Аберрация света и парадокс Эренфеста

1. Любые процессы и явления должны подчиняться единому преобразованию, сохраняющему форму уравнений Максвелла неизменной. К таким теориям относится теория относительности Эйнштейна. Есть теории, в которых использовалось видоизмененное преобразование Лоренца для того, чтобы попытаться обойти противоречия («парадоксы»), присущие эйнштейновской теории.

2. Волновой вариант теории Ритца. В нем, в отличие от баллистической гипотезы Ритца, электромагнитная волна рассматривается как самостоятельный вид материи. Ее параметры и характеристики подчиняются модифицированному преобразованию Лоренца. Для материальных тел используется преобразование Галилея. Пространство является однородным, изотропным (евклидовым), а время единым для всех инерциальных систем отсчета.

3. Любые процессы и явления должны подчиняться только преобразованию Галилея. При этом пространство является однородным, изотропным (евклидовым), а время единым для всех инерциальных систем отсчета. К такому типу относится баллистическая гипотеза Ритца, и многочисленные гипотезы, опирающиеся на эфир, как на среду распространения электромагнитных волн.

1. Эйнштейновская теория относительности.

До появления уравнений Максвелла (1864 г.) законы механики и электродинамики (законы Ньютона, Кулона, Ампера и др.) удовлетворяли принципу относительности Галилея:

«Механический эксперимент дает одинаковые результаты в неподвижной лаборатории (системе отсчета) и в любой лаборатории, которая движется равномерно и прямолинейно относительно первой».

Иными словами, законы природы и уравнения, описывающие их, не должны меняться при преобразованиях Галилея:

x' = x - Vt; y' = y; z' = z; t' = t

где V - относительная скорость движения двух инерциальных систем отсчета (лабораторий), направленная вдоль оси x, т.е. галилеевская скорость относительного движения.

Уравнения Максвелла " нарушили" этот фундаментальный принцип. Форма уравнений Максвелла уже не сохранялась при преобразованиях Галилея.

Попытки сохранить преобразование Галилея для электродинамики путем ссылки на возможное существование эфира в то время были неубедительны. Лоренц и Пуанкаре длительное время в переписке обсуждали эту проблему между собой. В результате Пуанкаре приходит к выводу о необходимости обобщения принципа относительности Галилея и распространения его на электродинамику. Он следующим образом формулирует принцип, который позже стал одним из важных принципов теории познания [11]:

«Законы физических явлений должны быть одинаковыми как для неподвижного наблюдателя, так и для наблюдателя, движущегося прямолинейно и равномерно, поскольку у нас нет возможности убедиться в том, участвуем ли мы в таком движении или нет».

Несмотря на то, что этот принцип опирался, главным образом, на негативные результаты по обнаружению эфира, существовавшие тогда, он и по сей день играет большую эвристическую ценность. Он ограничивает или отсекает от физики те фундаментальные теории, которые ему не удовлетворяют (например, теории «эфира»). Этот принцип мы назовем принципом Галилея-Пуанкаре. Обратим внимание, что принцип Галилея-Пуанкаре не содержит "привязки" к какому-либо конкретному преобразованию пространственно-временной системы отсчета. Он является общенаучным, т.е. философским принципом.

А. Эйнштейн использовал этот принцип (без ссылки на Пуанкаре) в качестве одного из постулатов свой концепции относительности. Следствием принципа Галилея-Пуанкаре является принцип постоянства скорости света в любой инерциальной системе отсчета. Иными словами, форма уравнений Максвелла не должна меняться при переходе наблюдателя из одной инерциальной системы отсчета в другую.

Лоренц нашел такое преобразование. Оно было положено А. Эйнштейном в основу теории относительности. Как было показано в [6], это преобразование не является единственным.

