1   2   3   4   5   6   7        Оглавление        Главная страница

Преобразования для движения света


1. О преобразованиях Галилея.

В.А.Угаров, рассуждая о преобразованиях Галилея, ставит задачу: как пересчитать результаты, полученные в одной системе отсчёта, к другой системе отсчёта. Такая постановка вопроса лишена смысла, поскольку мы не знаем кто движется, а кто покоится и, следовательно, результаты пересчёта будут зависеть только от точки зрения наблюдателей. Да и какие результаты можно пересчитывать? Геометрические размеры тел, как мы увидим дальше, во всех системах будут одинаковы; скорости и ускорения в системах, а только их мы можем пересчитывать, будут зависеть от точки зрения наблюдателей в зависимости от того, кто считает себя покоящимся, а кто движущимся. Здесь следует отметить, что этот пересчёт сводится только к получению такого же численного значения параметра от действия одинакового по величине другого параметра. Например, если у нас сила в один Ньютон придаёт массе в один килограмм ускорение 1 м/сек2, то такое же по величине ускорение должно быть для массы в один килограмм во всех инерциальных системах. Это требование вытекает из первого постулата Эйнштейна.

Поэтому, смысл любого преобразования должен сводиться не только к пересчёту результатов, а созданию условий для получения одинаковых численных значений одинаковых опытов. И преобразования Галилея выполняют именно эту функцию.

Давайте вместе посмотрим на них:

x' = x - vt , y' = y , z' = z.

x = x' + vt

Прежде всего они фиксируют незыблемость размеров движущегося тела по всем направлениям.

Во-вторых, как следствие этих преобразований, одинаковые силы придают одинаковым массам одинаковые скорости и ускорения по всем направлениям в каждой ИСО.

Галилей считал, что время во всех ИСО течёт одинаково, поэтому х он находит простой перестановкой х = х' + vt.

2. О преобразованиях Лоренца.

После того, как стало ясно, что свет не подчиняется преобразованиям Галилея, стала задача изменить преобразования Галилея таким образом, чтобы они годились и для света. Лоренц предположил, а Эйнштейн затем доказал, что время в каждой ИСО течёт посвоему. Это утверждение вскоре подтвердилось в опытах с мезонами.

Лоренц видоизменил преобразование Галилея, введя каждому наблюдателю своё время, и для симетрии умножил продольные координаты на коэффициент Г, оставив перпендикулярные направления одинаковыми:

Х' = Г ( Х - VT ) (3.1)

X = Г ( X' + VT') (3.2)

T' = Г ( T - VX/C2) (3.3)

T = Г ( T' + VX'/C2) (3.4)

Y' = Y , Z' = Z . (3.5)

Если обозначить Х = СТ, Х' = СТ', то выражения (3.3) и (3.4) несколько упростятся:

Т' = Г ( Т - VT/C ) = ГТ ( 1 - V/C ) ; Т = Г ( Т' + VT'/C ) = ГТ' ( 1 + V/C )

Т.е. Т' определяется как Х'/С, аналогично и Т = Х/С.

Поэтому, когда мы начинаем делить путь на время, ничего кроме С у нас не должно получиться. Здесь мы наблюдаем обычное алгебраическое тождество, ничего не говорящее о движении света.

Преобразования Лоренца основаны на двух ложных посылах: первый посыл – тела в направлении движения сокращают свои размеры, оставляя перпендикулярные неизменными; второй посыл – скорость света в ИСО и за её пределами одна и та же.

Постулаты Эйнштейна явились для преобразований Лоренца паровым двигателем к телеге и телега поехала, рассыпавшись на первом же ухабе.

3. Относительность скорости света и преобразования для движения света.

3.1. Скорость света и время.

Лоренц полагал что, «скорость света относительно материальных тел переменна, но результаты её измерения постоянны. Ясно, что при такой ситуации утверждение о переменности скорости света совершенно бессодержательно и подлежит устранению. Вместо него приходится принять представление о постоянстве скорости света.» (А.Н.Матвеев, «Механика и теория относительности» М, «Высшая школа» 1986г.)

