейном. Теория эфира была поставлена под тотальный запрет. Ученые, которые пытались продолжать заниматься изучением проблемы эфира, лишались финансирования и подвергались остракизму, отлучались от науки. Эфир, под названием Ньютоний, был исключен из периодической таблицы Менделеева, где он занимал первое место. Эксперименты Николы Тесла по извлечению энергии из пространства (эфира) были закрыты, изъяты из научной литературы и научных программ. Критика теории относительности была запрещена. Теория относительности Эйнштейна стала базовой основой современной физики.


3.2 Пространство и время выходят на сцену

Если же говорить о главном вкладе Эйнштейна в науку, то Эйнштейн радикально изменил понимание наукой базовых основ Вселенной как объективного материального мира – пространства и времени. Его общая теория относительности (ОТО) с полным основанием может быть названа теорией пространства-времени или теорией гравитации. В ней силы гравитации лишались физической основы и описывались на геометрическом уровне, как искривление континуума пространства-времени. Он лишил пространство и время абсолютного глобального характера, их независимости от материального мира, и перевел их в разряд частных физических переменных. Они перестали быть сценой с декорациями, на которой разыгрывалась драма Вселенной. Теперь они сами вышли на сцену и стали буквально искривляться при переходе из одной инерциальной системы в другую, как отражение предмета искажается в кривых зеркалах от изменения точки зрения наблюдателя. Но это больше касается дальнейшего развития специальной теории относительности в новую теорию, которая была названа общей теорией относительности (ОТО).

==================Примечание
Геометрическое представление общей теорией относительности действия сил гравитации во Вселенной как искривление пространства времени, является математическим описанием действий сил гравитации, но не дает никакого представления о физической основе этих сил, особенно с отказом от эфира. Очевидно, что пустое пространство искривляться не может. Искривляться может только нечто материальное. Например, физический вакуум, который вполне может быть назван, например, эфиром.
=============================

Что же касается сути специальной теории относительности, то она собственно заключена в следствиях из двух ее базовых постулатов. Попробуем проследить логику построения здания специальной теории относительности Эйнштейном.

=======================================


4 Неодновременность одновременности

4.1 Две молнии. Проблема синхронизации хода часов

Эйнштейн начинает логические построения своей теории относительности с доказательства относительности понятия одновременности. Он категорично заявляет – то, что вам кажется одновременным, на самом деле может быть совсем не одновременным. Вот, говорит он, вы видите, как одновременно сверкают две молнии. Но вполне возможно, продолжает он, если посмотреть на это событие из космоса, то окажется, что эти две молнии ударили совсем не одновременно.

В таком утверждении нет ничего необычного. Одновременность событий для наблюдателя определяется им исходя из того, приходят одновременно или нет к нему сигналы от данных событий. Если две молнии ударят на одинаковом расстоянии от наблюдателя и свет от них придет к нему одновременно, то эти молнии он и воспримет как ударившие одновременно. Если две молнии ударят в один и тот же момент времени (одновременно), но будут находиться на разных расстояниях от наблюдателя, свет от них придет к нему в разные моменты времени, и он их воспримет как ударивших не одновременно, а одну за другой. Если две молнии ударят не одновременно, но будут находиться от наблюдателя на таких расстояниях, что свет от них придет к наблюдателю в один и тот же момент времени, то два события – удары двух молний, которые ударили в разные моменты времени, будут казаться наблюдателю одновременными.

Акцентируем внимание на слове «казаться». В зависимости от условий прохождения сигнала от событий одновременные события могут казаться наблюдателю неодновременными, а неодновременные одновременными. Для выяснения одновременности событий в физическом смысле, в реальности, а не в том, как это кажется наблюдателю, необходимо выполнить определенные измерения и вычисления на основе измеренных значений расстояний и скорости сигналов.

=================Примечание
Эйнштейн обращает внимание на проблему синхронизации хода часов, находящихся на расстоянии друг от друга. Эта проблема появилась с развитием мореплавания. Для определения места положения судна надо было замерить высоту Солнца (или какой-либо звезды с известными координатами на небосводе) и сравнить полученное значение по таблицам высот измеренных светил для порта отправления в один и тот же момент времени. Для этого нужно было знать значение времени порта отправления. Для этой цели на судно брали особо точные часы – хронометры, которые синхронизировались с часами в порту отправления. С появлением радио такая проблема отпала. Однако Эйнштейн обращает внимание на конечность скорости распространения радиоволн. Поэтому для синхронизации часов, находящихся на больших расстояниях, надо учитывать время прохождения сигнала синхронизации. Однако конечность скорости сигнала синхронизации не отменяет возможность синхронизации часов и не делает автоматически понятие одновременности относительным.
==============================

4.2 Свет и вектор скорости источника

В теории относительности суть относительности одновременности поясняется таким мысленным экспериментом (таких мысленных экспериментов в ТО очень много).

Вот имеется вагон. В центре вагона источник света. Если в какой-то момент включить источник света, то свет от него одновременно достигнет передней и задней стенок вагона.

Представим себе, за этими событиями наблюдают два наблюдателя – один в вагоне, другой на перроне. У вагона только передняя и задняя стенки, боковых нет, так что наблюдатель на перроне может видеть, что происходит в вагоне. Если вагон неподвижен, то свет от источника посреди вагона придет одновременно к передней и задней стенкам вагона для обоих наблюдателей. А если вагон движется? Тут картина совсем иная.

Для наблюдателя в уже движущемся вагоне скорость света постоянна и неизменна  и равна (с) (постулат ТО о неизменности скорости света и независимости его от движения источника). Поэтому, после включения источника света для наблюдателя в вагоне свет достигнет передней и задней стенок вагона одновременно, так же как и в неподвижном вагоне.

Для наблюдателя на перроне скорость света также постоянна и неизменна, но уже относительно его самого, стоящего на неподвижном перроне. Он видит, как в проезжающем мимо вагоне включается источник света, расположенный посредине вагона. Свет со скоростью (с) начинает распространяться к передней и задней стенкам вагона.

=====================Примечание
После вспышки через время (t) образуется световой фронт в виде сферы с радиусом (ct).   Для наблюдателя в вагоне центр этой сферы связан с источником света в центре вагона, который движется относительно наблюдателя на перроне со скоростью (v). Отсюда делаем вывод, что для наблюдателя в вагоне свет от источника в центре вагона сохраняет вектор горизонтальной скорости движения вагона. Для наблюдателя на перроне центр той же сферы с радиусом (ct) не будет перемещаться вместе с вагоном, и будет находиться в неподвижной относительно него точке, где произошла вспышка. Отсюда делаем вывод, что для наблюдателя на перроне свет не сохраняет вектор скорости движения источника (вагона). Таким образом, приходим к утверждению, что центр одной и той же сферы находится в двух различных точках пространства, что является явным парадоксом. Это известный парадокс теории относительности, который с точки зрения теории относительности снимается относительностью одновременности. Но акцентируем внимание, что в данном мысленном эксперименте теории относительности для наблюдателя в вагоне свет сохраняет вектор горизонтальной скорости вагона, а для наблюдателя на перроне нет.
=========================

4.3 Константа скорости света и сложение скоростей

Вагон движется со скоростью (V) относительно наблюдателя на перроне. Поэтому, утверждает теория относительности, задняя стенка движется навстречу свету, летящему к ней от источника света, а передняя стенка наоборот убегает от света, летящего к ней. Поэтому для наблюдателя на перроне свет от источника света посредине вагона достигнет передней и задней стенок движущегося вагона не одновременно. Задней стенки вагона свет достигнет раньше, потому что она движется ему навстречу, а передней стенки позже, потому как она убегает от него.

