Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
Экзамен на «Homo Sapiens – II». От концепций естествознания ХХ века – к естествопониманию
Поляков В. И.,
1.4.2. Истоки теории относительности
Нет такой бессмыслицы, которую не исповедовал бы некий философ.
Цицерон (106-43 гг. до н.э.)
Принцип относительности Галилео Галилея (1564-1642) был сформулирован для движения физических тел: «Во всех инерциальных системах отсчёта все механические явления происходят одинаково». Однако во второй половине XIX века исследования явлений электричества привели учёных к выводу, что электромагнитное поле, описываемое уравнениями Максвелла, оказалось не инвариантным относительно преобразований Галилея, то есть отличающимся по виду при переходе из одной инерциальной системы в другую. Из этого следовало существование некой универсальной среды с определёнными свойствами, относительно которой происходит распространение электромагнитных волн. Эту среду называли эфиром.
Максвелл признавал существование эфира как всеобъемлющей среды, относительно которой происходит движение материальных тел или волн, но его уравнения содержали математические операторы (роторы и дивергенции) и явно не включали параметры эфира, которые оказались «спрятанными» в константе скорость света. Электромагнитные колебания описывались тогда и теперь с помощью силовых характеристик электрического и магнитного полей. Понятие поля в теории Максвелла проявляется как исходное в физике, наряду с материальными телами. С тех пор понятие «поле» вошло в физику как «особый тип материи». Так, не определив понятие материи, физики разделили её на разные виды.
Тот факт, что уравнения Максвелла справедливы только в системе отсчёта, связанной с этой средой - «поле», и не удовлетворяли принципу относительности, приводил физиков к признанию существования эфира. Движение сквозь эфир, как предполагалось, подобно действию сильного ветра на звук, который распространяется по ветру быстрее, чем против ветра. Как отрицание эфира были восприняты научным сообществом опыты Майкельсона и Морли, из которых следовало, что скорость распространения света не зависит от направления движения тела относительно эфира. Эта скорость, по интерпретации опытных данных, оказалась постоянной, когда луч распространяется вдоль направления вращения Земли, против него и в перпендикулярном направлении. Отрицательный результат опытов Майкельсона, как было признано, опровергал существование эфира.
Отрицательный результат опыта Майкельсона (1887 г) году привел учёных в замешательство. Были предприняты попытки согласовать отрицательный результат опытов Майкельсона с идеей абсолютной системы отсчёта. Д.Ф. Фитцджеральд (1851-1901) в 1893 г. предположил, что все предметы укорачиваются в направлении своего движения, то есть сплющиваются под воздействием сопротивления эфира. Это сплющивание должно возрастать вместе со скоростью объекта. Это предположение Фицжеральда было сформулировано в виде формулы: L = L0 √ (1 - v2/c2). Х.А. Лоренц (1823-1928) развил гипотезу о сокращении линейных размеров тел в направлении их движения относительно эфира и сделал вывод, что масса частицы, несущей заряд, при взаимодействии с эфиром должна возрастать в той же пропорции, как сокращается её размер. Эти уравнения вошли в учебники как «сокращение Лоренца-Фитцджеральда».
Оставалось необъяснимым, почему в обычной механике действует простое преобразование Галилея между инерциальными системами: х2 = х1 - vt, а в электродинамике необходимо использовать преобразование Лоренца: x2 = (x1- vt ) /(1-v2/c2)1/2, где х2, х1 - координаты движущихся объектов, v - скорость движения одного объекта относительно другого, t- скорость движения, с - скорость света.
Эйнштейн, размышляя над влиянием движения тел на электромагнитные явления, пришёл к выводу, что всё в природе должно быть симметрично и поэтому не только для механического движения, но и для электромагнитных явлений все инерциальные системы координат должны быть равноправными, т.е. эти явления в таких системах должны описываться одинаковыми уравнениями. Почему у него в уме родился такой постулат? Можно предположить, что к этому его подтолкнули уже существовавшие формулы Лоренца и Пуанкаре по преобразованию координат. Работа А. Эйнштейна «К электродинамике движущихся сред», как будет показано, похожа на плагиат вышедшей ранее работы Пуанкаре, а в названии работы скрыт плагиат на книгу Дж.К. Максвелла «Динамическая теория электромагнитного поля» (опубликована в 1864 г). В названии работы тоже скрыт некий обман, так как в теории рассматриваются системы координат, движущиеся в пустом пространстве, вне всяких сред!
Эйнштейн построил свою электродинамику, введя два принципа-постулата [110]:
- 1. Все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта.
- 2. Скорость света в пустоте одинакова во всех инерциальных системах отсчёта и не зависит от движения источников и приёмников света.
Отметим, что второй постулат в такой редакции не только справедлив, но и однозначно доказывает распространение света в среде с чётко определёнными свойствами. Знаменитый изобретатель Н. Тесла писал: «Эйнштейн заявляет - скорость света не зависит от скорости движения источника света. И это правильно. Но это правило, может существовать, только тогда, когда источник света, находится в определённой физической среде (эфире), которая, своими свойствами, ограничивает скорость света. Вещество эфира, ограничивает скорость света так же, как вещество воздуха, ограничивает скорость звука» [85]. Ошибка состоит в применении этого постулата к движущимся телам. Если звезда приближается к наблюдателю, то квант, испущенный через определённый промежуток времени, распространяясь в среде с постоянной скоростью, должен пройти меньшее расстояние, а это эквивалентно сложению скоростей.