В этой цитате я бы перенёс акцент: «скорость света в эфире постоянна, а скорости материальных тел относительно неё – переменны.» И второе: когда мы говорим о постоянстве скорости света, то подразумеваем, что она постоянна в неподвижном эфире. Как например, скорость звука в воздухе. Когда же нам навязывают «представление о постоянстве скорости света» не называя среды распространения света, то, согласитесь, представить это себе невозможно! Термины: «вакуум», «пустота» - ничего не проясняют, поскольку теория относительности отвергла «эфир» как среду распространения света. Далее тот же автор говорит: «Строго говоря, из опыта Майкельсона – Морли и последующих аналогичных опытов не следует вывода о постоянстве скорости света. Из них лишь следует вывод о том, что средняя скорость света в противоположных направлениях в данной инерциальной системе координат одинакова, и нельзя сделать заключения о постоянстве скорости света в различных направлениях.» И свою мысль он заканчивает следующим замечательным выражением: «Однако, если принять однородность и изотропность пространства и однородность времени в инерциальных системах отсчёта доказанными, постоянство скорости света в различных направлениях не может вызвать сомнений.» Вот такие утверждения и «доказательства» и вызывают сомнения. Когда считается, что скорость света в продольных направлениях равна С, а в перпендикулярных CU, то о каком постоянстве скорости света в различных направлениях может идти речь? Если мы утверждаем постоянство скорости света по всем направлениям, то относительно чего? Если относительно каждой инерциальной системы отсчёта, то такое движение света предполагает полное увлечение. Если безотносительно к чему бы то ни было, то это бессмысленно.

И что такое однородность и изотропность пространства в инерциальной системе отсчёта? Которые считаются доказанными. Чем эта однородность и изотропность отличается от пространства вне инерциальной системы отсчёта? Кто-нибудь сказал нам об этом? – нет. Все твердят о каком-то особом четырёхмерном континууме пространства-времени, что всё там происходит так необычно, что человеческому уму непостижимо. Лоренц считал, что скорость света относительно эфира постоянна по всем направлениям, а по отношению к движущимся телам в эфире она переменна, но измеренное численное значение скорости света во всех ИСО одинаково. С такой концепцией вполне можно согласиться, потому что, только измеренные значения скорости света можно сравнивать в разных ИСО. А что такое «постоянство скорости света во всех ИСО» никто не знает. Если сказать, что скорость света есть электродинамическая константа во всех ИСО, то это не расходится с Лоренцем. Какой ещё смысл можно вложить в понятие «постоянство скорости света»? и считать его доказанным.

При разработке преобразований Лоренц чисто гипотетически предположил, что в движущейся ИСО время течёт несколько иначе, чем в покоящейся.

Затем Эйнштейн доказал это предположение и опыты с мезонами окончательно подтвердили это.

Сейчас твёрдо установлено, что скорость света определяет ритм хода часов в ИСО, т.е. время, а точнее длительность секунды в каждой ИСО своя. Таким образом, время стало относительной величиной. Поскольку время течёт в ИСО по всем направлениям одинаково, независимо от направления относительного движения, а скорость света в перпендикулярных направлениях относительна, то естественно предположить, что скорость света относительна и в продольных направлениях.

Поскольку время напрямую зависит от скорости света, то на передний план выходит длина линейки, которая превращается в абсолютную величину.

Что получается? Время в "покоящейся" системе определяется как t = L/C.

Наблюдатель, находящийся в "покоящейся" системе, считает, что скорость света в "движущейся" относительно его системе К' равна CU, поэтому он определяет время там как: t' = L/CU = t/U. Поэтому, когда мы находим длину линейки у себя и там, то умножаем скорость света на время: L = Ct = CU × t/U = Ct.

Как понимать формулу замедления времени в движущихся системах t' = t/U = Гt? Во-первых, это не конечная зависимость между t и t' в формулах Лоренца или моих. Смысл этой формулы заключается в том, что она действительна только для численно одинаковых промежутков времени. Например, в "покоящейся" системе промежуток времени t = 1 сек; в движущейся системе мы определяем t' = 2t, но для наблюдателя, находящегося в движущейся системе, его время t' равно 1сек. Он считает, что это у нас наша секунда в два раза длиннее его секунды. Поэтому, если нам требуется перевести время t' в наше время, мы должны умножить t' на Г. Если обозначить эту операцию через t't, то t't = Гt'.

Исходя из этого мы и будем изобретать наши преобразования, поскольку они являются симбиозом Галилеевых и Лоренцевских преобразований.