================Примечание
Утверждение, что задняя стенка вагона движется навстречу свету, а передняя убегает от него, равносильно утверждению, что для наблюдателя на перроне скорость света относительно передней и задней стенок вагона не равна константе (с). Для задней стенки она равна сумме скоростей света и вагона, для передней разности тех же скоростей.
=====================

Приведем математические выкладки.

Расстояние, которое проходит свет, двигаясь к задней стенке вагона, очевидно равно скорости света умноженной на время, за которое свет достигает стенки:

L1 = c * T1

За то же самое время (T1) вагон успевает сместиться навстречу свету на расстояние:

L2 = V * T1

В сумме эти расстояния равны половине длины вагона:

Lvg / 2 = c * T1 + V * T1 = T1 * (c + V)

Откуда:

T1 = (Lvg/2) / (c + V) (1)

Видим, что в формулу (1) в явном виде входит закон сложения скоростей классической физики.

Расстояние, которое проходит свет до встречи с передней стенкой:

L3 = c * T2

Расстояние, на которое передняя стенка за то же время успевает убежать от идущего к ней света:

L4 = V * T2

Расстояние в половину длины вагона получится, если из расстояния, которое прошел свет до встречи с передней стенкой, вычесть расстояние, на которое успела убежать передняя стенка от света за то же время:

Lvg/2 = L3 – L4 = c * T2 – V * T2 = T2 (c – V)

Откуда:

T2 = (Lvg/2) / (c – V) (2)

Для расчета времени (T2) в формуле (2) тоже использован классический закон сложения скоростей.

Из сравнения значений времени, которое затратил свет до встречи с передней и задней стенками вагона видно, что время, которое затрачивает свет для достижения движущейся ему навстречу задней стенки, меньше времени, которое затрачивает свет для достижения убегающей от него передней стенки:

T1 / T2 = (c – V) / (c + V) < 1

Откуда:

T1 < T2

Вывод теории относительности:

События, одновременные для одного наблюдателя (внутри движущего вагона), оказываются не одновременными для другого наблюдателя (стоящего на перроне).

================Примечание
Вспомним слово «казаться» и перепишем вывод следующим образом:
События, которые кажутся одновременными для одного наблюдателя (наблюдателя в вагоне), кажутся не одновременными другому наблюдателю (стоящему на перроне). Но о том, что происходит в реальности на физическом уровне, а не в представлениях наблюдателей, в этом выводе не говорится ничего.
===========================

Это доказательство относительности одновременности основано на постулате о постоянстве скорости света и независимости его от движения источника. Хотя мы видим, что в приведенных спекуляциях для одного наблюдателя скорость света не зависит от движения источника, а для другого зависит.

Это приводит к тому, что для наблюдателя внутри вагона работает релятивистский закон сложения скоростей, по которому скорость света не зависит от движения инерциальной системы, и сумма скоростей инерциальной системы и скорости света всегда равна скорости света:

c + V = c
c – V = c

А для наблюдателя на перроне работает классический закон сложения скоростей, по которому сумма скоростей инерциальной системы и скорости света больше или меньше скорости света именно на величину скорости инерциальной системы:

c + V > c
c – V < c

Но это противоречит первому постулату, лежащему в основе теории относительности – принципу относительности, по которому все законы физики должны быть одинаковы абсолютно для всех наблюдателей и инерциальных систем. Но разве субъективный выбор наблюдателя может отменять этот базовый принцип теории относительности?

Если же для наблюдателя на перроне тоже применить релятивистский закон сложения скоростей, то свет от источника посреди движущегося вагона также достиг бы одновременно задней и передней стенок вагона, так что время T1 и T2 оказалось бы равным:

T1 / T2 = (c – V) / (c + V) = c / c = 1

Откуда:

T1 = T2

Вывод:
Доказательство базовой основы СТО – относительности одновременности основано на применении закона сложения скоростей классической физики, что является прямым опровержением СТО.

==================================


5. Сокращение размеров тел

Гипотезу о сокращении размеров тел предложил Лоренц для согласования отрицательных результатов экспериментов Майкельсона-Морли по обнаружению абсолютного движения Земли относительно эфира с волновой теорией света, которая к этому времени была общепризнанной, и которой был необходим эфир как среда для распространения световых волн. По этой гипотезе все тела сокращали свои размеры в направлении движения относительно эфира пропорционально их скорости.
Лоренц вывел формулу для расчета величины такого сокращения (знаменитые преобразования Лоренца):

L = L0 * ^(1 – V2 / c2)

Где:

L0 – размер тела относительно неподвижного эфира
L – размер тела относительно движущегося эфира
^ - корень квадратный
V – скорость тела относительно эфира
с – скорость света

Из этой формулы следует, что размеры тела в направлении движения относительно эфира уменьшаются в соответствии с коэффициентом, который определяется на основании соотношения скоростей тела и света. При нулевой скорости тела под корнем оказывалась единица, и размер тела не изменялся. При малых V отношение V2 / c2  оказывалось бесконечно малой величиной, которую можно было отбросить и не учитывать, под корнем снова оставалась единица, и размер тела можно было считать равным исходному. При увеличении скорости тела до величин, сравнимых со скоростью света, под корнем получалось число меньше единицы, и размеры тела становились меньше исходного. При V стремящемся к скорости света, отношение V2 / c2 стремится к единице, под корнем получается бесконечно малая величина, умножение на которую приводит к тому, что размер тела в направлении движения относительно эфира также устремляется к бесконечно малой величине.

Эта гипотеза давала основание полагать, что отрицательные результаты экспериментов Майкельсона-Морли не доказывали отсутствие эфира и не лишали оснований великолепное здание волновой теории света, многократно доказавшей свою истинность на практике.

Но под сомнение попала сама гипотеза о сокращении размеров тел. Не является ли гипотеза о сокращении размеров тел в направлении их движения относительно эфира слишком надуманной и искусственной, специально придуманной для согласования отрицательных результатов экспериментов Майкельсона с волновой теорией света? Происходит ли сокращение размеров тел в реальности на физическом уровне? И каким образом с позиций физики оно может происходить?


5.1 Сокращение размеров тел по Лоренцу

Лоренц пытался дать ответы на эти вопросы. Он полагал, что сокращение размеров тел в направлении движения тел относительно эфира происходит в реальности на физическом уровне. Он доработал свою гипотезу о сокращении размеров тел до теории, обосновав ее с позиций законов физики.

Все тела состоят из частиц. Поэтому сокращение размеров тел должно сопровождаться, во-первых, изменением размеров частиц, а во-вторых, соответствующим изменением сил, действующих между ними.

Акцентируем внимание на том, что Лоренц полагал, что сокращение тел происходит в реальности на физическом уровне. Материальные тела при их движении в материальной среде – эфире, испытывают с его стороны материальное воздействие, которое и приводит к реальному сокращению размеров тел в направлении их движения относительно эфира в соответствии с их скоростью. Таким образом, Лоренц прямо указал причину реального физического сокращения размеров тел – эфир.

Эйнштейн взял в свою теорию относительности в качестве базовой основы все преобразования Лоренца, но категорически отверг существование эфира. Таким образом, он лишил физической основы сокращение размеров тел по Лоренцу. Как же он объяснял причину такого сокращения тел? Как он отвечал на вопрос, происходит ли это самое сокращение тел в реальности на физическом уровне?

