Статья: Относительная скорость инерциальных систем
наблюдения, связанные с исследованием и регистрацией характеристик взаимодействия материальных объектов (динамический вид описания), и
наблюдения, связанные с переходом наблюдателя из одной системы отсчета в другую (например, в новую инерциальную систему отсчета, в линейно ускоренную, во вращающуюся и т.д.). Последний вид наблюдений определяет кинематический вид регистрации и описания явлений.
Причина подобного разделения следующая. Взаимодействие есть процесс (но не явление!), протекающий в данной точке пространства в фиксированный интервал времени. Взаимодействие объективно . Оно не зависит от того, сколько наблюдателей исследуют процесс взаимодействия, и какие системы отсчета они себе выбрали.
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 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.
Вновь вернемся к рассмотренному примеру. Хотя процесс взаимодействия (полет и горение ракет) носит объективный характер, каждый наблюдатель будет видеть свое объективное явление . Его восприятие 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 для него наблюдаемое явление изменится и станет уже несколько иным (кинематический подход). Здесь наблюдатель (или наблюдатели) может сделать шаг от совокупности результатов наблюдений явления к сущности, т.е. от совокупности наблюдаемых характеристик явлений к описанию взаимодействия, как одной из характеристик сущности.
В любом случае 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.
Само собой разумеется, что наблюдатель сам не воздействует на материальный объект и не влияет на процесс взаимодействия.
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 движущегося наблюдателя от относительной скорости инерциальных систем отсчета 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 ближе относительная скорость движения инерциальных систем к скорости света в вакууме».
Явление «замедления времени» имеет кинематический характер. Часы движущегося наблюдателя не претерпевают никаких изменений, поскольку неподвижный наблюдатель не имеет возможности воздействовать на них, переходя из одной инерциальной системы отсчета в другую для фиксации величины замедления. Интервал времени претерпевает изменения кинематического характера из-за относительного движения (эффект Доплера). Само время во всех инерциальных системах отсчета сохраняется единым [3]. Многие физики осознают этот факт (хотя и не до конца), квалифицируя «замедление времени», как квадратичный (или «поперечный») эффект Доплера.
Но 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, т.е. теории относительности.
То же самое можно сказать и о «сжатии пространства» в рамках специальной теории относительности. Никакого реального «сжатия» не существует. Пространство является евклидовым и общим для всех инерциальных систем отсчета [3].
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.
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). Такое отображение опирается по своей сути на «мгновенное взаимодействие» (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.
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 искажений фазового фронта световой волны. 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.
Однако оба способа не являются независимыми . Мы, зная скорость относительного движения систем отсчета, направление светового потока и т.д., всегда можем сделать переход 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.
Примером может служить явление аберрации. Видимое положение движущегося объекта – явление , получаемое с помощью световых лучей. Однако существует действительное или истинное положение этого объекта. Угол между действительным и истинным положением есть угол аберрации . Нетрудно понять, что скорость видимого движения и скорость действительного движения могут не совпадать друг с другом! 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. 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 .
Рис. 1
Оказывается, что эта скорость v = L / (tn – tn -1 ) не будет постоянной. Она будет убывать по мере движения источника световых вспышек вдоль оси х мимо наблюдателя, поскольку
t 2 – t 1 < t 3 – t 2 < t 4 – t 3 < … < t 7 – t 6 .