Файл: Станис Л.Я. Движение, пространство, время и теория относительности.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 06.04.2024
Просмотров: 69
Скачиваний: 0
рассмотрим здесь только эксперимент Майкельсана— Морли и его интерпретацию с точки зрения теории от носительности.
Представим себе поезд длиной 5 400 000 км, движу щийся прямолинейно и равномерно со скоростью 240 000 км/сек мимо платформы (рис. 5). Точно в сере дине поезда находится источник света (С). В тот момент,
Рис. 5
когда источник света (С) будет находиться как раз на против приемника света (К), установленного на «поко ящейся» платформе, лампочка в середине поезда вспых нет. В переднем и заднем вагонах поезда устроены такие
двери, которые автоматически открываются |
в |
момент, |
|
когда на них попадает свет. |
Что |
будет |
|
Что можно будет наблюдать в поезде? |
|||
зафиксировано на платформе? |
|
В |
точке |
ЛВ = 5 400 000 км.; АС = ВС —2 700 000 км. |
С — источник света. В точке К — приемник света. В точ ках А и В — автоматически открывающиеся двери с до полнительными источниками света. Платформа «покоит ся», поезд идет в указанном стрелкой направлении. Для пассажиров, сидящих внутри поезда, двери откроются одновременно, т. е. через 9 секунд,
( 2 700 000 к м _ _ 9 с е к \ _ 300 000 км/сек
72
Для людей, находящихся на платформе у приемника излучения, двери откроются в разное время. Как только двери откроются, на них зажгутся сигнальные лампочки. От сигнальной лампочки задней двери по классическому принципу сложения скоростей к платформе свет должен пойти со скоростью 540 000 км/сек (300 000 км/сек ско рость света плюс 240 000 км/сек скорость поезда).
Поэтому момент открытия задней двери на платфор ме должен быть зафиксирован через 5 сек после того,
как она откроете? ( |
КМ~— 5 сек ] . От лампочки |
|
- \540 000 км/сек |
1 |
передней двери свет должен прийти значительно позже. Его скорость в отношении платформы окажется >60 000 км/сек, потому что передняя дверь как бы убегает от приемника света (300 000 км/сек минус 240 000 км/сек). Только через 45 сек свет от лампочки задней двери дой-
дет до приемника на платформе |
/ 2 700 000 км |
сек . |
——-----------—45 |
||
|
\60 000 км/сек |
/ |
Иначе говоря, события, происходящие о д н о в р е м е н н о в одной инерциальной системе — в поезде, оказываются р а з н о в р е м е н н ы м и в другой — на платформе. Учи тывая постоянство и предельность скорости света, можно, конечно, по последовательности событий в одной системе, зная расстояние, судить о том, в какой последователь ности и с какими интервалами они происходят в других системах. И все-таки благодаря тому, что все матери альные системы находятся в вечном, абсолютном состоя нии взаимодвижения, нельзя в этом беспокойном клубке кинематических взаимодействий выделить ни одной си стемы, которую можно было бы рассматривать в качестве а б с о л ю т н о п р и в и л е г и р о в а н н о й системы от счета. Понятие одновременности в классической физике признавалось абсолютно однозначным для всей Вселен ной по двум причинам: во-первых, благодаря признанию
73
абсолютного покоя как единой привилегированной систе мы отсчета (в форме пустого пространства или запол нявшего все пространство мирового эфира), во-вторых, благодаря признанию принципа дальнодействия (распро странения взаимодействия с бесконечной, мгновенной скоростью). Благодаря последнему предполагалось воз можным давать единое, мгновенное сечение всех событий бесконечного Мира.
В т е о р и и о т н о с и т е л ь н о с т и , " исключавшей
как то, так |
и другое, п о н я т и е |
о д н о в р е м е н н о |
с т и с о б ы т и й п р и о б р е л о |
о т н о с и т е л ь н ы й |
|
х а р а к т е р , |
з а в и с я щ и й от к о н к р е т н о г о со |
с т о я н и я д в и ж е н и я о д н и х с и с т е м в о т н о ше н и и к д р у г и м .
Итак, суждение «в одно и то же время» оказалось столь же относительным, как и суждение «в одном и том же месте». Последнее понять просто, оно осязаемо и наглядно, первое понять очень трудно, потому что в обыденной жизни ничего подобного мы заметить не мо жем. Очевидно, например, что встреча двух приятелей в одном и том же месте вагона-ресторана движущегося поезда, за одним и тем же обеденным столиком еще не означает одного и того же места на Земле. Одно и то же место на Земле не означает одного и того же места в Солнечной системе и т. д. Теперь получалось, что одно и то же время двух или многих событий в системе, дви жущейся с большой скоростью (в поезде Эйнштейна, например), не означает одного и того же времени этих событий в других системах, связанных с первой различ ными скоростями движения. Не наглядно, не очевидно, сложно, но совершенно необходимо для правильного по нимания Мира.
