Теория относительности (Урок 2)

 Критика СТО 

Если что-то глупо, но работает, то на самом деле это не глупо. Это просто у вас не хватает мозгов понять, что это умно.

Теория относительности — это в первую очередь теория, а не техническая документация о сотворении мира, справедливая в последней инстанции. Теория эта частично подтверждается опытами, а частично опровергается. И если она опровергается, или этого не существует, то это уже фантазия. В соответствии с экспериментальными данными те или иные аспекты теории дорабатываются или переосмысливаются.

Многие если и слышали о ТО, то считают её слишком сложной и неинтересной, поэтому не критикуют.

Впрочем, расовая принадлежность Эйнштейна не даёт покоя антисемитам.

Многие иногда всё же сталкиваются с упоминаниями о том, чем живёт наука в наши дни и как правило, чувствуют себя дилетантами от попыток осознать современное состояние науки на самом деле.

Многие  не задумываются по поводу того, что Лукас не только соврал в своём культовом кинофильме насчёт звука имперских истребителей в вакууме, но и вообще — что сама идея звёздных перелетов в Звёздных Войнах далека от реальности.

По СТО, отправив звездолёт в соседнюю галактику, мы никогда не дождемся его возвращения — только нашим глубоким пра-пра-пра-…-внукам может выпасть такое счастье, потому что  двигаться быстрее скорости света звездолёт не сможет, а до ближайшей к нам галактики Большого Магелланового Облака ни много ни мало 157 тысяч световых лет. Что уж говорить о фокусах-покусах со временем и пространством, которые никак не укладываются в  мозги среднестатистического человека?

Некоторые учёные уже давно устали перетирать в ступе одно и то же со всякой критикующей публикой, потому оспаривание теории Энштейна они относят примерно туда же, куда и оспаривание законов сохранения — то есть к псевдонауки.

Отдельного внимания заслуживает критика в среде советских учёных.Особо выделился в этом  Тимирязев, отрицавший так же и квантовую механику; Циолковский, который отвергал релятивистскую космологию и ограничение на скорость движения, подрывавшее его планы по заселению космоса и другие учёные, в том числе  — Тесла, Жуковский, Ленард, Штарк, Дж.-Дж Томсон, Менделеев, etc.

 Впрочем, предпосылками для критики ТО (как и квантовой механики) было не только желание сохранить традиционный материализм и детерминизм, но и полное расхождение теории с интуитивным восприятием сего мира большинством людей, из чего вытекает непрерывное желание найти среду для распространения волн света — эфира.

 Впрочем, Эйнштейн позднее сам предлагал снова ввернуть в науку эфир, но уже далеко не в том смысле. Он просто утверждал, что нелепо называть пространство, которое имеет столь много параметров для описания — вакуумом.

                                Парадоксы СТО

Попытки разобраться в СТО зачастую подводят людей к растерянности, а если желание разобраться в ней изначально было спровоцировано попыткой опровергнуть и высмеять  Эйнштейна, то все непонимание - обязательно выливается в заявление, что  теория относительности есть не что иное как вымысел.

Британские ученые считают, что Эйнштейн вертится в гробу over 9000 проворотов в день из-за постоянных  обсуждений  так называемых «парадоксов теории относительности».

Наиболее известные парадоксы относятся к СТО, так как ОТО понять и чего-то там напарадоксировать среднестатистический мозг отказывается даже на подступах к азам. Поэтому наиболее сильной атаке подвергается именно СТО.

Учёные же знают, что СТО математически непротиворечива и умственными экспериментами её опровергнуть невозможно. Единственный способ опровергнуть её — поставить реальный эксперимент, который бы показал расхождение результата с теорией в границах её применимости. А учитывая, что границы эти огорожены от реального мира, остаётся только пытаться мысленно оперировать взаимоисключающими тезисами, оставаясь при этом в рамках формальной логики.

      Рассмотрим некоторые такие «парадоксы».

1. Парадокс шеста и сарая

Из СТО мы знаем, что движущиеся тела сокращаются в направлении движения. Возьмём сарай с двумя сквозными дверьми. Возьмём шест, который чуть длиннее, чем сарай.

 Если открыть обе двери и просунуть в них шест, то он в сарай не поместится и будет торчать из дверей по обе стороны.

 Воспользуемся сокращением длин — разгоним шест до такой скорости, чтобы он сократился, допустим в 2 раза, и тогда, пролетая сквозь сарай, он весь целиком там поместится! Захлопнем двери сарая, пока шест находится внутри и тут же быстренько их откроем, чтобы не поломать сей девайс. И мы видим следующее противоречие: система отсчёта, связанная с шестом, такая же равноправная, как и связанная с сараем. То есть в ней будут наблюдаться те же эффекты сокращения продольных размеров, но только уже сарая! В ней сарай станет короче, а чуть более длинный изначально шест станет ещё более длинным и никогда в сарай не поместится. Значит, захлопнув двери сарая, мы обязательно сломаем шест!