5.1 Сокращение размеров тел по Эйнштейну

Теория относительности дает следующее объяснение сокращения размеров движущихся тел.

Если некоторый твердый стержень движется со скоростью V относительно наблюдателя, то он не может измерить длину стержня путем прикладывания к нему неподвижной линейки. Для определения длины стержня он вынужден фиксировать одновременно положение концов движущегося стержня относительно неподвижной линейки. Однако согласно теории относительности одновременность относительна. И поэтому наблюдатель не может одновременно в один и тот же момент времени зафиксировать положение концов движущегося стержня, относительно неподвижной линейки. Он фиксирует их в различные моменты времени и в силу этого не может получить истинный размер движущегося относительно него стержня.

В результате, как показывают расчеты теории относительности, длина стержня сокращается точно в соответствии с формулой преобразований Лоренца (весьма странное совпадение):

L = L0 * ^(1 – V2 / c2)

Где:

L0 – размер тела относительно неподвижного эфира
L – размер тела относительно движущегося эфира
^ - корень квадратный
V – скорость тела относительно эфира
с – скорость света

«Длина не является абсолютной величиной, как считали раньше, а зависит от скорости движения тела относительно выбранной системы отсчета. Абсолютным является лишь утверждение о том, что покоящийся стержень длиннее движущегося» – утверждает теория относительности.

Теория относительности не отрицает, что поскольку согласно принципу относительности все инерциальные системы отсчета равноправны и мы вольны выбирать в качестве исходной любую из них, то стержень будет по-разному сокращаться или не сокращаться вовсе, в зависимости от произвольно выбранной неким наблюдателем системы отсчета.

В частном случае мы можем поменять местами системы, неподвижную сделать подвижной, а подвижную неподвижной. И тогда стержень в один и тот же момент времени будет иметь сокращенный размер в той системе, где он имел истинный размер, и наоборот.

И хотя отсюда может следовать только один вывод – сокращение размеров тел в направлении их движения зависит исключительно от субъективного выбора наблюдателем системы отсчета, поэтому является мнимым и не происходит в реальности на физическом уровне, однако теория относительности с этим не согласна и поясняет:

«Тем не менее, сокращение расстояний при движении ни в коей мере нельзя считать кажущимся. Зависимость расстояний от выбора системы отсчета столь же реальна, как, скажем, зависимость скорости тела от выбора системы отсчета или зависимость угловых размеров предмета от расстояния до него».

Как говорится – успокоили. Уменьшение угловых размеров предмета при удалении от него наблюдателя происходит только в мозгу наблюдателя, а с самим предметом на физическом уровне при этом абсолютно ничего не происходит. Поэтому вывод о мнимости сокращения тел в направлении их движения и отсутствия их сокращения на физическом уровне этим утверждением не только не опровергается, но и подтверждается.

Вывод:
В теории относительности нет весомых аргументов по поводу того, происходят ли сокращения размеров тел на физическом уровне в направлении их движения относительно произвольно выбранной системы отсчета пропорционально их скорости. Отсюда следует, что сокращения тел в направлении движения пропорционально скорости не происходят в реальности на физическом уровне и являются мнимыми.


=================================================


6. Замедление времени

В СТО скорость течения времени изменяется при переходе из одной инерциальной системы в другую, в зависимости от скорости инерциальной системы, и определяется формулой преобразования Лоренца:

T = T0  / ^ (1 – V2/c2)

Где:
T0 –время в неподвижной системе координат
T – время в системе, движущейся со скоростью V относительно системы, принятой за неподвижную               
V – скорость движения системы
с – скорость света
^ –  корень квадратный            

Отметим, что в данную формулу скорость системы входит в квадрате. Из этого следует, что течение времени в зависимости от скорости может только замедляться, но никак не ускоряться. Направление движения системы от нас или к нам не приводит к смене замедления времени на его ускорение. Замедление времени пропорционально только скорости системы относительно наблюдателя независимо от направления движения данной системы.

Из формулы видно, что с увеличением скорости (V) отношение (V2/c2 ) изменяется от 0 до 1, вычитание значения этого отношения из 1 приводит к появлению под корнем числа, все более меньшего 1, и деление на это число величины отрезка времени в исходной неподвижной инерциальной системе приводит к увеличению этого отрезка времени в инерциальной системе, которая движется относительно исходной.

Другими словами, скорость течения времени все более замедляется с ростом скорости данной системы. Причем в теории относительности утверждается, что замедление течения времени приводит к пропорциональному замедлению скорости протекания абсолютно всех процессов в данной системе на физическом уровне. Это свойство самого времени – «глубокомысленно» заявляет теория относительности.

Замедление времени в теории относительности иллюстрируется следующим мысленным экспериментом («Физика», Дж. Орир, стр. 124-127). Сначала не будем приводить полные цитаты, а проследим только логику. Полные цитаты приведем в конце, потому что они сами по себе очень интересны, как пример откровенных словесных спекуляций, запутывающих суть обсуждаемого предмета.

Мысленный эксперимент начинается с длинного описания конструкции световых часов, хотя они в данном эксперименте совершенно не нужны. В общем-то, речь идет об источнике света, который движется по оси (х). В качестве источника может быть взят как обычный источник, создающий сферический световой фронт, так и лазер, создающий узкий направленный пучок света.

Рассмотрим сначала пример с лазером. Итак, лазер, ориентированный вертикально параллельно оси (у), движется вправо по оси (х). Над лазером на некотором расстоянии (L) расположен экран. В неподвижном состоянии испущенный лазером световой луч достигнет экрана за время (t1), откуда: L = ct1.

Теперь лазер приводится в движение вправо по оси (х). В какой-то момент он включается. Возникает вопрос – в каком направлении будет двигаться световой луч? Другими словами – куда полетят фотоны, излученные лазером? Учебник утверждает, что излученные лазером фотоны будут двигаться вертикально вверх, сохраняя вектор горизонтальной скорости лазера, таким образом, оставаясь в своем движении постоянно на вертикали над лазером. Когда первый фотон достигнет экрана на расстоянии (L) по оси (у), лазер будет на оси (х) в точке пересечения опущенного от фотона перпендикуляра с осью (х).Таким образом, по учебнику фотоны от лазера будут двигаться по диагонали от начальной точки лазера на оси (х) до точки встречи первого фотона с экраном.

Теперь включаются рассуждения с наблюдателями. Один наблюдатель связан с лазером. Он не знает, что лазер движется, поэтому для него свет от лазера до экрана пройдет строго по вертикали со скоростью (с) за время (t1). Другой наблюдатель связан с неподвижной системой, относительно которой движется лазер. Для него свет от лазера будет двигаться по диагонали тоже со скоростью (с), но так как в этом случае свет от лазера проходит большее расстояние, чем для наблюдателя, связанного с лазером, то и времени на свой путь до экрана он затратит больше (t2  > t1).

Все. Замедление времени логически доказано. Для связанного с лазером наблюдателя свет от лазера до экрана проходит за одно время, а для наблюдателя, относительно которого лазер движется со скоростью (v), другое время, которое больше времени, измеренного первым наблюдателем. Далее приводится математический расчет.

Из полученного прямоугольного треугольника с гипотенузой (ct2) и с катетами (vt2) и (ct1) (v – горизонтальная скорость лазера, t2 – время движения первого фотона  по гипотенузе до встречи с экраном), по теореме Пифагора имеем:

 (ct2)2 = (vt2)2 + (ct1)2               

Откуда:

(ct2)2  - (vt2)2 = (ct1)2               

t2  * (c2 – v2 ) = (ct1)2

t2 = t1 / ^(c2 / (c2 – v2 ))               

И окончательно получаем формулу преобразований Лоренца для замедления времени:

t2 = t1 / ^(1 – v2 / c2)

Где "^" - корень квадратный.

