Разделы: Физика
Размещена 12.01.2017. Последняя правка: 08.02.2023.
Просмотров - 2263

Альтернативный взгляд на постулаты специальной теории относительности

Стёпочкин Евгений Анатольевич

ФГУП "Росморпорт"

Ведущий специалист

УДК 530.12

Введение

Специальная теория относительности насчитывает уже больше сотни лет. Однако, до сих пор существуют парадоксы, препятствующие логическому восприятию имеющихся на сегодня выводов СТО. Наиболее нелогичный из них – парадокс близнецов.

О парадоксе близнецов

Возьмем три попавшиеся под руку ссылки на «Парадокс близнецов» специальной теории относительности. Объяснение  Википедии [1]: « …Для системы S', чем дальше по ходу движения путешественника находятся части системы S, тем в более отдалённом «будущем» (с точки зрения «настоящего» системы S' они находятся».

Объяснение Энциклопедии Кругосвет [2]: «Дело в том, что мировые линии братьев А и Б различны. Один из них (Б)  находится в покое, другой (А) совершает движение с постоянной скоростью, которая в определенный момент изменяется на обратную, что возможно только при торможении и последующем ускорении космического корабля (что соответствует движению в неинерциальной системе отсчета)... В то же время брат Б покоится относительно одной и той же инерциальной системы. Видно, что А и Б находятся в разных физических условиях, и это разрешает парадокс». 

Объяснение доктора физико-математических наук Эмиля Ахмедова [3]: «Объяснение доктора физико-математических наук Эмиля Ахмедова [3]: «Ясно, что среди всех возможных кривых в пространстве и времени прямая является экстремальной, то есть она имеет экстремальную длину... Прямая имеет самую большую длину. Поэтому тот, который двигался инерциально, оставался на Земле, измерит больший промежуток времени, чем тот, который летал на альфу Центавра и вернулся, поэтому он будет старше».

Три разных объяснения одного парадокса, и все три довольно противоречивы и запутаны.  «Чем дальше по ходу движения … находятся части системы S, тем в более отдалённом «будущем» больше походит на дальнейшее нагромождение слов и чрезмерное усложнение объяснения.  «Точный расчет показывает, что с точки зрения любого из братьев постареет больше тот, который неподвижен относительно Земли» - явное нарушение постулата СТО о том, что все инерциальные системы равноправны с полным отсутствием «точного расчета». «Прямая имеет наидлиннейшую длину»…. Возможно, в умозрительных пространствах так оно и есть. Но в реальности такой постулат как-то не очень объясняет.

Рассмотрим «парадокс близнецов» немного иначе и сошлемся на эксперимент Хафеле — Китинга [4]. Вполне возможно, подвижные часы имели измененные показания относительно неподвижных после возвращения самолета. В результатах эксперимента отсутствует одна деталь – следовало иметь два протокола измерения результатов: один от сопровождавших часы в самолете и один – от наблюдателей на земле. Согласно выводам СТО показания часов для сопровождавших не должны были меняться. То есть, мы имеем разовый эксперимент, показавший изменение хода часов во время полета. Но представленные результаты никак не могут быть применены для объяснения СТО поскольку нет однозначного указания каким наблюдателем они составлены. Исходя из эффекта замедления времени движущегося объекта для неподвижного наблюдателя, оставшийся на Земле старый близнец  должен увидеть молодого брата. Последний, в свою очередь, постаревший (для него время не менялось), должен увидеть молодого оставшегося. Другими словами, движение объектов друг относительно друга создает для каждого субъективную реальность. Тогда в “пространственно-временном континууме” получаем две точки встречи близнецов: для путешественника – ближе к старту, когда его  брат еще молодой, но сам успел состариться, для домоседа – дальше от старта, когда он сам состарился, а путешественник остался молодым. Причем, на одной и той же временной линии эти точки не соприкасаются: участники дальней встречи не помнят о ранней встрече. То есть, в момент старта ракеты “континуум” раздваивается.

Другой эксперимент [5], подтверждающий эффект замедления времени  в физике высоких энергий, показывает увеличение времени жизни мюонов в кольцевом ускорителе в CERN. С разгоном частиц до субсветовых скоростей время их жизни увеличивается в десятки раз. Но если это увеличение обусловлено лишь эффектом СТО, то можно предположить, что для наблюдателя, движущегося вместе с частицей, время ее существования закончится до момента столкновения с мишенью. Либо, чтобы удовлетворить обоих наблюдателей, опять же следует разделить “континуум” на два, принадлежащих разным наблюдателям.

