Проблемы релятивистской астрономии и ускорителей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проблемы релятивистской астрономии и ускорителей

Корнева М.В., Кулигин В.А., Кулигина Г.А.

Аннотация

Математически строго доказано, что уравнения Максвелла инвариантны относительно параметрического варианта преобразования Галилея. Это положение позволяет развить волновой вариант теории Ритца (галилеевская электродинамика), опирающийся на общее для всех инерциальных систем отсчета пространство и единое для них время. Показано, что постоянство скорости света и преобразования, сохраняющие уравнения Максвелла инвариантными имеют дело с действительным объектом и его положением в пространстве и мнимым отображением этого объекта с помощью световых лучей. Угол аберрации это угол между направлением на действительное положение объекта и направлением на видимое (мнимое) его положение. Ошибка Эйнштейна в том, что он не принял во внимание это обстоятельство. Все «искажения» относятся к мнимому объекту.

Введение

Современная релятивистская теоретическая физика оказалась в тупике не сейчас. Корни кризиса уходят в конец XIX века, когда агрессивный позитивизм буквально задавил материалистическое миропонимание. Стремление к поиску научной истины стало подменяться служению авторитетам и их точке зрения. Не останавливаясь на известных фактах истории, отметим, что СТО является интерпретацией преобразований Лоренца, предложенной Эйнштейном.

Анализ показал [1], что в своих гениальных «мысленных экспериментах» Эйнштейн допустил ошибки. Эти ошибки обусловлены слабым пониманием сущности физических процессов. Но даже если ошибки Эйнштейна исправить, этот шаг не позволяет дать непротиворечивое объяснение физическим явлениям и приводит к парадоксам, к противоречиям со «здравым смыслом», логикой и материалистическим миропониманием. Особенно отчетливо противоречия проявляются при интерпретации явлений, связанных с вращательным движением (парадокс Эренфеста и др. парадоксы).

Тем не менее, благодаря рекламности (пиару, как принято говорить сейчас) эта теория прочно заняла свое место в физике вопреки здравому смыслу и логике. Теория относительности Эйнштейна буквально извратила содержание физики от ньютоновской механики до квантовой электродинамики. Сказки о «предельном переходе» при малых скоростях движения это миф, поскольку предельный переход - явление не только формально-математическое. При переходе должно существовать и концептуально-понятийное соответствие, которого не существует.

Здесь нам следует упомянуть о соответствии СТО экспериментам. Их буквально «притягивают за уши» к СТО и ОТО. Не упомянули мы о многих предрассудках и заблуждениях, порожденных теорией относительности.

Мы проанализировали много вариантов решения этой тупиковой проблемы (баллистическая гипотеза Ритца, различные «эфирные» теории и т.д.). Наиболее интересным оказалась гипотеза о том, что электромагнитная волна в вакууме представляет собой самостоятельный вид материи и для нее должно быть свое преобразование. Что касается механики, то преобразование Галилея здесь отвечает физике явлений. Этот вариант мы назвали «Волновым вариантом гипотезы Ритца».

Попытка использовать для этой цели преобразование Лоренца (в новой интерпретации) оказалась безрезультатной. Выводы для вращательного движения не отвечали физике явлений. Преодолевая свои ошибки и господствующие предрассудки, нам удалось найти параметрическое преобразование Галилея, которое отвечало физике явлений. В данной статье приведены результаты исследований и сравнительный анализ результатов, вытекающих из параметрического преобразования и из новой интерпретации преобразования Лоренца. Вскрыты ошибки в теории относительности А. Эйнштейна.

1. Преобразование Галилея (стандартный подход)

Сначала мы рассмотрим стандартный (традиционный) подход. Пусть имеется инерциальная система отсчета K' , в которой покоится источник обильностью q(r';t'), который создает потенциал U. Пусть этот потенциал описывается волновым уравнением

(1.1)

В системе отсчета К' 4-координаты (x'; y'; z'; ct') являются независимыми друг от друга.

Рассмотрим теперь, что будет регистрировать неподвижный наблюдатель, который покоится в системе К. В его системе отсчета 4-координаты (x; y; z; ct) также являются независимыми друг от друга.

Обе системы отсчета движутся друг относительно друга со скоростью v, и их связывает традиционное преобразование Галилея

x' = x - vt ; y' = y; z' = z; ct' = ct (1.2)

Чтобы найти выражение (1.1) в системе К, запишем частные производные потенциала U.

(1.3)

Вторые частные производные ищутся аналогично. Таким образом, имеем известный результат

 (1.4)

Рис.1

Чтобы выяснить особенности описания распространения волны в новой системе отсчета, рассмотрим пример. Пусть точечный источник излучает короткие импульсы через равные интервалы времени. Если наблюдатель N покоится в системе отсчета источника S, как показано на рис. 1, он зафиксирует серию сферических фронтов, распространяющихся от источника S со скоростью света.

Если же источник S движется со скоростью v относительно наблюдателя N, то расширяющиеся со скоростью с сферы будут перемещаться относительно него со скоростью v синхронно с S. При этом источник S всегда будет являться центром этих движущихся и расширяющихся сфер, как показано на рис.2.

Вектор скорости каждой точки расширяющейся сферы будет равен векторной сумме вектора скорости света и вектора скорости относительного движения инерциальных систем отсчета. Для неподвижного наблюдателя скорость света будет зависеть от угла наблюдения и скорости относительного движения.

Рис.2

Заметим также, что вектор этой суммарной скорости не теперь будет перпендикулярен поверхности сферы. Наблюдатель будет видеть источник излучения не в точке S, а в точке S' на продолжении результирующего вектора скорости. Угол SNS' является углом аберрации.

Интересное явление возникает, когда скорость относительного движения инерциальных систем больше скорости света (v > c). Это не противоречит преобразованию Галилея. В этом случае, когда наблюдатель будет находиться в точке N' по отношению к источнику S, он будет видеть, что этот источник удаляется от него, двигаясь против оси х, т.е. в обратном направлении. При этом он будет видеть все более ранние стадии излучения источника. Происходит то же явление, что и в кинематографе, когда кинопленку «прокручивают» с конца к началу.