3.2. Геометрические размеры движущихся тел.

Геометрические размеры движущихся тел не должны меняться от относительной скорости, поскольку это приводит к нарушению принципа относительности, например, при изготовлении международного стандарта метра. Скорость света - есть произведение частоты на длину волны C = fl.. Если мы говорим об источнике, то частота движущегося источника меняется как f = f0U. Это показывает опыт – поперечный эффект Допплера. Длина волны определённых переходов одинаковых атомов должна быть во всех ИСО одинакова, иначе нарушается принцип относительности. И, поскольку каждый наблюдатель считает длину своей секунды эталонной, т.е. равной единице, то произведение частоты на длину волны во всех ИСО будет численно одинаковым и равным С.

3.3. Новые преобразования для света.

Удобнее и наглядней вести рассуждения на конкретных числовых примерах, для чего мы изберём локационный способ измерения длины движущегося тела и будем руководствоваться следующими числами, как и в предыдущих примерах:
скорость света в покоящейся ИСО равна С = 300000 км/сек, в движущейся - CU, U = 0,5, относительная скорость систем V = 0,866C, Г = 2, L = 300000 км.

а) Допустим, мы, находясь в покоящейся системе К, измеряем длину движущегося мимо нас отрезка L, находящегося в системе К'. Отрезок L лежит на оси Х' так, что задний конец лежит в начале координат о'. Когда оси систем совпадут дадим световую вспышку и проследим как движется свет в обеих системах.

Наш свет догонит второй конец линейки через 7,46 секунды и мы найдём длину отрезка L как: L = Ct - Vt = 7,46C - 0,866C •7,46 = 300000 км.

При этом наш свет образует сферу с радиус - вектором X = Y = Z = 7,46C = Ct

Теперь проследим как движется свет в К'?

Для наблюдателя в К' точка Х с координатой 7,46С движется навстречу и он, пользуясь своей скоростью света и своей относительной скоростью, которые численно равны нашим, определяет время встречи своего света с точкой Х как:

t' = x/(c + v) = 7,46c/(c + 0,866c) = 4 сек.

Из чего он заключает, что Х = Х' + Vt' = 4C + 4×0,866C = 7,46C.

При этом его свет образует сферу с радиус - вектором Х' = Y' = Z' = 4C.

Что такое ? Это равно 4L, так как отрезок L = 300000 км. А что такое 4?

Это Г2, поскольку Г = 2, а 4 = 22.

Таким образом, мы получили следующие преобразования:

X' = Y' = Z' = Г2( X - Vt ) (1*)

X = Y = Z = X' + Vt' (2*)

X - Vt = L

t' = X'/C = Г2(X - Vt)/C = Г2 t (1 - V/C) = Г2 t ( 1 - B ) (3*)

t' определяется простым делением Х' на С.

б) Рассмотрим второй случай:

Мы находимся в системе К' и считаем себя покоящимися, измеряем длину линейки L в системе К, движущуюся нам навстречу. Все исходные данные такие же, как и в первом случае.

Определим время, когда наш свет встретится с зеркалом:

t' = L/(c + V) = 300000/(c + 0,866c) = 0,53 сек.

Свет в К, идя к точке встречи, пройдёт расстояние: X = Г2 ( X' + Vt' ) = 4(0,53c + 0,866c •0,53) = 4c км.

Наблюдатель в К найдёт, что его свет, идя к точке встречи, затратит:

t = x/c = 4c/c = 4 сек.

Для него точка встречи удаляется и он, определяя Х' найдёт:

X' = ct - Vt = X - Vt = 4c - 4•,866c = 0,53c км.

Таким образом, мы получили ещё несколько уравнений, которые можно отнести к обратным преобразованиям:

X = Y = Z = Г2 ( X' + Vt' ) (4*)

X' = Y' = Z' = X - Vt (5*)

t = Г2 ( t' + Vt' /C ) = Г2 t' ( 1 + B ) (6*)

X' + Vt' = L

Что можно сказать об этих преобразованиях? Не трудно заметить, что второе и пятое уравнения являются Галилеевыми. Т.е. движение света подчиняется преобразованиям Галилея. Отличие только в том, что время у каждого наблюдателя своё.