Этот парадокс — один из типичных случаев, когда, вцепившись в один из эффектов СТО, человек делает далеко идущие выводы, пренебрегая другими, подчас более важными эффектами. Сокращение длин действительно произойдёт так, как описано в парадоксе — для сарая шест окажется укороченным и поместится в нём целиком, а для шеста укороченным окажется сарай, который не сможет поместить в себя весь шест. Так где же правда?

А правда — в относительности одновременности. Сокращение длин — это второстепенный эффект, относительность же одновременности — намного же более важный. Ещё раз вспомним уже сказанное тут: события, одновременные в одной системе отсчёта, будут по СТО неодновременными в другой системе отсчёта, если системы движутся друг относительно друга. Если присмотреться к эксперименту, у нас в нём есть чётко выраженные события, одновременные в ИСО сарая — это момент, когда мы закрываем переднюю и заднюю двери сарая. Мы делаем это в ИСО сарая ОДНОВРЕМЕННО.

Нетрудно догадаться, что в ИСО шеста они произойдут в разные моменты времени, а именно: когда передний конец шеста войдёт в сарай и приблизится к задней двери, она захлопнется и тут же откроется, а когда задний конец шеста сравняется с передней дверью, захлопнется и откроется, в свою очередь, и она. Таким образом, шест не сломается ни в ИСО сарая, ни в ИСО шеста.

Если внимательно присмотреться к этому парадоксу, то можно сделать один важный вывод насчёт эффекта сокращения длин. Как мы измеряем длину объекта? Прикладываем к нему линейку и смотрим на показания шкалы у начала и конца объекта. А если этот объект двигается? Тогда, чтобы не испортить показания, посмотреть на шкалу у начала и конца объекта надо… ОДНОВРЕМЕННО. Одновременно? Хм… Ну да, иначе показания окажутся всяко неверными. Но ведь то, что в нашей ИСО по теории относительности одновременно, в другой ИСО будет неодновременным и тогда… Последнее умственное усилие сделайте сами.

2. Парадокс близнецов 

Другой парадокс касается эффекта замедления времени и звучит следующим образом:

Жили-были два брата-близнеца (одногодки) — Мойша  и Додик.

 Мойша с юношества курил и бухал, якшался со всяким сбродом, в общем, пошёл по наклонной. А Додик вёл здоровый образ жизни, поступил в лётное училище, закончил его с золотой медалью и стал в конце-концов космонавтом.

Недолго думая, учёные посадили Додика  на ракету, хорошенько разогнали и отправили его с почти световой скоростью к ближайшей звезде (допустим, на расстояние в 1 световой год) с заданием: прилететь, сфотографировать звезду и тут же улететь обратно на Землю. Заранее выкрутим параметры эксперимента до экстремальных, так легче будет рассуждать: Додик почти мгновенно разгоняется до почти световой скорости, долетает до звезды, почти мгновенно тормозится до состояния покоя, мгновенно фотографирует звезду, опять мгновенно разгоняется до почти световой скорости по направлению уже к Земле, летит до Земли, там почти мгновенно останавливается, выходит из ракеты и сразу в бар, обмывать молоком успех эксперимента, а там, как , уже в стельку пьяный в дверях лежит Мойша. И вот, братья, кто с укоризной, а кто с мутным равнодушием в глазах, смотрят друг на друга. Что же они видят?

 Как ты постарел!!! — восклицает Додик, — Вот он — наглядный вред беспорядочного образа жизни!

 Если рассматривать эксперимент с точки зрения (из ИСО) Земли, то Додик 2 года провёл в полете, двигаясь с почти световой скоростью. По СТО мы знаем, что часы у Додика, с точки зрения Земли, в этом случае, все 2 года шли крайне замедленно (почти что стояли на месте). Поэтому вернётся он почти в том же возрасте, что и улетал — ну там, 10 минут, допустим, по его часам всего прошло. Мойша  же находился всё это время почти что в состоянии покоя (ну, шлялся там по барам-ресторанам, но это явно со скоростью намного меньше световой, поэтому можно считать, что покоился) и всё это время усиленно старел со скоростью 1 год за год. То есть Мойша по итогу эксперимента окажется почти на 2 года (за вычетом 10 минут) старше брата-близнеца.

Вот на этом месте некоторые вспоминают про первый постулат Эйнштейна — о равноправии систем отсчёта — и говорят: -но ведь в системе отсчёта Додика это он покоился, а Земля сперва улетала назад с почти световой скоростью, а потом летела обратно к ракете. Значит, с точки зрения Додика это на ней время было замедлено, а следовательно, более молодым должен стать пьяница Мойша! Вот в этом утверждении многие и усматривают парадокс.

