Электромагнитная картина мира

В расширенной специальной  теории относительности (РСТО) система  аксиом имеет следующий вид:

Выполнение принципа относительности (если все материальные тела физической системы привести в состояние свободного и равномерного прямолинейного движения относительно системы, условно называемой покоящейся, то явления в движущейся системе отсчёта для сопутствующего наблюдателя будут выглядеть так же, как в покоящейся системе отсчёта для неподвижного в ней наблюдателя).

Существует такая изотропная система отсчёта, в которой скорость распространения света одинакова  по всем направлениям и не зависит  от скорости излучателя света.

Справедливость симметрий  относительно поворотов в пространстве-времени  Евклида. В частности, при движении системы отсчёта оси координат считаются остающимися параллельными осям неподвижной системы отсчёта. Также подразумевается независимость скорости света от направления его распространения в поперечном направлении относительно скорости движения инерциальной системы отсчёта.

Справедливость симметрий  относительно сдвигов в пространстве-времени  Евклида. Это означает линейность преобразований координат и времени из одной  инерциальной системы отсчёта в  другую (все координаты в преобразованиях  входят в первой степени, члены с  более высокими степенями отсутствуют). Кроме этого считается, что поперечная длина стержня не зависит от знака скорости перемещения этого стержня, а определяется абсолютным значением скорости.

Пространственно-временные  измерения осуществляются с помощью  электромагнитных волн.

По сравнению с СТО, в РСТО делается замена второго постулата  СТО о независимости скорости света для любого наблюдателя на аксиому об изотропности пространства. В результате, формулы СТО и его постулат о постоянстве скорости света для всех наблюдателей оказываются выведенными в другой аксиоматике, исходя из РСТО.

Но в чём же ещё заключается преимущество РСТО перед СТО? Для ответа на этот вопрос рассматривается распространение света внутри движущихся тел. В системе отсчёта S’, где тело покоится, скорости света внутри тела  с3  и с4 в противоположных направлениях оси Х’ зависят от абсолютного показателя преломления и теоретически могут зависеть ещё от направления и величины скорости движения тела в изотропной системе отсчёта S0 . Последнее вытекает из того, что движение тела в S0  может изменить скорости распространения света внутри тела, например, подобно эффекту увлечения эфира. С точки зрения  S0 , скорости света внутри тела будут равны с5  и с6. Из вычислений возникают соотношения между направленными в одну сторону скоростями  с4  и с6,  с3  и с5. Эти соотношения при упрощающих предположениях переходят в стандартные формулы сложения скоростей в опыте Физо, когда движущаяся вода увлекает свет и эффективно увеличивает его скорость. Но если не делать никаких упрощений, РСТО предполагает возможность появления дополнительных эффектов, за счёт неравенства скоростей  с3  и  с4. Такое неравенство скоростей вполне возможно при больших скоростях или ускорениях движения тела в изотропной системе отсчёта. Подобных предсказаний СТО сделать не может, ввиду излишней жёсткости своих постулатов.

За счёт возможного влияния  физического вакуума на показатели преломления света, измерения внутри движущихся и ускоряющихся тел могут привести к другим результатам по сравнению с внешними измерениями промежутков времени и длин этих же тел и по сравнению с измерениями внутри покоящихся в изотропной системе тел. Поскольку фазовая скорость света внутри материальных тел зависит от абсолютного показателя преломления , то через этот показатель и должно проявляться влияние физического вакуума. В теории РСТО преобразования координат и времени имеют вид:

В веществе показатель преломления  зависит от угловой частоты волны  согласно формуле:

причём волновое число   также является функцией от   (здесь есть длина волны). В общем случае в преобразования Лоренца вместо скорости распространения света в вакууме следует подставить групповую скорость света в веществе, равную с учётом (2):

Это приводит к преобразованиям (1), отличающимся от частных преобразований Лоренца введением абсолютного показателя преломления  и его производной по угловой частоте волны  , с целью учёта скорости электромагнитной волны в веществе любого вида.

В РСТО допускается, что пространственно-временные  измерения могут производиться  не только с помощью электромагнитных, но и гравитационных (или иных) волн. [2] Это означает возможность введения в преобразования Лоренца и в другие формулы СТО вместо скорости света скорости волны, с помощью которой производятся измерения. В результате выбора той или иной волны соответственно изменяется ход наблюдаемых явлений, по-другому интерпретируются результаты экспериментов.

Сущность СТО

Следствием постулатов СТО  являются преобразования Лоренца, заменяющие собой преобразования Галилея для  нерелятивистского, «классического»  движения. Эти преобразования связывают  между собой координаты и времена  одних и тех же событий, наблюдаемых  из различных инерциальных систем отсчёта.

В СТО видоизменяются также  и законы динамики. Так, можно вывести, что второй закон Ньютона, связывающий силу и ускорение, должен быть модифицирован при скоростях тел, близких к скорости света. Кроме того, можно показать, что и выражение для импульса и кинетической энергии тела имеет более сложную зависимость от скорости, чем в нерелятивистском случае.