Другим явился постулат о существовании предельной скорости взаимодействий. Этот постулат вытекал из релятивистского множителя в преобразовании Лоренца. Как мы установили, в преобразование Лоренца входит кажущаяся скорость движения материального тела, наблюдаемая с помощью световых лучей. Эта скорость была абсолютизирована А. Эйнштейном, т.е. рассматривалась в его теории как действительная скорость (?) материальных объектов и инерциальных систем. По нашему мнению пользоваться характеристикой явления скоростью v неразумно, когда имеется возможность использовать сущностную характеристику - галилеевскую скорость V.

Что касается эйнштейновского постулата, он отражает не сущность, а только объективную закономерность, которая характерна для скорости, наблюдаемой с помощью световых лучей (вывод №2). Наблюдаемая (кажущаяся) скорость прямолинейного движения материальных объектов не может превышать скорость света, в то время как действительная (истинная) скорость объекта может быть любой!

Остается добавить, что понятие «предельная скорость распространения взаимодействий» не является корректным. Как уже говорилось, взаимодействие есть процесс сущностного характера, и потому он не зависит от субъективного выбора системы отсчета [12]. Этот процесс может быть охарактеризован интенсивностью течения во времени, но не скоростью в пространстве.

Заметим, что преобразование Лоренца легко выразить через скорость V, пользуясь тем, что кажущаяся скорость v сравнительно просто выражается через истинную (галилеевскую) скорость [8], которая отвечает классическому типу отображения.

или (1)

В силу связи скоростей v и V при замене v на V преобразование Лоренца модифицируется, но сохраняет свою структуру. Скорость света в любой инерциальной системе отсчета остается неизменной. При переходе к действительной скорости V теория относительности сохраняет во многом свой количественный математический формализм, но все это требует серьезного переосмысления сути физических явлений и новой интерпретации.

Пример. Известно, что время жизни мю-мезонов T₀ ограничено. Они рождаются в верхних слоях атмосферы и достигают поверхности Земли. Считается, что их скорость (кажущаяся скорость в новой интерпретации) близка к скорости света (принцип предельной скорости). Утверждается, что мю-мезоны достигают поверхности земли только благодаря «замедлению времени» в СТО. «Замедленное время жизни» T равно

.

Следовательно, расстояние L, пройденное мю-мезоном будет равно

.

Это как будто подтверждает справедливость СТО.

С точки зрения новой интерпретации действительная скорость движения мю-мезона выражается приведенной выше формулой (1). Следовательно

Таким образом, мы получаем тот же количественный результат, но с новым объяснением. Расстояние L, пройденное мю-мезоном, равно произведению времени его жизни Т₀ на его действительную (галилеевскую) скорость V.

Уравнение движения тоже формально не меняется

Никакой зависимости «массы от скорости» не существует и т.д.

Теперь остановимся на эйнштейновском расширении пределов применимости преобразования Лоренца. Эйнштейн предположил, что любые законы природы должны удовлетворять преобразованию Лоренца, т. е должны иметь Лоренц-ковариантную форму. Такое обобщение носит наднаучный, т.е. философский (можно сказать: спекулятивный) характер и не может быть чисто физическим обобщением. Как известно, любая физическая теория или закономерность (в том числе и СТО) имеет пределы применимости, т.е. является объективной, а не абсолютной истиной. По этой причине обобщать ее физические положения на все без исключения явления материального мира, т.е. полагать, что они имеют философскую значимость, неправомерно.

2. Волновой вариант теории Ритца

Как известно, специальная теория относительности опирается на классическую электродинамику. Анализ электродинамики показал следующее:

Поля зарядов и электромагнитные волны суть различные материальные объекты, обладающие различными свойствами. Поля зарядов обуславливают инерциальные свойства заряженных частиц [10]. В то же время, плотность энергии электромагнитной волны такими инерциальными свойствами не обладает.

Предельного перехода от волновых явлений к квазистатическим явлениям не существует вопреки сложившемуся мнению [11].

Различие в свойствах и ряд других соображений приводит к следующему выводу. Материальные объекты принадлежат определенному виду материи. Электромагнитная волна представляет собой другой самостоятельный вид материи, отличный по природе от материальных объектов. Эти два вида материи существуют объективно, имеют принципиально отличные свойства, а потому каждый из этих видов должен удовлетворять своим преобразованиям.