Ошибка тут в том, что люди вспоминают о первом постулате Эйнштейна совершенно напрасно. Дело в том, что первый постулат, хоть и, действительно, говорит о равноправии систем отсчёта, но делает это только для инерциальных систем отсчёта. Он явно подчеркивает, что распространяется ТОЛЬКО на инерциальные системы отсчёта (ИСО). Напомним, что ИСО — это такие системы отсчёта, которые связаны с телами, не испытывающими действия сил, то есть не подвергающимися ускорениям, а движущимися равномерно и прямолинейно (другими словами — покоящимися). Только в этих системах справедлив второй постулат об инвариантности скорости света, следовательно, только в них справедливы преобразования Лоренца, выведенные из второго постулата. В итоге замедление времени у Мойши для Додика действительно будет иметь место — но только на тех участках пути, которые он летел равномерно-прямолинейно, то есть после разгонов и до торможений.

Пытливый  ум ниспровергателя СТО в этом месте может заметить:- но ведь с точки зрения Додика в его координатной сетке это не он ускорялся, а Земля ускорялась, так что опять-таки можно говорить о равноправии СО. Но это не так. В отличие от состояния равномерного прямолинейного движения, которое является относительным, то есть невозможно экспериментами установить для двух тел, двигающихся друг относительно друга, какое именно двигается, а какое именно покоится — сама постановка вопроса бессмысленна, — так вот, в отличие от этого, состояние ускорения НЕ относительно. Состояние ускорения легко обнаруживается опытами. Его легко почувствовать на себе в кресле ракеты по эффекту вжимания в это самое кресло. Додик будет отчётливо ощущать силу, вжимающую его в кресло в момент старта ракеты. Мойша же в этот момент времени никакого вжимания чувствовать не будет. Никакого равноправия у их систем отсчёта при этом нет. Ускоряется именно  Додик, а не Мойша (хотелось бы заметить, что имеется в виду инерционное «вжимание», гравитация же одинаково вжимает обоих братьев в то, что под ними и в момент старта ракеты, и некоторое время после).

Большинство объяснений парадокса близнецов на этом останавливается. Мы выяснили, что СО близнецов были неравноправными — вот это неравноправие и выразилось в том, что один из близнецов постарел. На этом ставится точка.

 Часто замечают при этом, что рассмотреть мир глазами неинерциальной системы отсчёта (не ИСО) может только ОТО, а СТО в них неправомерна. Доходит даже до утверждений, что не ИСО в СТО рассмотреть невозможно вообще, иначе она превратится в ОТО. Но это уже устаревшая точка зрения, ОТО — это теория, расширяющая СТО до рассмотрения эффектов гравитации, и она довольно остроумно подводит не ИСО под мнимое гравитационное поле, что легко, без изменения матаппарата, рассматривает не ИСО-вость. Тем не менее, возможно, оставаясь полностью в рамках СТО, разработать матаппарат не ИСО-вости без привлечения идей ОТО. То, что получается — тоже ненамного проще, чем формулы ОТО, но всё же попроще (и, кстати, местами очень похоже). И тоже полностью объясняет парадокс близнецов из глаз Додика.

Так что же там происходит у Додика, когда он разгоняется/тормозится, то есть в те моменты, когда его СО является не ИСО? Если вспомнить про относительность одновременности, вспомнить, что если системы отсчёта двигаются относительно друг друга, то события в них «рассинхронизированы по времени», вспомнить, что пока ракета ещё стояла — рассинхронизации не было, а когда она уже летит (после ускорения) — рассинхронизация уже имеет место, то становится понятно, что именно в момент ускорения и происходит процесс рассинхронизации. Если замостить всё расстояние до звезды синхронно тикающими часами, показывающими одно и то же время, пока ракета стояла, и начать разгоняться, то часы впереди направления ускорения начнут тикать быстрее, и тем быстрее, чем больше до них расстояние. Те часы, которые находятся сзади, начнут тикать медленнее, и тем медленнее, чем они ближе к основанию клина Риндлера. А за основанием клина начнут тикать ускоренно назад, и тем быстрее, чем дальше от них расстояние.

Вот и готово объяснение. В те моменты времени, когда Додик стартовал с Земли и когда он будет в конце эксперимента на ней тормозиться, расстояние до Земли будет нулевым, и эффекты не ИСО-вости (рассинхронизации) заметны не будут. Но в те моменты, когда он будет тормозиться у звезды и ускоряться по направлению к Земле (ускорение в обоих случаях направлено на Землю), часы на Земле для Додика стремительно промотаются вперёд — как раз в сумме на эти 2 года, с поправкой на 10 минут.

Парадокс интересен тем, что заставляет всё-таки рассматривать эффекты не ИСО-вости, оставаясь в рамках более простой, чем ОТО, специальной теории относительности. Это на самом деле забавно, так как в эффектах не ИСО-вости можно пронаблюдать такие страшные вещи, как горизонт событий, о котором мы знаем из ОТО по чёрным дырам.

 Из выше сказанного можно сделать полезный для себя вывод: -Мойша постарел не потому, что он пил, бухал и беспредельничал, так что никакого вреда эти вещи возрасту не несут.

  Так поднимем же за это стаканы, и За наступающий Новый 2013 год! Всем читающим и считающим себя учеными - желаю силы ,здоровья, много радости, молодости и долголетия.