2. Преобразование Галилея (параметрический подход)

Вернемся к той же задаче. В соответствии с условиями задачи три независимые переменные двух инерциальных систем отсчета связаны жестким соотношением

y = y'; z = z'; ct = ct' (см. (1.2))

Учитывая единство времени в сравниваемых системах отсчета (а также единство координат y и z), мы имеем формальное право, переписать выражение (1.1) в следующем виде

и рассмотреть преобразование только переменных x и x': x' = x - vt . Переменная x' не зависит от t' = t, а переменная x, соответственно, от t. Здесь произведение vt выступает как независимый от x и x' параметр сдвига. Таким образом, мы сводим преобразование инерциальных систем отсчета к обычному преобразованию одной координаты.

Частные производные потенциала U по х теперь вычисляются достаточно просто.

(2.2)

Таким образом, выражение (1.1) в новой инерциальной системе принимает следующий окончательный вид

(2.3)

Итак, мы показали, что учет единства времени во всех инерциальных системах отсчета (параметрический подход) гарантирует инвариантность волнового уравнения (равно уравнений Максвелла в калибровке Лоренца) относительно преобразования Галилея. Этот неожиданный результат необходимо проиллюстрировать.

Пусть, как и в предыдущем случае, точечный источник излучает короткие световые импульсы через равные промежутки времени. Если наблюдатель покоится в системе отсчета, связанной с источником, то картина процесса будет подобна той, которая изображена на рис.3.

Рис. 3 Сферический фронт волны распространяется со скоростью света в обеих системах отчета (v < c). Точка 1 соответствует моменту излучения; точка 3 соответствует моменту приема излученного импульса; точка 2 является промежуточной.

Если же источник движется относительно наблюдателя, то в момент излучения в системе отсчета, связанной с наблюдателем, световой поток теперь будет распространяться со скоростью света в виде сферы, равномерно расширяющейся от точки излучения (рис.4). Заметим, что в отличие от предыдущего случая скорость света остается неизменной в любой инерциальной системе отсчета.

Картина процесса зависит от того, больше или меньше относительная скорость инерциальных систем отсчета скорости света. В отличие от предыдущего случая каждая излученная сфера будет иметь свой центр излучения. Эти центры наблюдаемых сфер неподвижны в системе отсчета наблюдателя. Поскольку источник S будет перемещаться со скоростью v, расстояние между центрами сфер будет равно vT₀ , где Т₀ - период излучения световых импульсов.

В тот момент, когда эта сфера достигнет наблюдателя, источник излучения переместится из точки излучения S' и займет новое положение S. Это известное классическое явление называется аберрацией света.

Рис. 4 Сферический фронт волны распространяется со скоростью света в обеих системах отчета (v > c). Точка 1 соответствует моменту излучения; точка 3 соответствует моменту приема излученного импульса; точка 2 является промежуточной

Легко видеть, что традиционный и параметрический варианты подходов к преобразованию Галилея описывают различные модели распространения волновых процессов.

Для сравнения приведем результат, полученный с помощью преобразования Лоренца (уравнение (1.1)) в СТО. Преобразованное уравнение имеет вид

(2.4)

Корень в знаменателе правой части показывает, что обильность источника (плотность) увеличивается из-за «сжатия масштаба» вдоль оси х. Результаты (2.3) и (2.4) по форме правой части и по 4-координатам существенно отличаются друг от друга. Однако их можно привести в соответствие и использовать для пересчета результатов преобразования Лоренца в результаты, соответствующие параметрическому преобразованию Галилея.

Теперь рассмотрим явления, соответствующие параметрическому преобразованию Галилея, детально.

3. Два способа отображений

Теория относительности А. Эйнштейна, несмотря на критику, достаточно долго удерживается «на плаву» только по утверждению, что ее «подтверждает» теория ускорителей элементарных частиц и эксперименты, проводимые на них. Вопрос этот не простой, поскольку ни одна из альтернативных гипотез на него не смогла привести достаточно убедительного контраргумента. Мы попробуем изложить свои контраргументы, опираясь на волновой вариант теории Ритца.

Но прежде необходимо дать предварительные пояснения, поскольку за 100 лет выводы из СТО уже столь основательно «вбиты» в сознание обывателя, что осмысление нового превращается в трудную работу.

1. Классическое отображение. Со школьной скамьи, решая физические задачи механики, мы привыкли к тому, что положение тела в пространстве в данный момент времени отображается объективно (без каких либо искажений). Такое отображение опирается по своей сути на «мгновенное взаимодействие» (мгновенную передачу информации). Оно никогда и ни у кого не вызывало подозрений в некорректности, хотя никто и никогда не предлагал физической модели реализации этого способа.

2. Отображение с помощью световых лучей. Иное дело - световые лучи. Они тоже способны передавать информацию. Однако эта информация в отличие от мгновенного отображения может восприниматься с искажениями. Преобразование Лоренца как раз и описывает такой способ. Заметим, что не случайно ни один «мысленный эксперимент» А. Эйнштейна не обходится без световых лучей. Сейчас наша задача будет состоять в том, чтобы проанализировать этот способ и сравнить его с классическим.

3. Однако эти способы отображения не являются взаимоисключающими. Они взаимосвязаны. Всегда можно перейти от одного способа описания к другому, от мгновенного отображения к отображению с помощью световых лучей и обратно.

Замечание 1. Особенность параметрического преобразования в том, что оно прекрасно отображает как механическое перемещение (мгновенное отображение), так и отображение волнового процесса с сохранением постоянства скорости света во всех инерциальных системах. Это обстоятельство накладывает определенные условия на интерпретацию явлений электродинамики.

Допустим, на футбольном поле футболист А пасует мяч футболисту В. Мяч летит со скоростью V. В системе отсчета «поле» мяч и футболист В встречаются в точке В*. Мяч проходит расстояние АВ*.

Рис. 5

В системе отсчета, связанной с бегущим футболистом В, мяч проходит расстояние А*В, которое отличается от АВ* (рис. 5).