Можно пойти дальше и предположить, что один и тот же объект одновременно находится в разных “континуумах” по отношению к другим объектам. Но поскольку отношение двух объектов является всего лишь субъективным умозаключением наблюдателя, то и наличие “континуума” не что иное, как субъективное мироощущение этого наблюдателя.

Следует также учесть тот факт, что время не является реально существующей физической категорией. Время лишь позволяет оценить изменчивость того или иного реально существующего процесса. Поэтому рассматривать замедление абстрактной величины можно лишь умозрительно, без какой-то физической интерпретации.

Относительно постоянной скорости света

А теперь вернемся к истокам, то есть к двум постулатам СТО - (i) любое физическое явление протекает одинаково во всех инерциальных системах отсчёта, (ii) скорость света в инерциальной системе отсчёта не зависит от скорости источника – и постараемся интерпретировать их несколько иначе. Скорость света постоянна и не зависит от скорости источника. Другими словами, волна появляется отдельно от источника и не принадлежит его системе отсчета. В таком случае некорректно рассматривать свет, распространяющийся внутри движущегося объекта, как принадлежащий системе отсчета  этого объекта. В момент излучения свет существует в своей собственной инерциальной системе отсчета, которая перемещается со скоростью света. При этом нельзя говорить о нарушении первого постулата, поскольку явление распространения света не может принадлежать другим системам отсчета кроме своей собственной. Тогда относительная скорость света и его восприятие наблюдателем определяются векторной разницей скоростей света и наблюдателя.

До наблюдателя впереди источника света по ходу объекта свет будет доходить с задержкой, определяемой разницей скоростей света и объекта (наблюдателя):

t=S/(c-v), (1)

где:

t – время распространения света,

S – Расстояние от источника до наблюдателя,

с – скорость света,

v – скорость объекта (наблюдателя).

При равенстве скоростей наблюдателя и свет, источник последнего для наблюдателя станет невидимым.

Наоборот, время распространения света  до наблюдателя позади источника будет стремиться к нулю с увеличением скорости объекта (наблюдателя):

t=S/(c+v), (2)

В общем случае время распространения света от источника до наблюдателя зависит от расположения наблюдателя относительно источника:

t=S/√(v² + c² - 2vcCosα), (3)

где:

 α – угол между направлением движения объекта и направлением на наблюдателя от источника света,

Поскольку относительная скорость наблюдателя и источника света равна нулю, то цветовое восприятие света наблюдателем не изменится.

Следовательно, уже сейчас можем дать практические рекомендации проектировщикам сверхсветовых кораблей будущего: светильники в помещениях следует располагать впереди по ходу корабля ;)

Для неподвижного корабля относительная скорость света с_r будет одинакова во всех направлениях и равна с, рис. 1:

 

Рис.1 – Диаграмма относительной скорости света для неподвижного наблюдателя.

При увеличении скорости корабля (0,8с) относительная скорость света  меняется в зависимости от направления движения корабля и расположения наблюдателя относительно источника света: минимальная по ходу движения корабля и максимальная в обратном направлении, рис. 2:

 

Рис.2 – Диаграмма относительной скорости света при субсветовой скорости наблюдателя.

При скорости корабля, равной световой, свет распространяется только в задней полусфере, рис. 3:

 

Рис.3 – Диаграмма относительной скорости света при скорости наблюдателя, равной скорости света.

При сверхсветовых скоростях сектор видимости сета определяется двойным арккосинусом отношения с к v, рис. 4:

 

Рис.4 – Диаграмма относительной скорости света при сверхсветовой скорости наблюдателя.

Выводы

Таким образом, достаточно лишь правильно интерпретировать два постулата СТО, чтобы избавиться от порожденных ею парадоксов. Нет никакого замедления времени  для наблюдаемых объектов с субсветовыми скоростями. Свет существует и распространяется в собственной системе отсчета независимо от источника. Восприятие наблюдателя  любой инерциальной системы отсчета определяется лишь относительным движением окружающих объектов.

Поскольку свет всегда имеет собственную систему отсчета, постулат о постоянстве его скорости никак не ограничивает возможности сверхсветовых скоростей для материальных объектов.