Логика убедительно подтверждена математикой.




6.1 Куда летит фотон

А теперь все же попробуем дать ответ – куда от лазера полетит фотон в данном мысленном эксперименте? Исходя из постулата о постоянстве скорости света и ее независимости от движения источника, можно предположить, что фотоны, излученные лазером, будут двигаться вертикально вверх без сохранения вектора горизонтальной скорости самого лазера. Потому что если фотон сохраняет вектор скорости источника, то это означает, что скорость света зависит от движения источника, и будет являться доказательством истинности баллистической гипотезы, которую теория относительности отвергает.

Выходит, фотоны будут двигаться вертикально вверх параллельно оси (у) без сохранения вектора скорости лазера по оси (х). А лазер в своем движении будет уходить от них. И когда первый фотон достигнет экрана через время (t2), лазер будет от его вертикали на расстоянии (vt2) по оси (х). Таким образом, все излученные лазером фотоны за время (t2), расположатся по диагонали не вправо, а влево от конечной точки лазера. И выходит, что мысленный эксперимент, который должен обосновать замедление времени в движущейся системе, сам противоречит базовому постулату теории относительности.


6.2. Аберрация. Брадлей

Вспомним также явление аберрации, открытой Брадлеем.

==============Примечание
В 1725 году английский астроном Брадлей открыл явление аберрации. Наблюдая за «неподвижными» звездами он заметил, что их положение на небесном своде изменяется –  в течение года они описывают небольшие эллипсы. Это явление Брадлей назвал аберрацией (от латинского слова аберро, что значит «уклонение»).
Аберрацию Брадлей объяснил с позиций корпускулярной теории света как результат движения Земли по орбите вокруг Солнца. Вертикально падающая частица в координатной системе, связанной с Землей, «уклонялась» от вертикали в сторону противоположную направлению движения Земли. Для того чтобы вертикально падающая частица света (корпускула), влетевшая в трубу телескопа, затем попала в окуляр, телескоп должен был быть наклонен на некоторый угол (угол аберрации) в сторону движения Земли по орбите, так как за время пролета корпускулы по трубе телескопа, телескоп успевал смещаться на некоторое расстояние вместе с Землей. Тангенс угла аберрации определялся соотношением скоростей Земли и света:

tg a = v/c

где:

а – угол аберрации
v – скорость Земли по орбите вокруг Солнца
с – скорость света

При годичном движении Земли по орбите, вектор аберрации совершает поворот на 360 градусов, что и приводит к видимому описыванию «неподвижными» звездами небольших эллипсов на небесном своде. Позднее Юнг дал объяснение явления аберрации и с позиций волновой теории света.
==============================

Таким образом, явление аберрации свидетельствует, что если вертикально движущийся фотон не связан с горизонтально движущимся приемником, то он будет уклоняться от приемника в сторону, противоположную направлению движения приемника. И это тоже опровергает мысленный эксперимент по обоснованию замедления времени, приведенный в учебнике (для университетов!), в котором вертикально движущийся фотон сохраняет вектор горизонтальной скорости источника.


6.3 Парадокс близнецов

Для иллюстрации эффекта замедления времени в теории относительности описан мысленный эксперимент, который позже получил название парадокс близнецов. Суть его в следующем.

Имеются два брата близнеца – молодые одногодки. Один улетает на ракете в космическое путешествие, второй остается на Земле. Поскольку ракета летит относительно Земли с большой скоростью, то время в ней идет значительно медленнее, чем на Земле. Допустим за год полета ракеты, на Земле прошло пятьдесят лет. Вернувшийся после годового путешествия брат обнаружит, что его остававшийся на Земле брат близнец постарел на 50 лет и стал уже седым стариком, в то время как он сам повзрослел только на один год.

Против этого мысленного эксперимента почти сразу же было высказано возражение. Поскольку все инерциальные системы по СТО равноправны (в полном соответствии с базовым постулатом – принципом относительности), мы можем любую из них принять за неподвижную и определять скорость всех других систем уже относительно нее. Поэтому,  нам ничто не мешает принять за такую неподвижную систему ракету, и тогда именно Земля будет лететь с большой скоростью относительно ракеты, и быстрее стареть уже будет брат близнец, улетевший на ракете, а не его брат близнец на Земле. И после их встречи через год, прошедший на Земле, глубоким стариком будет уже брат, летавший в космическое путешествие на ракете, а не его брат, остававшийся на Земле. Таким образом, мы пришли к парадоксу, который ставит под сомнение истинность теории относительности.

Теория относительности, разумеется, опровергла этот парадокс. Приведем одно из опровержений этого парадокса с позиций СТО, изложенное в одном из учебников по физике. Приведем его полностью, чтобы не было разночтений:

«Таким образом, при одном рассуждении мы приходим к одному результату, при другом рассуждении – к другому, прямо противоположному. И как будто оба рассуждения правильны с точки зрения теории относительности. Отсюда вывод может быть только один: теория неверна!
Решение вопроса заключалось в следующем.
Дело в том, что системы отсчета, связанные одна с Землей, а другая с космическим кораблем, не все время равноправны. Если систему отсчета, связанную с Землей, можно рассматривать в данном случае как инерциальную, то систему, связанную с кораблем, таковой можно считать не всегда.
Брат, находящийся в космическом корабле, в то время, когда его скорость изменяется на обратную, испытывает ускорение, так как на него действуют силы инерции. Брат же, находящийся на Земле, таких сил испытывать не будет. Таким образом, братья не всегда будут находиться в одинаковых условиях, и применять к ним теорию относительности в том виде, как ее применяли выше, нельзя. Поэтому здесь нет никакого парадокса.
Вопрос же о том, каким вернется брат из космоса, постаревшим или помолодевшим, можно решить, только зная о том, как будет протекать время в системах отсчета, которые двигаются ускоренно.
Этот вопрос теория относительности, разработанная Эйнштейном в 1905 году, не решала. Ответ на него был получен в последующее время, когда Эйнштейн разработал общую теорию относительности. Теория же относительности, о которой мы говорили выше, касается только случая инерциальных систем отсчета. Она, в отличие от общей теории относительности, получила название специальной теории относительности.
Таким образом, возражение против теории относительности, основанное на парадоксе близнецов, оказалось недействительным. Что же касается вопроса о возрасте близнецов, то из общей теории относительности следует, что, действительно, брат, совершивший путешествие на космическом корабле, вернется на Землю более молодым, нежели тот, который оставался на Земле».
Конец цитаты. Цитата взята из: «Физика в ее развитии», Москва «Просвещение» 1979 год, Б. И. Спасский.

Разберем эту цитату.
Сначала опровержение парадокса близнецов идет по линии доказательства того обстоятельства, что системы ракеты и Земли не все время равноправны – 

«Дело в том, что системы отсчета, связанные одна с Землей, а другая с космическим кораблем, не все время равноправны. Если систему отсчета, связанную с Землей, можно рассматривать в данном случае как инерциальную, то систему, связанную с кораблем, таковой можно считать не всегда.
Брат, находящийся в космическом корабле, в то время, когда его скорость изменяется на обратную, испытывает ускорение, так как на него действуют силы инерции. Брат же, находящийся на Земле, таких сил испытывать не будет. Таким образом, братья не всегда будут находиться в одинаковых условиях, и применять к ним теорию относительности в том виде, как ее применяли выше, нельзя».

