5. Первый постулат теории относительности

5. Первый постулат теории относительности

Принято считать, что первый постулат теории относительности является развитием принципа относительности Галилея. Однако это не так.

Краткое содержание принципа относительности Галилея следующее: никакими опытами внутри изолированной системы невозможно определить, движется ли система равномерно и прямолинейно или покоится. Иными словами: механические, оптические, электромагнитные и другие явления природы во всех инерциальных системах протекают одинаково. Инерциальными называются те системы, которые движутся относительно друг друга равномерно и прямолинейно. Принцип относительности Галилея возник из обобщения наблюдений и опытов. Математическое описание пространственных и временных величин в инерциальных системах движущихся относительно друг друга, называется преобразованиями Галилея и имеет следующий вид в прямоугольной системе координат:

Эти уравнения описывают координаты и время одного и того же точечного тела в системе отсчета Oxyzt — условно неподвижной, и O₁x₁y₁z₁t₁ — движущейся относительно первой вдоль оси Ох со скоростью v. Время отсчитывается от момента совпадения О и О₁.

Согласуясь с принципом относительности Галилея, Ньютон ввел понятия абсолютного, истинного, пространства и абсолютного, истинного, времени, являющегося неизменными безотносительно к чему-либо. Меры этих величин — расстояние между двумя точками прямой и интервал времени между двумя событиями в инерциальных системах — неизменные, они носят название инвариантов преобразований Галилея.

Действительно, возьмем отрезок прямой — ?х и интервал времени — ?t в системе O, и равные им — ?x₁ и ?t₁ в системе О₁. Затем системе О₁ придадим скорость v₁ ? v. В движущейся системе O_1, согласно принципу относительности Галилея, невозможно определить опытным путем новое инерциальное состояние по сравнению с прежним. Из этого следует, что отрезок прямой ?x₁ и интервал времени ?t₁ остаются прежними и равными ?x и ?t.

В качестве иллюстрации проявления принципа относительности Галилея рассмотрим необходимый в дальнейшем изложении пример. Представим две системы отсчета: неподвижную, условную, Oxyzt, и движущуюся относительно первой вдоль оси Ох со скоростью v, O₁x₁y₁z₁t₁. Направление соответствующих осей совпадает, (рис. 15, а). В момент совмещения начала координат в точке ОО₁ происходит вспышка света. Если этот момент принять за начало отсчета времени, то положение фронта распространения света в момент времени t будет описываться уравнением сферы радиуса r равного 

с центром в точке О, если источник был неподвижен относительно системы Oxyzt в момент вспышки. Относительно же центра О₁ скорость света по оси х равна разности (с – V). И наоборот, если источник был неподвижен относительно системы O₁x₁y₁z₁t₁, то центр сферы будет находиться в точке О₁, а относительно О скорость света по оси х равна сумме (с + v), (рис. 15, б).

Рис. 15

Типичное изложение первого постулата теории относительности следующее: механические, оптические и электромагнитные явления во всех инерциальных системах отсчета протекают одинаково [3, 305].

Но изложенная формулировка маскировочная, в постулате заложен совсем иной смысл, чем тот, что дан в определении. Вводя в теорию второй постулат, Эйнштейн приходит в противоречие с принципом относительности Галилея, который несовместим с постулатом с = const. Несовместимость наглядно доказывается следующим образом.

Вернемся к примеру, изображенному на рис. 15. При тех же условиях в момент совпадения начала координат происходит вспышка света (рис. 16), этот момент принимаем за начало отсчета времени.

Рис. 16

Теперь, не учитывая, где находятся источник в системе О, или О₁, так как в обеих системах скорость света от одного и того же источника согласно постулату с = const равна с, имеем, что с одной стороны, положение фронта распространения света в момент времени t будет описываться уравнением сферы радиуса

с центром в точке О, с другой стороны, фронт распространения света в момент времени t₁ будет описываться уравнением сферы радиуса

с центром в точке О₁. Таким образом, в один и тот же момент времени t = t₁ фронт распространения света достигнет различных точек пространства, что лишено смысла.

