Относительность без предрассудков и без прикрас

Размещено на http://www.allbest.ru/

Относительность без предрассудков и без прикрас

(третья редакция)

Гужеля Ю.А.

"Книга природы написана на языке математики,

её буквами служат треугольники, окружности

и другие геометрические фигуры, без помощи

которых человеку невозможно понять её речь;

без них - напрасное блуждание в тёмном лабиринте"

Галилео Галилей

Аннотация

В данной статье проведено аналитическое исследование постулатов Специальной теории относительности (СТО) и классического Принципа относительности Галилея (ПОГ), который является основой СТО. Показано, что область действия ПОГ ограничена. Этот принцип не имеет достаточного опытного обоснования и неприменим, для расчёта энергетических процессов. По этой причине он не является фундаментальным физическим законом. Показано, что и постулат о постоянстве скорости света во всех инерциальных системах не имеет опытного обоснования. Напротив, имеются эксперименты, опровергающие этот постулат. Отсюда следует вывод, что СТО построена на постулатах, которые таковыми не являются.

Введение

При всём уважении к математике, методика исследований Галилея была сбалансированной. Свой научный метод он формулировал следующим образом: "чувственный опыт, рабочая гипотеза, математическая разработка и опытная проверка" [Л.8]. Как видно, опыту он отводил достойное место. Но, при этом, и пропаганду применения математических методов при исследовании природы, Галилей считал актуальной, ибо тогда математика ещё слабо применялась при анализе опытных данных.

Сейчас же никто не сомневается в полезности математики, возможности которой, к тому же, существенно возросли. Появились специальные, математические разделы физики, исследующие природу, не особенно оглядываясь на опытные подтверждения, или заменяя реальные опыты мысленными экспериментами.

Такое смещение приоритетов в методах исследования в пользу математики привело к тому, что сейчас некоторые исследователи, на полном серьёзе, пытаются найти чисто математические и логические доказательства для, так называемых, Принципов, которые претендуют на роль фундаментальных физических законов. Что, безусловно, противоречит материалистическому методу познания, который официально является общепризнанным, но на деле им, часто, пренебрегают.

Таким, экспериментально не обоснованным, принципом является "Принцип относительности Эйнштейна"

Таким математическим исследованием, которому необоснованно приписывают реализм в отображении окружающего нас Мира, и которое якобы подтверждает "Принцип относительности Эйнштейна", - являются "Преобразования Лоренца".

Идеи относительности и возможность извлечения из них практических следствий бередили умы многих выдающихся физиков. В результате, сегодня, разнообразные теории относительности занимают значительное место в багаже научных теорий, объясняющих строение окружающего нас Мира.

Увлечение идеями относительности происходит, по-видимому, из-за модного убеждения (бытовавшего ещё во времена Галилея), что Миром управляют очень простые законы [Л.8]. А что может быть проще принципа равноправия всех инерциальных систем отсчёта?

На этом пути были достигнуты определённые успехи. Например, Гюйгенс, пользуясь принципом относительности, вывел верную формулу для случая упругого столкновения шаров. Галилей объяснил: почему мы не ощущаем вращение Земли.

Но эти успехи, в известной мере, были исключением из правил.

В целом, увлечение теориями относительности не дало значительных результатов в познании окружающего нас Мира, зато породило множество абсурдных теоретических следствий, таких как: ускорение времени, сжатие пространства, возрастание массы. В действительности ничего подобного не происходит, и происходить не может. Ибо, время и пространство это не материальные величины и поэтому они не могут замедляться и сжиматься. Единицы их измерения являются условными, и если уж они приняты, то не должны меняться в процессе исследования, если, конечно, мы не хотим запутать самих себя.

Основными и наиболее известными теориями относительности являются: Принцип относительности Галилея и Специальная теория относительности Эйнштейна. Все прочие теории строятся на основе этих двух.

В последнее время всё больше говорят о "Баллистической теории Ритца" (БТР), как о теории альтернативной СТО, но это очередное заблуждение. В основу своей баллистической теории Вальтер Ритц, также как и Эйнштейн, положил Принцип относительности Галилея, не проанализировав опытное обоснование последнего, поэтому и проблемы БТР, в основном, те же, что и у Специальной теории относительности.

Специальная теория относительности - это не состоятельная теория, не воспринимаемая здравым смыслом и не имеющая надёжного опытного обоснования. Это сейчас понимает всё большее число учёных.

Принципу относительности Галилея, пока что, все доверяют. Но из результатов приведенных ниже исследований вытекает, что Принцип относительности Галилея лишь отчасти верно отображает физические процессы. Он имеет существенные недостатки, не позволяющие считать его фундаментальным физическим законом.