Специальная теория относительности  получила многочисленные подтверждения  на опыте и является безусловно верной теорией в своей области применимости. Учёт достижений экспериментальной физики позволяет утверждать, что в пределах своей области применимости – при пренебрежении эффектами гравитационного взаимодействия тел – СТО является справедливой с очень высокой степенью точности (до 10−12 и выше) (см. список литературы). По меткому замечанию Л. Пэйджа «В наш век электричества, вращающийся якорь каждого генератора и каждого электромотора неустанно провозглашает справедливость теории относительности — нужно лишь уметь слушать».

Четырёхмерный континуум  — пространство-время

С математической точки зрения, непривычные свойства СТО можно  интерпретировать как результат  того, что время и пространство не являются независимыми понятиями, а  образуют единый четырёхмерный континуум  — пространство-время Минковского, которое является псевдоевклидовым пространством. Вращения базиса в этом четырёхмерном пространстве-времени, смешивающие временную и пространственные координаты 4-векторов, выглядят для нас как переход в движущуюся систему отсчета и похожи на вращения в обычном трёхмерном пространстве. При этом естественно изменяются проекции четырёхмерных интервалов между определёнными событиями на временную и пространственные оси системы отсчёта, что и порождает релятивистские эффекты изменения временных и пространственных интервалов. Именно инвариантная структура этого пространства, задаваемая постулатами СТО, не меняется при переходах от одного события к другому, и гарантирует независимость результатов экспериментов от используемой инерциальной системы отсчёта.

Аналог расстояния между  событиями в пространстве Минковского, называемый интервалом, при введении наиболее простых координат, аналогичных декартовым координатам трёхмерного пространства, даётся выражением:

Обратите внимание: теоретически «квадрат расстояния» между двумя  разными событиями может быть не только положительным, но и отрицательным  и даже нулём. Именно незнакоопределённость метрики определяет свойства пространства-времени, делая его геометрию псевдоевклидовой (см. напр. световой конус).

Отношения специальной теории относительности с другими физическими  понятиями

Гравитация

сновная статья: Гравитация

Для учёта влияния гравитации и электромагнитного поля на результаты измерений разработана теория ОТО как особое расширение теории относительности, в котором допускается кривизна пространства-времени. Следующим шагом стало включение специальной и общей относительности в метрическую теорию относительности (МТО). [3]

Тем не менее, динамика даже в рамках СТО может учитывать  гравитационное взаимодействие, пока потенциал гравитационного поля много меньше квадрата скорости света, смотри Лоренц-инвариантная теория гравитации. В некоторых случаях специальная теория относительности перестает работать и в масштабах звёздных и галактических систем, требуя замены на ОТО или МТО. В частности, это необходимо при расчёте явлений в нейтронных звёздах, в ядрах галактик, при попытке распространить теорию относительности на Метагалактику и более крупные объекты.

Классическая механика

Теория относительности  входит в существенное противоречие с некоторыми аспектами классической механики. Например, парадокс Эренфеста показывает несовместимость СТО с понятием абсолютно твёрдого тела. Надо отметить, что даже в классической физике предполагается, что механическое воздействие на твёрдое тело распространяется со скоростью звука, а отнюдь не с бесконечной скоростью (как должно быть в воображаемой абсолютно твёрдой среде).

Квантовая механика

Специальная теория относительности (в отличие от общей) полностью совместима с квантовой механикой. Их синтезом является квантовая теория поля. Более того, такое квантовомеханическое явление как спин без привлечения теории относительности не имеет разумного объяснения. Однако обе эти теории вполне независимы друг от друга. Возможно построение как квантовой механики, основанной на нерелятивистском принципе относительности Галилея (см. уравнение Шрёдингера), так и теорий на основе СТО, полностью игнорирующих квантовые эффекты.

Развитие квантовой теории всё ещё продолжается, и многие физики считают, что будущая полная теория ответит на все вопросы, имеющие физический смысл, давая их в пределах как СТО в сочетании с квантовой теорией поля, так и с учётом ОТО. Скорее всего СТО ожидает такая же судьба, как и механику Ньютона — будут точно очерчены пределы её применимости. В то же время такая максимально общая теория пока является очень отдалённой перспективой, и не все учёные считают, что её построение вообще возможно.

Эффекты СТО

К наиболее распространенным эффектам СТО, их ещё называют релятивистскими  эффектами, относят:

Замедление времени

Время в движущейся системе  отсчета течет медленнее:

где  - промежуток времени  между двумя событиями в движущейся со скоростью  системе отсчёта, - промежуток времени между этими же событиями, отсчитываемый в покоящейся системе отсчёта.

С этим эффектом связан так  называемый парадокс близнецов.

Сокращение линейных размеров

Линейные размеры тел  в движущейся системе отсчета  сокращаются:

, для длины. 

