Преобразование Лоренца без Эйнштейна

     Когда-то некий экспериментатор обратился  к Эйнштейну, утверждая, что теория относительности противоречит его экспериментам. На это Эйнштейн ответил: «Тем хуже для эксперимента». Но это хуже и для научной истины, на которую опирается наука.

     Б. Астероиды. Драматической может оказаться ситуация при возможной бомбардировке Земли блуждающим астероидом. Здесь ошибка в вычислениях может иметь катастрофические последствия для Человечества. Задумайтесь об этом апологеты теории относительности.

     В. Второй «Gedanken Experiment» Эйнштейна. Теперь нам можно познакомиться с одним из «мысленных экспериментов» А. Эйнштейна, чтобы понять причину неудач специальной теории относительности. Обратимся к [9], где дано краткое описание второго эксперимента.

     «В т о р о й о п ы т [9]. Сравнение хода часов. При сравнении хода часов, связанных с системами отсчета, движущихся друг относительно друга, необходимо помнить, что нельзя одни часы в системе S сравнить с одними часами в системе S’, так как часы пространственно совпадают друг с другом лишь в один момент времени. … Пусть в той точке, где расположены часы в системе S’, находится источник света (рис. 7).  

     Рис. 7 

     Световой  сигнал, испущенный перпендикулярно  к v, отразится зеркалом … и вернется обратно. Для наблюдателя в S’ время, необходимое для этого равно Dt’ = 2z₀/c

     Наблюдатель, покоящийся в S, измерит это время посредством пары часов… Так как скорость света не зависит от системы отсчета, ….

      (15.4) 

     Интересно отметить, что для  наблюдателя, покоящегося  в системе S, время Dt больше, нежели собственное время. Это явление называется «замедлением времени»».

     Комментарий. Напомним, что мы до сих пор придерживались классической концепции пространственно-временных отношений и не столкнулись с не интерпретируемыми явлениями. Мы предложим объяснение, оставаясь в рамках этой концепции.

     Предварительное замечание. Световой луч, достигнув движущейся поверхности, отражается от нее. Точка отражения становится новым (вторичным) источником светового сигнала. В силу этого в системе отсчета S время возвращения светового луча будет искажено (эффект «деформации» расстояния). Оно будет отличаться от действительного времени прохождения. Здесь мы воспользуемся тем, что в системе отсчета любого источника излучения свет не претерпевает искажений. 

     Рис. 8 

     Время прямого прохождения от часов  к зеркалу в собственной системе отсчета источника излучения (сплошная линия на левой фигуре рис. 8) равно DT = z₀/c. Лучи, имеющие искажения, показаны на рис. 8 пунктиром.

     Время обратного прохождения собственной  системе отсчета точки отражения  как источника (сплошная линия на правой фигуре рис. 8) равно . В системе отсчета, связанной с источником света, световой луч идет в обратном направлении как бы «медленнее», чем в прямом направлении. На рис. 8 сплошной линией показаны не «деформированные» участки пути света, а пунктирными – «деформированные».

     Таким образом, действительное время прохождения  луча равно  . Тот же результат получается в системе отсчета, связанной с зеркалом. Он не зависит от того, в какой инерциальной системе мы измеряем время прохождения. В результате учета «деформации» расстояния эффект «замедления времени» исчезает. Никакого «замедления времени» в природе не существует! Нет и «сжатия» масштабов вдоль направления движения.

      6. Эффекты при вращательном движении

     А. Эффекты при круговом движении. Вращательное движение – одна из ступенек, где СТО проявила в полной мере свою несостоятельность. Но прежде, чем переходить к этим явлениям, обсудим вопросы отображения при критическом угле наблюдения (прямолинейное движение) (2.7). 

     Рис. 9

      Следовательно, наблюдаемая скорость будет равна действительной линейной скорости движения источника света. Наблюдатель будет видеть движение светящегося источника по окружности с действительной линейной и угловой скоростью. Это имеет место только в случае, если наблюдатель покоится на оси вращения.  

