Читать онлайн Теория относительности и сверхсветовая скорость бесплатно

Предисловие

Данная работа является дополненным и уточненным вариантом моих книг «Теория относительности» за 2020 год и «Теория относительности и сверхсветовая скорость» за 2021 год, изданных малым тиражом издательством Спутник+, Москва. Первоначальным толчком для появления этих книг было высказывание «Кто от кого улетает и улетает ли вообще?», услышанное мной случайно где-то в самом конце прошлого века. Оно меня весьма заинтересовало, так как если верить общепринятому мнению о конечности размеров Вселенной, то человеческому взору в любой точке неба должно быть доступным одно и то же изображение самого раннего появления света во Вселенной – мы можем видеть только прошлое. При этом после «инфляционного расширения пространства», что само по себе непонятно что и непонятно как, размеры Вселенной к моменту возникновения света должны быть таковы, что нам не придется, находясь внутри расширяющейся Вселенной, видеть горизонт первичного света снаружи него. Как при этом натянуть сферу меньшего радиуса на сферу большего радиуса – большой вопрос. А уж открытие стены Геркулеса размером в 10 миллиардов световых лет в сочетании с бесплодными попытками найти реликтовые гравитационные волны свидетельствует о том, что познание Вселенной надо начинать с нуля. Но это не самая большая проблема – начинать надо с наведения порядка в нашем теоретическом доме, прежде всего в теории относительности, а также в квантовой механике. Действительно, чего только стоят «доказательства» сокращения длины стержня и замедления хода времени. Читаешь и так и тянет к психиатру с вопросом: «Скажите доктор, как можно всерьез рассматривать утверждение о движении тела, если ты только что сам признал это тело неподвижным? А если все это понимают(?) и принимают за истину(?!), то, что со мной?». Поэтому желаю тем, кто удосужится прочитать эту книгу, не страдать от подобного вопроса.

Открытие сверхсветовой скорости [1] ставит вопрос о совместимости этого факта с ограничением скорости материальных объектов скоростью света в вакууме. И хотя в указанный источник были внесены изменения о том, что эта скорость является кажущейся, одно его появление свидетельствует о наличии неудовлетворенности некоторыми вопросами, связанными с теорией относительности. Ответу, есть ли основания для самой постановки вопроса об обоснованности теории относительности и критических замечаний в ее адрес, и посвящена данная работа.

Собственно теория относительности стала ответом на вопрос об особенностях описания движения тела наблюдателем после открытия факта конечности скорости света, так как вся теоретическая физика до этого открытия была основана на существовании единого времени и бесконечности скорости света. Предварительные попытки дать ответ на этот вопрос были сделаны в области модернизации принципа Галилея в отношении правил преобразования координат движущейся вместе с наблюдаемым телом и неподвижной систем координат. Окончательный вид эти преобразования приобрели в специальной теории относительности. Ее создатель, Альберт Эйнштейн, понимая, что одних лишь преобразований координат различных систем отсчета для описания механического движения тел явно недостаточно, не стал искать путей модернизации соответствующих разделов классической механики. Он просто предложил свое определение релятивистских энергии и импульса, никак не связанные с такими достижениями теоретической физики как функция Лагранжа и уравнения Эйлера-Лагранжа, в соответствии с которыми в классической теории даются определения энергии и импульса. Аналогично этому в общей теории относительности он отказался от определения гравитации, предложенного Ньютоном, как формы взаимодействия имеющих массу тел, и заменил ее на взаимодействие этих тел с пустым пространством, которому придал свойство искривления в присутствии масс.

И, хотя специальная и общая теории относительности неразрывно связаны, их рассмотрение следует все же осуществлять по отдельности.

Специальная теория относительности устанавливает, каким образом на наблюдении за процессами, происходящими на движущемся теле, сказывается конечность скорости света. И используется для этого понятие инвариантного интервала, определяющего описание наблюдения за движущимся телом с помощью времени, замеряемого по часам, связанным с неподвижным наблюдателем. Подчеркнем, что именно наблюдаемый образ служит объектом, по которому судят о характере протекания процессов на движущемся теле по сравнению с протеканием этих процессов на неподвижном теле. Считается, что эти процессы должны отвечать требованию релятивистской инвариантности их математического описания и существует некоторый особый закон природы, в соответствии с которым вводится непреложное условие правомерности (истинности) любой физической теории. Для этого введены понятия лоренц-ковариантности и лоренц-инвариантности.

В соответствии с классическим определением [3] лоренц-ковариантность – это свойство физических законов записываться одинаково во всех инерциальных системах отсчета (с учетом преобразований Лоренца), а лоренц-инвариантностью называют свойство какой-нибудь величины сохраняться при преобразованиях Лоренца. Ключевым для данных определений является понятие «преобразования Лоренца». Что же собой представляет данное понятие?

Обратимся к учебнику по физике [6], в котором подробно описан процесс вывода преобразований координат различных инерциальных систем отсчета при условии конечности скорости света и его постоянстве в этих системах координат. За основу вывода преобразований Лоренца принимается равенство координатного расстояния между центром координат и произвольно выбранной точкой и расстояния, пройденного импульсом света от центра системы координат до указанной точки. Последнее расстояние рассчитывается как произведение скорости света и времени нахождения импульса в пути. Почеркнем, что произвольный выбор точки требует независимости только координат, а не времени и указанное основное условие полностью исключает возможность признания времени независимой переменной – оно после выбора точки становится функцией координат. В связи с этим обстоятельством с помощью преобразований Лоренца принципиально невозможно сравнивать ход идентичных часов в различных инерциальных системах отсчета, можно сравнивать только периоды времени, необходимые импульсу света для достижения одной и той же точки пространства. В связи с этим одному и тому же периоду времени не могут соответствовать разные расстояния. И, наоборот, одному и тому же расстоянию не могут соответствовать различные периоды времени. А ведь именно эти предположения кладутся в основу «доказательств» лоренцевых изменений длины и времени. И, следовательно, ни о каких эффектах сокращения длины стержня, или замедления хода часов, по крайней мере в той форме, как они изложены в литературе, на основании преобразований Лоренца не может быть и речи.