Развивая свой принцип относительности, Галилей преследовал цель использовать его для доказательства движения Земли вокруг Солнца, для объяснения отсутствия видимых признаков этого движения, - и с этой задачей он справился.

Галилей показал, что даже и при движении на поверхности Земли, при определённых условиях, а именно: при равномерном движении и при отсутствии видимости земной поверхности, - невозможно отличить движение от состояния покоя.

Позднее, ПОГ стали формулировать в следующем виде: "во всех инерциальных системах все механические процессы протекают одинаково; никакими экспериментами, проводимыми внутри системы, невозможно определить скорость движения системы"

Галилей обосновал свой принцип экспериментально. В своей книге "Диалог о двух главнейших системах мира - Птолемеевой и Коперниковой" (далее "Диалог") он приводит несколько простых опытов, доказывающих принцип относительности. Опыты эти хороши тем, что их может повторить каждый.

Однако круг этих опытов весьма ограничен. Они охватывают только механические процессы, описываемые первым и вторым законами механики. В то же время энергетические процессы остались в стороне.

Как ведёт себя свет в инерциальной системе отсчёта, Галилей также не проверил.

То есть, экспериментальное обоснование ПОГ, данное Галилеем, всё же не достаточное.

Но во времена Галилея закон сохранения энергии ещё не был сформулирован, а скорость света ещё не умели измерять, поэтому его неосмотрительность вполне объяснима.

Прошли века. Появились чёткие современные формулировки законов сохранения энергии и количества движения. Была измерена скорость света в воздухе, в различных средах и в вакууме. Но критический анализ экспериментальной базы ПОГ не был выполнен.

Обнаруженные волновые свойства света заставили физиков заняться поисками среды, в которой распространяется свет и которая определяет свойства света. Среду эту физики назвали эфиром и предположили, что эфир равномерно распределён в пространстве, то есть, связан с Мировой системой отсчёта. Отсюда следовало ожидать, что свет распространяется с постоянной скоростью относительно этого неподвижного Мирового эфира. А также следовало ожидать, что относительно земной поверхности скорость распространения света будет не одинакова, для разных направлений излучений света, вследствие движения Земли по орбите и вращения вокруг оси.

Но опыты Майкельсона-Морли не подтвердили этих ожиданий: свет, в близи поверхности Земли, по всем направлениям распространялся с одинаковой скоростью, сноса скорости света набегающим эфиром не наблюдалось.

Неподвижный Мировой эфир и Мировая система отсчёта не оправдали возложенных на них надежд, и научное мнение, опять повернулось к идее равноправия всех инерциальных систем отсчёта, в число которых опрометчиво включили и Землю.

В 1905 году А. Эйнштейн, в своей работе "К электродинамике движущихся тел" изложил основы новой теории относительности, так называемой: "Специальной теории относительности" (СТО), основное предназначение которой заключалось в объяснении результатов опытов Майкельсона-Морли.

"Специальная теория относительности" поначалу была встречена непониманием даже невольными соавторами Эйнштейна: Пуанкаре и Лоренцем. Правда, со временем, Эйнштейну удалось убедить Лоренца, что в преобразованиях последнего физического смысла больше, чем тот предполагал. Пуанкаре же так и не принял идей Эйнштейна до конца своих дней. Не признал СТО и Резерфорд, теория показалась ему спекулятивной. Весьма резко и неприязненно отзывался о теории Эйнштейна и другой Нобелевский лауреат: Ленард, называя ее математической стряпней.

С оппонентами Эйнштейна трудно не согласиться. Теория Эйнштейна не логична, не согласуется со здравым смыслом и, скорее, напоминает сказку. Довольно быстрое признание этой теории вызывает недоумение.

Несмотря на официальное признание СТО и её почтенный возраст, и сейчас публикуются работы, где основные положения этой теории подвергаются критике.

В качестве примера можно привести работы: А.А. Денисова "Мифы теории относительности"; В.И Секерина. "Теория относительности - мистификация века" Работы эти разноплановые, но их объединяет критика Специальной теории относительности Эйнштейна и полное и безоговорочное доверие к классической теории относительности, к Принципу относительности Галилея.

В 1912 году Гаррес и Саньяк провели эксперименты со светом на вращающейся относительно поверхности Земли платформе. Эксперименты показали, что скорость света остаётся постоянной относительно поверхности Земли, вне зависимости от состояния покоя или вращения платформы. Следствием такого поведения света явился эффект смещения фаз встречных излучений, получивший в дальнейшем наименование: Эффект Саньяка.

Другими словами, эксперименты Гарреса и Саньяка показали, что система отсчёта связанная с Земной поверхностью обладает особыми свойствами.