Какое расстояние мяч пролетел в действительности, если его замерить в момент приема футболистом В? При мгновенном отображении этот вопрос теряет смысл. В каждой системе отсчета мяч пролетает свое расстояние.

Со светом картина иная, поскольку скорость света постоянна в любой инерциальной системе отсчета. Расстояние, пройденное светом от источника к наблюдателю, не зависит от выбора системы отсчета наблюдателя, а скорость света должна быть постоянна. По этой причине следует относиться с осторожностью к применению «механических» аналогий. Они не всегда бывают корректны.

Замечание 2. Отображение с помощью световых лучей пространственных отрезков и интервалов времени из одной инерциальной системы отсчета в другую имеют кинематический характер. Оно не связано с реальным изменением отображаемых объектов.

Сопоставляя системы отсчета наблюдателя и источника света, мы можем выделить базовую систему отсчета. Это та система отсчета, в которой световой источник неподвижен. В базовой системе отсчета отсутствует эффект Доплера, аберрация света и другие явления. Параметры, измеренные в базовой системе отсчета, являются как бы эталонами (стандартами).

Наблюдаемые изменения (искажения), возникающие при отображении, когда наблюдатель переходит из одной инерциальной системы отсчета в другую, относятся к явлениям (о явлении и сущности см. в [2]). Например, наблюдаемое сокращение движущегося отрезка или наблюдаемое изменение темпа времени есть явление, т.е. искаженное отображение неподвижного отрезка или интервала времени из базовой системы в систему отсчета движущегося наблюдателя. Заметим, что в СТО такой подход отсутствует.

Параметры, которые мы будем относить исключительно к базовой системе, мы будем помечать индексом «₀». Теперь мы можем перейти к описанию явлений, которые возникают при движении источника света относительно наблюдателя

Замечание 3. Электромагнитная волна отличается от материальных объектов. После излучения электромагнитной волны источником эта волна уже не зависит от «судьбы» породившего ее источника. Она может дифрагировать, отражаться, рассеиваться материальными телами и т.д. Казалось бы, что после излучения мы, рассматривая электромагнитную волну, можем «забыть» об источнике. Однако это не совсем так.

Когда порождается световой луч, в момент излучения в этот луч источником закладывается определенная информация, например, диаграмма направленности излучения, поляризация, амплитуда, частота, фаза и т.д. То, что будет воспринимать наблюдатель, зависит, как известно, от относительной скорости инерциальных систем источника излучения и наблюдателя. Если источник света движется в системе отсчета наблюдателя, то могут возникать искажения при регистрации наблюдателем характеристик светового сигнала, например, могут возникнуть явления аберрации света, эффект Доплера и др.

Замечание 4. Пусть, наблюдатель N движется относительно источника света S со скоростью V, как показано на рис. 6. Базовая система отсчета (x₀, y, z, t).

В момент излучения светового импульса источником S наблюдатель будет находиться в точке N*. В точке N световой импульс и наблюдатель встречаются. Из-за движения направление фронта световой волны наблюдатель будет воспринимать искаженным. Воспринимаемый наблюдателем фронт не будет перпендикулярен направлению SN. Из-за этого наблюдатель будет регистрировать положение источника в точке S* (аберрация света).

Это интересный и важный факт. Поскольку наблюдатель воспринимает фронт волны в искаженном виде (повернутым), он как бы «достраивает» объект с его характеристиками, продолжая лучи перпендикулярно фронту. Это не субъективный, а объективный факт. То же делает и измерительный прибор, связанный с наблюдателем.

Фактически наблюдатель имеет дело с двумя объектами: с действительным объектом (сущность) и с его мнимым изображением (явление). Это важное обстоятельство релятивисты обходят. Если же его принять во внимание, то вся эйнштейновская интерпретация релятивистских явлений разваливается как «карточный домик». Любые релятивистские эффекты (замедление времени, сжатие масштаба, эффект Доплера и т.д.) представляют собой явления, за которыми скрыта сущность.

Рис. 6 V - скорость движения наблюдателя относительно источника; R - расстояние, измеренное наблюдателем в момент приема сигнала; R₀ - действительное расстояние между источником и наблюдателем в момент приема сигнала наблюдателем.

Это не случайное обстоятельство. Мах тоже не понял различия между сущностью и явлением. В результате он пришел к идеалистическим выводам, которые были разгромлены Лениным в книге «Материализм и эмпириокритицизм». Эйнштейн, объявлявший себя поклонником Маха, так не смог превзойти своего кумира. Это укор тем, кто ставит себя выше материалистического миропонимания и третирует материалистическое мировоззрение (да и любую философию естествознания), кто стремится «избавить физику от любой философии» и поставить себя выше философии.

Итак, наблюдатель имеет дело с двумя объектами. Первый или реальный объект, который создает световую волну, воспринимаемую наблюдателем. В силу конечной скорости распространения и относительного движения наблюдатель его не видит (положение S). Второй (наблюдаемый) объект является мнимым изображением, построенным на продолжении лучей (положение S*). Перейдем в систему отсчета наблюдателя. Здесь мы также сталкиваемся с явлением аберрации. В этой системе свет от источника S*, идущий под углом И к оси x, будет распространяться к наблюдателю конечное время. За время этого распространения источник переместится со скоростью V в новое положение S. Таким образом, в момент приема светового сигнала источник будет находиться уже в другом месте по отношению к наблюдаемому исследователем положению. Это явление носит название аберрации света.

Рис. 7. Явления, происходящие в системе отсчета наблюдателя.

Таким образом, имеются два эквивалентных объяснения явления аберрации, но оба они опираются на существование мнимого отображения объекта.

4. Исходные соотношения для параметрического преобразования

Запишем уравнения, связывающие величины, записанные для разных инерциальных систем.

(4.1)

Это уравнение пространственной связи для двух инерциальных систем отсчета (4.1). При анализе мы будем опираться на наиболее наглядный геометрический путь, позволяющий выяснить физический смысл. Заметим, что интервалы времени, измеренные в системе отсчета наблюдателя и в базовой системе отсчета, одинаковы. То же самое относится к расстоянию, которое проходит свет за фиксированный интервал времени. Это расстояние одинаково в упомянутых системах. Наблюдаемые «изменения» параметров в системе отсчета наблюдателя по отношению к тем же параметрам в базовой системе относятся к разряду явлений.