При выводе данных преобразований используется понятие скорости относительного движения инерциальных систем координат. Причем данное понятие имеет две трактовки: наблюдаемая скорость и реально существующая, но из-а конечности скорости света не подлежащая непосредственному наблюдению, скорость движения тела. И в лоренц-инвариантных преобразованиях может быть использована только реальная скорость. Кроме того, для этих преобразований весьма существенной является проблема фиксации времени достижения импульсом света произвольно выбранной точки по часам, связанным с центрами сравниваемых систем. В силу конечности скорости света это время может быть получено только расчетным путем с использованием экспериментально замеряемого промежутка времени между испусканием и приемом отраженного от наблюдаемого объекта импульса света. Конечно, при этом необходимо, чтобы расстояние между наблюдателем и объектом было неизменным. Но предположим, что нам каким-то образом удалось определить реальную скорость смещения центров двух инерциальных систем координат. При этом необходимо осознавать, что визуально определяемое межцентровое расстояние в любой момент времени отличается от реально существующего. С учетом данных обстоятельств можно приступить к решению задачи о сравнении разных инерциальных систем отсчета. Замерив угол между вектором скорости смещения движущегося наблюдателя и радиус-вектором между неподвижным наблюдателем и объектом, получаем стандартную геометрическую задачу о нахождении длины третьей стороны треугольника при известности двух сторон и угла между ними. При решении данной задачи необходимо иметь ввиду, что расстоянием между неподвижным объектом и движущимся наблюдателем считается расстояние между указанным объектом и местом, в котором должен находиться движущийся наблюдатель в момент прихода на объект импульса света, испущенного из точки расположения неподвижного наблюдателя. Данное замечание относится также и к расстоянию между неподвижным и движущимся наблюдателями. В силу обратимости движения расстояние между взаимно смещающимися объектом и наблюдателем не зависит от того, будет ли наблюдатель считать себя неподвижным или движущимся. Тогда найденное решение о расстоянии между движущимся наблюдателем и неподвижным объектом и является искомым решением, необходимым для сравнения различных систем координат. Это сравнение автоматически происходит при сопоставлении значений соответственных координат произвольно выбранной точки, и его можно свести к сравнению времен движения импульса света от неподвижного и движущегося наблюдателей к объекту. Есть только одна особенность, заключающаяся в том, что любой точке каждой из сравниваемых систем координат будет соответствовать один и только один момент времени. Следовательно, необходимо ясно осознавать, что такое сравнение будет иметь совсем уж специфический, если не сказать бесполезный, характер. Во-первых, результат сравнения по отношению к пространственному расположению наблюдаемого тела будет кардинально отличаться от визуальной картины. А, во-вторых, что наиболее важно, отсутствует какая-либо возможность сравнивать ход идентичных часов у разных наблюдателей, так как время как независимая переменная было сознательно исключено из рассмотрения, и каждый из наблюдателей снабжен не часами, а секундомером. Можно, конечно, если считать допустимым применение метода параллельного переноса, обойтись и секундомерами, используя их как часы для разных точек, однако мы получим только набор задач по определению третьей стороны треугольника при известности двух других сторон и угла между ними. А решение этих задач в общем случае, как хорошо известно, не совпадает с решением для прямоугольных треугольников. Кроме того, решение каждой из указанных задач будет справедливым только при условии независимости скорости света от скорости источника отраженного импульса света. Именно при таком условии возможно измерение относительной скорости движения разных инерциальных наблюдателей. Но и в этом случае невозможно сравнение результатов непосредственного наблюдения за окружающим миром неподвижным и движущимся наблюдателями с использованием предложенных Лоренцем теоретических обоснований по преобразованию координат. Более того, использование времени из выражения в качестве переменной величины позволяет определить проекции скорости света на координатные оси и , либо величину смещения центров сравниваемых систем координат, но в привязке к движению импульса света, и ничего иного.

Если же мы попытаемся придать выражениям производных соответствующих координат по времени из основного уравнения классических преобразований Лоренца иной смысл, а именно и , то нам придется отказаться от использования инвариантного выражения . А ведь именно на сочетании указанных взаимоисключающих условий делаются попытки построить релятивистскую динамику (кинематику).

Конечно, это вовсе не означает, что на базе различных независимых переменных невозможно строить некоторые специальные зависимости, целью которых является исключение одной или нескольких переменных. Но необходимо понимать, что с помощью исключенных переменных невозможно делать заключения и выводы, применимые только в случае независимости переменных.

Еще одним и чрезвычайно важным недостатком рассмотренного вывода классических трехмерных преобразований координат различных инерциальных систем является то, что при этом выводе была сознательно исключена возможность сравнения систем, движущихся со сверхсветовой скоростью относительно друг друга. Действительно, в движущейся системе координат произвольно выбранная точка должна принять испущенный из центра указанной системы импульс света. Но, поскольку она сама движется относительно упомянутого центра, этот импульс может достичь нее только, если он сможет ее догнать. А это в принципе невозможно, если скорость движения точки будет превышать скорость света. Следовательно, поставленная задача преобразования координат различных инерциальных систем трехмерного пространства не может считаться решенной.

