Доклад: Аберрация света и парадокс Эренфеста
Например, в Праздничный вечер множество горожан могут наблюдать салют. Они могут располагаться на разных расстояниях от места проведения салюта и рассматривать это явление с разных точек (например, из окон зданий). Но сам процесс горения ракет никак не зависит от того, где они находятся в данный момент и какое место для наблюдения они выбрали. Именно по этой причине описание взаимодействия (горения пороха) должно носить инвариантный характер, независимый от числа и положения наблюдателей. Такое описание взаимодействия (динамический подход к описанию) имеет сущностный характер и описывает одну из сторон сущности взаимодействия. Динамическое описание не зависит от выбора системы отсчета наблюдателем.
Вновь вернемся к рассмотренному примеру. Хотя процесс взаимодействия (полет и горение ракет) носит объективный характер, каждый наблюдатель будет видеть свое объективное явление . Это «другая сторона медали». Восприятие явления будет зависеть от того, наблюдает ли он этот процесс вблизи или в отдалении, наблюдает ли он процесс с самолета, поезда или движущегося автомобиля. Переход наблюдателя из одной точки наблюдения в другую не влияет на сам процесс, но при переходе наблюдаемое явление для него изменится и станет уже несколько иным (кинематический подход).
Здесь наблюдатель (или наблюдатели) может сделать шаг от совокупности результатов наблюдений явления к сущности наблюдаемых явлений, т.е. от совокупности наблюдаемых характеристик явлений к описанию взаимодействия, как одной из характеристик сущности.
Мы хотим обратить внимание на важный факт:
При наблюдении материального объекта или процесса взаимодействия положение наблюдателя и выбор им системы отсчета не влияет ни на исследуемый материальный объект, ни на процесс взаимодействия.
(вывод №1)
Само собой разумеется, что наблюдатель сам не воздействует на материальный объект и не влияет на процесс взаимодействия.
Теперь обратимся к специальной теории относительности. В рамках этой теории существует явление именуемое «замедлением времени». Неподвижному наблюдателю будет казаться, что часы движущегося наблюдателя отстают от его часов. Это объективное явление . Зависимость замедления наблюдаемого хода часов (явление) движущегося наблюдателя от относительной скорости инерциальных систем отсчета (условие) есть физическая закономерность . Вербально эту закономерность можно описать следующим образом:
«Наблюдаемое изменение темпа времени в движущейся системе отсчета есть объективное явление, которое проявляется тем сильнее, чем больше относительная скорость инерциальных систем отсчета ».
(вывод №2)
Явление «замедления времени» имеет кинематический характер. Часы движущегося наблюдателя не претерпевают никаких изменений, поскольку неподвижный наблюдатель не имеет возможности воздействовать на них. Интервал времени, фиксируемый неподвижным наблюдателем, претерпевает изменения кинематического характера из-за относительного движения (эффект Доплера). Многие физики осознают этот факт (хотя и не до конца), квалифицируя «замедление времени», как квадратичный (или «поперечный») эффект Доплера. Единственное заключение, которое следует из выводов №1 и №2, следующее: темп времени в движущейся системе при переходе наблюдателя из одной инерциальной системы в другую не меняется. Следовательно, во всех инерциальных системах отсчета время будет единым [3]. Меняется лишь наблюдаемый темп времени (явление).
Сейчас широко распространены другие суждения: «пространство и время не существуют независимо; они связаны в единый 4-мерный мир»; «сущность времени в теории относительности заключена в его зависимости от скорости относительного движения инерциальных систем отсчета» и т.п. высказывания.
В данном случае закономерность (зависимость наблюдаемого темпа времени от относительной скорости) истолковывается как «сущность» («как слышы м, так и пиши м!»). Карл Маркс писал: «… если бы форма проявления и сущность вещей непосредственно совпадали, то всякая наука была бы излишняя …» [4].
Заметим, что люди интуитивно понимают это. Например, находясь перед кривым зеркалом, человек никогда не принимает свое отражение (явление ) за действительное, неискаженное (сущность ). В теории относительности все иначе вопреки здравому смыслу.
Ошибка в интерпретации сущности времени имеет гносеологический характер. Суть ее в том, что явление (или закономерность) интерпретируется как сущность. Иными словами, сущность в данном случае подменяется явлением. Подобная гносеологическая ошибка порождает негативные следствия при объяснении физических явлений и приводит к, так называемым, «парадоксам», т.е. логическим противоречиям.
Если эту ошибку исключить, то можно утверждать следующее: «время во всех инерциальных системах отсчета едино и не зависит от выбора наблюдателем системы отсчета». Тем самым отпадает проблема «синхронизации часов» и проблема «одновременности событий». Эти проблемы являются результатом некорректности интерпретации преобразования Лоренца, в рамках теории относительности.