Теория Эйнштейна не допускает сложение скоростей. Из релятивистского закона следует, что сложение скорости света со скоростью источника даёт во всех случаях значение той же скорости света. Скорость света в пустоте провозглашена как максимальная скорость передачи взаимодействия и информации в природе. Исходя из этих принципов, Эйнштейн должен был изменить традиционное понятие времени, как абсолютного, равномерно текущего. В соответствии с СТО не только механические, но любые физические процессы в инерциальных системах протекают одинаково. Относительными, то есть изменяющимися и отличающимися при переходе от одной системы отсчёта к другой, оказываются размеры тел, длительность процессов, одновременность и разновременность событий.
В основу «Электродинамики» Эйнштейна заложено желание представить мир симметричным и описать его одинаковыми уравнениями, объединяющими механические полевые и электромагнитные явления. Эту мысль Эйнштейн первоначально сформулировал осторожно: «Известно, что электродинамика Максвелла в современном её виде приводит к применению к движущимся телам асимметрии, которая не свойственна, по-видимому, самим явлениям» [110]. В дальнейшем, по непонятным причинам («пути науки неисповедимы»), слово «по-видимому» было забыто, мысль абсолютизирована, а надежда на понимание физической сущности электромагнетизма надолго похоронена. «Классическая физика была повреждена столь робким стуком по фундаментальному основанию физики, как оговорка молодого автора «по-видимому»... Возникает ощущение обесценивания трудов всей жизни Коперника, Кеплера, Ньютона, Лапласа, Фарадея, да и остальных верующих и неверующих мыслителей» [27].
Так же без привлечения каких-либо оснований и доказательств Эйнштейн формулировал и второй свой постулат, в соответствии с которым распространение электромагнитных волн выводится из-под действия первого постулата, а пустота оказывается их переносчиком: «Это предположение (содержание которого в дальнейшем будет называться «принципом относительности») мы намерены превратить в предпосылку, и сделать, кроме того, добавочное допущение, находящееся с первым лишь в кажущемся противоречии, а именно, что свет в пустоте всегда распространяется с определённой скоростью, не зависящей от состояния движения излучающего тела» [110].
Так «допущения» и «предположения» были приняты за научное обоснование математических упражнений Лоренца. Фактически, используя преобразования Лоренца, Эйнштейн по иному их объяснял. Если Лоренц рассматривал сокращение линейных размеров движущихся тел как реальное сокращение по отношению к неподвижному эфиру, то Эйнштейн это сокращение интерпретировал как кажущееся наблюдателю, относительно которого движется тело. Сокращение линейных размеров тел и замедление длительности временных интервалов - следствие различия процессов измерения, которыми пользуются разные наблюдатели в разных системах. «Вопрос о том реально Лоренцово сокращение или нет, не имеет смысла,- писал Эйнштейн. Сокращение не является реальным, поскольку оно не существует для наблюдателя, движущегося вместе с телом; однако оно реально, так как оно может быть доказано физическими средствами для наблюдателя, не движущегося вместе с телом» [110]. Это заявление отбрасывает вопрос о смысле, реальное объявляется не реальным, а нереальное - реальным. Так уравнения заменили реальность мира.
Из вида преобразований Лоренца видно, что пространственные и временные координаты больше не могли рассматриваться независимо. Их объединение в единой теории - заслуга Г. Минковского (1908), разработавшего математический аппарат СТО, уже после её появления. Исходя из положения, что пространство и время - неотделимые понятия, было введено представление о четырёхмерном мире, четырёхмерном пространственно-временном континиуме, в котором время, умноженное на мнимую единицу и скорость света, входит как четвёртая координата в дополнение к известным нам в трёхмерном пространстве: x, y, z. Было провозглашено, что применение новой метрики ко всей физике является расширением и видоизменением ньютоновских законов движения на случай больших скоростей.
В работе А. Эйнштейна «Электродинамика движущихся тел» не упоминается опыт Майкельсона, считавшийся доказательством отсутствия материальной среды - эфира при движении света и Земли в пространстве, а так же нет ссылок на другие экспериментальные факты. Эйнштейн пришёл к теории относительности из эстетических соображений в попытке единообразного описания разных явлений. Её появление было результатом творчества ума, а также попыткой дать теоретическое (математическое) обоснование накопленных в физике противоречий: свет, как частица и волна, а пространство - или пустота, или физическая среда.
Дальнейшим развитием СТО стала общая теория относительности (ОТО, 1916 г.) - новая теории гравитации. Классическая теория тяготения Ньютона была построена на принципе дальнодействия, то есть мгновенного распространения тяготения (что оказалось доказанным в конце ХХ века!!!). Это противоречило СТО, по которой никакое воздействие не может распространяться быстрее, чем свет. Чтобы спасти свой постулат, Эйнштейну пришлось вводить новый: «Наш мир неевклидов. Геометрическая природа его образована массами и скоростями. Гравитационные уравнения ОТО стремятся раскрыть геометрические свойства нашего мира» [110]. «Уравнения стремятся» и поэтому было постулировано, что пространственно-временной континиум носит Риманов характер (это явное противоречие с доказательствами математики и опытом общения с Природой человечества: пространство - евклидово, трёхмерное). Это пространство не может быть представлено прямолинейными координатами и не обладает постоянной кривизной. Кривизна пространства определяется полем тяготения, а искривление пространства-времени характеризуется не только массой присутствующих тел, но и энергией всех физических полей. В ОТО было расширено понятие поля, которое объединило гравитацию и инерцию в римановом пространстве. Возникшее противоречие: «что такое масса - мера инерции или мера гравитационного притяжения?», было затушёвано объяснением об их равенстве.
Так на зыбком песке гипотез в пустом пространстве, заменённом на четырёхмерное Риманово, закрепились СТО и ОТО.