Таким образом, как вывод, так и полученный на его основе результат, известный как лоренцевы преобразования координат, являются несостоятельными, поскольку, во-первых, использованная в них скорость взаимного смещения центров сравниваемых систем координат не является визуально наблюдаемой величиной, в то время как именно визуальная наблюдаемость считается неотъемлемым свойством классических преобразований Лоренца. Во-вторых, для указанных преобразований осознанно, или случайно принято условие, ограничивающее скорость смещения центров сравниваемых систем координат скоростью света, хотя никаких предварительных предпосылок для такого ограничения нет. Ну, и в-третьих, полученный результат по преобразованию времени не относится к собственно сравнению скорости хода пары идентичных часов в разных системах координат. В действительности, с помощью классических преобразований Лоренца можно получить некоторое бесполезное с практической точки зрения преобразование трехмерных систем координат, никак не затрагивающее вопрос сравнения скорости хода расположенных в этих системах идентичных часов. А эффект различия показаний на них при сравнении времени достижения испущенным из совмещенных центров указанных систем импульсом произвольно выбранной точки целиком и полностью определяется тем, что считая скорость света постоянной в обеих системах координат мы, тем не менее, завуалированно увеличиваем эту скорость за счет скорости сближения произвольно выбранной точки и импульса света, испущенного из центра движущейся системы координат.

Возможно с учетом этих обстоятельств, но прежде всего в связи с тем, что доказательство преобразований Лоренца для трехмерного пространства невозможно подтвердить экспериментальными данными, и побудило Альберта Эйнштейна взяться за создание специальной теории относительности.

Инвариантный интервал специальной теории относительности имеет внешнее сходство с основным уравнением, применяемым для вывода классических преобразований Лоренца. Но по своей сути, как с физической, так и математической точек зрения – это совершенно разные вещи.

Во-первых, в выражении для инвариантного интервала время, равно как и три пространственные координаты, является независимой переменной. А во-вторых, этот интервал является величиной измеримой, в то время как в классических преобразованиях Лоренца этот интервал, если бы он был введен, является тождественно равным нулю, и определяется он не через абсолютные значения времени и координат, а через их изменения.

Эйнштейн предложил способ учета конечности скорости света при описании движения в различных системах координат, ориентированный на классические преобразования Лоренца, с помощью инвариантного интервала, задаваемого выражением и являющегося определением длины отрезка по его проекциям в четырехмерной системе координат. Причем собственно пространство определено через особую метрику, в соответствии с которой расстояния между точками, определение которых осуществляется с помощью нетривиальных значений временной координаты, в нем заданы именно через инвариантный интервал (см., например, [8] с.25). А расстояния между точками, задаваемыми только через пространственные координаты, определяются по правилам евклидовой геометрии. В указанном источнике (см. там же) сравнение «движущейся» и «неподвижной» прямоугольных систем координат предлагается осуществлять путем сравнения развернутых на некоторый угол ψ четырехмерных систем, таким образом, чтобы:

Тогда, если , то . А так как , , использование заданной метрики четырехмерных пространств якобы позволяет получить преобразования координат, совпадающие с теми, что получены при классических преобразованиях Лоренца. Однако такое предположение является в корне ошибочным. Действительно, если подставить в формулы и начальные условия и =x'⁄t', то получим выражение только для сравнения хода часов: . А сравнение пространственных координат x с x’ принципиально невозможно – по начальным условиям последние всегда равны нулю. И определить, как это предлагается в [8], изменение длины стержня при переходе от одной системы координат к другой также принципиально невозможно, поскольку в развернутой системе координат начальным условием является равенство нулю длины этого стержня.

Отметим, что при данном выводе для четырехмерного пространства используются значения пространственных координат и времени трехмерного пространства, при этом неподвижной для трехмерного пространства системой координат считается та, в которой центр другой также трехмерной системы отсчета и произвольно выбранная точка являются движущимися. Кроме того, из рассмотрения исключены изменения координат, связанные с их параллельным переносом. В этом смысле использование в записи формул собственно обозначений независимых переменных, а не их изменений не должно вводить в заблуждение, что речь идет о преобразованиях координат сравниваемых инерциальных систем отсчета. На самом деле мы имеем дело со сравнениями изменений этих переменных при изменении ориентации одной и той же четырехмерной системы координат, то есть с одним единственным наблюдателем, а не с двумя, как это имеет место для вывода преобразований Лоренца в классическом трехмерном случае.

Альтернативой псевдоевклидовому пространству с его метрикой, задаваемой частично через гиперболические функции, а частично через тригонометрические функции, являются координатные системы, в которых длина четырехмерного отрезка определяется только правилами геометрии Евклида. При этом инвариантный интервал определяется в них как длина вектора, исчисляемая с помощью теоремы Пифагора, в соответствии с выражением:

В этом случае мы, при совпадении центров систем координат, имеем дело с использованием только тригонометрических функций для определения геометрии четырехмерных пространств, развернутых на некоторый угол:

И тогда .

Оба указанных выражения для времени в движущейся системе координат могут быть выведены только с помощью использования факта существования инвариантного интервала, имеющего одну и ту же длину в сравниваемых системах. При этом последнее из них не ограничивает скорость тела скоростью света в вакууме.

Существуют и иные, базирующиеся на понятии об инвариантном времени собственном, способы определения взаимозависимости времен движущейся и неподвижной четырехмерных систем координат, основанные на использовании метода неопределенных коэффициентов (индефинитных преобразований), более известного как преобразования Лоренца ([5], §1):

,

Но и для этих способов применение разных видов инвариантного времени собственного и , для которых , а , дает те же самые результаты по соотношению хода часов в разных системах координат, что были определены выше и . Как видим, «пространственно-временные» трансляции в результате проведенных преобразований свелись только к временным, а не пространственно- временным трансляциям, как и следовало этого ожидать при принятии условия, что один из наблюдателей видит тело в состоянии покоя (речь конечно же идет о трехмерном пространстве). Причем здесь неподвижной считается система координат, в которой отсутствует движение произвольно выбранной точки в трехмерном подпространстве, но есть движение по временной координате четырехмерного пространства.