Электромагнитная волна преобразуется с помощью преобразования Лоренца, выраженного через галилеевскую скорость (модифицированное преобразование). Модифицированное преобразование опирается на действительную скорость относительного движения. Следует заметить, что электромагнитные волны (потенциалы и поля) в системе отсчета наблюдателя зависят только от относительных расстояний и относительных скоростей, которые инвариантны относительно преобразования Галилея. Таким образом, нет необходимости в использовании «групповых свойств» модифицированного преобразования и в применении эйнштейновских формул сложения скоростей. Они оказываются вне рамок математического формализма волнового варианта теории Ритца.

Здесь следует сказать несколько слов о «базовой» системе отсчета, связанной с источником излучения или с материальной средой распространения волн (диэлектрики, замедляющие структуры и т.д.). В таких системах отсчета волна (и ее поля) предстает в своем неискаженном виде. В любой другой инерциальной системе, которая движется относительно базовой, волна искажается (например, может меняться направление волнового фронта, может измениться частота, возникнуть явление аберрации и т.д.). Именно здесь и должно использоваться модифицированное преобразование для преобразования (вычисления) полей электромагнитной волны при переходе из базовой системы отсчета в другую.

Для материальных тел справедливо преобразование Галилея. В обоих преобразованиях фигурирует одна и та же галилеевская (классическая) скорость. При этом пространство и время сохраняются классическими:

Пространство является евклидовым. Оно однородно, изотропно и является общим для всех инерциальных систем отсчета.

Время однородно и является общим для всех инерциальных систем.

Инерциальные системы равноправны, а потому законы природы должны иметь одинаковую формулировку в любой инерциальной системе отсчета. В частности, скорость света не зависит от выбора инерциальной системы отсчета.

Явления отображаются из одной системы отсчета в другую симметрично.

Такой подход, названный «волновым вариантом теории Ритца», устраняет «парадоксы», (логические противоречия) существующие в современной физике, делает ее последовательной и логичной [13]. В волновом варианте теории Ритца пространство и время сохраняют свою материалистическую сущность, оставаясь «коренными формами бытия материи», а не свойством материальных объектов, скорости их относительного движения и выбора системы отсчета наблюдателем.

3. Другие подходы

Существуют альтернативные подходы, которые опираются на идею существования «эфира». Обозначим кратко недостатки подобных подходов.

Во-первых, следует различать пространство и его свойства (изотропия, однородность) и эфир, как среду со своими параметрами в этом пространстве. В пространстве нельзя выделить абсолютную систему отсчета (принцип Галилея-Пуанкаре). В то же время, эфир (подобно материальному телу) всегда связан с такой системой в пространстве.

Во вторых, вопреки принципу Галилея-Пуанкаре эфирные теории «привязаны» к выделенной (абсолютной) системе отсчета пространства, а не к самому эфиру, как среде в этом пространстве.

В третьих, эфир это среда со своими параметрами. Эти параметры описываются авторами гипотетически, и нет убедительной методики их измерения или обнаружения. Если эфир, как среда, существует, то его параметры должны входить в уравнения физики.

В четвертых, эфир принципиально не позволяет описывать консервативные системы из-за существования явления рассеяния волн эфира (или его частиц) при их взаимодействии с материальными объектами и т.д.

Заметим, что так называемый «физический вакуум» является, по сути, аналогом эфира.

Заключение

Итак, нам удалось показать, опираясь на явление аберрации, что скорость, которая входит в преобразование Лоренца, есть явление (наблюдаемая или кажущаяся скорость, а не действительная скорость относительного движения систем отсчета). Эйнштейн совершил ошибку гносеологического характера, интерпретировав наблюдаемые с помощью световых лучей явления как сущности. Исправление этой ошибки возвращает к классическим представлениям о пространстве и времени. Это позволяет устранить (разрешить) парадоксы специальной теории относительности. Результаты имеют важное теоретическое, практическое и философское значение.

Источники информации