Логично предположить, что свет будет сохранять постоянную скорость относительно поверхности Земли и при измерении скорости света в любой системе отсчёта (в том числе и инерциальной), движущейся относительно поверхности Земли. Нетрудно видеть, что последнее предположение противоречит постулату Эйнштейна о постоянстве скорости света во всех инерциальных системах. Это предположение пока не получило опытного подтверждения, вследствие того, что такая задача не ставилась на повестку дня.

Постулаты СТО

1. Принцип относительности Галилея, расширенный на все физические процессы.

2. Постоянство скорости света во всех инерциальных системах отсчета.

3. Новое (Эйнштейновское) понятие одновременности событий.

4. Отказ от здравого смысла.

Третий и четвертый постулаты обычно не принято вводить в аксиоматику теории относительности. Но значение их таково, что они заслуживают даже более высоких мест в перечне постулатов. Без них СТО ни доказать, ни "понять" невозможно. Кроме того, постулаты эти не разделимы, так как Эйнштейновское понятие одновременности событий, которое зависит от скорости передачи информации к наблюдателю, невозможно понять, не отказавшись от здравого смысла. Физические явления (события) поставлены в зависимость от какого то наблюдателя, от которого они, на самом деле, никак не могут зависеть. свет скорость относительность

Мы же в своих рассуждениях будем придерживаться здравого смысла и поэтому не будем терять время на дальнейшее обсуждение явно бессмысленного 3-го постулата.

Второй постулат: о постоянстве скорости света во всех системах отсчета, - просто не очевиден, и поэтому не может быть постулатом. Он не имеет аналогов среди других физических явлений и требует доказательств, но их то, как раз, найти невозможно - их просто нет.

Например, можно попытаться провести аналогию процесса распространения света с процессом распространения звука, так как у них есть общее свойство: и в том и в другом процессе наблюдается эффект Доплера. Но, как известно, звук имеет постоянную скорость относительно среды, в которой он распространяется, и поэтому в различных системах отсчета, движущихся в этой среде, скорость звука будет различна.

То есть, свойства процесса распространения звука не согласуются с "постулатом" Эйнштейна для света. Ну а мы, все же, продолжим сравнение свойств звука и света.

Аналогия заставляет думать, что точно также должно быть и со светом. Осталось только найти среду, которая оказывает решающее влияние на процесс распространения света.

Эйнштейн, да и не только он, считали, что такой средой является неподвижный Мировой эфир. Но если бы это было так, то опыты Майкельсона-Морли дали бы положительные результаты: обнаружили бы снос света "набегающим" эфиром. Однако опыты дали отрицательные результаты и этому факту можно найти только одно объяснение: неподвижного Мирового эфира не существует.

Но, если, отказавшись от существования неподвижного Мирового эфира, при этом, все же, не отказываться от поисков среды влияющей на распространение света, то мы быстро найдем решение этой задачи. Действительно, если предположить, что эта среда связана с Землей, а потому и вращается и перемещается по орбите вместе с Землей, то, в этом случае, скорость света на поверхности Земли не должна зависеть от направления распространения света. И среду эту совсем нетрудно определить, это - гравитационное поле Земли.

Как только мы сделали этот вывод, все хитроумные построения "Специальной теории относительности" становятся, не нужны. И можно забыть о кошмарных релятивистских следствиях СТО: о сокращении длин; о росте массы; об изменяемом времени и парадоксе близнецов.

Поскольку Земля, посредством своего гравитационного поля, определяет закономерности распространения света, систему отсчёта, связанную с поверхностью Земли, необходимо признать привилегированной системой отсчёта.

Такими же свойствами, очевидно, обладают и другие большие гравитирующие массы, как например: Луна, Солнце, звезды и другие планеты. И у каждой такой массы есть своя зона влияния, которую можно определить как область, в которой напряженность гравитационного поля данной массы выше напряженности гравитационных полей всех других гравитирующих масс. И вот в этой то своей зоне влияния, большую гравитирующую массу необходимо признать привилегированной системой отсчета.

Таким образом, упомянутые выше эксперименты (Майкельсона-Морли, Гарреса и Саньяка) указывают на особые (привилегированные) свойства земной системы отсчёта. Эти эксперименты позволяют сделать вывод о том, что все прочие системы отсчёта (в том числе и инерциальные системы), не имеющие значительной массы, и, соответственно, не имеющие значительного гравитационного поля, нельзя ставить в один ряд с привилегированными системами отсчета.

Очевидно, что признание существования привилегированных систем отсчёта явно противоречит не только Специальной теории относительности, но и Принципу относительности Галилея. Выше уже отмечалось, что ПОГ не имеет достаточного опытного обоснования.