Учитывая разночтения в процедуре определения какой из наблюдателей является неподвижным, а какой движущимся, необходимо дополнительно рассмотреть вопрос об определении статуса неподвижности четырехмерных систем отсчета.

Классические преобразования координат, что Галилея, что Лоренца, основаны на сравнении расстояний до произвольно выбранной точки от центров сравниваемых инерциальных систем отсчета. При этом одна из систем координат обязательно должна быть неподвижной относительно указанной точки. Данное обстоятельство позволяет именно в этой системе осуществлять экспериментальную проверку и измерение величины расстояния между указанной точкой и центром системы координат. В другой инерциальной системе координат это расстояние можно вычислить с использованием знания о величине скорости света, величине измеренного в неподвижной системе координат расстояния и скорости относительного движения центров двух систем отсчета. Введение понятия об инвариантном интервале, или времени собственном, как это принято в современной физике, вносит свои коррективы в формулировку ставящейся задачи, поскольку нам необходимо определять не соответствие координат разных систем отсчета, а найти связь между изменениями четырех независимых переменных в разных системах отсчета. При этом мы имеем две четырехмерные системы координат, каждая из которых является неподвижной относительно движущейся произвольно выбранной точки. В одной из систем это движение осуществляется как по временной, так и пространственным координатам, в то время как в другой – только по временной координате. Причем в последней из этих систем движение точки по временной координате согласовано с движением этой же точки по всем четырем координатам в первой из указанных систем отсчета. В общепринятой в настоящее время форме математического обоснования специальной теории относительности для сравнения различных систем координат используют пару идентичных часов, устанавливаемых в центре неподвижной системы координат и на движущемся объекте, полагая, что последние использует наблюдатель, находящийся в системе, где движение тела происходит только по временной координате. Однако такой подход может иметь место только в случае трехмерных, а не четырехмерных систем координат, как это постулируется в специальной теории относительности. В действительности в полном соответствии со специальной теорией относительности мы имеем одни единственные часы, установленные в общем для двух развернутых относительно друг друга четырехмерных систем координат. При этом необходимо ввести условие, что часы в центре системы, где движение тела происходит только по временной координате, показывают то же самое время, что и часы, размещенные в трехмерном пространстве на движущемся теле. Но для описания механического движения тела воспользоваться можно только часами, где это движение осуществляется, то есть в системе, где есть движение по всем координатам четырехмерной системы отсчета. Для часов на наблюдаемом в трехмерном пространстве теле такое движение отсутствует – их показания совпадают с показаниями часов, размещенных в центре системы, где есть движение тела только по временной координате. И для того, чтобы сравнивать показания одних и тех же часов с помощью времени, используемого в трехмерном пространстве, необходимо ввести понятие об инвариантном интервале для различных четырехмерных систем отсчета. При этом базовой (неподвижной) системой может быть только такая, где можно экспериментально определить координатное положение тела и параметры его трехмерного движения. И тогда правомерным следует признать подход к определению статуса неподвижной системы координат, использованный в [5], а не в [8]. В этом случае связь между различными определениями одного и того же четырехмерного инвариантного интервала выражается не через сравнение описаний длины интервала с помощью определения его длины через изменение координат двух четырехмерных систем координат, а через связь для трехмерного пространства между показаниями часов неподвижного наблюдателя и расположенных на движущемся теле часов либо как как , либо как . Данные выражения легко получить и без рассмотренных ранее математических выкладок, путем простого сравнения метрик (правил определения расстояния между точками) двух различных четырехмерных систем координат, в одной из которых наблюдается движение тела как в трехмерном подпространстве, так и по временной координате, а в другой – только по временной координате. В этом случае на основании инвариантности времени собственного и разных метрик можно записать , c=1. А так как начальным условием является , то . При этом ни о каких иных пространственных преобразованиях не может быть и речи. Более того, при таких видах преобразований построенные нами четырехмерные системы координат будут полностью удовлетворять принципу однородности и изотропности пространства, в то время как именно изотропности пространства одна из систем координат при преобразованиях Лоренца не соответствует.

Сам же переход к сравнению изменений движений тела в четырехмерном пространстве вместо сравнения инерциальных систем примечателен тем, что один единственный наблюдатель, учитывая свойство тождественности по определению инерциальных систем координат и первый постулат специальной теории относительности, не нуждается во втором движущемся относительно него наблюдателе, чтобы определить ход часов у этого наблюдателя. Вполне достаточно использовать собственные часы и определять влияние конечности скорости света на результаты его наблюдения за движущимся объектом на основании их показаний. Таким образом, задача преобразования координат может быть заменена задачей определения особенностей наблюдения неподвижным наблюдателем движущегося объекта при условии конечности скорости света. Для решения такой задачи принципиально необходимо, чтобы соблюдались два положенных в основу специальной теории относительности условия: о тождественности (неотличимости) хода «внутренних» часов в любой из сравниваемых четырехмерных систем координат и о зависимости при переходе к трехмерному пространству хода движущихся часов от хода часов неподвижного наблюдателя и изменения положения тела в трехмерном пространстве. И для такой задачи нет необходимости соблюдения одновременности происходящих с телом изменений положения с показаниями часов у наблюдателя, а также начального нахождения тела в месте расположения неподвижного наблюдателя. Данные ограничения необходимы только в случае сравнения абсолютных значений координат, а не их бесконечно малых изменений. Данное обстоятельство обусловлено как однородностью времени, так и тем, что мы имеем дело с инерциальным движением тела в трехмерном пространстве с постоянной скоростью.

Из-за конечности скорости света кроме эффекта изменения масштаба времени существует также эффект отставания показаний часов на удаленном от наблюдателя объекте, но этот эффект из-за своей очевидности в специальной теории относительности и в данной книге дополнительно не рассматривается.

