1. Исходные положения: О постулатах. Постулат об эфире. Постулат о часах. Информационное соглашение. Закон сложения скоростей.

2. Преобразования Лоренца: Вывод преобразований Лоренца. Иллюзия относительности. Иллюзия изотропности световой волны. Некорректность вывода преобразований Лоренца в СТО. Иллюзорный мир. Активные и пассивные преобразования.

3. Физика времени. Местное время. Парадокс неодновременности. Близнецы без парадокса. Замедление времени в СТО.

4. Физика пространства. Эффект неопределенной длины. Иллюзия сокращения длины стержня. Физическое сокращение длины стержня. Парадокс собственной длины в СТО. Конец относительности.

5. Заключение.

Автор предлагает концепцию, которая для удобства ее упоминания при сопоставлении с СТО далее называется ЭТИС - эфирная теория инерциальных систем. Исходные положения ЭТИС базируются на экспериментальных данных. На их основе выводятся преобразования Лоренца. Принятый подход позволяет дать доступную “обыденному здравому смыслу” интерпретацию этих преобразований и, что особенно важно, выявить границы их применимости. ЭТИС совместима с результатами основных экспериментов, которые считаются подтверждением СТО. Однако в отличие от СТО не исключается возможность обнаружить эфирный ветер с помощью опытов типа опыта Майкельсона.

О постулатах. Автор берет на себя смелость ввести новый термины – сильный постулат. Это такой постулат, которое непосредственно подтвержден экспериментом. Иначе постулат является слабым. Так, например, в системе мира Птоломея постулат о том, что планеты движутся на основании механизма эпициклов и деферентов является слабым, так как таковые непосредственно наблюдать нельзя. Закон всемирного тяготения является сильным постулатом, так как его можно непосредственно проверить в лаборатории. Сильные постулаты претендуют на “законы”. Они также тем хороши, что их можно уточнять непосредственно по мере повышения точности измерений и расширения области применения. Слабые постулаты - это “принципы”, которые претендуют на абсолютный характер. В этом их сила и слабость. Все это все определенной степени условно. По мнению современных физиков-теоретиков “принципы” и есть истинная физика. В этом проявляются разные формы идеализма. Автор вовсе не отрицает ни правомерность, ни результативность такого подхода к построения физики, но считает, что теорию, построенную “на понятиях” нужно пытаться переформулировать “на законах”. При этом неизбежно возникнут или различие в некоторых результатах, либо появятся иные интерпретации совместимых результатов.

Исходные постулаты СТО, по мнению автора, можно считать слабыми, так как “в своем абсолютном виде утверждение о постоянстве скорости света является постулатом, т.е. допущением выходящем за пределы прямой экспериментальной проверки. Это касается и принципа относительности [3, стр. 63,78]¹. Слабость этих постулатов в том, что они фактически опираются только на отрицательный результат опытов типа опыта Майкельсона.

Постулат об эфире. Существует эфир, который считается средой распространения света, причем скорость света относительно эфира в вакууме равна C. В абсолютном пространстве, т.е. в системе отсчета, неподвижной относительно эфира (далее “А-пространство”), справедлива евклидова геометрия и сохраняет силу классическая кинематика.

Данный постулат автор считает сильным по той причине, что полагает возможность экспериментального обнаружения эфирного ветра. В настоящее время можно считать экспериментально доказанным существование во вселенной выделенной системы отсчета. В 1964г. выявлена анизотропия микроволнового фонового излучения. Движение солнечной системы происходит относительно среды (“нового эфира”), в которой распространяется это излучение, со скоростью З90± 60 км/сек к созвездию Льва.

Постулат о часах. Принимается следующий постулат:

темп хода часов, движущихся относительно эфира, меньше, чем часов, неподвижных относительно эфира, в соответствии с коэффициентом:

где V – скорость часов относительно эфира.

Физический смысл этого утверждения состоит в следующем. Пусть некоторый периодический процесс (атомные часы, например) стандартизован для всех наблюдателей в качестве эталонных часов. В А-пространстве расставим множество таких синхронизованных между собой часов (А-часы). Заметим, что в А-пространстве процедура синхронизации часов является ясной и очевидной. Наблюдатель использует метод световой локации события и оценивает момент t события по формуле:

t=(t_И+t_П)/2,

Пусть теперь наблюдатель, движущийся со скоростью V относительно эфира, засек два момента времени t^₁ и t^₂ по своим часам (одни часы). Пусть показания двух А-часов, расположенных в тех точках А-пространства, в которых находился движущийся наблюдатель в моменты выполнения засечек по своим часам, будут t₁ и t_2. Тогда темп хода движущихся часов определяется соотношением c =(t^₂-t^₁)/(t₂-t₁). Эта величина согласно постулату о часах должна соответствовать (1).

t^=c t (2)

где t^ - время по часам движущегося наблюдателя, а t - по часам неподвижного.

Информационное соглашение. Чтобы получить преобразование, связывающее координаты события в двух инерциальных системах отсчета, необходимо определить соответствующую измерительную процедуру.

А. Эйнштейн определил процедуру синхронизации часов, согласно которой момент события в любой инерциальной системе следует определять методом активной световой локации аналогично тому, как это законно применимо к наблюдателю неподвижному относительно эфира, т.е. по соотношению t=(t_И+t_П)/2. Такой подход с позиции А. Эйнштейна правомерен, поскольку им постулируется постоянство скорости света в любой инерциальной системе. С позиции постулата данное соотношение являются корректным только в случае, когда наблюдатель неподвижен относительно эфира. Тем не менее, по рекомендации Эйнштейна ЭТИС принимает следующее информационное соглашение:

t'=(t^_И+t^_П)/2 (3а); r’=С(t^_П –t^_И)/2 (3б).

