А.Эйнштейн, Принцип относительности

Помощь в понимании. Относительность...

Может ли одно и то же тело иметь одновременно разную скорость и разную траекторию движения?

Теория относительности утверждает что да, может! Все зависит от выбранной системы отсчета, от позиции наблюдателя. Но, с другой стороны, какая разница "телу" наблюдают за ним или нет?

Вы едете на велосипеде с какой-то скоростью и по своей траектории. Здравый смысл подсказывает, что ваша скорость и ваша траектория единственные, не могут быть другими, и никак не зависят от того, что за вами кто-то наблюдает с Луны или с Нептуна. И когда вы остановились отдохнуть, вы можете с полной уверенностью утверждать, что вы находитесь в состоянии абсолютной неподвижности. "Относительно чего неподвижны?" - спросил бы Эйнштейн, думая, что поймал наш разум в ловушку. "Относительно всего!" - ответим мы ему.

Вложенные системы отсчета

Системы отсчета не бывают параллельными и независимыми. Разве только в фантазиях философов и физиков. В реальности системы отсчета вложены друг в друга, как матрешки и две соседние системы отсчета связаны силовым взаимодействием.

Рассмотрим вложенные системы отсчета "Солнце - Земля - вращающаяся виниловая пластинка - жук на пластинке".

Чтобы перемещаться относительно соседней (верхней по уровню) системы отсчета, тело должно затрачивать энергию. Собственную энергию или что-то должно дать телу энергию извне.

Земля должна расходовать энергию, чтобы вращаться вокруг Солнца (или что-то извне должно давать Земле энергию на вращение). Двигатель должен вращать виниловую пластинку, чтобы перемещать её относительно Земли. Жук должен затрачивать собственную энергию, чтобы ползти по пластинке.

Если убрать Землю и оставить вращающуюся виниловую пластинку, жук будет продолжать ползти по пластинке, за счет сцепления с ней острыми лапками. И не заметит, что пластинка вращается, и что Земля исчезла. Разве что ползти станет легче, по непонятным для жука причинам.

Если убрать Солнце, мы заметим это по внешним признакам. Станет темно, холодно. Но наше взаимодействие с Землей не изменится.

Вложенные системы отсчета, которые не взаимодействуют между собой непосредственно (не соседние), не оказывают заметного силового влияния друг на друга. И чем дальше друг от друга две вложенные системы отсчета, тем меньше их силовое взаимодействие.

Человек на Земле не ощущает силовое действие Солнца. Бактерия в организме человека не ощущает силового действия Земли. Клетки внутри бактерии никак не ощущают скорость перемещения бактерии в организме человека.

Относительность движения и абсолютная неподвижность

Как это не парадоксально звучит, но говорить об относительности движения можно только определив абсолютную неподвижность.

Абсолютная неподвижность тела - когда тело не затрачивает энергию на перемещение в пространстве.

О полном покое тела можно говорить только в пределах двух соседних вложенных систем отсчета. Человек, сидящий в летящем самолете, находится в полном покое относительно соседней вложенной системы отсчета. Человек не затрачивает энергию на перемещение в пространстве. Он является паразитом скорости самолета, наследовал скорость самолета. Самолет перемещает человека в пространстве за счет энергии своих двигателей.

"Относительность" подразумевает взаимодействие двух тел в соседних вложенных системах отсчета. Человек может перемещаться внутри самолета, относительно самолета.

Не правильно говорить о перемещении человека в летящем самолете относительно наблюдателя на Земле. Относительно наблюдателя на Земле перемещается самолет (соседняя вложенная система отсчета), а не человек. Сидящий в летящем самолете человек находится в полном покое, как относительно самолета, так и относительно любого наблюдателя на Земле, на Луне, на Солнце, в центре Галактики. Человек в кресле летящего самолета абсолютно неподвижен, потому что он не затрачивает энергию на перемещение в пространстве.

Итак, понятие "относительности" следует применять только к соседним вложенным системам отсчета, когда можно определить абсолютную неподвижность подчиненной системы отсчета.

Наблюдатель на Земле видит, что человек не перемещается относительно соседней вложенной системы отсчета (движущийся поезд). Наблюдатель делает вывод о том, что человек в поезде находится в состоянии покоя, не затрачивает энергию для перемещение в пространстве, является паразитом скорости поезда.

Собственная скорость и собственная траектория движения тела

Когда человек идет по вагону движущегося поезда, человек затрачивает энергию на перемещение по вагону. Мы видим его собственную скорость и собственную траекторию движения. Собственная скорость и собственная траектория движения никак не может зависеть от позиции наблюдателя.

Действительно, изменится ли ваша скорость перемещения по вагону поезда, если вы будете знать, что за вами наблюдает кто-то с платформы, или даже с Луны? Факт наблюдения за вами никак не может изменить вашу собственную скорость и вашу собственную траекторию движения.