Подчеркнем, что Альберт Эйнштейн выбрал лишь одну из возможных форм преобразования координат, аналогично которой сконструировал инвариантные преобразования энергии и импульса в различных инерциальных системах координат. Данный прием нахождения инвариантных выражений (групп Лоренца) был распространен на все физические законы и получил в дальнейшем признание в виде принципов лоренц-инвариантности и лоренц-ковариантности. Но для таких соотношений невозможно применить указанную выше альтернативную форму преобразований, так как при этом теряется свойство инвариантности. Казалось бы, выбор единственно возможной формы инвариантного интервала очевиден, но так ли это?

Указанные выше определения времени собственного получены в результате использования простых геометрических правил для прямоугольных систем координат и требуют постулирования постоянства скорости света в любых системах отсчета. И предопределены они только тем обстоятельством, что скорость света является величиной конечной. Однако это сказывается не на характере протекания физических процессов, а на их визуальном исследовании. Принцип же лоренц-ковариантности считается проявлением общего закона природы, который не зависит от того, наблюдается или нет какой-либо физический процесс.

К каким же последствиям приводит возведение в принцип (закон природы) лоренц-инвариантных преобразований?

В соответствии с принципом эквивалентности (первый постулат специальной теории относительности) любая инерциальная система имеет право считаться лабораторной, то есть быть неподвижной системой координат. Более того, все лабораторные инерциальные системы должны быть неразличимыми. В противном случае существовала бы единственная выделенная лабораторная система координат, что противоречит первому постулату специальной теории относительности. Следовательно, длительность любого физического процесса должна быть той же самой во всех неподвижных инерциальных системах координат. В то же самое время, если какая-либо координатная система является лабораторной, длительность ней какого-либо процесса должна отличаться от сравниваемой с ней длительности этого процесса в других инерциальных (движущихся) системах с точки зрения неподвижного наблюдателя. При этом длительность любого процесса замеряется с помощью длительности особого эталонного процесса – одной секунды.

По определению, одна секунда – это интервал времени, равный 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133, находящегося в покое при 0°К. И данное определение является однозначно справедливым в любой лабораторной системе координат.

количеству периодов выбранного излучения является объективной и применимой как для установления величины одной секунды, так и для определения длительности любых иных процессов.

У нас имеются две четырехмерные системы координат X и X’, в каждой из которых одновременно наблюдается процесс движения из центров указанных систем одного и того же тела. Под термином «наблюдение за движением» понимается фиксация изменения положения тела относительно центра системы координат, осуществляемый, например, по изменению гравитационного или электрического потенциала поля, создаваемого телом, а не визуальное наблюдение. В последнем случае из-за конечности скорости света пришлось бы ограничиться только досветовыми скоростями изменения положения тела. При наблюдении движения обязательным является условие инвариантности интервала Эйнштейна, то есть равенства пройденных телом путей в каждой из систем координат. В системе X длина пути задается как расстояние от центра системы до точки с координатами , а в системе X’ – до точки с координатой . Координаты и можно выразить через независимые в трехмерном пространстве параметры t и t’ соответственно, а расстояние через произведение . Тогда в соответствии со специальной теорией относительности можно записать: , и , причем . Отсюда прямо следует, что . Но, поскольку , а , то . Для пространства с псевдоевклидовой метрикой, используемой в специальной теорией относительности . Причем здесь время t и t’ – это время протекания одного и того же процесса. В этом случае за время t, равное 1 секунде, по мнению наблюдателя из системы X наблюдатель из системы X’ должен насчитать большее число периодов излучения атома цезия-133, чем он может насчитать, если его время t’ равно одной секунде, используемой как эталон времени с системе X’. Принципиально важно, что с переходом от использования координат к независимым переменным t и t’ нами совершен переход от сравнения неподвижных относительно друг друга четырехмерных систем X и X’ к сравнению трехмерных инерциальных систем отсчета. Но в каждой инерциальной системе координат единица измерения времени определяется одним и тем же числом периодов излучения атома цезия-133. Следовательно, так как , то по мнению неподвижного наблюдателя движущийся наблюдатель использует более короткую единицу времени и один и тот же процесс на движущемся теле протекает быстрее, чем на неподвижном объекте. А это прямо противоречит экспериментально подтвержденным данным о замедлении длительности протекания процессов на движущемся объекте. Удивительно, но в современной физике именно этот эффект считается теоретически доказанным. Правда, для такого «доказательства» приходится считать движущуюся систему координат неподвижной и для описания движения тела ориентироваться на мнение наблюдателя, в системе которого движение тела осуществляется только по временной координате. А для трехмерных систем координат описывать движение тела, наблюдая за телом, находящимся в состоянии покоя, является недопустимым с точки зрения научной логики. Но это обстоятельство почему-то не привлекает внимания – так велико желание доказать правомерность преобразований Лоренца.

Совершенно противоположную ситуацию мы имеем в случае положительной формы инвариантного интервала: для неподвижного наблюдателя ход течения времени на движущемся объекте действительно замедляется, так как при том же самом количестве секунд каждая из секунд будет длиннее.

Еще одним важнейшим обстоятельством для релятивистских зависимостей является то, что они относятся только к тем явлениям и процессам, которые неразрывно связаны с конечностью скорости света. В связи с этим обнаружить эффект релятивистского замедления времени с помощью механических пружинных часов вряд ли не удастся. У космонавта на спутнике ход таких часов будет абсолютно равен их ходу у наблюдателя из Центра управления полетом, так как эти часы оттарированы в одних и тех же условиях. В точности такая же ситуация и с мерой длины – использование на спутнике парижского эталона метра не приведет к тому, что в полете сам метр и кабина спутника будут по длине меньше, чем на Земле – они будут в точности такими же, как и на Земле.

