Теория относительности, Физика, 10 класс

Теория относительности в школьной физике

Разминка для вашего визуального мышления

Учебник Физики, 10 класс, В.А.Касьянов, стр. 200-203.

Школьники могут задать вопросы преподавателю. Интересно, как преподаватель будет выкручиваться?

Относительность одновременных событий

Объясняется так. Сначала загорается звезда А. Свет от А ещё не долетел до звезды В, и загорается звезда В. Наблюдатель справа видит, что звезда В зажглась раньше, чем звезда А. Наблюдатель слева будет считать, что звезда А зажглась раньше звезды В. Делается вывод, что одновременность событий относительна.



Возникает вопрос. Не путаете ли вы, авторы учебника, "события" с "получением информации" о событии?

Я набрал на компьютере одно письмо и поставил на нем дату и время. Одно письмо я отправил по электронной почте. Копию письма я распечатал на принтере и отправил в бумажном виде почтой России. Письма были отправлены двум разным адресатам.

Один получил письмо через несколько секунд. Второй получил письмо через две недели. Какой можно сделать вывод об одновременности событий?

Очевидно, оба события (отправка писем) произошли одновременно. Я отправил письмо по электронной почте  (с телефона) одновременно с опусканием бумажной копии в почтовый ящик. Получатели приняли письма в разные время. События "отправка" и "прием" не могут рассматриваться как одинаковые события.

Вывод. Одновременность событий - абсолютна.  Разным является время получения информации о событии.

В примере учебника физики наблюдатели в разное время получают информацию о событии (вспышка звезды). Ведь информация о событии передается посредством световых волн. Но это никак не свидетельствует об относительности самих событий. Время событий абсолютно. Наверняка есть способы мгновенной передачи информации, в миллионы раз быстрее света. Просто наука их ещё не понимает. Например, экстрасенсы говорят о возможности мгновенного перемещения астрального тела на десятки световых лет. Это лженаука? А то, что вы прочитаете дальше, это, по-вашему, наука?

Замедление времени?

Здесь следует напомнить об общепризнанном научном факте, который игнорируется в теории относительности: скорость света не зависит от скорости его источника. Это доказано разными способами. Например, свет от противоположных сторон Солнца доходит до Земли за одинаковое время.

Если тело обладает массой, скорость тела зависит от скорости другого тела. Скорость шарика, брошенного из окна движущегося поезда, будет суммироваться со скоростью поезда. Из этого следует, что будет суммироваться и траектория движения шарика. Для человека в поезде шарик будет падать вниз по прямой. Наблюдатель на платформе увидит, что шарик падает по ветке параболы. Если шарик светится, то можно сфотографировать ветку параболы на фотопленку при съемке с большой выдержкой.

У любого тела, обладающего массой, есть единственная собственная скорость и единственная траектория движения. Определить находится ли тело в покое или в движении очень просто. Абсолютно неподвижное тело не затрачивает энергию для перемещения в пространстве. При этом можно с уверенностью сказать, что такое тело неподвижно относительно всего.

Тело, обладающее массой, может быть паразитом скорости другого тела. При этом тело наследует не только скорость другого тела, но и его траекторию движения. Например, человек в кресле летящего самолета абсолютно неподвижен. Его собственная скорость равна нулю, его траектория движения - точка. Человека перемещает в пространстве самолет за счет энергии своих двигателей. Когда взаимодействуют несколько тел, мы видим их суммарные скорости и суммарные траектории движения. Это объясняет парадокс, по которому якобы одно тело может одновременно двигаться по разным траекториям. Одно тело может двигаться только по одной траектории. Любые другие траектории - это уж не траектории движения одного тела, это суммарные траектории движения нескольких тел.

Особенность света в том, что скорость света не зависит от скорости источника. Из этого следует, что у импульса света может быть только одна, собственная траектория движения - прямая линия. Действительно, на примере материальных тел мы видим, что новая траектория появляется из-за сложения скоростей (скорость - векторная величина, имеет направление). Если скорость света ни с чем складываться не может, значит, не может быть и другой траектории распространения света. Из любой системы отсчета траектория движения импульса света выглядит одинаково.

Но что мы видим в учебнике физики?



Наблюдатель в движущемся корабле видит, как импульс света распространяется по прямой от потолка к полу, проходя расстояние сt (скорость света умножить на время).

Неподвижный наблюдатель вне корабля якобы видит другую траекторию движения импульса света.



Для него импульс света проходит гораздо большее расстояние (по гипотенузе прямоугольного треугольника).

Но из свойства света не зависеть от скорости источника (и наблюдателя) следует, что и траектория движения света не зависит от скорости источника и наблюдателя.