Но, кроме оптических экспериментов, простой анализ механических процессов, происходящих в движущихся относительно Земли инерциальных системах, также показывает несостоятельность ПОГ как фундаментального физического закона.

Принцип относительности Галилея

Принцип относительности Галилея утверждает, что во всех инерциальных системах все механические процессы протекают одинаково. Причем, Галилей не просто декларировал этот принцип, а, как известно, подтвердил его опытами. Эйнштейн же, вслед за Пуанкаре, не проводя никаких опытов, просто расширил Принцип относительности Галилея на все физические процессы. Поэтому первой приходит мысль о том, что Галилей прав, а Эйнштейн ошибся. Но эта мысль на поверку оказывается не верной - на самом деле ошиблись оба.

Эйнштейн слепо верил в непогрешимость Галилея; последнего же подвело недостаточное логическое осмысление результатов экспериментов. Причем, решающую роль в этом сыграло отсутствие в то время чётких современных формулировок законов сохранения энергии и количества движения.

Обоснуем эту мысль на примерах, проведя математический анализ механических процессов, протекающих в различных инерциальных системах, с применением законов сохранения энергии и количества движения, имеющих надёжное опытное обоснование. Последнее обстоятельство даёт уверенность в том, что математические исследования позволят найти полезные следствия, согласующиеся с опытом и здравым смыслом.

Мы уже отмечали выше, что Земля, и связанная с нею система отсчёта, отличается от всех прочих инерциальных систем, неподвижных и движущихся по ее поверхности, или вблизи ее поверхности, прежде всего массой. Поэтому и рассмотрим несколько, неподвижных и движущихся, инерциальных систем, связанных с телами отсчёта, имеющих различные массы. Скорости движущихся систем выберем из того диапазона скоростей, где не наблюдается никаких отклонений от 2-го закона Ньютона и закона сохранения энергии.

Пример №1.

Рассмотрим систему XY, которая стоит на месте и жестко связана с Землей, см. рис.1



В этой системе происходит процесс отталкивания пробного тела посредством пружины или порохового заряда, или каким то другим способом. На это затрачивается потенциальная энергия пружины, или какая либо другая энергия, обозначим ее

В общем случае можно сказать, что производится силовое действие на пробное тело , на что затрачивается какое то количество энергии

Поскольку система XY связана с Землей, то её масса равна массе Земли , а скорость системы равна нулю. Первоначальная (то есть, до отталкивания) скорость пробного тела тоже равна нулю.

Примем: =1кг; =1Дж.

Итак, имеем: =; =1кг; =1Дж; ==0;

Очевидно, что в этом случае, вся энергия пружины будет затрачена на разгон пробного тела , и приращение скорости пробного тела определится из выражения:

(1)

После подстановки значений, получим:

= 1, 41421 (м/с)

Скорость пробного тела относительно системы XY, обозначим ее (W), в этом случае будет равна: W= =1, 41421 (м/с).

Пример №2.

Рассмотрим систему XY, см. рис. 2, связанную с телом отсчёта, массой , равной 1 кг. Внутри системы поместим пробное тело , тоже массой 1 кг. Пусть система XY стоит на месте, но она не связана жестко с Землей и может легко, без трения, катиться в любую сторону.

Имеем: =1 кг; =1 кг; ==0; =1 Дж.

Сообщим толчок пробному телу и затратим при этом 1 Джоуль энергии.

Очевидно, что после толчка, пробное тело будет двигаться в одну сторону, а система ХУ, вместе с телом отсчёта, - в другую сторону относительно Земли, причем с одинаковой скоростью, то есть =, вследствие симметрии процесса.

Величины приращения скоростей пробного тела и системы ( и ) определятся из выражения:

(2)

Поскольку = и =, то можно записать:

После подстановки значений, получим:

==1 (м/с);

Следовательно, относительная скорость (W) пробного тела и тела отсчёта (вместе с системой отсчёта) составит:

W=+=1+1=2 (м/с);

W=2 (м/с);

Энергия пружины распределится поровну между пробным телом и телом отсчёта, то есть:

==0,5 Дж;

Где, - приращение кинетической энергии тела отсчёта;

- приращение кинетической энергии пробного тела

Сравнивая примеры №1 и №2 видно, что в рассмотренных системах процессы протекают не одинаково:

- в первом случае, скорость пробного тела относительно системы, составила: 1, 41421 (м/с);

- во втором случае, скорость пробного тела относительно системы, составила: 2 (м/с).

Пример №3.

Рассмотрим систему XY, связанную с телом отсчёта, массой , равной 10 кг. Остальные условия те же, что и во 2-м примере, см. рис. 2. То есть, имеем: =10 кг; =1 кг; ==0; =1 Дж.