Создавшееся противоречие Эйнштейн решает отказом от понятий абсолютного, истинного, пространства и абсолютного, истинного, времени Ньютона и введением сформулированных А. Пуанкаре и Г. Лоренцем понятий относительного пространства и относительности одновременности. Этим нововведением производится замена принципа относительности Галилея совсем другим принципом, согласно которому в инерциальных системах отсчета, движущихся относительно наблюдателя, процессы природы протекают уже иначе. Преобразование координат и времени принципа относительности Эйнштейна, записанные в виде уравнений, описывающих координаты и время одного и того же точечного тела в системах, движущихся одна относительно другой со скоростью v по оси Ох, имеют вид:

Здесь в движущейся системе отрезок прямой

а интервал времени

где ? = v/с. Эти уравнения носят название преобразований координат и времени Лоренца. Сокращение ?x₁ в 

и увеличение интервала времени на обратную величину в движущейся системе называются соответственно лоренцевым сокращением пространства и лоренцевым замедлением времени. Инвариантом в этих преобразованиях является c = const. Скорость света — величина, производная от мер пространства и времени, принимается Эйнштейном основной, независимой, а основополагающие понятия — пространство и время напротив, — зависимыми, переменными.

Согласно преобразованиям Лоренца, пример, изображенный выше на рис. 14 при тех же условиях приобретает вид, что изображен на рис. 17.

Рис. 17

Фронт распространения света в системе О имеет форму шара радиуса r = сt с центром в точке О, а в системе О₁, тот же фронт распространения света имеет форму шара радиуса r₁=сt₁, но с центром в точке О₁. Таким образом, имеем один и тот же фронт распространения света формы шара с двумя не совмещенными центрами(!).

Первый постулат теории относительности, или принцип относительности Эйнштейна, в переводе с языка математики на разговорный имеет следующую формулировку: В инерциальных системах, движущихся относительно той, в которой находится наблюдатель, размеры тел сокращаются в направлении движения, а интервалы времени и масса увеличиваются пропорционально отношению скорости движения систем к скорости света c=const, то есть, процессы природы в движущихся системах протекают иначе, чем в системе наблюдателя.

Согласно теории относительности для наблюдателя А, находящегося в неподвижной системе «А», его и все движущиеся инерциальные системы, в том числе одна из них «В», неравноправные. Величина неравноправности для наблюдателя А определяется скоростью движения каждой системы относительно него.

Наблюдатель В находится в движущейся системе «В». Но для него своя система неподвижная, а все остальные — движущиеся, в том числе «А», неподвижная для наблюдателя А. Следовательно, для наблюдателя В инерциальные системы тоже неравноправные, но с точностью наоборот. По его наблюдениям в системе «А» размеры тел сокращаются в направлении движения, а интервалы времени и масса увеличиваются, процессы природы происходят иначе, чем в его системе.

Возникает вопрос: «Есть ли вообще предсказываемые изменения?».

Отвечая на него, Эйнштейн писал так: «Вопрос о том, реально ли лоренцево сокращение, не имеет смысла. Сокращение не является реальным, поскольку оно не существует для наблюдателя, движущегося вместе с телом, однако оно реально, так как оно может быть принципиально доказано физическими средствами для наблюдателя, не движущегося вместе с телом» [2, с. 187, Т.1].

К сожалению, он не указал физические средства, с помощью которых может быть разрешен этот парадокс. Не указал по простой причине, — нет физических средств, с помощью которых можно экспериментально проверить предсказываемые изменения. Если принцип относительности Галилея является результатом обобщения наблюдений и экспериментов, то принцип относительности Эйнштейна опытной проверки не имеет и иметь не может.

Действительно, всякое физическое измерение состоит из двух частей: первая — выбор эталона, меры измерения величины, вторая — проведение измерения по определенной методике (процедура измерения). Внутри инерциально движущейся системы, а скорость системы нами может быть принята любой, согласно релятивистским представлениям сокращается (пространство) или увеличивается (время, масса) всё — и измеряемый объект, и эталон. Поэтому проверить предполагаемые изменения объективно, опытом, независимо от наших суждений, невозможно.

Принцип относительности Эйнштейна, в котором сформулирована сущность теории относительности, самостоятельного значения не имеет. Он является логическим следствием постулата с = const, который противоречит реальности, поэтому и сам принцип относительности Эйнштейна, и теория относительности также противоречат реальности.

Противоречит реальности и общая теория относительности (ОТО), поскольку в её основе находится всё тот же постулат постоянства скорости света. К нему в общей теории добавлен ещё один, произвольный, непонятно откуда взятый постулат: скорость распространения гравитационного поля v_g равна с, то есть, v_g = с = const. Согласно постулату общей теории относительности считается, что скорость распространения гравитационного поля v_g = 300 000 км/с, и эта скорость не подчиняется классическому закону сложения скоростей.

Не являются обоснованными и утверждения о том, что некоторые явления природы находят свое объяснение только как следствия теории относительности, и тем самым доказывают ее правильность и оправдывают необходимость. Напротив, все явления природы, кроме мысленных экспериментов типа «парадокса близнецов», логически непротиворечиво и просто описываются в понятиях классической физики. В качестве примера рассмотрим некоторые из них.