То есть парадокс близнецов опровергается на том основании, что систему координат, связанную с Землей, в данной задаче можно считать инерциальной, а вот систему координат, связанную с ракетой, инерциальной можно считать не все время полета. Ракета, чтобы вернуться на Землю, должна сначала погасить скорость, затем развернуться и снова набрать скорость для полета назад на Землю. Все это время брат на ракете будет испытывать ускорения, которых брат на Земле испытывать не будет, и, следовательно, система «ракета» в этот отрезок времени не будет инерциальной.

Что можно сказать по этому поводу?

Во-первых, согласимся, что систему «ракета», в то время когда она разворачивается для полета обратно к Земле, нельзя считать инерциальной. Но из такого утверждения можно сделать вывод, что все остальное время полета она является инерциальной системой. Допустим, что на торможение, разворот и новый набор скорости будет затрачено 5% времени полета. Тогда все 95% времени полета и система «ракета», и система «Земля» будут инерциальными и равноправными. Неужели 5% времени не инерциального состояния ракеты могут перекрыть весь эффект замедления времени в течение 95% времени нахождения ее в инерциальном состоянии?

А если вообще исключить из полета ракеты торможение, разворот и набор скорости в обратном направлении? Ведь можно направить ракету по некоторой условно круговой траектории, в которой ее старт и финиш будут в одной и той же точке рядом с Землей. Тогда все время полета ракета будет лететь с равномерной скоростью без ускорений, и ее тоже можно будет считать инерциальной в течение всего времени полета, как и систему, связанную с Землей, которая тоже все время эксперимента перемещается по круговой орбите вокруг Солнца. Что тогда может помешать поменять их местами в соответствии с принципом относительности? Что тогда будет с братьями близнецами? Кто из них будет стареть медленнее, а кто быстрее?

Во-вторых, старение братьев можно отслеживать и без возврата ракеты на Землю, по видеосвязи. Если ракета летит, например, со скоростью 10% от световой относительно «неподвижной» Земли, то за год она пролетит:

300 000 * 0,1 * (60 * 60 * 24 * 365) = 3 * 36 * 24 * 365 * 106  = 946 080 000 000 (км)

Задержка видеосвязи на таком расстоянии в секундах будет:

946 080 000 000 : 300 000 = 3 156 600 (с)

Или в сутках:

3 156 600 : (60 * 60 * 24) = 96, 6 (суток)

Если через год своего полета брат-космонавт пошлет на Землю свою фотографию, то его брат близнец на Земле получит ее ориентировочно через три месяца после отправления, поскольку скорость света постоянна и одна и та же для обоих братьев. И тогда он вполне может сравнить свой возраст с возрастом брата и узнать, кто из них стареет быстрее, а кто медленнее.

И, в-третьих, представим себе, что было не два брата близнеца, а три (почему нет?). Два брата отправляются на ракетах в космос, а третий остается на Земле. Причем два брата, улетевшие в космос, летят на своих ракетах с разными скоростями и по круговым траекториям с разными радиусами, так, чтобы вернуться в место старта рядом с Землей в одно и то же время. Тогда брат близнец остававшийся на Земле, должен будет предстать перед вернувшимися братьями одновременно в двух разных возрастах, потому что на Земле пройдет разное время с точек зрения братьев космонавтов, поскольку они летели с разными скоростями.

Как эту коллизию с тремя братьями может разрешить не только специальная теория относительности, но и общая теория относительности, непонятно. Потому что и по общей теории относительности:

«Что же касается вопроса о возрасте близнецов, то из общей теории относительности следует, что, действительно, брат, совершивший путешествие на космическом корабле, вернется на Землю более молодым, нежели тот, который оставался на Земле».

Это утверждение не может запретить одновременного полета двух братьев на ракетах с разными скоростями, и затем после их возвращения возможности сравнить свой возраст с возрастом брата, остававшегося на Земле, который по теории относительности должен будет предстать перед ними одновременно постаревшим на разное количество лет.

Таким образом, «парадокс близнецов» так и остается парадоксом, как в специальной теории относительности, так и в общей теории относительности. И к этому парадоксу можно добавить и другие.

========================================

7. Эффект Доплера

Эффект Доплера – хорошо изученное физическое явление, нашедшее применение в различных областях науки и техники. В частности он применяется для измерения лучевых скоростей звезд и галактик (составляющих движений к нам или от нас). Если звезда или галактика удаляется от нас, то линии в их спектрах сдвигаются в красную сторону, в сторону увеличения длины волны или уменьшения частоты (знаменитое красное смещение). Если звезда или галактика приближаются к нам, то наблюдается «синий» сдвиг спектральных линий – в сторону увеличения частоты или уменьшения длины волны.

В случае монохроматического излучения движущийся источник меняет цвет в зависимости от скорости и направления движения – к приемнику или то него. Приближение источника приводит к изменению цвета в направлении фиолетового конца спектра, удаление – в направлении красного.

Эффект Доплера заключается в изменении длины волны (или частоты) при движении источника (или приемника) относительно распространяемых волн. Если известны исходные параметры излучения (скорость и длина волны), то по измеренным отклонениям принимаемой длины волны, можно рассчитать скорость источника (или приемника).


7.1 Эффект Доплера для звуковых волн

Рассмотрим эффект Доплера на примере звуковых волн. Звуковые волны имеют фиксированную скорость в воздухе, и эта скорость не зависит от скоростей источника или приемника. Если источник волн и их приемник неподвижны относительно распространяемых волн, то приемник принимает волны с исходной неискаженной частотой генератора звуковых волн. Если источник или приемник сами движутся относительно распространяемых волн, то их относительная скорость становится отличной от исходной скорости звуковых волн относительно воздуха. Это изменение скорости приводит к изменению длины волны, по которой можно вычислить относительную скорость источника и приемника.

Рассмотрим случай движения источника звуковых волн при неподвижном приемнике. Этот случай хорошо иллюстрируется пролетом самолета. Когда самолет на высоте приближается к нам, мы слышим высокий звук его двигателей. При его пролете над нашей головой звук резко понижается. И затем при удалении его от нас, мы слышим низкий звук двигателей.

С позиций элементарной логики можно объяснить это тем, что звуковые волны впереди самолета «сжимаются» и поэтому длина их волны уменьшается, тональность повышается, а сзади него «расширяются», длина волны увеличивается и тональность понижается.

=================Примечание
При пролете реактивного самолета, летящего выше скорости звука, волны «выворачиваются» наизнанку, за летящим самолетом образуется конус распространения волн, ограниченный областью резкого перепада давления, который воспринимается наблюдателем как взрыв. Возможно ли подобное явление для световых волн? Ведь в этом случае источник света должен лететь со скоростью превышающей скорость света? Да, такое явление с образованием ударной световой волны возможно. Его открыл советский ученый Черенков, и этот эффект назван его именем – эффект Черенкова.
 ==========================

Если источник волн имеет собственную скорость, то впереди себя он догоняет волны, а сзади убегает от них.

Обозначим:

V0 – скорость звуковых волн относительно воздуха
Vist – скорость источника относительно воздуха
Vr – скорость звуковых волн относительно движущегося источника

Тогда в случае движения источника в направлении движения волн (источник догоняет волны) данные скорости будут связаны следующим соотношением:

Vr = V0 – Vist                (1)

Скорость звуковых волн относительно источника (Vr) меньше скорости звуковых волн относительно воздуха (V0) на величину скорости догоняющего их источника (Vist).