     Рис. 10 

     Если  же наблюдатель хотя бы немного сместится, все явления («деформация» расстояния, эффект Доплера, девиация аберрации) появятся вновь. Если же объект протяженный (не материальная точка), то возникает явление либрации при наблюдении движения планеты вокруг другого объекта из-за периодических колебаний во времени угла аберрации.

     Мы  не стали рассматривать вопросы, связанные с произвольным движением  источника света и наблюдателя. Переход к этим вопросам усложнит описание и приведет к интегральным обобщениям, но сам подход к описанию явлений сохранится прежним. Определяющим фактором, как и ранее, останется величина скорости относительного движения, вычисляемая классическим способом (параллелограмм скоростей), и относительное расстояние между объектами.

     Б. Парадокс Эренфеста. Он был сформулирован нидерландским физиком-теоретиком Паулем Эренфестом в 1909 году. Цитируем [10], обозначив буквами в скобках (а) места, которые будем комментировать:

     «Описание. Рассмотрим плоский, абсолютно твердый диск, вращающийся вокруг своей оси таким образом, чтобы линейная скорость его края была сравнима со скоростью света по порядку величины. Согласно специальной теории относительности, длина края этого диска должна испытывать лоренцово сокращение, равное 

     где l - длина края вращающегося диска относительно внешнего наблюдателя, l₀ - длина края вращающегося диска относительно внутреннего наблюдателя (находящегося на диске), v - линейная скорость вращения края диска, а c - скорость света.

     Длины внутренних (относительно края диска) окружностей также должны испытывать это сокращение, но не пропорциональное, сохраняющее этот диск плоским, а такое, чтобы последний обретал отрицательную кривизну. В радиальном направлении лоренцова сокращения нет, поэтому радиусы диска должны сохранять свою длину.

     Согласно  Эренфесту, это свидетельствует  о невозможности  приведения абсолютно  твердого тела во вращательное движение (поскольку  абсолютно твердое  тело не может изменять свою форму). В то же время, в классической механике известно множество примеров жестких дисков, вращающихся с достаточно большой скоростью (шлифовальные камни, крыльчатки пылесосов и т.д.), для которых эффекты специальной теории относительности должны быть ощутимыми

     Решение. Данный парадокс является софизмом (a). Абсолютно твердое тело - это такая же идеализация, допускаемая классической механикой, как материальная точка, идеальный газ, идеальная жидкость и т.д. (b). Реальные тела не являются абсолютно твердыми и деформируются под воздействием соответствующих сил. Этот момент особо оговаривается в специальной теории относительности, в которой все воздействия передаются с конечной скоростью, не превышающей скорость света. В классической механике, если подействовать на абсолютно твердое тело некоторой силой, то все его точки должны мгновенно (одновременно) прийти в движение. Согласно специальной теории относительности, подобная ситуация невозможна, и точки тела не одновременно приходят в движение по мере того, как передают друг другу начальное воздействие с некоторой конечной скоростью. Следовательно, диск Эренфеста может вращаться и может изменять свою форму (c).

     Впрочем, дело здесь даже не в этом, а в том, что сжатие тел, движущихся с околосветовой  скоростью, - это кинематический эффект, который существует в одних системах отсчета и исчезает в других системах отсчета. Это сжатие не обусловлено никакими силами (поскольку происходит в инерциальных системах отсчета, движущихся равномерно и прямолинейно), оно обусловлено самой геометрией пространства-времени нашей Вселенной (d). Проблема в том, что в случае вращающегося диска говорить, что это сжатие не обусловлено никакими силами, можно только с большой натяжкой. Вращение диска - это неинерциальное движение, в котором действуют центробежные силы. Эти силы, правда, не искривляют диск, а только растягивают его в радиальном направлении (e). ….

     Более того, в случае вращающегося диска мы не только не можем говорить, что его периметрическое  сжатие не обусловлено  никакими силами, но даже то, что это сжатие является лоренцовым! (f). Лоренцово сжатие происходит только в относительном движении, в котором мы всегда можем указать такую систему отсчета, в которой движущееся (и, соответственно, сжимающееся) тело покоится. Например, внутреннюю систему отсчета самого этого тела. Но во вращательном движении мы не можем указать такую (локальную!) систему отсчета, относительно которой вращающееся тело покоилось бы, которую невозможно было бы отличить от невращающейся системы отсчета….