Каждый наблюдатель измеряет длину движущейся линейки прямым методом, пользуясь своей скоростью света и своими часами:

L = Ct - Vt , L = Ct' + Vt'.

Во-вторых, свет в каждой ИСО образует свою правильную сферу, т.е. выполняется второй постулат Эйнштейна: "Скорость света в каждой ИСО одинакова и равна С, причём одинакова по всем направлениям и не зависит ни от скорости источника, ни от скорости наблюдателя." Позволю себе напомнить, что одинаковость скорости света достигается лишь в численном выражении: в каждой ИСО численное значение скорости света С = 300000 км/сек. На самом деле мы должны свыкнуться с мыслью, что скорость света в каждой ИСО своя.

В-третьих, выполнение второго постулата в том виде, как его сформулировал Эйнштейн, делает ненужным первый постулат, поскольку при этом он выполняется автоматически.

3.3.1. Определим значение коэффициента Г в наших формулах:

Возьмём ф.1* и 2* и положим в них: X = Ct, X' = Ct'. Тогда

Ct' = Г2 ( Сt - Vt ) (1*)

Ct = Ct' + Vt' (2*)

Перемножим левые и правые части обеих уравнений:
C2 t' t = Г2 t' t ( C2 – V2 ), Г2 = C2 / ( C2 – V2 ), Г = 1 /
Мы получили то же значение коэффициента Г, что и у Лоренца, но уже из другой модели движения света.

3.3.2. Об "интервале" ds2 Минковского.

В "покоящейся" ИСО свет образует правильную сферу с радиус-вектором Ct. X2+ Y2 + Z2 = C2t2. Посмотрим, что происходит со светом в "движущейся" ИСО.

X'2 + Y'2 + Z'2 = C2 t'2. Так как X' = Y' = Z' = Г2(X - Vt), то

2 ( X - Vt )]2= C2[ Г2t( 1 - V/C )]2

X2 - 2XVt + V2t2 = C2t2 ( 1 - 2V/C + V2 / C2 ) = C2 t2 - 2VC t2 + V2 t2

Учитывая, что X = C t, получаем:

X2 - 2XVt = C2 t2 - 2XVt или X2 = C2 t2

Таким образом, во всех ИСО свет, двигаясь по всем направлениям одинаково, образует правильные сферы с радиус - вектором Ct в "покоящейся" и Ct' в "движущейся", т.е. инвариант Минковского сохраняется и, наконец-то приобрёл физический смысл. Это никакая не четырёхмерная геометрия, никакие не "события" - это констатация факта одинаковости скорости света в ИСО по всем направлениям. Во всех ИСО произведение скорости света на время равно пройденному пути по всем направлениям.

3.4. Формулы преобразования скоростей.

Вопрос о преобразовании скоростей в движущихся ИСО является основным, так как он должен обеспечить выполнение первого постулата Эйнштейна: "Во всех ИСО все физические явления при одинаковых начальных условиях протекают одинаково." Здесь я опять возвращаю вас к мысли о том, что каждый наблюдатель может общаться с другими наблюдателями при помощи радиоволн и обмениваться лишь числами! Например, скорость света - каждый наблюдатель сообщит, что она у него равна 300000 км/сек, масса электрона или протона такая-то, гравитационная постоянная такая-то. У всех наблюдателей численные значения любых физических констант должны быть одинаковы! Я специально выделил это требование, поскольку оно должно не просто декларироваться, а обеспечиваться преобразованиями. В физике есть такое понятие как размерность. И размерность должна во всех ИСО должна быть одинакова!

Удовлетворяют-ли первому постулату формулы преобразования скоростей Лоренца - Эйнштейна? К сожалению мы вынуждены признать, что во многих аспектах они заводят нас в тупик. Возьмём, например, скорость. Её размерность, например, – см/сек. Такая размерность действительна в «покоящейся» ИСО. Для «движущейся» ИСО мы должны поставить коэффициенты к сантиметру и секунде, поскольку и длина и время в теории относительности – относительны, т.е. длина укорачивается, а время секунды увеличивается. Эти коэффициенты мы знаем: получаем размерность скорости в «движущейся» ИСО для продольного направления: см /сек/ = см(1-B2)/сек. Это пример полной абракадабры в теории относительности. Аналогичная ситуация возникает при вычислении ускорения и силы.