Умножим данное уравнение на период генерируемых источником волн:

Vr*T0 = V0*T0 – Vist*T0 (2)

В полученном уравнении:

Vr*T0 = Lr  – длина волны, принимаемая приемником
V0*T0 = L0 – длина волны, излучаемая источником звука (исходная длина волны)
Vist*T0 = Lizm – часть длины волны, на которую уменьшается исходная длина волны, вследствие того, что источник ее догоняет.

С учетом этого уравнение (2) перепишется в виде:

Lr = L0 – Vist*T0 (3)

Откуда искомая скорость источника (Vist) на основе принимаемой приемником волн с измененной длиной волны (Lr), вследствие движения источника к приемнику со скоростью (Vist), выразится следующим образом:

Vist = (L0 – Lr) / T0 (4)

Аналогичные выкладки можно сделать и в случае, когда источник удаляется от приемника:

Vist = (L0 + Lr) / T0 (5)

Обратим внимание на уравнение (1), в котором записан закон сложения скоростей классической физики. Именно то обстоятельство, что скорость звуковых волн изменяется по отношению к источнику в случае его движения, и делает возможным проявление эффекта Доплера и вычисление на его основе скорости источника.

Понятно, что формула (5) неприменима для световых волн в рамках теории относительности. В теории относительности действует релятивистский закон сложения скоростей, по которому сумма скорости света со скоростью любого тела равна скорости света. Подставив в уравнение (1) вместо скорости звуковых волн относительно воздуха (V0) скорость света (с), получим:

Vr = c – Vist = c           (6)

Нет изменений скорости света по отношению к движущемуся источнику света (постулат о постоянстве скорости света) – нет и эффекта Доплера.

Но как же теория относительности обосновывает проявление эффекта Доплера для света?


7.2 Эффект Доплера для света в рамках теории относительности

Постулат о постоянстве скорости света и ее независимости от движения источника или приемника не был просто придуман Эйнштейном, он основан на экспериментальных данных. Например, зависимость скорости света от движения источника света опровергается несостоятельностью баллистической гипотезы на основании наблюдений за двойными звездами. А зависимость скорости света от движения наблюдателя опровергается экспериментами Майкельсона-Морли.

================Примечание
Баллистическая гипотеза – скорость света постоянна относительно источника света, сохраняет вектор скорости источника, и поэтому к свету применим классический закон сложения скоростей. В случае верности баллистической гипотезы нарушалась бы причинно-следственная связь при вращении звезды сателлита вокруг центральной звезды. Из скорости света уходящей за центральную звезду звезды спутника вычиталась бы ее собственная скорость, а к скорости света выходящей позже из-за центральной звезды той же звезды спутника добавлялась бы ее собственная скорость. На некотором расстоянии свет от выходящей по времени позже звезды спутника опережал бы свет от нее же заходящей раньше по времени за центральную звезду, и мы наблюдали бы одновременно звезду спутник в двух положениях – заходящую за нее и выходящей через половину периода из-за центральной звезды. Многочисленные наблюдения за двойными звездами показали, что таких парадоксальных явлений не наблюдается. Отсюда делается вывод об ошибочности баллистической гипотезы.
===========================

Таким образом, скорость света не зависит от движения источника света и наблюдателя. Но это утверждение еще не приводит к теории относительности. Скорость звука или волн на воде тоже не зависит от движения источника или приемника. Скорость звука имеет фиксированное значение только относительно среды его распространения – воздуха, и изменяется относительно источника звука, в случае его собственного движения относительно среды распространения звука. Отсюда – для звука баллистическая гипотеза  несостоятельна. Однако для света, для которого баллистическая гипотеза тоже неверна, его скорость сохраняется неизменной относительно источника и в случае его собственного движения.

Здесь необходимо сделать уточнение – относительно чего движется источник света? Если в случае со звуком источник звука движется относительно среды распространения звука и это приводит к изменению скорости звука относительно источника звука, то в теории относительности среды распространения для света нет. И тогда источник света может двигаться только относительно других тел во Вселенной или относительно наблюдателя. И если при этом скорость света остается константой при ее оценке относительно многочисленных систем отсчета, движущихся с различными скоростями, то это неизбежно приводит к тому, что должны изменяться пространство и время. В этом суть теории относительности.

Вывод теории относительности: скорость света постоянна и имеет одно и то же значение относительно источника и приемника света, независимо от того движутся они или находятся в покое относительно друг друга.

Сомневаться в этом, вроде бы нет никаких оснований. Это подтверждено многочисленными экспериментами. В том числе, например, и опытами Физо, который показал, что скорость света и скорость течения воды, в которой распространяется свет, не складываются по закону сложения скоростей классической физики. Однако Френель задолго до опыта Физо показал, что движущаяся в эфире материя лишь частично увлекает за собой эфир, и величина этого увлечения в точности соответствовала результату опыта Физо. Поэтому кое-какие основания для сомнений все же остаются. Но оставим прояснение вопроса о существовании эфира и независимости скорости света от движения источника будущим поколениям физиков, а сейчас просто попытаемся проследить логику обоснования эффекта Доплера в рамках теории относительности.

Возьмем для примера обоснование эффекта Доплера с позиций теории относительности в знаменитых «Феймановских лекциях по физике». В них приведено даже целых три обоснования эффекта Доплера в рамках теории относительности. Мы их и рассмотрим.

===============Цитата («Феймановские лекции по физике», стр. 147).

 «… атом колеблется с частотой (w0) и в то же время весь атом, весь осциллятор как целое движется по направлению к наблюдателю со скоростью (v).  Тогда истинное движение в пространстве будет таким, как изображено на фиг. 34.10,а. Используем наш обычный прием и добавим (cт), т. е. сместим всю кривую назад и получим колебания, представленные на фиг. 34.10,б. За промежуток времени (т) осциллятор проходит расстояние (vт), а на графике с осями (x/) и (y/) соответствующее расстояние, равное:

(c - v) * т  (1)

Таким образом, число колебаний с частотой (w1), которое укладывалось в интервал (dт), на новом чертеже укладывается теперь уже в интервал:

dt = (1 – v/c) * dт    (2)

Осцилляции сжимаются, и, когда новая кривая будет двигаться мимо нас со скоростью (c), мы увидим свет более высокой частоты, увеличенной за счет фактора сокращения (1 – v/c).

Итак, наблюдаемая частота равна

w = w1 / (1 – v/c) (3)»
 
============Конец цитаты

Не вдаваясь в анализ предложенного объяснения эффекта Доплера с позиций теории относительности, зададим вопрос – почему обоснование проводится на основе классического закона сложения скоростей? В приведенной формуле  изменения частоты вследствие эффекта Доплера (3) выражение (1 – v / c), которое названо «фактором сокращения» и представляет собой безразмерное число меньше единицы, получено из закона сложения скоростей классической физики (c - v) делением каждого слагаемого на (c). Если применить релятивистский закон сложения скоростей, то фактор сокращения будет равен единице, никакого изменения частоты не будет, а, следовательно, не будет и проявления эффекта Доплера. Не будем думать, что получение фактора сокращения на основе классического закона сложения скоростей сделано с целью, замаскировать его применение в формуле эффекта Доплера, а имеет другие причины.