В этом случае, энергия пружины будет расходоваться на разгон пробного тела в направлении оси Х, и на разгон тела отсчёта, вместе с системой XY, в противоположном направлении, то есть, можно записать:

=+ (3)

Где: - количество энергии, полученное телом отсчёта;

- количество энергии, полученное пробным телом.

Величины приращения скоростей ( и ) определятся решением системы уравнений, записанной из условия сохранения энергии и количества движения.

(4)

или (5)

Где:

Подставляя значения, получим:

=0, 135 (м/с); =0, 09 (Дж);

=1, 35 (м/с); =0, 91 (Дж);

=1, 485 (м/с)

Как видно, опять процесс протекает не так, как в системе координат жестко связанной с Землей, хотя расхождение в скоростях пробных тел относительно систем отсчёта уже значительно меньше.

Пример №4.

Условия те же, что в третьем примере, см. рис.2, за исключением того, что масса тела отсчёта системы XY равна 1000 кг (=1000 кг). Решая систему уравнений (4); (5); получим:

=0, 0014 (м/с); =0, 001 (Дж);

=1, 4135 (м/с); =0, 999 (Дж);

=1, 4149 (м/с)

Напомним, что в системе координат связанной с Землей:

= 1, 4142 (м/с); = 0; = 1 (Дж);

Сравнивая разобранные примеры: 2,3,4, - с примером 1 (процессом в Земной системе координат) можно сделать вывод, что точность совпадения процессов в инерциальных системах зависит от отношения масс тела отсчёта и пробного тела. И, при достаточно большом отношении масс (примеры: 1 и 4), расхождениями в скоростях пробного тела можно пренебречь. При тех же условиях, можно пренебречь также расхождениями в приращениях кинетической энергии пробного тела.

Из приведенных расчетов видно, что уже при отношении масс равном 103, расхождения в определении скоростей (W) и энергий ( и ) не превышают 0,001 определяемых величин, что во многих практических расчетах вполне приемлемо. То есть, для данных условий, ПОГ выполняется с приемлемой точностью.

В современной формулировке ПОГ не оговорено необходимое соотношение масс тела отсчёта и пробного тела. Не оговаривал величину соотношения масс и Галилей, описывая опыты на корабле: падение камня с вершины мачты на палубу корабля; бросание различных предметов в разные стороны в каюте корабля; прыжки двумя ногами в разных направлениях в каюте корабля. Но, Галилей связал систему отсчёта с кораблём, масса которого на несколько порядков больше, чем масса испытателя-прыгуна и масса различных предметов, с которыми проводились опыты. И это не случайно, ибо Галилей оговаривает условие, что корабль должен двигаться равномерно и без качки. Галилей, по-видимому, хорошо знал, что при проведении подобных опытов на маленькой лодочке - опыты не подтвердят принцип относительности.

Следует отметить, что Галилей в своём "Диалоге" не пользовался понятиями: "принцип относительности" и "система отсчёта". Эти понятия были введены позже. И, если исходить из условий экспериментов, описанных Галилеем, то под "инерциальной системой отсчёта" Галилей понимал систему отсчёта, связанную с массивным телом, которое движется прямолинейно и равномерно. При этом подразумевалось, что это равномерное движение не нарушается ни при каких перемещениях пробного тела внутри этой системы. А чтобы выполнялось это условие - масса тела, с которым связана система отсчета, должна превышать массу пробного тела на несколько порядков.

Необходимое соотношение масс тела отсчёта и пробного тела - является решающим условием обеспечения инерциальных свойств системы отсчёта, связанной с телом отсчёта. Следовательно, произвольно выбирать систему отсчёта и произвольно придавать ей статус "инерциальной системы" нельзя.

Исходя из этого условия, системы отсчёта, рассмотренные в примерах № 2 и № 3, - не являются инерциальными. А систему отсчёта, рассмотренную в примере № 4, можно считать "приближённо инерциальной системой"

До этого мы рассмотрели механические (в том числе и энергетические) процессы в системах отсчёта имеющих первоначальную нулевую скорость относительно поверхности Земли. Теперь же рассмотрим "приближённо инерциальные системы отсчёта" движущиеся относительно поверхности Земли.

Пример №5.

А) Рассмотрим процесс отталкивания пробного тела массы в системе XY, связанной с телом отсчёта, имеющим массу , и движущимся относительно Земли со скоростью . Отталкивание производится в направлении движения системы, см. рис.3, на что затрачивается количество энергии .