Переход от задачи сравнения инерциальных систем координат к задаче определения особенностей описания поведения движущегося тела при условии конечности скорости света и использовании одной единственной системы координат позволяет избавиться от неразрешимого противоречия между принципом однородности и изотропности пространства и постулатом о постоянстве скорости света в разных инерциальных системах координат. Данное противоречие является следствием изменения масштаба времени и якобы существующего эффекта сокращения длины стержня (вопрос об ошибочности теоретического обоснования данного эффекта был рассмотрен ранее) в зависимости от скорости движения объекта по отношению к неподвижному наблюдателю. Действительно, если скорость фотона определять с использованием различных по величине единиц измерения времени, то она может быть постоянной в разных системах координат только в случае согласованного изменения единиц измерения пространственных отрезков. И при использовании преобразований Лоренца в интегральной форме возникает эффект «сокращения длины стержня» вдоль одной из осей пространственных координат, который является свидетельством о нарушении принципа однородности (изотропности) пространства: величина метра будет зависеть от направления измерения длин отрезков в пространстве (их ориентации по отношению к скорости движения сравниваемых систем координат). В то же время для задачи определения особенностей описания поведения движущегося объекта при условии конечности скорости света не требуется сравнивать различные системы координат – в этой задаче сравниваются величины элементарных проекций движения тела на временную координату четырехмерного пространства одной и той же системы координат при различных ориентациях направления движения наблюдаемого тела. В этом случае каких-либо противоречий между принципом однородности пространства и условием о постоянстве скорости света не возникает. А само требование о постоянстве скорости света в различных инерциальных системах координат является необходимым дополнением первого постулата специальной теории относительности Эйнштейна в отношении независимости законов природы от того, представляет ли себя наблюдатель движущимся, или неподвижным в трехмерном пространстве. Совокупность данных условий является одной из возможных формулировок принципа равноправия выбора любой из сравниваемых систем координат в качестве лабораторной системы. И для этих систем не существует надуманного и нарушающего принцип изотропности пространства эффекта «сокращения длины стержня».

Аналогично проблеме изотропности надуманной является и проблема «причинности» при наличии сверхсветовых скоростей материальных объектов. Действительно, никого ведь не пугает наличие сверхзвуковой скорости, когда о событии мы можем услышать намного позже, чем оно произойдет. Для пилота самолета, летящего со сверхзвуковой скоростью, скорость звука внутри самолета будет в точности такой же, как если бы самолет стоял на взлетной полосе. А свет чем хуже? С чего это вдруг причина должна поменяться со следствием? Просто возникнут некоторые особые визуальные эффекты и только.

Далее, обратимся к классическому учебнику по физике [7] и просто процитируем непреложные для механики истины.

«Наиболее общая формулировка закона движения механических систем дается так называемым принципом наименьшего действия (или принципом Гамильтона). Согласно этому принципу, каждая механическая система характеризуется определенной функцией

или, в краткой записи, , причем движение системы удовлетворяет следующему условию.

Пусть в моменты времени и система занимает определенные положения, характеризуемые двумя наборами значения координат Тогда между этими положениями система движется таким образом, чтобы интеграл

имел наименьшее возможное значение. Функция L называется функцией Лагранжа данной системы, а интеграл – действием». «Как мы видели в §5, лагранжева функция замкнутой (или находящейся в постоянном поле) системы имеет вид:

где T – квадратичная функция скоростей». Функцию T «называют кинетической энергией, а функцию U – потенциальной энергией системы». И, кроме того, «величина

остается неизменной при движении замкнутой системы, т.е. является одним из интегралов ее движения». «Легко видеть, что масса не может быть отрицательной. В самом деле, согласно принципу наименьшего действия для действительного движения материальной точки, из точки 1 в точку 2 интеграл

имеет минимум. Если бы масса была отрицательной, то для траекторий, по которым частица сначала быстро удаляется от 1, а затем быстро приближается к 2, интеграл действия принимал бы сколь угодно большие по абсолютной величине отрицательные значения, т.е. не имел бы минимума». Последнее процитированное утверждение в полной мере относится не только к массе, но и ко всей функции Лагранжа свободно движущегося тела.

Интеграл движения свободно движущегося тела совпадает с его кинетической энергией T, равной функции Лагранжа, при этом последняя в классической механике является однородной дифференцируемой и квадратичной по скорости функцией. При отсутствии внешнего воздействия на тело или систему тел интеграл движения, определяемый через неоднородную (по скорости) функцию Лагранжа, в принципе, также должен совпадать с кинетической энергией и быть равным функции Лагранжа.

Ни инвариантный интервал, ни время собственное в любой из двух указанных ранее форм его представления не являются функцией Лагранжа материальной точки, хотя и содержат необходимый для определения функции Лагранжа состав независимых переменных, поскольку они заданы не через независимые переменные, а через их изменения. Следовательно, либо инвариантный интервал и время собственное могут быть каким-то образом использованы для определения функции Лагранжа, либо лоренц-инвариантность является новым законом природы (и математики), опровергающим вышеуказанное утверждение о том, что наиболее общая формулировка закона движения механических систем основана на принципе наименьшего действия и задается с помощью функции Лагранжа.

Второе из данных предположений не может даже рассматриваться серьезно, так как в области механического движения принцип наименьшего действия может быть нарушен только в результате сознательных действий, чего от неживой природы ожидать не приходится. А вот первое предположение с той или иной степенью общепризнанности рассматривается в физике, и результаты этого рассмотрения будут проанализированы ниже.

Но прежде, чем это сделать, необходимо высказать несколько замечаний.