==================Цитата 2:
 «Можно, конечно, объяснить этот эффект и другими способами. Пусть, например, тот же атом испускает не синусоидальную волну, а короткие импульсы (пип, пип, пип, пип) с некоторой частотой (w1). С какой частотой мы будем их воспринимать? Первый импульс к нам придет спустя определенное время, а второй импульс придет уже через более короткое время, потому что атом за это время успел к нам приблизиться».
=================

Отметим, что утверждение «…а второй импульс придет уже через более короткое время, потому что атом за это время успел к нам приблизиться» означает только то, что источник движется относительно испущенных им волн, и что скорость света относительно источника света в таком случае не равна (с). Она меньше именно на скорость движения источника света, что явно противоречит постулату о постоянстве скорости света. Следовательно, и в этом случае применяется классический закон сложения скоростей.

============Продолжим цитату:
 «Следовательно, промежуток времени между сигналами «пип» сократился за счет движения атома. Анализируя эту картину с геометрической точки зрения, мы придем к выводу, что частота импульсов увеличивается в  1 / (1 – v / c)  раз».
===============

И снова в неявном виде в формуле записан классический закон сложения скоростей.
               

7.3 Поперечный эффект Доплера

Далее в обоснование эффекта Доплера водится релятивистский эффект замедления времени, который почему-то называется поперечным эффектом Доплера. Приведем цитату из: «Теория относительности», В. Паули, «Наука», 1983 г., стр. 40.

=========Цитата («Теория относительности», В. Паули, «Наука», 1983 г., стр. 40)
«Для теории относительности характерно то обстоятельство, что даже тогда, когда скорость источника света перпендикулярна к направлению наблюдения (т.е. cos a = 0), эффект Доплера не исчезает. В этом случае согласно (15) имеем

w/ = w / ^(1 – v2/c2)

Это поперечное доплеровское смещение в красную сторону находится в полном согласии с замедлением времени, постулированным для любых часов. Сразу же после того как Штарк наблюдал эффект Доплера в свете, излучаемом каналовыми лучами, Эйнштейн указал возможность обнаружения поперечного эффекта Доплера путем исследования свечения каналовых лучей. До сих пор, однако, не удалось осуществить этот эксперимент, так как крайне трудно сделать угол (а) близким 90о и отделить релятивистский поперечный эффект Доплера от обыкновенного продольного».   
=========================Конец цитаты

Нет, утверждение что «когда скорость источника света перпендикулярна к направлению наблюдения (т.е. cos a = 0), эффект Доплера не исчезает», неверно. Эффект Доплера именно исчезает, так как он проявляется при наличии составляющей скорости источника в направлении на наблюдателя или от него, которая при cos a = 0 сама становится равной нулю. А эффект замедления времени, непонятно почему названный поперечным доплеровским смещением, не «находится в полном согласии с замедлением времени», а есть по сути именно сам эффект замедления времени, который действует также и при «обыкновенном продольном» эффекте Доплера. Эффект замедления времени действует для любого объекта, движущегося с некоторой скоростью относительно наблюдателя независимо от направления его движения и проявления при этом эффекта Доплера.

Теперь снова цитата из феймановских лекций, в которой как раз и говорится о влиянии эффекта замедления времени на эффект Доплера, а вот ни о каком поперечном эффекте Доплера даже и не упоминается:

============Цитата. «Феймановские лекции по физике», стр. 148
«Будет ли наблюдаться частота

w = w0 / (1 – v / c)

если атом с собственной частотой (w0) движется со скоростью (v) к наблюдателю? Нет. Нам хорошо известно, что собственная частота движущегося атома (w1)  и частота покоящегося атома (w0) –  не одно и то же из-за релятивистского замедления хода времени. Так что если (w0)  –  собственная частота покоящегося атома, то частота движущегося атома будет равна

w1 = w0 ^(1 – v2 / c2)  (где  ^  – корень квадратный).

Поэтому наблюдаемая частота окончательно равна

w = w0 ^(1 – v2 / c2) / (1 – v / c)       (1)

Изменение частоты, возникающее в таком случае, называется эффектом Доплера: если излучающий объект движется на нас, излучаемый им свет кажется более синим, а если он движется от нас, свет становится более красным».
=================(Конец цитаты)

Из этой цитаты видно, что в окончательную формулу доплеровского смещения частоты (1) прямо введен эффект замедления времени. Обратим внимание, что скорость излучающего объекта в формуле замедления времени входит в формулу в квадрате и, следовательно, эта формула не учитывает направления движения излучающего объекта – к нам или от нас. Но замедление времени, очевидно, приводит к уменьшению частоты волнового процесса, а, следовательно, к смещению спектра света от движущегося излучающего объекта в красную сторону, как если бы он двигался от нас. Таким образом, релятивистский эффект замедления времени компенсирует часть проявления эффекта Доплера в случае движения излучающего объекта к нам, и увеличивает значение эффекта Доплера при движении излучающего объекта от нас. Например, в случае совпадения значений эффекта Доплера и эффекта замедления времени при движении излучающего объекта к нам, они взаимно компенсируются, и никаких изменений частоты выявлено не будет. При этом источник света будет принят за неподвижный, в то время как на самом деле он будет двигаться к нам.

Выводы:

1. В формулах для эффекта Доплера в учебниках по теории относительности применяется классический закон сложения скоростей, что противоречит самой теории относительности.
2. Эффект замедления времени (если он действительно имеет место быть) искажает проявление эффекта Доплера, что неизбежно должно приводить к неверному вычислению скорости излучающего объекта и в некоторых случаях ошибочному определению лучевой составляющей направления его движения.
3. Никакого поперечного эффекта Доплера не существует в природе.

=========================



8. Время как физическая величина

8.1. Понятие времени

«Есть только миг между прошлым и будущим
Именно он называется жизнь»
Николай Дербенев

Что такое время? Вряд ли кто-то из людей, не связанных с наукой, сразу ответит на этот вопрос что-то вразумительное. Скорей всего он просто пожмет плечами и скажет что-то вроде – время это наша жизнь. Или – время это прошлое, настоящее и будущее. Или пошутит – время - деньги, и добавит – время, которое у нас есть, это деньги, которых у нас нет. Но смею вас заверить, что и связанный с наукой человек тоже вряд ли ответит вам на этот вопрос что-то вразумительное.

Если обратить внимание как время проявляется в жизни человека, то можно заметить, что время имеет три измерения – прошлое, настоящее и будущее. Прошлое – это то, что уже прошло, то, чего уже нет в реальном мире, а существует только в памяти человека или изложено в многочисленных исторических книгах. Настоящее – это то, что происходит с нами сейчас в данный момент времени. Будущее – это то, что будет потом, что еще не наступило, чего сейчас еще нет.

Таким образом, мы приходим к пониманию, что в реальности для человека есть только настоящее, но в объективном мире нет ни прошлого, ни будущего – прошлого уже нет, а будущего еще нет.

А если спросить себя, а какова длительность настоящего, которое как мы признали, одно только и существует в реальности – день, час, минута, секунда, миг? При попытке ответа на этот вопрос приходим к пониманию, что длительности у настоящего нет. Это даже и не миг между прошлым и будущим, как в прекрасных стихах Николая Дербенева, а просто грань между прошлым и будущим, подобно горизонту, как видимой линии между землей и небом, которой тоже в реальности нет.

Тут поневоле можно вспомнить булгаковского Воланда: «Что же это у вас, за что ни возьмись, ничего у вас нет».

И Воланд будет совершенно прав. Настоящее существует. Это не мнимая линия горизонта, а реально существующий мгновенный срез (кадр) динамической, постоянно изменяющейся Вселенной. Это действительно грань, где прошлое перетекает в будущее. А уже человеческое сознание, сохраняя в своей памяти последовательные мгновенные кадры настоящего, формирует в своей памяти прошлое, как образ своей личной жизни и мира в целом. И образ будущего формируется в сознании человека, как образ того, к чему он стремится, или что, по его мнению, должно или может произойти.