Здесь штрих при t и r указывает, что это именно оценки, а символ ^ указывает на то, что моменты t_И и t_П отсчитываются по часам движущегося наблюдателя. Из приведенных соотношений следует, что

t ’ = t'+r'/С (3в)

где t ’= t^_П – момент приема отраженного сигнала. Из (3в) следует, что

В ряде учебников [например, 3, стр. 41] в основу изложения процедуры синхронизации часов положено соотношение (3в). Оно трактуется как процедура пассивной локации события: если в момент t’ сигнал испускается из некоторой точки Б, а в момент t^_П он принимается в точке А, то часы в точках А и Б считаются синхронизованными при условии, что имеет силу (3в). Как при этом оценивать расстояние r между А и Б непонятно и не объясняется. Если принять, что (3в) справедливо для пассивной локации события, то оно будет справедливо и для активной локации. “Однако следует сделать замечание. Строго говоря, из опыта Майкельсона и последующих опытов не следует вывода о постоянстве скорости света. Из них следует лишь вывод о том, что средняя скорость света в противоположных направлениях в данной инерциальной системе координат одинакова, и нельзя сделать вывода о постоянства скорости света в различных направлениях”[3, стр. 73]. Тем самым, признается, что из применимости метода активной локации не вытекает ее применимость для пассивной локации, при которой усреднение в обоих направлениях не производится, т.е. использование пассивной локации в качестве измерительной процедуры методологически некорректно.

Закон сложения скоростей. Далее, если не оговорено иное, рассматриваются две или более инерциальных систем, движущихся вдоль одной прямой линии. Пусть V₁ и V₂ - абсолютные скорости наблюдателей 1 и 2, а U - скорость наблюдателя 2, которую измерит наблюдатель 1 по двум его локациям, т.е. U=(х'₂-x'₁)/(t'₂-t'₁). Из информационного соглашения без использования постулата о часах (1), т.е. при любой зависимости темпа хода часов от скорости или при отсутствии таковой, следует релятивистский закон сложения скоростей:

U=(V₂-V₁)/(1-V₂V₁) (4)

Вывод преобразований Лоренца. На основе постулатов об эфире и о часах, а также информационного соглашения несложно получить преобразования Лоренца.

Пусть произошло событие S. Удобно считать, что каждое событие связано с некоторым объектом-носителем. Рассмотрим движущуюся с постоянной скоростью V относительно эфира инерциальную систему отсчета K’. Систему, неподвижную относительно эфира, обозначим “А”. В каждой из систем есть наблюдатель, неподвижный относительно своей системы. Обозначим через (x’, t’) оценки координат события S в системе К’, рассчитанные исходных постулатов и информационного соглашения. Установим их связь с А-координатами (x, t).

Для этого сначала рассмотрим, как выглядит в А-системе процесс локации события S движущимся К’-наблюдателем. Пусть движение К’-наблюдателя направлено вправо, а событие в этот момент t расположено по направлению движения (рис. 1). Здесь t_И и t_П - моменты излучения и приема отраженного сигнала, измеренные по А-часам. Излучение сигнала должно быть выполнено в такой момент t_И, чтобы сигнал достиг носителя события в момент t самого события. Другими словами, событие – это, по существу, момент отражения сигнала от объекта-носителя события. При этом предполагается, что процесс отражения сигнала от объекта-носителя события не зависит от скорости этого объекта.

• для прямого сигнала: х-Vt_И=C(t-t_И) Ю t_И=(Сt-х)/(С-V)
• для отраженного: х-Vt_П=С(t_П-t) Ю t_П=(Сt+х)/(С+V)

Чтобы перейти к К’-системе, необходимо использовать соотношения (3а,б) и учесть темп хода часов в К’-системе согласно соотношению (2). С учетом того, что здесь х’=r’, получим:

где c соответствует (1).

Соотношения (5) есть по форме не что иное, как преобразование Лоренца. В их состав включены и соотношения (5в) для координат, перпендикулярных к направлению движения. Доказательство (5в) на основе исходных постулатов ЭТИС не представляет труда.

Иллюзия относительности. В силу групповых свойств преобразований Лоренца имеет место свойство, которое сформулируем в форме правила релятивности:

если две инерциальные системы движутся относительно эфира со скоростями V₁ и V₂, то при переходе от одной системы к другой результат пересчета пространственно-временных координат события будет таков, как если бы одну из них считать неподвижной относительно эфира, а другую - движущейся относительно эфира со скоростью U. При этом U определяется через абсолютные скорости V₁ и V₂ этих систем по релятивистскому правилу сложения скоростей (4).

Это означает, что в рамках процедур (3а-б) измерения пространственно-временных координат событий, эфир является ненаблюдаемым.

Иллюзия изотропности световой волны. Пусть в тот момент, когда положения неподвижного и движущегося наблюдателей совпали, в неподвижной системе произошло излучение сферической световой волны.. Ограничимся рассмотрением левого и правого фронта этой волны по оси движения. В неподвижной системе К-наблюдатель в момент времени t зафиксирует положения x₁=сt и x₂= -сt фронта световой волны. К’-наблюдатель при этом согласно (5а) зафиксирует следующие положения фронта: x’₁=сt(1-V/С)/c и x’₂=-сt(1+V/С)/c . Так как модули координат не равны, то симметрия световой волны в К-системе нарушена.