Рассмотрим пространственное уравнение (4.1). Запишем его в развернутом виде, учитывая, что треугольники N*SN и S*SN, изображенные на рис.5 и рис. 6, одинаковы. Обратимся к рис. 7.

(4.2)

Из (3.2) вытекают следующие соотношения для углов:

(4.3)

(4.4)

(4.5)

5. Количественные выражения для явлений

1. Явление аберрации света. Классическое понимание явления аберрации следующее. За время, пока свет проходит к наблюдателю, источник успевает переместиться. В момент приема сигнала мы видим положение, которое он занимал в момент излучения. В момент приема сигнала мы не видим, где источник действительно находится. Угол между направлением на точку излучения (мнимый источник) от наблюдателя и направлением к действительному положению источника в момент приема сигнала есть угол аберрации. Угол изменения направления описывается следующим выражением

(5.1)

Из выражения (5.1) видно, что при V > c явление изменения направления наблюдаемого фронта волны наблюдается не при всех углах. Мы описали то, что происходит в системе отсчета наблюдателя.

В базовой системе отсчета свет сохраняет свои характеристики. В момент встречи наблюдателя с фронтом волны из-за относительного движения наблюдатель будет воспринимать этот фронт искаженным, т.е. он будет воспринимать измененное направление этого фронта. Ему будет казаться, что свет приходит к нему под другим углом. В силу этого он будет видеть не сам объект, а его мнимое изображение, построенное на продолжении, воспринимаемых им лучей. Сам же объект будет ему не виден. Но искажается не только фронт, но и, в силу этого, другие характеристики волны (например, изменяется ракурс наблюдаемого объекта).

2. Явление изменения ракурса движущегося источника. С явлением изменения направления наблюдаемого фронта волны прямо связано явление изменения ракурса наблюдаемого источника. В системе отсчета источника лучи к наблюдателю распространяются под углом И₀. Благодаря относительному движению наблюдатель будет воспринимать фронт волны так, как будто лучи подходят к нему под углом И (рис. 5). Из-за этого наблюдаемый объект будет казаться для него повернутым на угол аберрации, как показано на рис. 7. Это явление, поскольку мы говорим о мнимом изображении, сам же объект не меняет своей ориентации в пространстве.

Рис. 8. 1 - направление лучей в системе отсчета источника излучения; 2 - направление лучей воспринимаемых наблюдателем в своей системе отсчета.

Это явление имеет прямую связь с явлением либрации.

3. Искажение наблюдаемого расстояния. Как уже говорилось, в момент приема сигнала наблюдатель фиксирует расстояние до точки излучения R. Действительное расстояние между ним и источником в момент приема будет иным, R₀. Из уравнений (4.3) и (4.5) следует, что

(5.2)

4. Закон «преломления». Выражение (5.2) напоминает закон Снелиуса при прохождении света из одной среды в другую. Поэтому по аналогии величину отношения синусов мы назовем законом преломления и введем «показатель преломления» n_пар. Этот параметр нам будет часто встречаться в дальнейшем.

(5.3)

5. Искаженное отображение скорости света. Неизменность интервала времени гарантируется преобразованием Галилея. Если в базовой системе отсчета расстояние R₀ свет проходил за время T₀ = R₀/c, то при переходе в систему отсчета наблюдателя это время будет тем же.

Рис. 9

В силу того, что наблюдаемое расстояние R изменилось, а фактическое время осталось тем же, изменилась и наблюдаемая скорость света. Наблюдатель может заявить, что свет прошел расстояние R (S*N) за то же время. Следовательно, свет должен был бы распространяться со скоростью (рис. 6), в то время как реально наблюдатель будет измерять в своей системе скорость c. Эта «трансформация» скорости возникла из-за относительного движения, из-за искажения фронта волны в точке ее приема.

(5.4)

Заметим, что волновое число k₀ при распространении вдоль SN в системе отсчета наблюдателя не претерпевает изменений. Изменяется лишь направление вектора k₀. Уравнения (4.2) можно выразить через скорость , если разделить R и R₀ на время прохождения светом расстояния Т₀ = R₀/с.



Замечание. Во избежание недоразумений напомним, что все эффекты связаны с мнимым источником. Они возникают не в пространстве между мнимым источником и наблюдателем. Они возникают в точке приема наблюдателем светового сигнала от реального источника. Именно в этой точке происходит «трансформация» и возникают явления, обусловленные относительным движением.

6. Эффект Доплера. Суть его в следующем. Если в базовой системе отсчета источник излучает синусоидальный сигнал с частотой щ₀, то в системе отсчета наблюдателя эта частота будет восприниматься как щ. Выше мы выяснили, как воспринималась бы скорость распространения света вдоль R и модуль вектора k₀, если бы наблюдатель мог это измерить. Но волна распространяется не вдоль R, а вдоль R₀. Наблюдатель не «видит», что скорость света искажена и не равна c. Искажение скорости преобразуется и воспринимается как изменение частоты принимаемых колебаний.

Отсюда мы получим выражение для эффекта Доплера

(5.5)

В частности, при И = 90⁰ мы имеем поперечный эффект Доплера .

7. Наблюдаемая скорость движения объекта. Эффект Доплера приводит к тому, что наблюдаемая скорость перемещения объекта (рис. 6) оказывается зависящей от угла наблюдения. За время ДТ₀ источник света проходит расстояние VДТ₀. Этот промежуток времени наблюдатель измерит с искажениями из-за эффекта Доплера как ДТ. В результате, он вычислит следующее значение наблюдаемой скорости v.

(5.6)

8. Критический угол. Из выражения (4.4) следует, что существует критический угол наблюдения, при котором отсутствуют: эффект Доплера, искажение расстояния, а наблюдаемая скорость совпадает с действительной скоростью наблюдения объекта. Этот угол равен

(5.7)

Проиллюстрируем это явление для малых отношений V/2c.