Но что видит наблюдатель на платформе? Как это ни странно, зрительный анализатор устроен так, что и наблюдатель на платформе будет видеть, что вы находитесь в полном покое, лежа на полке поезда. Потому что зрительный анализатор устроен по принципу относительности. Глаз захватывает движущийся поезд и человека в нем, и ведет, отслеживает некоторое время. Мозг делает вывод, что относительно фона (поезд), человек находится в полном покое. Не перемещается относительно фона. Мозг анализирует две соседние вложенные системы отсчета. Таким образом исключая иллюзорные траектории движения, давая точную информацию о наблюдаемом объекте.

Иллюзорные траектории движения

У движущегося тела может быть только одна траектория движения. Было бы странно, если одно и то же тело одновременно перемещалось по разным траекториям. Такое невозможно!

Есть истинная, собственная траектория движения тела (относительно соседней вложенной системы отсчета) и есть иллюзорные траектории.

Иллюзорная траектория движения святящегося шарика в движущемся поезде может быть зарегистрирована при съемке на фотопленку ночью с большой выдержкой. Если шарик бросить вниз из движущегося поезда, на фотопленке мы увидим суммарную траекторию движения поезда и шарика. Шарик нарисует на фотопленке ветку параболы.

Не нужно учить физику в школе, чтобы понять, что ветка параболы образована суммой скоростей поезда и падающего вниз шарика. То есть, наблюдатель видит не движение шарика относительно себя. Наблюдатель видит движение поезда и шарика внутри поезда относительно себя. Шарик наследует скорость поезда, является паразитом скорости поезда.

Падает ли шарик по другой траектории относительно наблюдателя на платформе? Конечно, нет! Шарик падает по своей собственной траектории. По прямой линии вниз. И наблюдатель на платформе должен быть очень глупым, чтобы не понимать, что у шарика не может быть одновременно двух разных траектории движения. Есть траектория движения шарика. И есть траектория движения двух объектов - шарика и поезда.

Шарик движется относительно поезда. Но шарик не движется относительно наблюдателя! Относительно наблюдателя движется поезд. Слово "относительно" можно использовать только для двух соседних вложенных систем отсчета.

Поезд движется относительно наблюдателя на платформе.

Шарик в поезде падает относительно поезда.

Относительно наблюдателя падает шарик в движущемся поезде. И наблюдатель фиксирует на фотопленку сумму скоростей двух объектов и их суммарную траекторию движения.

А что будет со светом?

Если вместо падающего вниз шарика из окна движущегося поезда мы выпустим короткий импульс света из лазера. Скорость света очень большая, поэтому для анализа нужно мысленно замедлить скорость "падающего" импульса света до скорости падающего шарика с лампочкой внутри.

Чем отличается импульс света от светящегося шарика, если сравнять мысленно их скорости?

Тем, что шарик наследует скорость поезда, и наблюдатель будет видеть суммарную траекторию. Шарик оставит на фотопленке ветвь параболы. Импульс света распространяется строго по прямой, как его выпустили. Это волна, она не имеет массы, следовательно, горизонтальную скорость поезда импульс света наследовать не может. выпущенный импульс света, откуда бы его не выпустили, всегда имеет только собственную скорость и собственную траекторию движения - строго по прямой линии.

Поэтому на фотопленке наблюдатель с платформы зарегистрирует прямую линию, направленную вниз перпендикулярно направлению движения поезда, начиная с той точки пространства, в которой импульс был выпущен.

Если бы импульс света оставил на фотопленке ветвь параболы, как светящийся шарик, обладающий массой, нам следовало бы признать, что свет обладает массой и может наследовать скорость поезда. Но, как доказано в физике, скорость света не зависит от скорости источника, поэтому выпущенный вниз из вагона поезда импульс света не может иметь траекторию параболы.

Для наблюдателя в движущемся поезде, который выпустил импульс света вниз, и для наблюдателя на платформе, наблюдаемая (и регистрируемая приборами) траектория движения импульса света будет одинаковой. Они оба буду видеть прямую линию, оставленную импульсом света на фотопленке.

Разница в том, что наблюдателю в поезде придется направить свой фотоаппарат назад, чтобы сфотографировать удаляющийся и падающий по прямой вниз импульс света. Распространяющийся вниз импульс света будет отставать от наблюдателя в поезде. Это трудно проверить на опыте. Но если мы на анимации замедлим скорость света до наблюдаемой, свойства света от этого не изменятся.

Важный вывод. Материальные тела могут иметь собственную траекторию движения и множество иллюзорных траекторий (суммарных траекторий движения разных тел во вложенных системах отсчета). А так как скорость света не зависит от скорости источника, у света только одна, собственная траектория движения - прямая линия. И эта траектория одинаково воспринимается из любых систем отсчета. Скорость света и траектория распространения света не зависит от систем отсчета.

А может ли быть постоянной относительная скорость света?