Примем: =1000 кг; =1 кг; (м/с); =1 Дж;

Величины приращения скоростей системы и пробного тела ( и ) определятся из законов сохранения энергии и количества движения:

(6) +

(7) ; или

Где: ; ;

Причем,

Решая систему уравнений (6) и (7) получим:

=1, 4135 (м/с);

= 0, 0014 (м/с);

+= 1, 4149 (м/с)

Как видно, скорость пробного тела относительно системы (W) такая же, как в 4-м примере и имеется хорошее сходство с 1-м примером, то есть с процессом в Земной системе координат. Но при этом:

= 2, 405 Дж; а = -1, 405 Дж.

А это совсем не те значения, что в системе связанной с Землей. Причем, - величина отрицательная, а это значит, что тело отсчёта, с которым связана система XY, не получило в процессе отталкивания никакой энергии, а напротив отдало часть своей энергии пробному телу. То есть, в процессе отталкивания пробного тела произошел переход энергии от тела отсчёта к пробному телу.

В системе отсчета связанной с Землей такого перехода энергии нет. Это очень существенный момент. Галилей об этом не знал, не мог знать, так как в то время законы сохранения еще не были сформулированы, и поэтому в экспериментах, которые описаны в "Диалоге", подобный переход энергии и не пытались зафиксировать. Даже в наше время подтвердить экспериментально этот переход энергии не так просто. Для этого необходимо с большой точностью замерить изменение скорости тела отсчёта (корабля) в результате толчка пробного тела, а это тем сложней, чем больше величина отношения массы тела отсчёта к массе пробного тела. Кроме того, необходимо восстановить скорость тела отсчёта и системы отсчёта от величины: до величины: , замерив при этом расход топлива сгоревшего в двигателях тела отсчёта, и затем (зная энергетический КПД силовой установки тела отсчёта) можно определить величину энергии: . Сделать же расчеты, опирающиеся на законы сохранения (которые надежно проверены экспериментально) значительно проще.

Б) Если мы немного изменим, условия задачи и примем:

=10 (м/с), то, решая систему уравнений (6, 7), получим:

=1, 4135 (м/с);

= 0, 0014 (м/с);

1, 4149 (м/с);

То есть, получим те же значения, что и в пункте А), но значения и будут другие:

=15 Дж;

= -14 Дж;

То есть, в результате силового воздействия на пробное тело и затратах энергии на это воздействие: =1 Дж, - кинетическая энергия пробного тела увеличилась на 15 Джоулей; при этом, 14 Джоулей было передано от тела отсчёта к пробному телу. Отношение величины приращения энергии пробного тела:, к величине, первоначально затраченной энергии:, составило:

=15;

Если мы еще увеличим скорость инерциальной системы, то отношение: , - еще больше увеличится.

В). Рассчитаем процесс отталкивания пробного тела для следующих условий:

кг; =1 кг; =250 (м/с); =1 Дж., см. Рис.3. Получим значения: ; ; , - те же что и в предыдущем случае, а значения приращений энергии ( и ) следующие:

= 354 Дж; = -353 Дж; = 354;

Напомню, что для системы связанной с Землей:

; и = 1;

А, между тем, мы еще далеко не исчерпали весь диапазон скоростей реальных тел отсчёта, созданных руками человека (самолётов, ракет, космических аппаратов)

В результате проведенных вычислений становится вполне очевидно, что механические процессы в инерциальных системах движущихся относительно Земли протекают совсем не так, как в Земной системе отсчета; и не так, как в неподвижных инерциальных системах отсчета, не связанных жестко с Землей, см. пример: № 4.

Что касается инерциальных систем неподвижных относительно Земли, но не связанных жестко с Землей, а также Земной системы отсчета, то есть системы координат жестко связанной с Землей, - то в этой группе систем отсчета механические процессы протекают приблизительно одинаково и, следовательно, Принцип относительности Галилея здесь приблизительно выполняется. Но эта группа систем отсчета не представляет практического интереса и, кроме того, является лишь частью множества инерциальных систем. Причем, группа инерциальных систем, движущихся относительно Земли, разнообразней (больше) группы неподвижных инерциальных систем.

И поэтому, в общем случае, можно утверждать, что "Принцип относительности Галилея" не выполняется и не является фундаментальным физическим законом. Его можно использовать лишь для определения скоростей пробных тел в различных движущихся инерциальных системах, используя известные формулы механики (и, в частности, формулу кинетической энергии) для нахождения скорости пробного тела относительно системы (W), как бы забывая при этом о Земной системе отсчета. Но энергетические процессы, протекающие в движущихся системах, можно правильно рассчитать только в Земной системе отсчета. Покажем это на примере.

Пример №6.