Рис. 8.

При таком угле наблюдения ; R = R₀. При критическом угле угол аберрации максимален и равен

(5.8)

Интересно отметить, что при этом угле наблюдения исчезает ряд эффектов. Наблюдаемое расстояние, например, становится равным действительному расстоянию.

6. Релятивистские соотношения (новая интерпретация преобразования Лоренца)

Как и параметрическое преобразование, преобразование Лоренца описывает кинематические явления, т.е. явления, обусловленные относительным движением наблюдателя и объекта наблюдения [3]. Оно, как и параметрическое преобразование, отображает линейные отрезки и пространственные интервалы из базовой системы отсчета в систему отсчета наблюдателя. Пространственные отрезки и временные интервалы отображаются с искажениями. Исследования показали, что преобразование Лоренца является частным случаем более общего преобразования [4].

Существует два подхода к интерпретации преобразования Лоренца.

Первый подход опирается на аналогию с параметрическим преобразованием Галилея. Он опирается на классические представления о пространстве и времени. Свет рассматривается как переносчик информации, который передает информацию с искажениями. Сразу же отметим, что в этом подходе «парадокс близнецов» исчезает. Темп их жизни не зависит от выбора системы отсчета и одинаков. «Кажущееся замедление» темпа жизни движущегося близнеца есть следствие эффекта Доплера.

Второй подход опирается на постулаты Эйнштейна. Специальная теория относительности это авторская (эйнштейновская) интерпретация преобразования Лоренца. Позже мы покажем ошибки, сделанные Эйнштейном в его мысленных экспериментах. Они обусловили часть известных парадоксов СТО. В частности, многие понятия в СТО физически не доопределены. Например, существует большая путаница в вопросе об аберрации света в СТО. Классический подход, связанный с признанием действительного положения объекта и его наблюдаемого (мнимого) положения, противоречит СТО Эйнштейна, т.к. этим отрицается многомерный пространственно-временной формализм. Сейчас мы не будем «ковыряться» в этих противоречиях.

Мы начнем обсуждение явлений, вытекающих из преобразования Лоренца, опираясь на аналогию с параметрическим преобразованием. Повторим, что при этой интерпретации пространство является общим для всех инерциальных систем, а время - единым. Ниже мы приведем результаты исследований, снабдив их краткими комментариями.

1. Наблюдаемая скорость движения объекта. Пусть источник излучения покоится в базовой системе отсчета К₀, а наблюдатель в движущейся системе К. В работе [5] дан вывод выражения для наблюдаемой скорости движения источника (мнимое отображение) в К. Эта скорость зависит от угла наблюдения И. Скорость v₀ это скорость, входящая в преобразование Лоренца в качестве относительной скорости инерциальных систем отсчета.

(6.1)

Наблюдаемая скорость движения объекта может превышать скорость света в вакууме.

Полученный результат имеет интересные следствия. Когда мнимый источник света виден наблюдателю под углом И = 90^о, мы имеем v_набл = v₀. Здесь наблюдаемая скорость совпадает с той скоростью, которая входит в преобразование Лоренца. Но это не означает, что скорость v₀ является действительной скоростью относительного движения. Она искажена эффектом Доплера.

2. Критический угол наблюдения. Как и при параметрическом преобразовании здесь существует критический угол наблюдения, при котором отсутствует эффект Доплера. Этот угол равен

(6.2)

Интересно отметить следующее.

Во-первых, что при критическом угле наблюдения отсутствуют искажения при отображении интервалов времени и длин отрезков (нет явлений «замедления» времени и «сжатия» масштаба Дx = Дx₀; Дy = Дy₀; Дz = Дz₀; Дt = Дt₀). Это говорит о том, что для всех инерциальных систем отсчета пространство является общим, а время в них едино. Тем самым исчезает «парадокс близнецов» и ряд других.

Во вторых, существование критического угла позволяет всегда осуществлять «синхронизацию часов» двух инерциальных систем (одна из проблем СТО), посылая сигналы под этим углом.

В третьих, можно найти действительную скорость относительного движения инерциальных систем отсчета. Для этого обратимся к рис. 9, где приведен график наблюдаемой скорости.

Рис. 9

Действительная скорость относительного движения инерциальных систем наблюдается при критическом угле наблюдения. Она не зависит от угла наблюдения в отличие от наблюдаемой скорости, постоянна и равна

(6.3)

Выражая в преобразовании Лоренца v₀ через V, можно записать модифицированное преобразование, которое имеет вид

(6.4)

Скорость V, входящая в преобразование, это скорость относительного движения двух объектов: наблюдателя и объекта наблюдения. Она вычисляется по классическому правилу сложения скоростей (правило параллелограмма). По этой причине нет необходимости в применении формулы сложения скоростей Эйнштейна и в использовании групповых свойств преобразования Лоренца (нет необходимости в последовательном использовании этого преобразования при переходе из одной системы отсчета в другую).

Итак, наблюдаемая скорость и критический угол, выраженые через скорость V, имеют вид:

Иллюстрация. Введение действительной скорости относительного движения позволяет дать новую интерпретацию релятивистским явлениям, например, «увеличению времени жизни» мезонов, как бы «подтверждающему СТО». Расстояние, проходимое мезонами, равно

Мы можем эту формулу интерпретировать иначе. Время жизни мезонов не зависит от выбора инерциальной системы отсчета, а их действительная скорость относительного движения не зависит от угла наблюдения и может превышать скорость света.

3. Закон «преломления». Как и для параметрического преобразования, мы можем ввести показатель «преломления» [5]

3. Эффект Доплера. Выражение для эффекта Доплера (ср. с (5.3))

(6.5)

4. Искажение наблюдаемого расстояния. Как и при параметрическом преобразовании расстояние R₀ это расстояние между наблюдателем и положением источника света в момент приема, а R - расстояние от наблюдаемой точки излучения до наблюдателя (ср. с (4.2)).