И наблюдатель в корабле, и наблюдатель во вне будут видеть одно и то же - прямолинейное распространение импульса света, начина с точки пространства, из которой этот импульс был испущен.

При этом, если корабль находится в движении, как на картинке, наблюдатель в корабле будет видеть как импульс света по прямой "падает" вниз и одновременно удаляется. То есть, импульс света при большой скорости корабля не попадет в нижнее зеркало. Зеркало улетит вперед от прямой траектории распространения импульса.

Внешний наблюдатель будет видеть как импульс света "падает" вниз из точки испускания, а корабль удаляется от прямой траектории света вправо.

Расстояние, пройденное импульсом света, одинаковое как для наблюдателя в корабле, так и для наблюдателя во вне. Следовательно, никакого замедления времени, которое следовало бы из увеличения пути пройденного света, не будет.

Да и как может замедляться то, чего в природе не существует? Время - это "линейка" для измерения скорости, как обычная линейка для измерения расстояния. Человек придумал время, чтобы измерять скорость.

Удлинение пути света может быть иллюзорным, когда мы рассматриваем не отдельный импульс света, а поток импульсов. Тогда внешнему наблюдателю может показаться, что свет проходит большее расстояние по гипотенузе. Но умный наблюдатель сделает вывод, что эта траектория не есть траектория движения импульса света, испущенного из одной точки. Это вообще не траектория движения. Видимая линия образуется потоком разных импульсов, выпущенных из разных точек пространства, каждый из которых распространяется строго прямолинейно.

Итак, главная Ахиллесова пята теории относительности: если скорость света не зависит от скорости источника, свет не может изменять траекторию движения. Из любой системы отсчета траектория движения света выглядит одинаково.

Из той же школьной физики мы знаем, что свет меняет скорость при переходе в другую среду. Например, из воздуха в воду. И как следствие изменения скорости - изменение траектории движения. Траектория остается прямой, но меняется угол, направление. Посмотрите на соломинку в стакане с водой.

Относительная скорость света

Что пытается доказать теория относительности? Что скорость света не зависит от скорости источника света? Так это вполне очевидно для всех и не требует доказательств. Более того, говоря о замедлении времени, теория относительности тем самым утверждает, что скорость света зависит от скорости источника.

Если время замедляется, это следствие изменение длины траектории света, длина траектории может меняться, если скорость света суммируется, скорость света будет суммироваться, если свет будет обладать массой.

Формулировки очень скользкие. "Скорость света постоянна относительно любой инерциальной системы отсчета". Значит, речь идет не о собственной скорости света, а об относительной скорости света, закамуфлированной под "скорость света относительно наблюдателя".

Сама по себе мысль о том, что относительная скорость чего угодно может быть постоянной, кажется абсурдной. По определению относительная скорость - это всегда сложение (причем, сложение только в уме) скоростей двух объектов. При этом реально скорости объектов не складываются, потому что объекты не взаимодействуют.

Пример.

Человек идет по летящему самолету. Скорость самолета и скорость человека (а так же их траектории) суммируются. Так как именно человек является паразитом скорости самолета и его траектории, то скорости суммируются на человеке. Системы отсчета всегда вложенные, одна система отсчета зависит от другой.

Но если мы говорим об относительной скорости двух самолетов, летящих навстречу друг друга (в одной системе отсчета - воздух), то скорости суммируются исключительно в уме. Если два самолета летят навстречу друг другу со скоростью 1000 км/час, то относительная скорость второго самолета с точки зрения наблюдателя в первом самолете будет равна 2000 км/час. Или можно сказать, что два самолета сближаются со скоростью 2000 км/час.

1. Может быть собственная скорость тела (или волнового процесса).
2. Может быть суммарная скорость тел, связанных силовым взаимодействием. Скорость суммируется на объекте, тем самым изменяя его траекторию. У световой волны нет суммарной скорости.
3. Может быть скорость сближения двух объектов (или волновых процессов), то есть, относительная скорость, или скорость объекта относительно другого объекта. Эта скорость не суммируется на объектах, она суммируется в нашей голове.

Очевидно, что два потока света могут сближаться, их относительная скорость (скорость сближения) будет равна 2с.

На чем же основана уверенность релятивистов в правильности их теории? Давайте попробуем выбить основной столб из основания ТО.

Измерить ничтожные изменения скорости света по скорости распространения переднего фронта световой волны или отдельного импульса очень сложно, почти невозможно. У нас и сейчас нет таких точных часов. А во времена Эйнштейна тем более не было.

Об изменении относительной скорости света судили по изменению частоты света.

Эфирный ветер

Представьте поток света как непрерывный поток шариков. Наблюдатель уже находится в этом потоке. Единственный способ судить о скорости света - это измерять его частоту в разных направлениях движения наблюдателя по отношению к источнику света.