СТО, однако, не согласится с такой трактовкой. В самом деле, моментам времени, в которые выполнены засечки x’₁ и x’₂, приписываются в соответствии с (5б) разные значения. А именно: t’₁=t(1-V/С)/c =x’₁/С и t’₂=-t(1+V/С)/c = -x’₂/С, т.е. скорость света в К’-системе в обоих направлениях равна С. В [2, стр. 24] эта ситуация излагается так: “Оба наблюдателя в качестве фронта волны видят сферы, центры которых покоятся относительно наблюдателей, т.е. видят две различные сферы. Противоречие, однако, исчезает, если допустить, что до точек пространства, до которых свет дошел одновременно с точки зрения А-наблюдателя, свет дошел не одновременно с точки зрения К’-наблюдателя”.

С позиции ЭТИС такое объяснения искажает истинный смысл явления. Кажущаяся симметрия световой волны достигается следующим экзотическим образом. Чтобы использовать оценки для координат x' и t’ световой волны необходимо произвести ее локацию световым импульсом, причем для локации любого положения световой волны нужно излучить лоцирующий сигнал в момент излучения самой световой волны(иначе он ее не догонит). Для локации всех будущих положений световой волны нужно в этот начальный момент излучить бесконечное число лоцирующих импульсов по одному на каждое ее будущее положение. “Отраженные” от положений x и -x фронта волны сигналы будут приняты в моменты t ’₁=2t’₁ и t ’₂=2t’₂, т.е. не одновременно. Однако в каждый момент времени будут приняты два отраженных сигнала: от какого-то положений правого фронта волны и от какого-то положения левого фронта, причем относящихся к разным фазам физического существования этой волны. Информационное соглашение приписывает этим сигналам одно и тоже время t’и расстояние |x’| в К’-системе. Этим достигается иллюзия симметрии световой волны для движущегося наблюдателя. Но какою ценой: К’-наблюдатель видит в каждый момент своего времени разные фазы распространения одной и той же волны, которые он не в состоянии различить и воспринимает их как единый объект, в то время как это разные фазы существования некоторого физического процесса. СТО, по-видимому, возразит, что о световой волне, как объекте в конкретный момент времени нельзя говорить в силу относительности понятия одновременности. Воистину, экзотика!

Некорректность вывода преобразований Лоренца в СТО. Изложенная выше иллюзорность изотропности световой волны дает основания предполагать, что при выводе в СТО преобразований Лоренца из ее исходных постулатов должна иметь место некорректность, заключающаяся в том, что исходные положения СТО совместимы только в начальный момент распространения световой волны. Покажем это в сопоставлении с выводом этих преобразований в [3].

Итак, в начальный момент, т.е. при t=t’=0, в точке x=x‘=0 К-системы излучается световая волна со скоростью С. Это означает, что в момент t положение ее правого фронта x_П=Сt, а левого x_Л=-Сt. В соответствии с постулатом о постоянстве скорости света в К’-системе должно иметь место: для правого фронта x^’_П=Сt’, а левого x’_Л= -Сt’. Задача состоит в поиске преобразований координат, при которых обеспечиваются указанные условия. Показано, что преобразования должны быть линейными, причем x^’=a (x-Vt), т.е. предполагается, что масштаб измерения длины в системе Ox’ может отличаться от масштабы в Ox. Подставив в выражение для x’ условия распространения левого и правого фронта волны, получим

для правого фронта: Сt’=a Ct(C-V), для левого фронта: -Сt’=-a Ct(C+V)

В [3], как и у Эйнштейна, условия для левого фронта волны не предъявляются. Вместо этого, исходя из равноправия систем отсчета, используется соотношение x=a (x^’+Vt), к которому применяется условие x=Сt Ю x^’=Сt’. В результате совместно анализируются соотношения: Сt’=a Ct(C-V), Сt=a Ct’(C+V). После их перемножения и деления на t’t находят выражение для a , а затем и преобразования Лоренца. Однако, как показано выше, делить на t’t нельзя, так как только при t=t’=0 эти соотношения имеют смысл. По существу же, таким лукавым способом обеспечивается лишь требование, чтобы при рассмотрение одного фронта волны за счет подбора масштабов длины и собственных времен в каждой из систем соблюдалась кажимость постоянства скорости света. Условие изотропности световой волны при этом игнорируется.

Иллюзорный мир. Из преобразований Лоренца непосредственно следует, что величина ²

называемая интервалом между событиями, где (x’_2, t’₂) и (x’_1, t’₁) – оценки координат для двух событий, является инвариантом при переходе от одной инерциальной системы к другой. СТО трактует это инвариант как отражение “истинной” природы пространства-времени, геометрия которого описывается псевдоевклидовой метрикой S² (мир Минковского). Пространство-время при этом считаются относительными, т.е. зависящим от инерциальной системы, в которой находится наблюдатель. Эта относительность объявляется неким объективным свойством реальности, за которой какую-либо более глубокую сущность не следует усматривать.

То обстоятельство, что информационное соглашение не признается физическим постулатом, имеет существенное значение. Как будет показано далее, изначальное признание такого соглашения в качестве физического свойства мира приводит к более частной теории, чем ЭТИС, а именно к СТО.

ЭТИС не отвергает И-мир. И-мир и Ф-мир соотносятся друг к другу, как система Птолемея к системе Коперника. Эпициклы и деференты Птолемея полезны только по той причине, что позволяют рассчитать “иллюзорные” координаты светил относительно Земли, через которые можно рассчитать видимое их положение на небесной сфере. И-мир описывает явление в виде некоторой иллюзорной сущности, на основании которой можно и удобно вычислять реально наблюдаемые параметры событий. Основание называть эту сущность иллюзорной дает нам результаты, касающиеся физики пространства (см. далее).

t ’ =t D, где D=Ц (6а),

Здесь t ’ и t - моменты времени, в которые событие наблюдают движущийся и неподвижный наблюдатели (каждый по своим часам). Если с движущимся объектом связан источник сигналов с периодом Т_ИСТ, то период этих сигналов, наблюдаемый приемником, будет определяться аналогичным соотношением: Т_ПР=Т_ИСТ D, которое определяет продольный эффект Доплера. Опыт Айвса, по существу подтвердил, релятивистскую формулу эффекта Доплера.