Расчёт с применением "Принципа относительности Галилея"

А). Примем такие же условия как в примере №5 "В", см. Рис.3, то есть:

кг; =1 кг; =250 м/с; =1 Дж;

Воспользовавшись "Принципом относительности Галилея" запишем:

;

Где: W*- скорость пробного тела после толчка относительно системы, рассчитанная с помощью ПОГ. Получим:

W*==1, 4142 (м/с);

Точное значение (W), рассчитанное в 5-м примере равно:

W=1, 4149 (м/с);

Как видно, расхождение только в 4-м знаке после запятой, что совсем неплохо. Далее можно записать более простую, чем в предыдущих примерах, систему уравнений:

- это уравнение закона сохранения количества движения;

- а это соотношение записано из определения относительной скорости.

Где: - изменение величины скорости системы, а

- изменение величины скорости пробного тела, определенные с помощью ПОГ.

Решая систему уравнений, найдем:

=1, 4128 (м/с); =0, 0014128 (м/с);

Сравним с точными значениями, полученными в 5-м примере:

=1, 4135 (м/с); =0, 0014135 (м/с);

Сходство очень неплохое.

Но на этом возможности применения "Принципа относительности Галилея" и заканчиваются. Дальше, для расчёта и , необходимо применять формулы, где скорости берутся относительно Земли (то есть формулы, использованные в 5-м примере, см. систему уравнений 6,7), но в эти формулы можно подставлять значения приращений скоростей ( и ), полученные с использованием ПОГ, то есть:

;

Получим: =354, 198 Дж; = -353, 198 Дж;

Сравним с точными значениями, полученными в 5-м примере:

=354, 374 Дж; = -353, 374 Дж;

Сходство хорошее, но следует помнить, что это смешанный способ определения и .

Согласно же "Принципа относительности Галилея" должно быть:

= 1 Дж, - что никак не соответствует действительности.

Б). Рассмотрим случай, когда силовое воздействие на пробное тело осуществляется в направлении противоположном движению системы, см. Рис. 4, остальные условия те же, что и в пункте "А".



Получим:

= 0, 0014135 (м/с); = 1, 4135 (м/с);

; = -352, 376 Дж;

; = 353, 376 Дж;

В этом случае, кинетическая энергия тела отсчёта, с которым связана система XY, увеличилась за счет затраченной энергии и за счет уменьшения кинетической энергии пробного тела.

Случай "Б" - это, по существу, пример реактивного движения. Этот пример, в частности, показывает, что выработавшие топливо ступени многоступенчатой ракеты лучше отстреливать, а не просто отделять. Энергия, затраченная на отстрел отработавшей ступени, даёт приращение кинетической энергии ракеты, превышающее на несколько порядков затраты энергии на отстрел. И происходит это за счёт отбора кинетической энергии от отработавшей ступени.

Выводы к главе

Итак, подведем краткие итоги анализа протекания механических процессов в различных инерциальных системах, вблизи поверхности Земли.

1. Понятие "инерциальная система" не строгое, а приблизительное понятие. Инерциальность системы отсчёта зависит от величины отношения массы тела отсчёта к массе пробного тела. При этом система отсчета связанная с поверхностью Земли, благодаря большой массе Земли и её сильному гравитационному полю, занимает особое место среди других инерциальных систем отсчёта, связанных с телами отсчёта не обладающими значительным гравитационным полем.

2. Энергетические процессы в различных инерциальных системах протекают не одинаково. В движущихся относительно Земли инерциальных системах, при любых механических процессах, происходит обмен кинетической энергией между пробным телом и телом отсчёта. Величина этой переходной кинетической энергии тем больше, чем больше скорость тела отсчёта (и, соответственно, системы отсчёта) относительно поверхности Земли.

3. Из проведенного выше анализа ПОГ, следует, что система отсчёта, связанная с Земной поверхностью, обладает особыми свойствами (т.е. является привилегированной системой отсчёта), в сравнении со всеми другими инерциальными системами, связанными с телами отсчёта меньшей массы.

4. С большой степенью вероятности можно утверждать, что Земля, посредством своего гравитационного поля, определяет не только закономерности распространения света, но и законы протекания энергетических процессов.

5. "Принцип относительности Галилея" не является фундаментальным физическим законом. В движущихся инерциальных системах его можно применять лишь для приближенного определения скоростей пробных тел и нельзя применять для расчета энергетических процессов.

Эти выводы вытекают также и из простого анализа формулы кинетической энергии:

= (8)

Очевидно, что величина кинетической энергии меняет своё значение при изменении начала отсчета скорости. То есть, эта формула не инвариантна при Галилеевом преобразовании координат и требует выбора системы отсчёта, для получения правильного результата расчёта кинетической энергии. Правильный выбор системы отсчёта для расчёта величины кинетической энергии имеет практическое значение, поскольку энергия даром не достаётся.