Недалеко ушло то время, когда люди вкладывали абсолютно однозначное содержание в понятия «верх» и
74
«низ» благодаря тому, что средства сообщения были весьма примитивны, скорость передвижения мизерной. Земля поэтому представлялась плоской. За убеждения в шарообразности Земли, которые служили основанием представлений об относительности «верха» и «низа», людей подвергали страшным гонениям, как посланников дьявола. На стороне церковников против подобных «ере тических» представлений был ограниченный опыт чело вечества, не дававший большинству людей возможности представить, каким же образом с обратной стороны ша рообразной Земли люди могут ходить «верх» ногами и «вниз» головой. Теперь нам кажется это смешным, а представление об относительности понятий «верх» и «низ» само собою разумеющимся. В отношении понятия
о д н о в р е м е н н о |
с т и , однако, |
большинство из |
нас по |
ка что находится |
примерно на |
положении тех |
людей, |
которые в свое время абсолютизировали понятие верха и низа.
Отказываться от абсолютизации фундаментальных понятий особенно трудно потому, что содержание их за креплялось длительной, исторически ограниченной прак тикой человечества. Современный уровень научной и технической революции выдвигает все больше новых тео ретических и практических проблем. Для их решения при ходится все чаще и чаще преобразовывать одни, отвер гать другие и выдвигать третьи понятия, адекватно и все более точно отражающие новые горизонты и новые глубины объективной действительности, которыми чело
век |
XX века о в л а д е в а е т теоретически |
и практиче |
ски. |
При этом ни одно понятие не падает, |
как говорят, |
с неба в готовом виде. Оно всегда есть не только резуль тат новых экспериментов и новых идей, но и следствие п р е е м с т в е н н о с т и в развитии идей, результат преобразования исторического в логическое.
75
Вернемся, однако, к конкретным расчетам парамет ров движения поезда Эйнштейна. В них придется внести необходимые поправки, которые, правда, не изменят об щих выводов об относительности одновременности собы тий, происходящих в движущихся относительно друг друга системах, но станут более точными. В нашем при мере мы рассуждали до сих пор так, будто распростра нение света, несмотря на свое постоянство внутри инер циальной системы, вместе с тем подчиняется обычному классическому закону сложения скоростей, как только рассматривается относительное движение двух, по край ней мере, систем. Именно поэтому луч света от лампочки задней двери в отношении платформы у нас смог дви гаться со скоростью 540 000 км!сек. Эти расчеты, однако, противоречат одному из постулатов теории относитель ности— универсальному, предельному характеру скоро
сти распространения света. |
Поэтому в нашем случае свет |
|||||
не мог распространяться |
со |
скоростью, |
большей |
|||
300 000 км/сек. Именно в это особое, |
универсальное |
посто1 |
||||
янство скорости света, в предельный характер |
скорости |
|||||
распространения |
любых |
взаимодействий как в |
особый |
|||
(универсальный) |
закон |
природы |
и у п и р а е т с я |
в с я |
п р о б л е м а . На разрешении ее построены о б щ е т е о р е т и ч е с к и е в ы в о д ы и р а с ч е т ы с п е ц и а л ь ной т е о р и и о т н о с и т е л ь н о с т и 1.
До Эйнштейна задачу, связанную с отрицательным результатом опыта Майкельсона — Морли, пытались ре шать многие ученые. Они, однако, стремились при этом спасти теорию эфира и все связанные с нею представле
1 «Специальной» потому, что она специально рассматривает пространственно-временные отношения инерциально движущихся систем, не касаясь систем, движущихся с ускорением, вращением и т. д. Последние рассматриваются в общей теории относительности. Специальную теорию относительности называют также частной.
76
ния классической физики в неизменном виде. Их гипо тезы сводились к тому, чтобы отсутствие «эфирного ветра» в экспериментах и «нарушение» светом классиче ского принципа сложения скоростей истолковать как кажущиеся явления, в основе которых лежат какие-то другие, реальные причины. Так, например, ирландский физик Фитцджеральд выдвинул предположение, что при движении сквозь эфир все-таки возникает «эфирный ве тер», он как бы давит на движущийся предмет и тем самым сокращает, сжимает его в направлении движения
в строго определенной пропорции 1 — — Фор-
мула сокращения размеров тела в направлении его дви-
жения будет иметь вид 1= 1 о ^ ~ 1------- , где V — скорость
С2
движущегося тела, а с — скорость света, I — длина дви жущегося тела, /о — его «истинная» длина в состоянии покоя. В сравнении с-«истинными» размерами в покоя щемся состоянии в указанной пропорции сокращаются все тела в направлении движения. При скоростях, очень малых в сравнении со скоростью света, эффект сокра щения тел пренебрежимо мал.