1. Парадокс близнецов. [Википедия]. - URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%B4%D0%BE%D0%BA%D1%81_%D0%B1%D0%BB%D0%B8%D0%B7%D0%BD%D0%B5%D1%86%D0%BE%D0%B2 (дата обращения: 07.01.2017)
2. Парадоксы специальной теории относительности. [Энциклопедия Кругосвет: Универсальная научно-популярная онлайн-энциклопедия]. - URL: http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/PARADOKSI_SPETSIALNO_TEORII_OTNOSITELNOSTI.html (дата обращения: 07.01.2017)
3. Эмиль Ахмедов. Парадокс близнецов. [Проект о современной фундаментальной науке]. - URL: https://postnauka.ru/video/52548 (дата обращения: 07.01.2017)
4. Эксперимент Хафеле — Китинга. [Википедия]. - URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82 _%D0%A5%D0%B0%D1%84%D0%B5%D0%BB%D0%B5 _%E2%80%94 _%D0%9A%D0%B8%D1%82%D0%B8%D0%BD%D0%B3%D0%B0 (дата обращения: 07.01.2017)
5. Специальная теория относительности. Релятивистское замедление времени. [Википедия]. - URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BF%D0%B5%D1%86%D0%B8%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B0%D1%8F _%D1%82%D0%B5%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%8F _%D0%BE%D1%82%D0%BD%D0%BE%D1%81%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8 (дата обращения: 07.01.2017)

Рецензии:

13.01.2017, 16:07 Мирмович-Тихомиров Эдуард Григорьевич
Рецензия: Надо говорить о среде распространения, а не о системе отсчёта, постулирование которой не имеет отношения к реальности. На эту тему столько написано и опубликовано, что рецензент не разбираясь в её тавтологиях отдаёт на откуп другим рецензентам эту статью, а сам не возражает против её публикации здесь. Автору только хочется напомнить, что мир неэвклидов, теорема Пифагора в нём не выполнима, любые суммы квадратов при рассмотрении любых опытов - это опасные заблуждения. Оттуда тоже много бед в интерпретациях.

25.01.2017, 10:13 Полищук Игорь Николаевич
Рецензия: Посмотрел только выводы и этого оказалось достаточно для отказа в публикации. Автору следует ещё почитать литературу по теории относительности и более внимательно. Каким образом к свету автор привязал систему отсчета? Что в этом случае является светом? По мнению автора является ли фотон светом? Как свет может распространяться в собственной системе отсчета, когда она к нему и привязана, в этом и состоит смысл собственности. Рецензент против публикации этой статьи.



Комментарии пользователей:

3.03.2017, 21:37 Ивлев Виктор Иванович Отзыв: Система отсчета: совокупность тела отсчета, системы координат и прибора для измерения времени. Механическое движение - изменение положения объекта (тела) относительно других объектов. Поэтому для рассмотрения движения необходимо как минимум два объекта - движущийся объект и тело отсчета. Если понимать под собственной системой отсчета систему, в которой за тело отсчета принимается рассматриваемый объект, то в ней объект будет всегда неподвижен - он же не может изменять свое положение относительно самого себя. Поэтому понятие "собственная система отсчета" не имеет смысла. Понятие "собственное время" в СТО - это время, измеренное в системе отсчета, в которой объект неподвижен, а подвижен он или нет, определяется только по отношению к другому объекту - телу отсчета.

20.04.2017, 9:53 Стёпочкин Евгений Анатольевич Отзыв: Поскольку в СТО свет имеет постоянную скорость для всех систем отсчета, то вполне подходит на роль тела отсчета. То есть, следует рассматривать обоих наблюдателей, как объекты, движущиеся относительно света, точнее, в системе отсчета неподвижного либо движущегося с постоянной скоростью света. Таким образом, свет имеет постоянную скорость для всех остальных включенных объектов и систем отсчета, но его восприятие этими объектами будет зависеть от их перемещения исключительно относительно системы отсчета света. Изменение восприятия окружающей среды на субсветовых скоростях вполне компенсирует искусственно введенный эффект замедления времени. Человек в принципе воспринимает и измеряет окружающий мир используя электромагнитные излучения: свет, радио. Изменение отношений человека и света изменит и его восприятие и изучение окружения. Особенно, если свет перестанет поспевать за человеком на сверхсветовых скоростях.

Оставить комментарий