В науке существует термин – стрела времени. Это констатация того факта, что время «течет» только в одном направлении – от прошлого через настоящее к будущему. Сейчас не будем касаться вопроса, можно ли развернуть эту стрелу времени в обратном направлении, в прошлое, а просто акцентируем внимание на том, что настоящее это существующее в реальности мгновенное состояние динамически изменяющейся Вселенной, прошлое это способность сознания формировать в памяти связанный образ предыдущих состояний реального мира и своей личной жизни в том числе, а будущее это способность сознания прогнозировать возможное последующее состояние мира и своей личной жизни в частности. Сделаем вывод о том, что прошлое и будущее это субъективные представления человека о мире и в реальном физическом мире их не существует.

Что же остается от времени? Только настоящее. Которое постоянно изменяется. И только сознание человека может разворачивать в памяти последовательные состояния настоящего, тем самым, формируя понятие времени и его «течения». Времени как физической величины, которая определяет скорости протекания абсолютно всех процессов во Вселенной, в реальном объективном мире нет. Как утверждал Кант, время это субъективное априорное (данное от рождения, существующее до опыта) свойство сознания, формирующее представление человека о мире. И с ним в этом вопросе можно согласиться.


8.2. Время в физике.

В классической физике (в физике Ньютона) время имеет абсолютный глобальный характер – оно имеет одно и то же значение абсолютно во всех точках Вселенной, так же неизменна и скорость его «течения». В классической физике не только время имеет глобальный характер, но и пространство. Все процессы во Вселенной протекают в глобальных неизменных и абсолютных времени и пространстве. Они существуют сами по себе, и не зависят от физического мира. Пространство и время – это сцена, на которой разыгрывается драма физической Вселенной.

Теория относительности (ТО) лишила пространство и время такого привилегированного положения, их глобального абсолютного характера и заставила их бесконечно изменяться при переходе из одной инерциальной системы отсчета в любую другую, как меняется отражение предмета в кривых зеркалах для стороннего наблюдателя.

Время в физике является базовым понятием. Оно как физическая величина входит во все законы и формулы, в которых описываются динамические процессы. Время обязательно появляется там, где возникает необходимость оценить скорость протекания какого-либо физического процесса или его длительность.

В физике все движения тел описываются в системах координат, наиболее распространенной из которых декартова ортогональная система координат. Когда требуется оценить скорость или длительность какого-либо движения вводится координатная ось времени.

Таким образом, в классической физике время как физическая величина представляет собой координатную систему, для оценки длительностей исследуемых процессов. И как координатная система время не может оказывать на объективные физические процессы никакого влияния. Оно предназначено только и исключительно для фиксации моментов наступления какого-либо события, длительностей процессов и скоростей их протекания.
 

Рассмотрим элементарный пример.

Человек берет в руку камень и бросает его с некоторым усилием. В другой руке у него секундомер, который он включает в момент бросания камня. Камень согласно законам физики летит по параболе и падает на землю на некотором расстоянии от бросившего его человека. В этот момент он останавливает секундомер. По секундомеру он может определить длительность полета камня. Затем, используя законы физики, может рассчитать все параметры полета камня. Время в данном примере участвует только как координатная система, в которой разворачивается полет камня. Но траектория его полета определяется другими физическими величинами - его массой, силой, с которой был брошен камень, углом по отношению к горизонту, под которым он был брошен, силой тяжести, которая заставляет его одновременно с полетом по горизонтали, падать вертикально вниз. Само время не определяет траекторию его полета. Оно только фиксирует длительность полета камня. Если человек снова возьмет в руку камень и бросит его уже с другой силой и под другим углом к горизонту, траектория полета и время его полета изменятся. Акцентируем внимание – не время определяет траекторию и длительность полета камня, а сила, с которой он был брошен и угол броска по отношению к горизонту, определяют время его полета.

==========================
Резюме:
В классической физике время есть координатная система для определения длительности и скорости течения физических процессов. Определенная длительность некоторого физического процесса неизменна (инвариантна) для любой точки пространства, для любой координатной системы. В теории относительности длительность определенного процесса зависит от скорости движения координатной системы, в которой определяется данный отрезок времени.
=====================


8.3 Замедление времени. Механика. Регулятор Уатта

ТО утверждает, что если некоторый механизм (например, часы) движется с некоторой скоростью, то скорости движения всех его частей и деталей уменьшаются пропорционально скорости движения механизма, вследствие эффекта замедления времени. Акцентируем внимание – замедление времени пропорционально скорости движения механизма как целого. Но ведь в самом механизме его детали чаще всего движутся с различными скоростями. И вследствие этого различные детали механизма могут иметь различные скорости в направлении движения механизма как целого. Почему же ТО определяет замедление времени только по скорости движения одной из деталей этого механизма – его корпуса, игнорируя при этом скорости других частей механизма? А если замедление времени окажется различным для разных частей механизма, то не приведет ли это к нарушению его работы?

По поводу определяющего влияния хода времени на скорость протекания абсолютно всех физических процессов в некоторой инерциальной системе можно высказать следующие соображения.

Зададимся вопросом – существуют ли механизмы и системы, в которых пропорциональное замедление скоростей всех движущихся частей может привести к нарушению их работы?

В качестве примера можно привести такой механизм как регулятор Уатта, который применяется для стабилизации скорости вращения рабочего вала. Из теории работы регулятора Уатта известно, что на малых скоростях вращения рабочего вала, компенсирующие колебания регулятора имеют более высокую частоту, чем при высоких скоростях вращения рабочего вала. Очевидно, что при уменьшении скорости вращения рабочего вала вследствие замедления времени, для сохранения устойчивого функционирования системы, скорость компенсирующих воздействий регулятора должны возрасти. Однако это запрещает теория относительности, согласно которой все скорости частей и деталей движущегося механизма должны пропорционально уменьшиться, вследствие эффекта замедления времени. Что же произойдет, если пропорционально уменьшить как скорость вращения рабочего вала, так и частоту компенсирующих воздействий регулятора? Очевидно, регулятор перестанет выполнять свою функцию, и вся система не будет отвечать заданным функциональным требованиям, или вообще пойдет в разнос.

Можно привести аналогичный пример с велосипедистом. При малой скорости движения велосипедист вынужден совершать частые движения рулем вправо влево, чтобы сохранить равновесие. Что же произойдет, если пропорционально уменьшить скорость его движения и одновременно частоту колебаний рулем? Ответ очевиден – велосипедист упадет.

Таким образом, если бы время действительно управляло физическими процессами в плане пропорционального уменьшения скорости их течения в зависимости от увеличения скорости инерциальной системы, то это неизбежно приводило бы к нарушению работы технических систем и механизмов в данной инерциальной системе, для работы которых недопустимо пропорциональное изменение скоростей всех движущихся частей и деталей.

А если внимательнее присмотреться к таким сложным биологическим системам как организмы животных и человека? Не окажется ли так, что пропорциональное изменение скоростей течения десятков, если не сотен идущих в них взаимосвязанных процессов приведет к нарушению их жизнедеятельности или даже к смерти?


===================
Вывод:
Времени как физической величины, определяющей скорости протекания абсолютно всех процессов во Вселенной, не существует. Если это так, то теория относительности, базовой основой которой является именно представление о времени как о физической величине, определяющей скорости течения абсолютно всех процессов во Вселенной, является несостоятельной.