Статья: Проверим "Gedanken Experiments" Альберта Эйнштейна

Оно сохраняет инвариантной форму уравнений Максвелла.

Это преобразование названо модифицированным преобразованием. Напомним, что никаких предположений относительно пространственно-временных отношений в инерциальных системах отсчета мы пока не делали. Что касается действительной относительной скорости движения инерциальных систем отсчета V, то она является обычной (классической) скоростью движения источника относительно наблюдателя и соответствует мгновенной передаче информации от источника к наблюдателю.

3. Эффекты, связанные с постоянством скорости света в инерциальных системах

Предварительное замечание. Световой луч всегда порождается своим источником. В системе отсчета, где этот источник покоится, отсутствуют явления аберрации света, эффект Доплера и др. Такую систему отсчета мы будем называть «базовой системой». Она всегда связана с источником светового сигнала. Если имеется среда (диэлектрик, замедляющие структуры и пр.), то для волны, отраженной, проходящей или рассеянной, такой базовой системой отсчета будет служить эта среда. Она является как бы источником «вторичного излучения». Если не будет оговорено специально, то мы величины, относящиеся к базовой системе отсчета, будем маркировать штрихами.

Математический формализм специальной теории относительности включает в себя понятие «истинный скаляр». Истинный скаляр есть величина, которая сохраняется инвариантной при применении преобразования Лоренца или модифицированного преобразования. Он имеет сущностный характер. Проекции отрезка (истинного скаляра) на оси пространственно-временных координат в любой системе отсчета относятся к разряду явлений.

Если, например, неподвижный пространственный отрезок мы будем рассматривать из движущейся системы отсчета, то его длина, определяемая квадратичной формой

будет одна и та же. Она является истинным скаляром. Однако проекции на оси координат в разных системах отсчета будут отличаться.

А. Интервалы времени и длины отрезков в разных ИСО. Рассмотрим неподвижный пространственный отрезок АВ (левый фрагмент рис. 3), ориентированный вдоль оси х’. Концы этого отрезка имеют проекции на эту ось x’₁ и x’₂ . В момент времени t’₀ мы осветим весь этот отрезок на короткое мгновение. Наблюдатель, расположенный в движущейся системе (x, ct), увидит, что в точке x₁ в момент времени t₁ возникнет световая точка, которая будет перемещаться к координате x₂ , которую она достигнет в момент времени t₂ .

Рис. 3

Можно ли рассматривать пространственный интервал (х₁ -х₂ ) как «длину» движущегося отрезка? Конечно нельзя! Действительная длина отрезка остается неизменной. Она не зависит от выбора наблюдателем системы отсчета. Информация, передаваемая с помощью светового луча, как мы видим, искажается. Появляется отличная от нуля проекция на ось времени (ct₁ , ct₂ ), которая в собственной системе отсчета отрезка была равна нулю. Действительная же длина отрезка инвариантна. Она определяется, приведенной выше квадратичной формой.

Аналогичные явления имеют место, когда мы рассматриваем интервал времени. Если в неподвижной точке x’₀ на короткое время t’₁ – t’₂ вспыхивает лампочка, интервал времени (отрезок CD на правом фрагменте рис. 3), то движущийся наблюдатель обнаружит, что светящаяся точка перемещается в пространстве от х₁ к точке х₂ за время ct₁ – ct₂ . Но это время перемещения не есть действительный «интервал времени», наблюдаемый в движущейся системе. Это проекция.

Итак, мы обнаружили еще один миф о «замедлении времени» и «сжатии масштабов» в теории относительности. Никаких «сжатий» и «замедлений» в движущейся системе нет. Есть только наблюдаемые явления. Это искаженное отображение реальности, полученное с помощью световых лучей.

Б. Эффект Доплера

Как мы уже говорили, истинные скаляры («сущности») остаются инвариантными в любой инерциальной системе отсчета. Таким инвариантом является фаза волны, регистрируемая наблюдателем. Для монохроматического сигнала в системе отсчета наблюдателя, когда наблюдатель движется относительно источника в плоскости (x’; y’) мы можем записать

(2.1)

где ω' – циклическая частота колебаний источника, k' = ω'/c – волновое число (предполагается, что волна распространяется в вакууме), а – угол между направлением наблюдения и скоростью относительного движения источника и наблюдателя V(осью 0x) в K'

В системе отсчета движущегося наблюдателя (система К) мы можем записать

(2.2)

Выражение (2.2) должно получаться из (2.1) путем замены x', y' и t' на x, y и t в соответствии с модифицированным преобразованием. Имеем

Это выражение можно привести к следующему виду

(2.3)

Сравнивая (2.2) и (2.3) и учитывая, что , получаем

(2.4)

Выражая угловую частоту через не штрихованные величины, получаем выражение для наблюдаемой частоты в системе отсчета неподвижного наблюдателя

(2.5)

где v – скорость, входящая в преобразование Лоренца, и V – действительная скорость относительного движения инерциальных систем отсчета, входящая в модифицированное преобразование. Эта формула описывает эффект Доплера.

В. Аберрация. Аберрация света связана с искажением фронта световой волны, который возникает при переходе из системы отсчета, связанной с источником, к системе отсчета, связанной с движущимся относительно источника наблюдателем. Решая уравнения (2.4) и выражая угол через , получим