, для объема.

Такое сокращение размеров еще  называют лоренцевым сокращением.

 «Утяжеление» при движении

Релятивистская масса  движущегося объекта больше массы  покоя:

Однако, в современной  физической литературе по СТО —  масса частицы (инвариантная масса) не зависит от скорости, являясь  инвариантом относительно преобразований Лоренца, и является величиной неаддитивной. В данной формуле речь идет о так  называемой «релятивистской массе», которая возрастает с увеличением  скорости. «Утяжеление» следует понимать лишь условно, как будто справедлив закон Ньютона, а не аналогичный ему закон релятивистской динамики. В современной физической литературе понятие «релятивисткой массы» практически заменено на понятие «массы-энергии», и встречается в основном в ранних работах по теории относительности.

Следует подчеркнуть обратимость  эффектов СТО. Например, эффект замедления времени в движущейся системе отсчёта 2 относительно неподвижной системы 1 отсчёта справедлив и для наблюдателя в движущейся системе – для него его собственная система отсчёта 2 неподвижна, и с его точки зрения замедляться время будет в системе отсчёта 1, движущейся в противоположную сторону. Это же касается и видимого сокращения размеров движущихся тел. Данные эффекты являются следствием принятой в СТО процедуры измерения времени и размеров посредством электромагнитной волны и процедуры установления одновременности, то есть связи между пространственной координатой тех или иных часов и временем регистрации события этими часами.

Комментарии

Так же, как и в случае квантовой механики, многие предсказания теории относительности противоречат интуиции, кажутся невероятными и невозможными. Это, однако, не означает, что теория относительности неверна. В действительности то, как мы видим (либо хотим видеть) окружающий нас мир и то, каким он является на самом деле, может сильно различаться. Уже больше века учёные всего мира пробуют опровергнуть СТО. Ни одна из этих попыток не смогла найти ни малейшего изъяна в теории. О том, что теория верна математически, свидетельствует строгая математическая форма и чёткость всех формулировок.

О том, что СТО действительно  описывает наш мир, свидетельствует  огромный экспериментальный опыт. Многие следствия этой теории используются на практике. Очевидно, что все попытки "опровергнуть СТО" обречены на провал потому, что сама теория опирается на три постулата Галилея (которые несколько расширены), на основе которых построена ньютонова механика, а также на дополнительные постулаты. Результаты СТО не вызывают какого-либо сомнения в пределах максимальной точности современных измерений: лучше 10 − 12, а в некоторых аспектах — до 10 − 15. Более того, точность их проверки является настолько высокой, что постоянство скорости света положено в основание определения метра — единицы длины, в результате чего скорость света становится константой автоматически, если измерения вести в соответствии с метрологическими требованиями и при обязательном использовании стандартной процедуры измерений на основе электромагнитных волн.

Ссылки

Федосин С.Г. Современные проблемы физики. В поисках новых принципов, М: Эдиториал УРСС, 2002, 192 стр., Ил.26, Библ. 50 назв. ISBN 5-8360-0435-8.

Fedosin S.G. Electromagnetic and Gravitational Pictures of the World. Apeiron, Vol. 14, No. 4, P. 385-413, 2007; статья на русском языке: Электромагнитная и гравитационная картины мира.

Федосин С.Г. Физические теории и бесконечная вложенность материи, Пермь, 2009, 844 стр., Табл. 21, Ил.41, Библ. 289 назв. ISBN 978-5-9901951-1-0.

Литература

Г. А. Лоренц. Интерференционный  опыт Майкельсона. Из книги "Versucheiner Theoriederelektrischenundoptischen Erscheinungeninbewegten Korpern. Leiden, 1895, параграфы 89...92.

J. Larmor. On a Dynamical Theory of the Electric and Luminiferous Medium, Part 3, Relations with material media. — 1897, Т. 190. — С. 205-300.

А. Пуанкаре. Измерение времени. "Revuede Metaphysiqueetde Morale", 1898, t. 6, p. 1...13.

Lorentz H.A. Zittingsverlag, Acad.Wet., v.7, s.507 (1899); Amsterdam Proc., 1898-1899, p.427).

Larmor J.J. Aether and Matter. Cambridge, 1900, (p.167-177). /На русском яз. см. с.48. Принцип относительности — М.: Атомиздат, 1973, (сост. сб. А.Тяпкин).

А. Пуанкаре. Оптические явления  в движущихся телах. ElectriciteetOptique, G. CarreetC. Naud, Paris, 1901, p. 535...536.

А. Пуанкаре. О принципе относительности  пространства и движения. Главы 5...7 из книги “Наука и гипотеза”(H. Poinrare. Scienceand Hypothesis. Paris, 1902.)

А. Пуанкаре. Настоящее и  будущее математической физики. Доклад, напечатанный в журнале "Bulletindes Sciences Mathematiques", 1904, v. 28, ser. 2, p. 302.