(6.6)

5. Аберрация света. Как и при параметрическом преобразовании, угол изменения направления фронта волны, совпадающий при постоянной скорости с углом аберрации, определим как угол, связанный с изменением направления фронта волны воспринимаемого движущимся наблюдателем по отношению к направлению фронта волны в базовой системе отсчета.

(6.7)

Для сопоставления результатов двух подходов мы сведем некоторые из них их в таблицу. Заметим, что интерпретация преобразований Лоренца опирается на классические представления о пространстве и времени. Пространство оказывается общим для всех инерциальных систем отсчета, а время единым для них.

Как мы видим, физическая интерпретация формул (концептуальное содержание) параметрического преобразования Галилея и новой интерпретации преобразования Лоренца не отличаются. В этом смысле оба подхода равнозначны. В количественном отношении расхождение в результатах согласно Таблице 1 наблюдается только при учете членов V²/c². Это в значительной мере осложняет экспериментальную проверку и выбор соответствующего варианта. Есть надежда, что соотношения могут быть проверены на ускорителях элементарных частиц. Об этом мы поговорим позже.

Теперь необходимо обратиться к «мысленным экспериментам» А. Эйнштейна.

Таблица 1

Явления	Параметрическое преобразование Галилея	Новая интерпретация преобразования Лоренца
Закон «преломления»
Искажение наблюдаемого расстояния	R = R0/nпар	R = R0/nлор
Наблюдаемая скорость движения	v = V/nпар	v = V/nлор
Наблюдаемое время распространения	T = T0/ nпар	T = T0/ nлор
Эффект Доплера	щ = щ0/ nпар	щ = щ0/ nлор
Критический угол

7. Ошибка Эйнштейна

Вновь мы начнем с предварительного замечания. Анализ теории относительности А. Эйнштейна невозможен без анализа электродинамики. Исследуя проблемы электродинамики, мы получили результаты, которые до сих пор не нашли отражения в научной литературе.

Рис. 10

Оказалось, что электромагнитные поля волны и поля зарядов не только обладают различными свойствами. Это различные виды материи. Поэтому переход от волновых полей к квазистатическим полям принципиально невозможен. Это доказано, исходя из энергетических соотношений [6].

При ускоренном движении заряды (в общем случае) не могут излучать электромагнитных волн. Они могут переизлучать волны только при взаимодействии с электромагнитной волной [7]. Действительно, волна может воздействовать на заряд и менять его кинетическую энергию. При этом сама волна меняется, поскольку реакцией заряда на это воздействие является рассеяние этой волны зарядом. На фоне невозмущенной волны появляется переизлученная волна, которая распространяется от заряда (диссипативный процесс).

С этой точки зрения заряд или материальное тело становится источником вторичного излучения. Для отраженной и преломленной волн независимо от движения первичного источника среда (или отражающее тело), в которой покоится источник вторичного излучения, становится базовой системой отсчета. Происходит как бы «захват» отраженной или преломленной волн средой в свою систему отсчета. Этот важный факт остался вне поля зрения физиков. Если падающий луч перемещается по поверхности, то вместе с областью, освещенной лучом (вторичные источники), перемещается базовая система отсчета. Такой подход необходим для правильного вычисления и объяснения опытов Физо, Майкельсона и других. Но на них мы не будем останавливаться.

«Gedanken Experimts». Теперь мы можем проанализировать второй мысленный эксперимент А. Эйнштейна. Обратимся к [8], где дано краткое описание этого эксперимента. Цитируем [8].

«Второй опыт. Сравнение хода часов. При сравнении хода часов, связанных с системами отсчета, движущихся друг относительно друга, необходимо помнить, что нельзя одни часы в системе сравнить с одними часами в системе так как часы пространственно совпадают друг с другом лишь в один момент времени. … Пусть в той точке, где расположены часы в системе , находится источник света (рис. 11).

Световой сигнал, испущенный перпендикулярно к v, отразится зеркалом … и вернется обратно. Для наблюдателя в время, необходимое для этого равно



рис. 11

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

(15.4)

Рисунок 11 из работы [8].

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

Комментарий. Этот мысленный эксперимент можно проводить не только с зеркалом, но и с любым материальным телом, способным отражать электромагнитные волны (свет). Этим обстоятельством мы и воспользуемся.

Рассмотрим процесс в системе отсчета неподвижного наблюдателя и разобьем его на две стадии:

распространение света от наблюдателя к движущемуся телу и

распространение отраженного сигнала обратно к наблюдателю.

Рассмотрим процесс в системе отсчета, связанной с наблюдателем.

Первая стадия. В момент t₁, когда движущееся тело проходит точку 1, наблюдатель посылает световой сигнал в точку 2. В момент времени t₂ сигнал встречается в точке 2 с телом. Поскольку источник света покоится в базовой системе отсчета, световой луч пройдет расстояние R₀₁ без искажений для наблюдателя.

Вторая стадия. В момент времени t₂ световой луч отразится от тела. Наблюдателю, принимающему сигнал в момент времени t₃, будет казаться, что свет прошел расстояние R₂. Однако в момент приема тело будет в точке 3. Таким образом, действительное расстояние между наблюдателем и телом в момент приема будет R₀₂.

Итак, расстояние, пройденное световым сигналом, будет равно сумме расстояний R₀₁ и R₀₂. Время, затраченное на «путешествие» сигнала T = (R₀₁ + R₀₂)/c.

Рис. 12.

Теперь рассмотрим этот же процесс в системе отсчета, связанной с телом.

Первая стадия. Мы обращаем внимание на то, что наблюдатель относительно тела будет двигаться в обратную сторону. Итак, в момент времени t₁ в точке 1 движущийся наблюдатель запускает световой импульс. Для наблюдателя, покоящегося на неподвижном теле и принявшем в момент t₂ световой сигнал, будет казаться, что световой импульс прошел расстояние R₁. На самом деле в момент приема действительное расстояние, которое прошел свет, будет равно R₀₁.

Вторая стадия. Далее сигнал отражается от тела и движется к точке встречи 3, где он возвращается в момент t₃ к движущемуся наблюдателю. Поскольку свет распространяется в базовой системе отсчета, он проходит действительное расстояние R₀₂.