Активные и пассивные преобразования. Соотношения, определяющие изменения координат некоторой последовательности событий при переходе от одной системы отсчета к другой, называются пассивными. Преобразования, определяющие, как изменится эта последовательность при изменении скорости системы, в которой события происходят, называются активными. В СТО предполагается, явно не постулируя, что преобразования Лоренца (а более общо – преобразования группы Пуанкаре) одинаково применимы, как в качестве активных, так и в качестве пассивных[10, стр. 508]. Вопрос о необходимости явно сформулировать эту проблему был проставлен в [6], но не нашел поддержки, так Л. Яноши апеллировал к эфиру.

1. ФИЗИКА ВРЕМЕНИ

Местное время. Поскольку синхронизацию часов в принципе можно производить не только, исходя из информационного соглашения, но и путем медленного переноса часов, то сравним результаты синхронизации этими двумя способами.

Рассмотрим вначале синхронизацию часов по Эйнштейну, т.е. в соответствии с принятой измерительной процедурой. В начало координат движущейся системы К’ установим часы (О’-часы). Пусть ось Х’ направлена по вектору скорости системы относительно эфира. Разметим сначала ось Х’ в соответствии с масштабом А-системы. Пусть на расстоянии L>0, измеренном в масштабе А-системы, установлены часы (L-часы). Эти часы заведомо должны идти с одинаковым темпом с О’-часами. Но будут ли они идти синфазно, т.е. без временного сдвига? Часы, которые в точке L шли бы синфазно с часами в точке О’, назовем синфазными. Выполним локацию L-часов из точки О’. Время по А-часам прямого хода лоцирующего сигнала равно L(C-V), а обратного - L/(C+V). Величина L/(C-V) определяет фактический сдвиг по времени момента отражения сигнала от момента его излучения, а величина [L/(C-V)+ L/(C+V)]/2 – оценку для этого сдвига в соответствии с (3а). Обе величины даны в масштабе А-часов. Тем самым, согласно принятой процедуре синхронизации сдвиг L-часов относительно синфазных часов с учетом темпа часов в К'-системе составит:

t’-t^= c [ [L/(C-V)+ L/(C+V)]/2- L/(C-V)] = - LV/C²c

где t’ и t^ - показания L-часов и О’-часов соответственно. Другими словами, часы в разных точках оси OХ’ не сфазированы. Имеет место эффект местного времени: сдвиг показаний часов в двух точках пропорционален расстоянию между ними.

Теперь рассмотрим синхронизацию часов методом их медленного перемещения. Для этого в точке О’ разместим сначала двое синхронизованных друг с другом часов и переместим одни из них медленно в точку на расстоянии L(по масштабу А-пространства). Для того, чтобы переместить часы внутри К’-системы на некоторое расстояние, необходимо чтобы их скорость хоть как-то отличалась от скорости V этой системы относительно эфира. Обозначим ее как V+u , где u - малая величина. При перемещении часов с этой скоростью их показания t~ будут в соответствии с (1) и (2) изменяться согласно соотношению

t~ = tЦ 1-[(V+u )/C]², где t – время перемещения по А-часам. Когда часы переместятся на расстояние L, отличие их показаний от показаний О’-часов составит:

t~ -t^= tЦ 1-[(V+u )/C]²-tЦ 1-(V/C)^{2 »} -u tV/C^2Ц 1-(V/C)² =-LV/C^2c

где учтено, что u мало, и u t=L.

Тем самым t~ = t^’, т.е. оба способа синхронизации часов приводят к одному и тому же эффекту местного времени:

t’-t^= -LV/C²c (7а)

Это означает, что метод синхронизации часов по Эйнштейну находится в полном согласии с методом синхронизации часов путем их переноса.

Если подставить в (7) соотношения L=х-Vt и t^=c t, то получим:

t’=(t-Vх/С²)/c (7б)

которое есть преобразование (5б) для времени в преобразованиях Лоренца. Это означает, что при синхронизации часов методом переноса соотношение (5б) является лишь следствием постулата о часах без привлечения информационного соглашения. Заметим, что способ оценки расстояний при этом не имеет значения.

Таким образом в движущейся относительно эфира системе возникает скрытая пространственно-временная неоднородность, т.е. пространство само по себе однородно и время в каждой точке пространства однородно, но имеет место эффект местного времени. Синфазность является скрытой потому, что при выбранном методе синхронизации ее нельзя обнаружить ни путем локации, ни путем переноса часов. Она сама есть следствие этих процедур.

Парадокс неодновременности. Некоторые авторы[11] считают, что СТО содержит в себе логическое противоречие. Согласно СТО внутри инерциальной системы пространство однородно, т.е. все часы синфазные. Эффекту местного времени внутри инерциальной системы с точки зрения СТО просто неоткуда взяться. Рассмотрим теперь две инерциальные системы. Пусть в каждой из них темп хода часов свой. Но и при этом условии из синфазности часов внутри каждой из систем следует, что два события, одновременные в одной системе, будет одновременными и в другой системе, что противоречит выводу СТО об относительности одновременности. Назовем это парадоксом неодновременности. Выходом из противоречия является признание того, что в инерционной системе существует скрытая пространственно-временная неоднородность.