Поскольку в специальной теории относительности мы имеем дело с четырехмерным пространством, то необходимо определиться с тем, что можно называть механическим движением тел в таком пространстве. Так как движение определяется как изменение длины пути за промежуток времени, то для корректного определения движения необходимо существование независимого времени в дополнение к четырем координатам нашего пространства. Специальная теория относительности не предусматривает такой возможности, поскольку инвариантный интервал не является временем по определению, а время собственное прямо не используется для определения скорости перемещения тела по временной координате. Скорость же света, используемая в качестве множителя в выражении длины временной координаты, не является скоростью движения – это не векторная, а скалярная величина в определении длины временной координаты. Выбор именно данной величины был обусловлен ее размерностью и тем, что скорость света является величиной постоянной в разных инерциальных системах. Казалось бы, в связи с этими обстоятельствами частная производная по времени для четвертой (временной) координаты не может быть определена в принципе. И, следовательно, нахождение функции Лагранжа для четырехмерного пространства было бы невозможным. Но все дело в том, что принятое за базу для классических преобразований Лоренца выражение не зависит от количества координат в пространстве. Оно должно быть справедливым, как для трехмерного, так и для четырехмерного пространств. В этом случае время t является независимой переменной, используемой в специальной зависимости. И, учитывая однородность времени, а также постоянство скорости света, время собственное в этом случае можно использовать как независимое время четырехмерной системы координат. Однако это утверждение вовсе не означает, что скорость движения тела в четырехмерном пространстве действительно определена для случая движения по временной координате. Нами просто принято условие, удобное для определения длины единичного отрезка четвертой координаты без определения независимого параметра – времени для такой системы координат. А то, что время собственное не является независимым временем четырехмерной системы координат прямо вытекает из того, что при его использовании невозможно определить состояние покоя, то есть отсутствие движения по каждой из координатных осей этого четырехмерного пространства. Но введение понятия об инвариантном интервале позволяет рассматривать время собственное в качестве параметра, независимость которого исключается именно введением указанного интервала. Данные обстоятельства приводят к тому, что задача определения функции Лагранжа для движения механических систем в четырехмерном пространстве в конечном итоге может быть сведена к задаче нахождения этой функции для трехмерного пространства с независимым временем. Это прямо вытекает из условия равенства при состоянии покоя в лабораторной системе координат времени собственного и времени координатного, которое является независимым временем трехмерной системы координат, а также взаимозависимости координатных времен в различных системах отсчета. При этом то, что это независимое для трехмерного пространства время является параметром, определяющим одну из координат четырехмерного пространства и совпадающим в одном из случаев с временем собственным, должно учитываться при нахождении функции Лагранжа для трехмерного пространства.

В физической литературе описано множество попыток определить функцию Лагранжа механического движения применительно к лоренц-инвариантному интервалу, в соответствии с которыми функция Лагранжа может иметь вид , либо независимо от размерности систем координат. Оба эти выражения находятся в явном противоречии с определением кинетической энергии (см. [7], с.16, 18, 26), величина которой для свободно движущегося тела должна совпадать с функцией Лагранжа. Подчеркнем, что кинетическая энергия тела определяется в специальной теории относительности как , то есть существует полная несовместимость определения релятивистской функции Лагранжа с ее сущностным содержанием.

Кроме того, в специальной теории относительности делается ничем не обоснованное исключение из теории, требующей определения кинетической энергии свободно движущегося тела через интеграл его движения, а сама кинетическая энергия определяется по особым правилам, основанным на существовании лоренц-инвариантного соотношения для энергии и импульса (инвариантная масса):

Совершенно очевидно, что при таком определении кинетической энергии ни функция Лагранжа, ни выражение для интеграла движения не используются. Однако одновременно с полным отказом от принципов классической физики делается попытка представить дело так, как будто никакого отказа от этих принципов нет.

Попробуем все же рассмотреть данный вопрос без отказа от принципов классической теории.

Прежде всего, следует отметить, что определение функции Лагранжа является обязательным результатом решения задачи об особенностях наблюдения за движущимся телом при условии конечности скорости света. В классической механике принято считать функцию Лагранжа равной разности кинетической и потенциальных энергий, а полную энергию механической системы – сумме этих энергий. В связи с этим функция Лагранжа при отсутствии внешнего потенциального поля может быть только положительной величиной. Данное условие необходимо сохранить и при определении функции Лагранжа для четырехмерного пространства. С учетом указанных обстоятельств, а также замечаний относительно независимого времени четырехмерного пространства систему уравнений Эйлера-Лагранжа для свободной материальной точки можно записать в виде . Здесь и далее использовано обозначение . Функция Лагранжа свободно движущегося тела не зависит в явном виде ни от радиус-вектора, ни от времени. Кроме того, функция Лагранжа не может зависеть также от направления вектора скорости и является функцией его абсолютной величины, то есть должна быть функцией от квадрата скорости движения тела . Для четырехмерной системы координат, ориентированной таким образом, чтобы движение тела определялось только изменением времени, (будем назвать ее «движущейся») можно определить функцию Лагранжа в виде: , что, с учетом постоянства скорости света, позволяет обеспечить соблюдение требования о равномерности данного движения. Коэффициент пропорциональности в виде единицы выбран, исходя из соображений перехода уравнений релятивистской динамики в динамику Ньютона, что будет видно из дальнейшего.