Таким образом, как и в системе отсчета, связанной с наблюдателем, в системе отсчета тела свет проходит расстояние, равное R₀₁ + R₀₂, затрачивая на это время T = (R₀₁ + R₀₂)/c.

Рис. 13.

Как мы видим, эти времена одинаковы, и нет никакого замедления времени в одной системе отсчета по отношению к другой. Эйнштейн не принял во внимание, что наблюдаемое расстояние соответствует действительному только, если наблюдатель покоится в базовой системе отсчета.

Следующий «мысленный эксперимент» по доказательству «сокращения масштаба» мы рассматривать не будем, т.к. в его описании используется ошибочное положение А. Эйнштейна («замедление времени»). Никакого «сокращения» в действительности не существует.

8. Локация Венеры

Существует ряд экспериментов, результаты которых противоречат выводам СТО А. Эйнштейна. Одним из них являются результаты по радиолокации Венеры. Прежде, чем переходить к описанию эксперимента, рассмотрим четыре модели определения расстояния радиолокационным способом.

Допустим, что мимо нас со скоростью V движется объект, расстояние до которого нам необходимо определить методом радиолокационных измерений. Для этой цели мы посылаем электромагнитный импульс к этому объекту и принимаем отраженный сигнал. Измеряя время распространения сигнала до объекта и обратно, и зная скорость света, мы сможем определить расстояние до объекта. Мы будем считать, что от РЛС сигнал распространяется со скоростью света без искажений, а отраженный сигнал искажается. Здесь возможны четыре различных варианта исчисления времени возвращения сигнала:

1) При распространении к РЛС скорость света и скорость движения объекта складываются по закону параллелограмма (c-v теория [9]).

2) Релятивистский вариант (специальная теория относительности). Время распространения сигнала от РЛС к объекту равно времени возвращения отраженного сигнала к РЛС.

3) Вариант, в котором ошибка Эйнштейна исправлена (см. предыдущий параграф).

4) Использование параметрического преобразования Галилея.

Не приводя простых расчетов, поместим формулы для этих четырех случаев в Таблицу 2.

Таблица 2

	Точная формула	Приближенное выражение
R0 - расстояние до Венеры в момент приема отраженного сигнала.
Первый вариант (c + v) [9]
Второй вариант (СТО А. Эйнштейна)	.	.
Третий вариант (новая интерпретация пр. Лоренца)
Четвертый вариант (параметрическое. преобразование)

Теперь мы можем обсудить результаты локации Венеры, приведенные в [9], [10]. Поскольку детальное описание приведено в указанной литературе, мы приведем цитаты, характеризующие эти измерения [10]:

«… Радиолокация Венеры в 1961 г. впервые дала возможность преодолеть технический барьер и выполнить решающий эксперимент по проверке относительной скорости света в пространстве. Предполагалось, что радар даст погрешность 1,5 км, и при этом из-за вращения Земли в вычисленных расстояниях могла возникнуть разность до 260 км в зависимости от того, какую принять из двух моделей для распространения волн. Венера наблюдалась в нижнем соединении.

В [9] на рис. 4 значения большой полуоси орбиты Земли - астрономические единицы (а.е.), полученные по ньюкомбовским орбитам Земли и Венеры и вычисленные по лазерным наблюдениям в Мильстоуне с использованием эйнштейновской модели (с - модели) для распространения света; при этом были обнаружены чрезмерно большие вариации в значении а.е., превосходящие иногда 2000 км….»

«…Естественно, астрономическая единица имеет единственное значение, вариации же наблюдаемой величины превышали максимальное значение всех возможных ошибок. Вариации а.е. содержали суточную компоненту, пропорциональную скорости вращения Земли, тридцатидневную компоненту , пропорциональную скорости движения системы Земля - Луна и синодическую компоненту, пропорциональную относительным скоростям. Я провел анализ восьми радарных наблюдений Венеры, опубликованных в 1961 г. , используя две модели: с и с + v. Результаты были опубликованы в 1969 г. В статье

«Радарная проверка относительной скорости света в пространстве». На рис. 1 в представлен график разностей между средними гелиоцентрическими радиус-векторами Венеры (вычисления велись по таблицам Ньюкомба) и 1) Ньюкомбовскими возмущенными радиусами - эта разность обозначена через N , и 2) радиусами, найденными по радарным измерениям расстояний для эйнштейновской с - модели (Е) и 3) ими же для галилеево-ньютоновской c + v - модели (G). Все разности выражены в миллионных долях а.е.

Так полный анализ с - модели по всем данным радиолокации дал значение планетных масс почти такие же, как у Ньюкомба, и при этом в Мильстоуне использовалась эйнштейновская с - модель, то кривая Е должна совпадать с N с точностью до максимально возможных ошибок в наблюдениях. Однако проанализированные мною наблюдения свидетельствуют против с - модели Эйнштейна, поскольку разности N - E значительно превосходят ошибку.

Точки на кривой G представляют значения, полученные по эфемеридам, которые я вычислил по методу Коуэлла для численного интегрирования уравнений движения. Хорошее согласие между эфемероидными точками и кривой G неопровержимо свидетельствует в пользу с + v - модели, т.е. подтверждает ньютоновскую модель движения света в пространстве…»

Акад. Л.Д. Ландау любил повторять: «Высшим судьей научной теории является эксперимент!». Вариации более 2000 км. при погрешности ± 1,5 км - это не «ошибка измерений», а промах теории! Судья вынес приговор, но релятивисты не спешат его выполнять, т.е. признать эйнштейновскую теорию некорректной. Это в их духе. Есть другие эксперименты, не согласующиеся со СТО, но мы их рассматривать не будем. Сошлемся лишь на остроумную статью [11].



рис. 14

Рисунок 1в из работы [9]

Итак, результаты экспериментов по локации Венеры опровергают предсказания специальной теории относительности. Но они не противоречат ни первому, ни третьему, ни четвертому вариантам. Интересно отметить, что 1, 3, и 4 варианты совпадают друг с другом с точностью до квадратичных членов отношения V/c.