Хотя пространственно-временная неоднородность совместима с однородностью пространства и времени, рассматриваемыми раздельно (а только это и постулирует СТО), автору представляется высказанный упрек в адрес СТО с методологических позиций весьма серьезным. СТО, скрывает эффект местного времени, существующий внутри системы, который затем проявляется как неодновременность при сравнении оценок времени события в двух системах отсчета. СТО вынуждено это скрывать, так как, отрицая абсолютное движение, она принципиально не в состоянии объяснить природу местного времени внутри системы отсчета.

 

Близнецы без парадокса. Пусть двое совмещенных часов (Часы1 и Часы2) движутся относительно эфира со скоростью V₁. Пусть далее Часы2 изменили свою скорость относительно эфира до значения V₂ без изменения направления движения. Темпы их хода Часов1 и Часов2 относительно темпа хода А-часов станут соответственно равны c ₁=Ц 1-(V₁/C)² и c ₂=Ц 1-(V₂/C)² . Пусть на том объекте, на котором расположены Часы2, произошло событие продолжительностью t_С. Эту величину называют собственной продолжительностью события. Что можно сказать о соответствующем промежутке времени Т₁ по Часам1? Очевидно, что T₁= t_{Сc 1}/c ₂. Проблема, однако, в том, что показания Часов1 и Часов2 непосредственно сопоставить нет практической возможности. Ведь в момент t_С Часы2 и Часы1 не находятся друг против друга. За время t_С, отсчитанное по Часам2, в А-системе пройдет время t_С/c ₂. Следовательно, Часы2 и Часы1 окажутся на расстоянии L=t_С(V₂-V₁)/c ₂ по масштабу расстояний в А-системе. Поэтому сравним показания Часов2 в момент завершения события с показаниями тех часов системы1, которые находятся в той же точке А-пространства, что и Часы2, т.е. на расстоянии L от Часов1. Назовем их “Часы1L”, а их показания обозначим как t_В. Величина t_В – это продолжительность события во внешней по отношению к событию системе. Задача, таким образом, состоит в сравнении t_С и t_В.

Согласно (7а) в системе1 Часы1L покажут время t_В= t_{Сc 1}/c ₂—LV₁/C²c ₁. Подставив L= t_С(V₂-V₁), после алгебраических преобразований получим:³

t_С/t_В=Ц 1-(U/C)², где U=(V₂-V₁) /(1-V₂V₁/C²) (7в).

Из самой логики вывода соотношения (7в) видно, что полученный эффект складывается из реального эффекта абсолютного замедления темпа хода каждых из часов, движущихся относительно эфира, и эффекта местного времени в системе внешнего наблюдателя. Первый из них равен c ₁/c ₂ и в зависимости от соотношения между V₁ и V₂ это может быть относительное замедление или относительное ускорение темпа. Однако эффект местного времени срабатывает таким замечательным образом, что t_В всегда больше t_С, причем соотношение между ними зависит только от относительной релятивистской скорости U и не зависит непосредственно от самих V₁ и V₂.

Полученный результат можно получить и непосредственно, опираясь на правило релятивности и постулата о часах:

собственная продолжительность события соотносится к продолжительности события во внешней по отношению к ней системе так же, как если бы эта внешняя система была эфиром, а носитель события перемещался относительно эфира со скоростью U, которая определяется через абсолютные скорости V₁ и V₂ этих систем по релятивистскому правилу сложения скоростей (4).

Существенно, что в качестве движущейся должна быть принята система, связанная с носителем события. Относительное уменьшение продолжительности имеет место во внешней системе, в которой для отсчета интервала времени используются двое часов.

Теперь рассмотрим надоевшую проблему двух близнецов. Пусть один из братьев – домосед (Д), а другой - путешественник (П). П-брат отправляется в путешествие со скоростью U и возвращается с той же скоростью домой. Если домосед неподвижен относительно эфира, то в соответствии с постулатом часов отношение времени путешествия по П-часам к времени путешествия по Д-часам составит Ц 1-(U/С)². Рассмотрим теперь ситуацию, когда система, в которой находится дом братьев, движется относительно эфира со скоростью V_Д. Пусть теперь П-брат путешествует таким образом, чтобы его скорость относительно Д-брата в обоих направлениях по-прежнему численно равна U. Каково будет соотношение между показаниями часов братьев при встрече в этом случае. Оказывается таким же, как и в случае, когда дом братьев неподвижен относительно эфира. В самом деле. Поместим условно в конечной точке путешествия ЧасыК, неподвижные относительно Д-брата и синхронизованные с его часами. П-брат при сравнении показаний своих часов с ЧасамиК в силу полученного выше правила релятивности обнаружит, что по его часам путешествие заняло меньше времени в соответствии с соотношением (7в). Для пути обратно это соотношение также сохранится, так как эффект, определяемый соотношением (7в) не зависит от направления скорости.

Таким образом, в рамках ЭТИС никакой мысли о наличии парадокса близнецов не возникает. Экономию времени путешественник получает за счет того, что обдувается эфирным ветром сильнее, чем домосед.

Замедление времени в СТО. Ранее найденное соотношение между собственной продолжительностью события t_С и его продолжительностью t_В во внешней по отношению к событию системе может быть найдено непосредственно из преобразований Лоренца:

t_В=t_С/c (8а) или, что тоже самое, t_С=t_Вc , (8б)

На базе инвариантности интервала S² можно доказать инвариантность собственной продолжительности события[3, стр95]. Это означает, что в любой внешней системе значение t_В изменяется, но t_Вc остается постоянным и равным t_В, т.е. в собственной системе события оценка его продолжительности t_С не зависит от того, какие внешние наблюдатели созерцают это событие, что достаточно очевидно.