То же самое можно сказать и о «сжатии пространства». Никакого реального «сжатия» не существует. Пространство является евклидовым и общим для всех инерциальных систем отсчета [3]. Наблюдаемое «сжатие» масштаба (явление, но не сущность! ) связано с искажением фронта световой волны воспринимаемого наблюдателем, движущимся относительно источника информации [3].
2. Способы отображения
Явление связано с отображением характеристик реального процесса или характеристик материального объекта в систему отсчета наблюдателя. В физике в основном используются два вида отображений.
1. Классическое отображение . Со школьной скамьи, решая физические задачи механики, мы привыкли к тому, что положение тела в пространстве в данный момент времени отображается объективно (без каких либо искажений или запаздываний). Такое отображение опирается по своей сути на мгновенную передачу информации. Оно никогда и ни у кого не вызывало подозрений в некорректности, хотя никто и никогда не предлагал физической модели реализации этого способа.
2. Отображение с помощью световых лучей . Такой способ отображения предметов и процессов для человека является основным, поскольку мы постоянно используем для этой цели свое зрение. В отличие от классического способа световые лучи могут передавать информацию с искажениями. Например, мы пользуемся лупой для увеличения изображения объекта. Это связано с искажениями фронта волны. Кривые зеркала в «комнате смеха» также пример такого рода искажений. Помимо этого, движение источника светового сигнала относительно наблюдателя обуславливает явление аберрации и эффект Доплера. Таким образом, информация, доставляемая световыми лучами, может быть искажена, т.е. принимаемая информация не всегда соответствует информации, посланной источником сигнала. Она может существенно отличаться от информации, получаемой классическим способом отображения.
3. Однако оба способа не являются независимыми . Мы, зная скорость относительного движения систем отсчета, направление светового потока и т.д., всегда можем сделать переход (пересчет) от одного вида отображения к другому. Например, учитывая скорость распространения световых лучей, мы можем перейти от классического способа отображения к отображению явления световыми лучами. И обратно, можно всегда перейти от отображения световыми лучами к классическому отображению явлений. Это весьма важный факт.
Примером может служить явление аберрации. Значение слова "Аберрация света" в Энциклопедическом словаре Брокгауза и Ефрона:
«Аберрация света состоит в том, что мы, наблюдая звезду, видим последнюю не в том месте, где она находится, вследствие движения Земли вокруг Солнца и времени, необходимого для распространения света. Если бы Земля была недвижима или если бы свет распространялся мгновенно, то и световой аберрации не существовало бы. Поэтому, определяя положение звезды на небе посредством зрительной трубы, мы должны отсчитать не тот угол, под которым наклонена звезда, а несколько — впрочем, очень мало, как сказано ниже, — увеличив его в сторону движения Земли ….».
Итак, видимое положение движущегося объекта (например, спутника, кометы и т.д.) – явление , получаемое с помощью световых лучей. Однако помимо наблюдаемого существует действительное или истинное положение этого объекта. Это действительное (истинное) положение наблюдаемого объекта в момент времени, когда мы регистрируем (наблюдаем) его видимое положение. Угол между действительным и видимым (наблюдаемым) положениями есть угол аберрации .
Рис. 1
Вообще говоря, скорость видимого движения и скорость действительного движения могут не совпадать друг с другом! Действительная скорость соответствует реальной относительной скорости инерциальных систем (характеристика сущности ), а наблюдаемая скорость есть «искаженное отображение» этой действительной скорости (явление ) с помощью световых лучей. Заметим, что действительное положение объекта и его действительная скорость соответствуют мгновенной передаче информации.
Как известно, ни один «мысленный эксперимент» А. Эйнштейна не обходится без световых лучей. Это не случайно, поскольку А. Эйнштейн ни разу не упоминал о том, что помимо наблюдаемого положения объекта есть его действительное положение. Это он упустил из внимания. Сейчас наша задача будет состоять в том, чтобы проанализировать вывод преобразования Лоренца, предложенный Эйнштейном.
В своей работе «К электродинамике движущихся тел» [5] он устанавливает связь между двумя инерциальными системами следующим образом: «Если мы положим x’ = x – vt …». Здесь x, x’ – координаты двух систем, которые движутся друг относительно друга со скоростью v.
Кажется очевидной «правомерность» такого введения скорости относительного движения v в специальной теории относительности. Но это только«кажется ». Как измерить эту скорость и каков ее действительный физический смысл? Измерить скорость v можно несколькими способами. Рассмотрим один из них [6].
Пусть в некоторой инерциальной системе покоится источник, который излучает световые импульсы через равные промежутки времени Т . В инерциальной системе отсчета, где находится неподвижный наблюдатель, этот источник будет двигаться относительно наблюдателя с некоторой постоянной скоростью вдоль оси х . Поскольку относительная скорость инерциальных систем отсчета постоянна, неподвижный наблюдатель будет видеть вспышки, причем точки вспышек будут располагаться на равном расстоянии L друг от друга. Измеряя время между соседними вспышками (tn – tn- 1 ), и зная, что расстояние между ними равно L, он может вычислить скорость для различных участков оси х .