9. СТО и ускорители

Считается, что работа циклических ускорителей элементарных частиц служит твердым экспериментальным подтверждением специальной теории относительности. А так ли это? Это легко проверить, поскольку полученные выше выводы имеют непосредственное отношение к теории циклических ускорителей.

Пусть заряженная частица летит прямолинейно с постоянной относительной скоростью мимо наблюдателя. Ее движение можно описать двумя способами, используя либо лоренцевскую скорость v₀ (явление, т.е. скорость мнимого изображения, входящая в преобразование Лоренца), либо действительную скорость V (сущность). Эти скорости, как мы уже знаем, различны.

По существу использование той или иной скорости связано с тем, что мы хотим описать: движение действительного источника или же движение его мнимого отображения. Теория относительности А. Эйнштейна сосредоточена на описании мнимого изображения, считая его действительным материальным объектом. Посмотрим, какие результаты вытекают из ее положений.

Пусть заряженная частица влетает в однородное магнитное поле перпендикулярно его силовым линиям. Она будет двигаться по окружности постоянного радиуса. Здесь возникает интересная ситуация.

Мы не будем воспроизводить критические замечания А.В. Мамаева [12], которые касаются работы этих ускорителей. Мы по разному относимся к решению релятивистских проблем, но его замечания мы считаем квалифицированными.

Изложим суть проблемы. Предположим, что заряженная частица влетает в однородное магнитное поле перпендикулярно силовым линиям этого поля. Согласно законам электродинамики частица будет двигаться в этом поле по окружности. Чтобы ее ускорить, необходимо подать переменное электрическое поле с частотой, равной частоте вращения частицы по окружности.

Вот здесь и возникает проблема. Скорость частицы согласно СТО не может превышать скорость света в вакууме (постулат Эйнштейна). Какова бы ни была скорость релятивистского заряда, она не может превышать скорость света. Так, частицы могут иметь скорость v₀ = 0,99 c; v₀ = 0,999 c или v₀ = 0,9999 c и т.д. По этой причине угловая скорость вращения частиц при таких скоростях должна быть практически одна и та же. На самом деле это не так!

Мамаев следующим образом оценивает характеристики армянского ускорителя (синхротрон АРУС) и объяснение его работы. Цитируем [12]:

«… Интересующие нас технические характеристики электронного синхротрона АРУС имеют следующие значения. (Быстров Ю. А., Иванов С. А. Ускорительная техника и рентгеновские приборы. - М.: Высшая школа, 1983. - с. 159 - - 162):

· - длина орбиты 2R = 216,7 м;

· - энергия инжекции электронов W = 50 МэВ;

· - частота ускоряющего поля f = 132,8 МГц;

· - кратность ускорения g = 96;

· - энергия покоя электрона E₀ = 0,511 МэВ.

Согласно формуле, вытекающей из специальной теории относительности, частота обращения электронных сгустков по орбите ускорителя АРУС в момент инжекции электронов при кинетической энергии электронов W = 48,55 МэВ будет равна

(А)

Но период 7,53 нс обращения электронных сгустков по орбите длиной 216,7 м означал бы, что электроны движутся со скоростью, в 96 раз большей скорости света c₀ (т.е. реальная частота ускоряющего поля в ускорителе равна 132,8 МГц - прим наше). Согласно же специальной теории относительности сверхсветовые скорости электронов невозможны.

Поэтому для того, чтобы объяснить экспериментальное значение периода облучения мишени 7,53 нс в рамках специальной теории относительности, потребовалось ввести понятие "кратность ускорения" и объявить, что "под действием ускоряющего поля частицы инжектированного пучка распадаются на сгустки, группирующиеся вокруг устойчивых равновесных фаз. Число таких сгустков, располагающихся по окружности ускорителя, равно кратности ускорения g". (Бурштейн Э. Л. Ускорители заряженных частиц // Большая советская энциклопедия, 3-е изд., т. 27. - М.: Советская энциклопедия, 1977. - с. 108).

И действительно, разделив величину из выражения (11.11) на величину из выражения (11.12), получим g = 96 - кратность ускорения электронного синхротрона АРУС. А, разделив величину из выражения (11.6) на величину из выражения (11.7), получим, что кратность ускорения протонного синхротрона ЦЕРН в эксперименте равна 19. (Test of the second postulate of special relativity in the GeV region / Alvager T., Farley F., Kjellman J., Wallin J. // Physical Letters. - 1964. - v. 12. -No. 3. - p. 260 -262)

Таким образом, экспериментальные значения частоты обращения сгустков элементарных частиц в рассмотренных двух ускорителях подтверждают не формулу из специальной теории относительности…

... Для объяснения же экспериментальных значений частоты обращения сгустков элементарных частиц в рамках специальной теории относительности и согласования этих значений с формулой (А) используется специальная гипотеза, основанная на введении ad hoc понятия "кратность ускорения"».

В некоторых учебниках по теории ускорителей элементарных частиц гипотеза названа «остроумной». Сторонники СТО так и не смогли понять причину этого явления. Вот и пришлось теоретикам выдумывать и вводить гипотезу ad hoc о существовании кратности ускорения - g. На самом деле никакого «распада на сгустки, группирующиеся вокруг устойчивых равновесных фаз» в синхротроне не существует. Это фантазия, домысел.

Действительно, для этого достаточно рассмотреть одиночный электрон, влетающий в ускоритель. Он тоже «разбивается на сгустки, группирующиеся вокруг устойчивых равновесных фаз»? Согласуется ли этот вывод с классической или квантовой электродинамикой? Конечно, нет.

Ранее было установлено, что действительная скорость частиц V больше наблюдаемой скорости их мнимого отображения v₀, входящей в преобразование Лоренца. Она равна . Именно с такой линейной скоростью (вопреки запретам СТО) движутся по окружности заряженные частицы в рассмотренном выше ускорителе. Для оценки подсчитаем эту скорость. Пусть скорость мнимого изображения заряда равна v₀ = 0,99995c. Тогда величина действительной скорости заряженной частицы будет равна V = 100c. Вот откуда «растут ноги» у «остроумной гипотезы» о кратности ускорения g.

...