Поэтому, казалось бы, что СТО должно использовать формулировку в форме (8а):

в системе отсчета, относительно которой часы движутся, продолжительность события t_В оценивается, как увеличенная по отношению к его собственной продолжительности t_С.

Однако соотношению (8) придается “перевернутый” смысл:

“темп хода движущихся часов замедлен относительно неподвижных” [3, c.94].

Эта “лукавая” формулировка, использующая слово “темп”, направлена на то, чтобы создать впечатление, что при изменение скорости часов их темп хода уменьшится. Целью такого лукавства является мимикрия под реальный эффект в Ф-мире, в котором имеет силу постулат часов.

Иллюстрацией методологически некорректного использования слова “темп” при толковании в СТО соотношения (8) служит следующее соображение. В силу принципа относительности можно “неподвижную” систему назвать “движущейся” и наоборот. При этом возникает парадокс симметрии замедления часов: часы в покоящейся системе должны идти в том же соотношении медленнее, чем в движущейся, и наоборот. СТО объясняет, что это противоречие является кажущимся, так как в собственной системе отсчета для измерения продолжительности события используются одни часы, а в движущейся – двое часов. Ну и что с того, что часов двое, ведь в рамках СТО пространство системы изотропное и все часы в нем равноправны. Фактически СТО, как было показано выше, скрывает пространственно-временную неоднородность в движущейся системе, а несимметричную методологию оценок продолжительности события выдает за физический эффект. Если две инерциальные системы равноправны, то неоткуда взяться различию темпов хода часов.

Из изложенного понятно, почему возникают дискуссии по поводу парадокса близнецов [12] в СТО. Парадокс заключается в том, что в рамках СТО должна якобы иметь место симметрия между поведением часов Д-брата и П-брата. В самом деле, за исключением краткого периода разгона и торможения, которые выполняет П-брат, их движения относительны. С другой стороны, ускорения и торможения П-брата не должны иметь решающего значения, так как их можно сделать по времени незначительными по сравнению с общей длительностью путешествия и выполнять с умеренными ускорениями, что не дает оснований эти ускорения считать причиной несовпадения показаний часов братьев при их встрече. Довод СТО против такого рассуждения, что нет такой инерциальной системы, в которой бы часы Д-брата все время покоились, говорит об асимметрии, но не убеждает в том, что эта асимметрия должна проявиться именно таким образом, так как с толку сбивает указанная выше формулировка о “темпах”. Неубедительны и рассуждения о том, что хотя временем, в течение которого имело место ускорение, можно пренебречь, самим фактом существования ускорения пренебрегать нельзя и т.п.. В частности, в задаче трех братьев эффект получается тот же, хотя какие-либо ускорения вообще отсутствуют.

Тем не менее, выводы, которые делает СТО относительно соотношения показаний часов братьев при их встрече, справедливы и это имеет логическое обоснование средствами самого СТО. В самом деле. Как уже отмечалось выше, из инвариантности интервала S² следует, что собственная продолжительность события является инвариантом преобразований Лоренца, т.е. является объективным параметром, независящих от каких-либо внешних наблюдателей. Поэтому, показания движущихся часов можно рассматривать относительно любой “покоящейся” инерциальной К-системы. При этом t_С=t_ВЦ 1-(U/C)², где U –скорость часов относительно покоящейся системы. Переходя к дифференциалам и интегрируя, получим:

Т_С= т Ц 1-(U/C)² dt_В (8в),

где интегрирование выполняется по промежутку времени Т_В, измеряемому в покоящейся системе. При этом следует иметь в виду, что промежуток Т_В будет отсчитан по двум часам, удаленным друг от друга на расстояние между начальным и конечным положением движущихся часов в масштабе К-системы. А это означает, что те рассуждения о близнецах, которые были ранее приведены с позиций ЭТИС, правомочны в СТО.

Таким образом, справедливости пассивного преобразования следует справедливость активного преобразования (8). СТО гениально выявила из своих принципов (слабых постулатов) реальный физический эффект о ходе часов.

 

2. Физика пространства

Эффект неопределенной длины. Лоренц получил соотношения (5), исходя из гипотезы о сокращении длины тела в направлении его движения относительно эфира. В ЭТИС на этот счет совсем другая позиция.

Активная формулировка: преобразования Лоренца сохраняют свою силу независимо от того, как изменяет свою длину стержень при изменении его скорости относительно эфира.

Назовем этот принципиально важный факт эффектом неопределенной длины..

Пассивная формулировка означает, что в оценки координаты x, которые делает движущийся наблюдатель, никак не связаны с каким-либо эталоном в виде физической линейки. Они определяются только путем измерения моментов времени в локационном процессе. Сам же локационный процесс протекает в эфире и не зависит от каких-либо линеек. Он сам себе создает эталон длины. Только темп хода часов и скорость света определяют масштаб длины. При выводе соотношений (5) понятие масштаба длины в движущейся системе отсчета никак не использовалось, а использовался лишь масштаб длины в системе, неподвижной относительно эфира.

“Мы имеем дело не с геометрией, а с хроногеометрией, когда длины и интервалы времени измеряются одними и теми же приборами – часами” (Дж. Синг).

Определим истинную длину стержня как его длину, измеренную в масштабе А-системы. Это означает, что в некоторой момент времени по А-часам нужно сделать одновременно засечки положения обоих концов стержня в А-системе. Расстояние между ними по масштабу А-системы будет истинной длиной стержня. Теперь можно сформулировать вопрос о том, что будет происходить с истинной длиной стержня при его разгоне. Для наглядности рассмотрим мысленный эксперимент.