Известно, что камнем преткновения для Галилеевых преобразований явились уравнения Максвелла, в которых фигурирует электродинамическая константа – скорость света. Принцип относительности требует, чтобы эта константа во всех ИСО сохраняла своё численное значение. Галилеевы преобразования этого не позволяли.

Поэтому, основной задачей в своих преобразованиях Лоренц посчитал - это сохранение одинаковости скорости света во всех ИСО, более того он сделал такие преобразования, в которых скорость света остаётся неизменной при любой скорости ИСО. Разумеется не более самой скорости света. Что из этого получилось мы убедились чуть выше.

Рассмотрим, как меняется скорость света в новых преобразованиях:

Если разделить Х' на t' (формулы 1* и 3* ), то как и у Лоренца, мы получим значение скорости света в движущейся ИСО:

 dX'       Г2 (dX - Vdt)        Vx - V
----- = --------------------- = ------------ . При Vx = C dX/dt' = C
 dt'       Г2 dt (1 - V/C)       1 - V/C

Аналогично, если взять вторую пару формул (4* и 6*):

 dX       Г2 (dX' + Vdt')       Vx' + V
----- = ---------------------- = -------------- При Vx' = C, и даже при V = C
 dt        Г2dt'(1 + V/C)         1 + V/C

всё равно получится С, поскольку это тождество относительно С.

Поскольку X' = Y' = Z', то и dX'/dt' = dY'/dt' = dZ'/dt',

аналогично X = Y = Z, dX/dt = dY/dt = dZ/dt.

Другими словами, мы получили одинаковое значение скорости света внутри каждой ИСО, одинаковое по всем направлениям, независимо от того, движется ИСО или покоится.

Если взять Лоренцевы преобразования, то у него продольная скорость света равна С, а поперечная равна CU, что противоречит второму постулату Эйнштейна: " Скорость света в ИСО одинакова по всем направлениям...".

Обеспечив равенство скорости света по всем направлениям и его одинаковое численное значение во всех ИСО, мы решили только часть задачи. Основная задача состоит в том, чтобы формулы сложения скоростей обеспечивали выполнение первого постулата и не только для механики, но и для света.

Эта задача решается довольно просто: достаточно вспомнить, что внутри ИСО никакой относительной скорости нет и каждый наблюдатель вправе считать себя покоящимся, а всех остальных движущимися. Следовательно, каждый наблюдатель может складывать скорости только у других, предполагая время какого-то действия там и затем приводя это время к своим часам. Вот по этому пути мы сейчас и пройдём:

Мы находимся в "покоящейся" системе К и рассматриваем "движущуюся" систему К'. Берём ф.2*: X = Y = Z = X' + Vt'. Из предыдущего числового примера мы нашли, что расстояние Х свет там прошёл за 4 секунды, т.е. Х = 4С + 4V.

Мы также знаем, что секунда в К' в два раза длиннее нашей: t' = t/U.

Поэтому, по нашим часам на это уйдёт не 4 а 8 секунд.

Разделим расстояние 7,46С на 8 и получим 0,93С.

Теперь нам остаётся вывести общие формулы сложения скоростей, отвечающие первому постулату.

Итак, X = X' + V t'. Эта формула есть не что иное, как второе уравнение в преобразовании Галилея. Секунда в К' в Г раз длиннее нашей, следовательно, количество секунд, содержащихся в t', в переводе на наше время составит t't = Гt'.

Продифференцируем исходное уравнение по этому времени:

V'x = dX / Гdt' = dX' / Гdt' + Vdt' / Гdt' = (Vx' + V) / Г = ( Vx' + V ) U (7)

Мы получили суммарную скорость в К' по направлению "вперёд", скорость "назад" определится как V'x = ( Vx' - V ) U.

Таким образом, при малых значениях V, U » 1 мы получаем преобразование Галилея. Формула (7) подчёркивает тот факт, что при относительных секундах любая скорость является также относительной. В преобразованиях Лоренца – Эйнштейна относительная скорость V, наряду со светом, также превратилась в абсолютную величину, так как при переходе от одной ИСО к другой она одна и та же.

Посмотрим, может ли скорость света в ИСО превысить скорость света за пределами ИСО.