Если источник света и наблюдатель сближаются, или источник неподвижен, а наблюдатель летит к нему, частота воспринимаемого наблюдателем света будет тем выше, чем больше скорость наблюдателя.

Если мы летим навстречу непрерывному потоку шариков, то частота попадания шариков нам в лоб будет увеличиваться с увеличением нашей скорости.

Если наблюдатель летит от источника света, то частота света будет уменьшаться. Такое явление называется "эфирным ветром". Тут важно заметить, что источник света и регистрирующий прибор сближаются или удаляются, не двигаются синхронно, как в установке Майкельсона-Морли.

Ученые решили, что по лучу света (по изменению его частоты) можно измерить скорость движения Земли в пространстве. Зная измеренную относительную скорость света и собственную скорость света, можно вычислить скорость движения Земли по отношению к лучу света.

Майкельсон-Морли решили доказать (или опровергнуть) существование эфирного ветра, т.е., возможности измерять скорость объекта относительно луча света. Но что они сделали?

Они поместили источник света и регистрирующий прибор на одну платформу. Источник света и наблюдатель при этом не сближаются и не удаляются, они двигаются вместе с Землей синхронно. Откуда взяться эфирному ветру?

Сконструируйте в воображении простой прибор. Длинная труба. С одной стороны закреплен источник света, с другой стороны прибор, регистрирующий длину волны.

Пусть прибор двигается навстречу лучу света. При этом двигается и источник света. Убегающий источник света увеличивает расстояние между шариками. Догоняющий регистратор частоты уменьшает расстояние между шариками. Частота света не меняется от скорости движения этой конструкции.

Пусть прибор двигается в противоположную сторону от источника света. Но и сам источник при этом двигается и будет догонять испускаемые шарики, уменьшать расстояние между ними. А регистратор частоты будет удаляться, увеличивая расстояние между шариками. И в случае движения в противоположном направлении частота света в этой движущейся конструкции не изменится.

Частота света действительно не меняется, если источник света и наблюдатель двигаются синхронно в прямом или в обратном направлении относительно луча света. Из этого вполне очевидного факта делается ложный вывод о том, что и относительная скорость света в этом приборе не зависит от скорости движения самого прибора!

Произошла подмена понятий. Частоту света приравняли к скорости света. Если не меняется частота, значит, не меняется относительная скорость. Но судить об относительной скорости по частоте можно лишь тогда, когда источник света и наблюдатель сближаются или удаляются. Если они двигаются синхронно, частота не изменяется, эфирного ветра нет.

В установках типа установки Майкельсона-Морли, в которых источник света и регистрирующий прибор двигаются синхронно, судить об изменении относительной скорости света можно только по времени прохождения импульса света в разные стороны (или переднего фронта света). При одинаковой частоте передний фронт света (импульс) будет проходить в разные стороны за разное время.

Из этого странного опыта Майкельсона-Морли, в котором и теоретически не следовало бы ожидать изменение частоты света, Эйнштейн делает свой самый абсурдный вывод о том, что скорость света относительно любой системы отсчета будет одинаковой. То есть, что относительная скорость света такая же константа, как и собственная скорость света!

И что свет от излучателя в центре неподвижного корабля и корабля, который двигается равномерно и прямолинейно, долетит до противоположных стенок одновременно.

Нет, так не будет. В неподвижном корабле свет из центра корабля долетит одновременно до противоположных стенок. Если корабль двигается равномерно и прямолинейно, импульс света долетит до носа и кормы за разное время. По этому времени и можно определить скорость равномерного прямолинейного движения относительно константной скорости света. Но частота света в обоих случаях действительно будет одинаковой, так как источник света и регистрирующий прибор двигаются синхронно. Как-то странно, что ученые, которые планировали этот опыт не смогли проиграть его в своем воображении ещё до изготовления опытной установки. Такая установка не может зарегистрировать эфирный ветер по изменению частоты света (длины волны).

Так как ничтожно малые изменения скорости света зарегистрировать крайне сложно, проверять факт движения по отношению к свету нужно по отклонению от траектории света.

Например, корабль в космосе излучает импульс света перпендикулярно предполагаемому направлению движения, в каком-нибудь туманном пространстве. Импульс не может изменить свою прямую траекторию. Если корабль находится в движении, удаляющаяся точка будет отклоняться в сторону, противоположную движению корабля.

Ещё раз главное

Если источник света и регистрирующий прибор двигаются синхронно (расстояние между ними не изменяется), определить факт движения относительно луча света по частоте нельзя. Так как частота всегда будет одинаковой. При синхронном движении источника света и регистрирующего прибора определять скорость движения по отношению к свету нужно либо по времени задержки переднего фронта света (импульса света), либо по отклонению импульса света от прямой траектории, перпендикулярной движению.