Экспериментальная установка, неподвижная относительно эфира, содержит фотоэлемент Ф и ряд источников света И, расположенных на близком расстоянии друг от друга. Над источниками света И размещается неподвижная фотопластинка. Между источником и фотопластинкой в направлении V движется стержень. Когда стержень своим концом проходит над фотоэлементом Ф обеспечивает одновременное излучение всех источников (это возможно путем подбора соответствующих временных задержек, зависящих от расстояния от Ф до источника). Источники излучает световой импульс в направлении фотопластинки и на ней образуется тень (слепок) стержня. Длина этой тени и есть истинная длина движущегося стержня.

Будем теперь производить этот эксперимент многократно с различными скоростями V. Будет ли при этом изменяться длина, измеренная в эксперименте? Ответ на этот вопрос в рамках всех ранее сделанных предположений отсутствует. Какая-либо “физика пространства” в исходных положениях не предусматривалась и ей неоткуда взяться. Однако независимо от того, происходит какое-либо изменение истинной длины стержня или нет, преобразования Лоренца сохраняют свою силу. Ведь они определяют лишь взаимосвязь координат событий, каковыми в данном случае являются засечки концов стержня, для текущего состояния стержня независимо от того, что с ним произошло во время его разгона относительно эфира.

Иллюзия сокращения длины стержня. Рассмотрим стержень, который неподвижен относительно К’-системы. Он считается движущимся относительно “покоящейся” К-системы со скоростью U. Пусть координаты концов стержня в К’-системе равны х₂’и х₁’, а в К-системе - х₂ и х₁. Величину d_С=х₂’-х₁’ в СТО называют собственной длиной стержня. Оценка d_В=х₂-х₁ длины стержня, произведенная в К-системе, т.е. внешняя длина, в соответствии с (5а) составит:

d_С=d_В/Ц 1-(U/C)² (9а) или d_В=d_СЦ 1-(U/C) (9б).

Рассмотрим смысл этого соотношения с позиций ЭТИС. Пусть скорости систем К и К’ относительно эфира равны V₁ и V₂, а длина стержня, измеренная в масштабе А-системы, т.е. истинная длина, равна d.

Оценка длины стержня в каждой из систем осуществляется путем локации его концов. Пусть начальный конец стержня совпадает с К’-наблюдателем. При локации второго конца стержня в К’-системе время движения локационного сигнала в обе стороны по А-часам составит d/(C-V₁)+d/(C+V₂)= 2dC/(С²-V₂²). С учетом темпа хода часов в К’-системе получим d_С=d/Ц 1-(V₂/C)². Таким образом, длины d^’ в системе, движущейся относительно эфира, больше, чем длина этого же стержня в А-системе в соответствии с соотношением d^’=d/c . Из правила релятивности непосредственно следует справедливость соотношений (9).

Для уяснения смысла соотношения (9) рассмотрим локацию стержня в К-системе. Предположим, что V₂>V₁ и локация обеих концов привязана к моменту времени, когда задний конец стержня совпал с К-наблюдателем. Пусть это будет момент t=0 по К-часам. Чтобы оценка координаты переднего конца стержня в К-системе считалась выполненной в тот же момент времени, что и заднего, нужно чтобы местное время в точке, с которой поравнялся передний конец стержня было равно нулю. Отталкиваясь от смысла соотношения (7б) это означает, что в момент t=V₁Х/C² по А-часам должна быть выполнена засечка некоторой точки, расположенной на расстоянии Х от К-наблюдателя(в масштабе А-системы). При этом величина Х=d+tV₂. Исключив t, получим Х=d/(1-V₁V₂/C²). Другими словами, засечка переднего конца в К-системе производится тогда, когда по отношению к эфиру стержень пройдет некоторый путь по сравнению с его положением, в котором он находился в момент засечки положения заднего конца. Так как Х определено в масштабе А-системы, то его пересчет в масштаб К-системы даст d_В=Х/c ₁. Окончательно соотношение между d_В и d_С принимает вид (9)⁴, где U – релятивистская относительная скорость систем К и К’.

СТО соотношение (9) трактует, отталкиваясь от (9б): “длина движущегося стержня, расположенного в направлении движения, меньше длины покоящегося”[3, стр. 90]. “Обыденному здравому смыслу” здесь приходится не легко. В самом деле, собственная длина стержня все-таки нечто объективное. Она ведь не зависит от того, в один и тот же или в разные моменты времени производились засечки концов стержня. А “длина движущегося стержня” будет разной для разных наблюдателей, т.е. величина заведомо субъективная. Тем самым, следовало бы сказать, что субъективная величина d_В оказывается меньше, чем собственная длина, а не говорить о сокращении длины движущегося стержня.

Но все это, в конце концов, слова, к которым можно было бы и притерпеться, если бы не особый смысл, который СТО в них вкладывает. По существу, СТО пытается этой фразеологией сказать, что движущийся стержень становится физически короче, т.е. при разгоне одного и того же стержня до разных скоростей относительно рассмотренной выше экспериментальной установки длина тени будет различной в соответствии с (9). Другими словами СТО не делает различия между пассивным и активным преобразованием. Однако в данном случае такой вывод в рамках ЭТИС сделать нельзя в силу эффекта неопределенной длины.