Независимо от Фитцджеральда к подобному же объ яснению .пришел крупнейший голландский физик Лоренц. Гипотеза получила название теории сокращения Фитц джеральда— Лоренца. Она следующим образом объяс няла отрицательный результат поисков абсолютной скорости движения Земли в опытах Майкельсона — Морли. Так как в направлении движения Земли все тела со-
кращаются как I, , то луч света, проходивший С2
в таком направлении, должен был бы преодолевать более короткое расстояние до зеркала-экрана 52 и обратно в
77
сравнении с лучом, который проходил в поперечном на правлении к зеркалу и обратно (см. рис. 3 на стр. 62). Хотя «эфирный ветер» и оказывал бы в целом «тор мозящее» действие на движение пучка света в продоль ном, в отношении движения Земли к эфиру, направлении, соответственно сократившиеся в этом же направлении размеры плеча, т. е. более короткий путь луча, позволили бы полностью выровнять окончательный результат дви жения лучей как в продольном, так и в поперечном на правлениях. Благодаря этому скорость света, с точки
зрения Фитцджеральда и Лоренца, к а з а л а с ь бы |
аб |
солютно одинаковой, «эфирный ветер» к а з а л с я |
бы |
отсутствующим, а интерференционная картина остава лась неизменной. Предполагалось, что такому сокраще нию подвержены все тела, поэтому не предвиделось ни какого способа его обнаружить. На движущейся Земле все приборы, т. е. все «линейки», при помощи которых мы попытались бы обнаружить сокращение, сами бы сокращались, а масштабы отношений измерительных приборов и измеряемых объектов оставались неизмен ными '. Однако если остановиться на преобразовании лишь пространственных параметров тела, движущегося со скоростью, сравнимой со скоростью света, его сокра щение в принципе можно заметить, как и сокращение всех тел на Земле в направлении ее движения, если су меть расположиться вне Земли, на отдаленном космиче ском теле, движущемся в отношении Земли с околосветовой скоростью. При этом не только Земля, но и все1
1 Довольно удачно и наглядно предполагаемые эффекты пока заны в 20-минутном фильме по теории относительности, выпущенном в 1964 году Московской студией научно-популярных фильмов. В учебных занятиях по философии этот фильм может быть исполь зован при изучении темы «Материя и ее формы существования».
78
атомы вместо «шарообразных» стали бы «эллипсообраз
ными».
Во времена Лоренца практически о таких экспери ментах нечего было и думать. Однако даже и в том случае, если бы они в конце концов были выполнены, Лоренц не надеялся на положительные результаты экс периментов. Он считал, что опыты, подобные опытам Майкельсона — Морли, в принципе никогда не смогут зафиксировать реальное сокращение тел, в какую бы точку мирового пространства для проведения опытов мы ни переместились. К гипотезе сокращения размеров тел Лоренц сделал очень важное дополнение. Он ввел п р е о б р а з о в а н и е параметров кажущегося течения вре мени в движущихся системах. С его точки зрения, ход часов, точнее любой ритм вменений в движущихся си стемах, под действием эфира (его «давления» или «вет ра»), аналогично сокращению размеров тел, замедлялся бы в отношении «истинного» мирового потока времени как раз в такой пропорции, что измеряемая скорость всегда оказывалась бы равной 300 000 км/сек. На самом же деле, считал Лоренц, скорость света в движущихся материальных системах может становиться и большей, чем 300 000 км/сек, но ритм изменений, в том числе и «тиканье» часов, при помощи которых она измеряется, становятся замедленными ровно настолько, что скорость света всегда кажется неизменно постоянной, предельной.
Из новой теории Лоренца тем самым вытекала прин ципиальная невозможность экспериментального обнару жения абсолютной скорости материальных систем, при сравнении их движения с распространением света. На самом же деле скорость света, как представлял Лоренц, не является предельной универсальной постоянной вели чиной. Таковой она лишь кажется. Многим физикам, од нако, такая аргументация казалась странной. Говоря
79
словами Эйнштейна, получалось, что бог играет с нами в кости, а природа будто бы специально скрывает свои истинные законы движения за кажущейся предельной скоростью света. По Лоренцу, она должна была скры вать их только затем, чтобы сохранить верность основам классической механики и физики. Все это, однако, не помешало Лоренцу дать точное математическое описание экспериментально установленным новым феноменологи ческим эффектам. Он разработал такие преобразования координат и времени, в которых наиболее последова тельно выражался как принцип относительности, так и постоянный, кажущийся предельным характер скорости света. Когда математическая модель явления создана, она становится достоянием науки и начинает как бы жить самостоятельной жизнью. Интерпретировать ее воз можно по-разному, иногда прямо противоположно авто ру математической модели. Так случилось с преобразо ваниями Лоренца. Приведем их и посмотрим, как они выглядят в сравнении с преобразованиями Галилея. Бе рем пример с теми же скользящими осями координат х и х'. Вот они:
У Х
(напомним |
галилеевы |
преобразования: х' = х— |
у'= у; г' = г; |
К= *). Лоренцовы преобразования полно |
стью не отрицают галилеевых, они включают в себя клас сические преобразования как предельный случай, когда скорость движения одной системы относительно другой очень мала в сравнении со скоростью света.
80