     Происходит  это потому, что  вращательное движение осуществляется не относительно каких-то конкретных тел, а относительно всего пространства-времени нашей Вселенной. Или, что равносильно, относительно всех материальных тел во Вселенной. Вполне возможно, что не только существующих, но и тех, которые существовали когда-то или будут существовать....

     Пока  теория относительности  не ответит на эти  вопросы, бесполезно искать решение данного  парадокса, оставаясь  в ее сегодняшних  рамках. Можно только искать экспериментальное подтверждение обозначенных в нем эффектов... (g)».

     Комментарии к объяснению. Пусть диск вращается вокруг оси z, а наблюдатель находится на оси диска. Согласно Эренфесту в соответствии с теорией относительности и преобразованием Лоренца имеют место два эффекта:

1. «Сжатие» длины окружности при неизменном радиусе вращающегося диска (релятивистское «сокращение» длины). Это «сжатие» тем сильнее, чем больше расстояние от оси вращения и чем больше угловая скорость.
2. Поскольку линейная скорость пропорциональна радиусу, периферийные слои должны вращаться медленнее, чем внутренние. Возникает постоянно нарастающее во времени смещение кольцевых слоев друг относительно друга.

     На  эти эффекты и обратил внимание Эренфест. По его мнению, такой эксперимент  приведет к разрушению диска.

1. Еще не приведя объяснение, авторы объявляют парадокс софизмом. На каком основании? Ведь парадокс не только существует, но и имеет имя. Если авторы его так классифицируют, то им следовало бы писать: «софизм Эренфеста»!
2. Конечно, нет ни одной физической теории, где не использовалась бы идеализация. Это необходимый и неизбежный элемент. Такой идеализацией является понятия материальной точки, абсолютно твердого тела и др. Ничего «крамольного» в этом нет.
3. Гипотеза ad hos о том, что абсолютно твердых тел в СТО не существует, была выдвинута Эйнштейном сразу после появления парадокса Эренфеста. В [10] записано: «Согласно Эренфесту, это свидетельствует о невозможности приведения абсолютно твердого тела во вращательное движение (поскольку абсолютно твердое тело не может изменять свою форму)». Приведем аналогию. Пусть на магистральном шоссе имеется отвод недостроенной дороги. Сотрудники ГАИ ставят запрещающий знак. По этой дороге ехать опасно. Можно застрять, заблудиться и т.д. Аналогично и с парадоксом Эренфеста (софистикой Эренфеста – как это именуют некоторые релятивисты). Нормального непротиворечивого объяснения парадокса нет. Но есть гипотеза ad hos, которая играет роль запрещающего «дорожного» знака: «в природе нет абсолютно жестких тел»! Он ничего не объясняет, но запрещает. А вокруг столба с запретом релятивисты-ортодоксы уговаривают сомневающихся: «Не ходите, заблудитесь! Веру в СТО утратите!»
4. Сил нет, а деформация есть! Каковы ее причины? СТО – замкнутая теория. Это означает, что все предсказываемые ею явления должны иметь объяснение в рамках СТО. Но мы видим, что для объяснения «парадокса близнецов» релятивисты притягивают другую теорию – ОТО. Они сваливают все на геометрию пространства-времени Вселенной, хотя ее положения в СТО не входят! Вот это и есть софистика.
5. Радиальные силы авторы нашли, но ведь не «растяжения» радиуса описывает парадокс!
6. Вот и «договорились» до того, что и «сжатие» длины окружности диска «даже не является лоренцевым»! А ведь в описании парадокса фигурирует лоренцевское сокращение! Ну и интерпретаторы!
7. Далее идут фантазии относительно пространства-времени нашей Вселенной. И в конце (наконец-то!) искреннее признание: «Пока теория относительности не ответит на эти вопросы, бесполезно искать решение данного парадокса, оставаясь в ее сегодняшних рамках. Можно только искать экспериментальное подтверждение обозначенных в нем эффектов». Это весьма пессимистичный вывод, поскольку «решения» парадокса Эренфеста в рамках СТО релятивисты так и не дали, но зато обозвали «софистикой»!