Рассуждения в СТО, которые объясняют реальность сокращения стержня, являются неубедительными. Рассмотрим, например, предложенный Эйнштейном мысленный эксперимент, который используется в качестве иллюстрации того, что эффект сокращения длины движущегося стержня реален. Два стержня одинаковой длины собственной длины d_C движутся навстречу друг другу с равными скоростями относительно некоторой покоящейся К-системы. В момент времени, когда в К-системе стержни совместятся, в покоящейся системе можно зафиксировать длину d_В образовавшегося слепка совмещенных стержней. При этом ясно, что имеет силу (9): d_В=d_Cc . Рассмотренная процедура не использует часов. “Поэтому мы должны сказать, что лоренцево сокращение не есть свойство одного масштаба, а представляет собой принципиально наблюдаемое взаимное свойство двух масштабов”[2, стр. 29]. Да, грубо говоря, это именно соотношение масштабов. Точнее Согласно ЭТИС это, как было показано, есть не только взаимное свойство масштабов в двух инерциальных системах, но и следствие методической ошибки, связанной с эффектом местного времени. Это соотношение заведомо сохранится и при изменении скорости движущихся стержней, причем независимо от того, как изменится истинная длина стержня.

Физическое сокращении длины стержня. Ясно, что в рамках ЭТИС относительно физического изменения длины движущегося стержня ЭТИС можно выдвинуть различные гипотезы. Ограничиться следующими:

• гипотеза Майкельсона или гипотеза о жестком стержне: при плавном разгоне стержня его длина в масштабе А-системы остается неизменной. В опыте Майкельсона с помощью интерферометра сравнивается разность хода лучей в двух перпендикулярных направлениях, исходя из гипотезы о жестком стержне. По полученной разности оценивается скорость эфирного ветра, т.е. скорости интерферометра относительно эфира. Если бы результат этого опыта был признан положительным, то был бы признан и эфир;
• гипотеза Фиджеральда-Лоренца или гипотеза о компенсирующем лоренцевом сокращении: длина тела, движущегося относительно эфира, уменьшается (в масштабе А-системы) только в направлении его движения в соответствии с соотношением (9б). Эта гипотеза призвана объяснить отрицательный результат опыта Майкельсона и ему подобных;
• гипотеза Ланжевена: длина тела в направлении движения уменьшается в соответствии с гипотезой Фиджеральда-Лоренца, а в перпендикулярном направлении соответственно увеличивается;
• общий случай.

Парадокс собственной длины стержня в СТО. Рассмотрим инерциальную систему отсчета, в которой имеются два перпендикулярных друг другу стержня. СТО обязано считать, что при повороте стержня его собственная длина не изменится, так как СТО постулирует, что пространство инерциальной системы изотропное. Пусть система отсчета изменила свою скорость в направлении одного из стержней, который назовем продольным. Собственная длина поперечно расположенного стержня не должна измениться согласно (6в). При его последующем повороте в продольное положение его собственная длина опять же не должна измениться в силу изотропности пространства. Тем самым, не должна измениться собственная длина и того стержня, который в процессе изменения скорости системы занимает продольное положение. Другими словами,

Только этим свойством можно было бы объяснить отрицательный результат опыта Майкельсона. Если бы СТО взяло на себя обузу дать эфирную интерпретацию своей концепции, то она должна была бы неизбежно принять гипотезу Фиджеральда-Лоренца. А это есть так называемая лоренцева альтернатива СТО, которая признает ненаблюдаемый эфир.

Конец относительности. В случае, если принять гипотезу Майкельсона или гипотезу Ланжевена, то опыт Майкельсона должен дать положительный результат. Считается, что опыты такого рода дали отрицательный результат. Однако это не так[9]. Уже в первых опытах с интерферометром, выполненных на уровне поверхности Земли была измерена скорость эфирного ветра около 3км/сек. Однако наиболее полными и достоверными следует считать опыты, выполненные Д. Миллером на высоте 1860м[9]. Миллером и его сотрудниками с 1921-1926г. выполнены сотни тысяч отсчетов, в результате обработки которых получено значение эфирного ветра около 10 км/сек. К этим опытам следует отнестись с уважением, так как это немногие из опытов, проведенные на значительной высоте над уровнем моря, в процессе которых изучалось влияние разных мешающих факторов. Исследования были столь обширны, что удалось установить движение солнечной системы со скоростью более 200 км/сек в направлении, близком к перпендикулярном к плоскости эклиптики. Этот результат неплохо коррелируется с движением Земли относительно микроволнового фонового излучения. Ни в одном из других экспериментов не было проведено наблюдений такой длительности и такой непрерывности, которые требуются для выявления суточных и сезонных изменений. По видимому, здесь последнее слово еще не сказано.

где t* - уточненная оценка для времени события, (x’, t’) - оценки для координат события в соответствии с информационным соглашением (3а,б). После подстановок сюда выражений для x’ и t’ из (5а-б) получим:

t*=tc =t^ (10).

где x* и t* - координаты события в движущейся системе, а x* и t* - относительно эфира. Эти соотношения, конечно, не обладают групповыми свойствами. По сравнению с преобразования Лоренца они имеют также тот недостаток, что от (x*, t*) к наблюдаемому моменту события более далекий вычислительный переход, чем от (x’, t’). Но зато (10) ближе отражает физическую суть явления.

Концепция А. Эйнштейна принципиально вынуждена исключить возможность существования каких-либо явлений, отклоняющихся от ее результатов. ЭТИС же допускает наличие таковых, так как предполагает реальное взаимодействие эфира с веществом. В частности, по мнению Д. Миллера и других авторов, экранизация интерферометра металлическим корпусом должна приводить к отрицательному результату опыта, так как внутри металлического ящика эфир неподвижен. Заметим в частности, что П-брат, путешествующий в “экранированном” космическом корабле, возможно, не окажется моложе Д-брата.

1. Заключение

1. Предложена концепция (ЭТИС), альтернативная СТО, которая базируется на двух физических постулатах (об эфире и о часах) и информационном соглашении, определяющем процедуры оценок момента события и расстояния до точки, в которой произошло событие.