Для этого возьмём несколько численных значений относительной скорости V:

V = 0,3C, 0,4C, 0,5C, 0,6C, 0,7C, 0,8C, 0,9C.

U = 0,95, 0,92, 0,86, 0,8, 0,71, 0,6, 0,43

C’ = 1,235C, 1,288C, 1,29C, 1,28C, 1,207C, 1,08C, 0,817C.

Таким образом, суммарная скорость света в ИСО может быть больше С за пределами ИСО. Что находится в точном соответствии с опытными данными по увлечению. Ни у кого не вызывает удивления, что скорость света в движущейся воде больше, нежели в стоячей.

Теперь о перпендикулярных направлениях.

В перпендикулярных направлениях мы можем сравнивать только численно одинаковые скорости и учитывать относительность времени. Если у нас перпендикулярная скорость равна Vy, то в К' такая же скорость будет VyU, т.е.

Vy' = VyU, Vz' = VzU. (8)

Впрочем это утверждение действительно и для продольных направлений.

Когда мы говорим про скорость Vx', то подразумеваем, что она известна, а если она известна, то чем она отличается от такой же нашей? Только тем, что

Vx' = Vx U. Потому, что длительность секунды там больше всё происходит в замедленном темпе.

Таким образом, получены новые формулы сложения скоростей, отвечающие и первому и второму постулатам Эйнштейна и преобразованиям Галилея. Они ковариантны и уравнениям Максвелла.

V'x = ( Vx' ± V ) U

Vy' = Vy U, Vz' = Vz U .

Скорость света в К' в продольном направлении относительно начала своих координат по нашим часам равна СU. Точно также она равна CU и в перпендикулярных направлениях, кроме того, сама относительная скорость стала наконец то относительной Уменьшение скорости в движущейся ИСО компенсируется удлиннением длины секунды, поэтому численные значения одинаковых скоростей остаются одинаковыми. В доказательство правильности моих рассуждений приведу пример с изготовлением международного стандарта метра. Он основан на определённом количестве длин волн, излучаемых определённым переходом атомов криптона.

В покоящейся ИСО скорость света С = f0 lo - частота умноженная на длину волны. В движущейся ИСО частота изменяется по закону f = fo U, но и скорость света там равна CU, поэтому длина волны там lo = CU / fo U = C / fo. Таким образом, длина волны во всех ИСО остаётся постоянной и стандарт метра становится не только международным, но и межгаллактическим.

Посмотрим на новые формулы с точки зрения сохранения коэффициентов размерностей: сантиметр везде одинаков, секунда, хотя она везде разная, остаётся секундой и её продолжительность зависит только от точки зрения наблюдателей. Каждый наблюдатель считает свою секунду эталонной, а у всех остальных, движущихся относительно него, секунды удлиннёными.

Опыт показывает: в движущихся ИСО секунды длиннее, поэтому все физические процессы протекают медленнее. Хотя для наблюдателей в этих ИСО численные значения всех опытов остаются одинаковыми. Например, распад пионов: в покоящейся ИСО их время жизни составляет 600 метров, такое же время жизни определит наблюдатель, движущийся со скоростью 0,99С по своим часам. Но так как секунда у движущегося наблюдателя в 10 раз длиннее нашей, то мы наблюдаем распад пионов через 6 километров.

Таким образом, изменение длины секунды является единственным параметром, не влияющим на результат измерения в движущихся ИСО.

3.5. Ускорения в инерциальных системах.

Чтобы определить ускорения в движущихся ИСО, необходимо продифференцировать полученные формулы скоростей ещё раз по приведенному к нашим часам времени

t't = Гt'

Wx’ = d (Vx' + V) U / Гdt' = Wx U2 (9)

Wy' = d Vy' / Гdt' = d VyU / Гdt' = Wy U2 (10)

Wz' = d Vz' / Гdt' = d VzU / Гdt' = Wz U2 (11)

Таким образом, ускорения в движущихся ИСО отличаются от таких же по величине в покоящейся ИСО только коэффициентом U2. Но это отличие относится только к постороннему наблюдателю, в самой же ИСО этого коэффициента нет, поэтому численно одинаковые силы будут придавать численно одинаковым массам численно одинаковые ускорения, одинаковые по всем направлениям.


1   2   3   4   5   6   7        Оглавление        Главная страница









Используются технологии uCoz