Здесь нужно рассматривать передний фронт распространения света. Представим ужасное - Солнце погасло. Известно, что свет от Солнца до Земли идет 8 минут.

Как обеспечить синхронизацию событий, то есть их одновременность? Во времена Эйнштейна ещё не было электроники и ему трудно было придумать правильный способ синхронизации событий. Сейчас это сделать элементарно. Мы мысленно используем два таймера. Один оставим на Земле. Другой таймер отвезем на Солнце. Таймер на Солнце при достижении времени ноль, будет включать Солнце. А таймер на Земле при окончании обратного отсчета будет запускать двигатели летающей тарелки, которая может перемещаться со скоростью света.

И вот, два события произошли совершенно одновременно. Солнце включилось по таймеру, а тарелка понеслась в полной темноте навстречу Солнцу.

Если световой фронт от Солнца до Земли распространяется 8 минут, то космонавты в летающей тарелке, которая летит навстречу Световому потоку от Солнца со скоростью света, увидят свет Солнца через 4 минуты, в два раза раньше, чем обитатели планеты Земля.

Говоря об относительности, мы подразумеваем один из двух объектов неподвижным относительно второго. Если считать неподвижной летающую тарелку, то относительная скорость света (для наблюдателей в тарелке) будет 600 000 км/сек, в два раза больше скорости света.

А если считать неподвижным передний фронт света, распространяющегося от Солнца, то скорость тарелки будет 600 000 км/сек.

Если два объекта двигаются навстречу друг другу с определенными скоростями, то относительная скорость будет равна сумме этих скоростей. Относительная скорость - это не реальная скорость, это суммарная скорость двух объектов.

Так, если для космонавтов в тарелке относительная скорость света будет равна 600 000 км/сек, то зная свою собственную скорость 300 000 км/сек, они могут прийти к заключению, что скорость распространения переднего фронта света от Солнца равна скорости света. А почему она должна быть другой?

Однако, господин Эйнштейн, а вслед за ним и все учебники, пытаются доказать нам, что относительная скорость света всегда постоянная и равна собственной скорости распространения света в пространстве.

Как может быть постоянной относительная скорость, которая по определению есть сумма двух скоростей? Видимо, спекуляции основаны на трудностях экспериментальной проверки данного утверждения, из-за очень высокой скорости распространения световой волне в пространстве.

Попробуем на анимации замедлить скорость света до наблюдаемой. Ведь от мысленного замедления свойства света не изменятся.

Эйнштейн предлагает такой мысленный опыт.

Два корабля в пространстве. В середине стоит импульсный излучатель, который одновременно испускает свет к противоположным концам корабля. Корабли движутся равномерно и прямолинейно. Определить, какой из них находится в движении нельзя. Каждый корабль может считать себя неподвижным. Однако они не могут быть неподвижными оба! Один из них обязательно находится в движении относительно другого. Не важно какой.

Эйнштейн утверждает, что если в двух таких кораблях (на анимации корабли 1 и 3) одновременно выпустить импульсы света, то они достигнут левой и правой стенок одновременно. На основании этой странной, ничем не обоснованной посылки, делается вывод о том, что относительная скорость света есть константа. И относительная скорость света не зависит от скорости источника.

Это трудно представить в воображении. Но хорошо видно на анимации. Выполним все условия. Любой корабль мы вправе считать неподвижным или находящемся в движении. Очевидно, что если бы корабли 1 и 3 были оба неподвижны, они бы не перемещались друг относительно друга. Значит, какой-то один точно находится в движении. Нам все равно какой. Пусть будет двигаться звездолет имени Эйнштейна № 3. Выполним условия мысленного опыт Эйнштейна. Свет в кораблях 1 и 3 достигает концов одновременно, ведь движущийся корабль мы вправе признать неподвижным.

Однако никакие мысленные опыты не могут изменить свойства света. Свет не обладает массой и не может наследовать скорость источника. Чтобы выполнились условия мысленного опыта Э. в звездолете номер 3 имени Эйнштейна, который движется равномерно и прямолинейно относительно неподвижного звездолета № 1 (можете поменять их местами, но какой-то из них обязан двигаться, иначе они стояли бы неподвижно друг против друга), световой импульс должен приобрести свойства материального тела, обладающего массой. То есть, свет должен унаследовать скорость корабля № 3, чтобы добраться до левого и правого концов одновременно.

Получается, что Эйнштейн пытается доказать в своей теории, что свет обладает массой и что скорость света зависит от скорости источника.

Но если бы свет обладал массой, то в мысленном опыте с выпущенным вниз из вагона поезда импульсом света наблюдатель с платформы видел бы распространение света по ветке параболы. Но это не так. Свет распространяется по прямой, как для наблюдателя из поезда, так и для наблюдателя на платформе,



На анимации видно, что в звездолете №3 происходят чудеса. По ходу движения звездолета скорость света увеличивается (как видно, превышает скорость света), в противоположную сторону уменьшается.