При определении функции Лагранжа в четырехмерных системах координат, не связанных с условием движения тела только по временной координате, необходимо учесть, что в них по сравнению с системой, где движение тела происходит только по временной координате, используются иные величины пространственных координат и для одного и того же инвариантного интервала. И движение тела, принадлежащего системе координат , наблюдается в лабораторной системе , в которой наблюдатель считает себя неподвижным, а тело движущимся не только по временной координате. При этом различие координатных сеток заключается в единицах измерения для при наличии условия связи между ними , позволяющего сравнивать эти сетки. Применительно к системе уравнений Эйлера-Лагранжа это означает, что , (так как , а ), а коэффициент определяет отношение измеренных с помощью одной и той же единицы длины размеров одной из сторон аналогичных ячеек в координатных сетках (их сравнительный масштаб). В то же время описание разных способов движения тела осуществляется сторонним наблюдателем с помощью единственно доступного ему метрического эталона (одинаковых ячеек). И ему вовсе необязательно использовать две различные системы отсчета, поскольку он видит движение тела только по своей координатной сетке, но не связанную с движущимся телом сетку. А так как наблюдатель не видит другую систему отсчета и руководствуется своими размерами ячеек, то эффект, определяемый различием масштабов сравниваемых систем координат, является для него целиком и полностью следствием различий в определении функции Лагранжа. В этом случае необходимой для учета разных способов описания движения тела процедурой замены переменных в системе уравнений Эйлера-Лагранжа является замена функции Лагранжа системы отсчета, где тело движется только по временной координате, на ее «масштабированное» выражение лабораторной системы координат при использовании (сохранении) единственно доступных наблюдателю независимых переменных. А поскольку функция Лагранжа свободно движущегося тела не может зависеть от координат, в том числе и от , то является справедливым утверждение, что , и общее выражение функции Лагранжа в этом случае имеет вид:

.

Тот же самый результат может быть получен, если действие определяется разными наблюдателями для своих четырехмерных пространств. Поскольку используемые нами четырехмерные системы координат являются неподвижными относительно друг друга, то и действие S для них является одним и тем же. А так как между указанными системами существует взаимосвязь, устанавливаемая через независимые времена трехмерных инерциальных систем отсчета, являющихся отображением четырехмерных систем координат в трехмерном пространстве, то это самое действие можно определить для разных четырехмерных систем с помощью указанных независимых времен для трехмерных систем отсчета. В этом случае . Следовательно, переходя от действия к функции Лагранжа на основе известной зависимости между ними, сразу же видно, что а .

Определять выражение для энергии по интегралу движения в четырехмерном пространстве нет ни практической необходимости, ни возможности, так как для этого пространства нет точного понимания, что собой представляют собственно четырехмерное движение и состояние покоя.

Для того чтобы найти выражение для функции Лагранжа в трехмерном пространстве, необходимо обратить внимание на следующее.

Движение тела только по временной координате определяет его кинетическую энергию как при отсутствии внешнего потенциального поля. И, учитывая, что обе используемые нами четырехмерные системы координат являются неподвижными, можно считать, что величина является сохраняющейся при движении теле по временной координате любой четырехмерной системы координат независимо от того, есть в ней движение тела по остальным пространственным координатам или нет. Тогда, учитывая, что кинетическая энергия является скалярной величиной, в выражении для функции Лагранжа четырехмерного пространства можно выделить трехмерную пространственную составляющую кинетической энергии:

И именно эту функцию может и должен применять неподвижный (лабораторный) наблюдатель, использующий трехмерную систему координат. А введенное Эйнштейном выражение является определением величины скрытой от непосредственного наблюдения кинетической энергии движения тела по временной координате, то есть «внутренней» энергией покоя тела в трехмерном пространстве.

Для того, чтобы использовать выражение четырехмерного интеграла движения в трехмерном пространстве необходимо основываться на независимом времени этого трехмерного пространства и трехмерной же скорости вместо четырехмерной скорости u. Поскольку вместо производной необходимо использовать производную , следует учесть, что единицы измерения времени в лабораторной и движущейся системах координат для неподвижного наблюдателя количественно различаются. А так как течение времени в движущейся системе координат принято нами совпадающим с ходом времени собственного, и , то производная может быть заменена на с учетом отношения разных единиц измерения времени, которое равно to . А это значит, что уравнение для интеграла движения должно быть записано в виде Здесь .

Прямая подстановка выражения в указанное уравнение интеграла движения показывает, что кинетическая энергия свободно движущегося тела для наблюдателя из трехмерной лабораторной системы координат равна функции Лагранжа, определяющей движение тела, несмотря на то, что в отличие от классической механики данная функция является неоднородной.

Определением механического импульса в четырехмерном пространстве является выражение . Данное выражение нельзя непосредственно использовать для трехмерного пространства, так как мы имеем дело с различными независимыми переменными, отвечающими за течение времени в этих пространствах. Поэтому в правую часть данного определения необходимо ввести добавочный коэффициент , учитывающий изменение выражения для интеграла движения при замене одного независимого времени на другое. Кроме того, надо учесть, что замена скорости в выражении импульса для четырехмерного пространства не может быть осуществлена только заменой символов. Изменение единиц измерения времени должно быть учтено также и при замене скорости , определенной с помощью единиц измерения времени собственного, на трехмерную скорость , определяемую с помощью единиц измерения времени в лабораторной системе координат. Как это было отмечено выше, при определении выражения для интеграла движения в трехмерном пространстве должно быть учтено изменение размерности единиц измерения скорости в различных (по количеству переменных) системах координат , учитывающее изменение размерности единиц измерения времени. Поэтому в формуле для механического импульса необходимо использовать величину вместо переменной .

Что же касается функции Лагранжа, то изменение размерности единиц измерения времени при переходе от одной системы координат к другой системе учитывается путем изменения вида определения этой функции в разных системах координат. При этом необходимо подчеркнуть, что на скорость света изменение единиц измерения времени не влияет в соответствии со вторым постулатом специальной теории относительности. А величина относительной скорости является безразмерной, возникает только при определении функции Лагранжа в одной из систем координат (лабораторный наблюдатель и движущееся тело), и на нее не распространяется требование учета различия в единицах измерения времени при переходе от одной системы координат к другой.

И после всех уточнений выражение для механического импульса в трехмерном пространстве определяется следующим образом:

Следует отметить, что подобные выражения для и