В учебниках физики, при рассмотрении Принципа относительности Галилея, о формуле кинетической энергии не вспоминают и, следовательно, не причисляют эту формулу к законам, или закономерностям, описывающим механические процессы. Однако, формула (8) представляет собой механическую работу по разгону массы m от нулевой скорости до скорости относительно поверхности Земли, и поэтому забвение формулы кинетической энергии, при рассмотрении ПОГ, является не правомерным.

Свет и гравитация

Определение скорости системы, "не выглядывая наружу"

Используя особые (привилегированные) свойства земной системы отсчёта, обусловленные гравитационным полем Земли, например, можно применить интерферометр Майкельсона, для определения скорости движения какой-либо системы (скажем, орбитальной станции) относительно поверхности Земли.

Для чего, одно плечо интерферометра необходимо ориентировать в направлении движения станции по орбите. Идея предлагаемого эксперимента состоит в том, что свет имеет постоянную скорость относительно гравитационного поля Земли, независимо от того, с какой скоростью излучатель (станция) движется относительно этого поля.

В успехе этого эксперимента сомневаться не приходится; необходимо лишь побеспокоиться о том, чтобы точность прибора позволяла оценить изменение скорости света на величину скорости движения станции относительно гравитационного поля Земли (примерно, 7,5 +0,5 км/с), что технически вполне осуществимо.

Этот эксперимент опровергнет положение расширенного "Принципа относительности Галилея" о том, что невозможно никакими опытами обнаружить движение инерциальной системы, не выглядывая наружу. Положение это опровергнуть и интересно, и не бесполезно. Ибо, на базе интерферометра Майкельсона, в дальнейшем, можно будет создать прибор для определения скорости движения различных систем, относительно: Земли, Солнца, Луны и других небесных тел.

Если продолжать сравнивать между собой процессы распространения света и звука, то сразу вспоминается, что скорость звука зависит от плотности воздуха (газа). Зависит ли скорость света от плотности гравитационного поля или от его напряженности? Вопрос этот далеко не праздный, ведь скорость света в вакууме - важнейшая физическая константа; и физики, пользуясь ею, необоснованно полагают, что определяют расстояния до космических объектов, с точностью до сантиметра [Л 2]. И если окажется, что скорость света в вакууме величина не постоянная, то это будет означать: потерю "точного" измерительного инструмента. И при измерении межпланетных расстояний опять придётся пользоваться древним методом определения расстояний: методом триангуляции.

Для того чтобы определить количественную зависимость скорости света от напряжённости гравитационного поля, необходимо провести прямые эксперименты по определению скорости света, с использованием классических схем, на различном удалении от Земли (на различных орбитах). Но для того чтобы убедиться в том, что такая зависимость имеет место, эксперимент проводить не надо, так как он уже проведён, и скорость распространения света измерена и в сильных, и в слабых, гравитационных полях. В последнем случае, она измерена Олафом Рёмером, ещё в 1676 году.

Определение скорости света в слабом гравитационном поле (метод Рёмера)

Согласно Рёмеру, свет преодолевает расстояние примерно равное диаметру Земной орбиты за 22 минуты, что соответствует скорости 227 000 (км/с) и сильно отличается от современных данных скорости света в вакууме (299 792, 458 км/с).

Расхождение это принято объяснять малой точностью измерений, выполненных Рёмером. Но такое объяснение слишком легковесно. Такой основательный ученый, как Рёмер, который на два месяца вперёд точно, до секунды, рассчитал запаздывание затмения первого спутника Юпитера, не мог так грубо ошибиться. Кроме того, это была первая оценка скорости света, и поэтому Рёмера никак нельзя заподозрить ни в какой тенденциозности; чего, как раз, нельзя упускать из виду при анализе современных оценок точности наблюдений Рёмера.

Поэтому, мы просто немного подробнее рассмотрим методику Рёмера по определению скорости света и попробуем понять: что же за скорость определил Рёмер. А для знакомства с его методом, приведём отрывок из его первого сообщения, взятый из [Л 5].

"Пусть, А (см. Рис.5) будет Солнце, В - Юпитер, С - первый спутник Юпитера, который входит в тень планеты; он выходит из неё в точке Д; пусть, EFGHLK - положение Земли на различных расстояниях от Юпитера.

Теперь предположим, что с Земли, находящейся в точке L, виден первый спутник в момент его выхода из тени в точке Д; примерно 42,5 часа спустя (то есть, после одного оборота этого спутника) с Земли, находящейся в точке К, виден спутник возвратившийся в точку Д.

Ясно, что, если свету требуется время, чтобы пройти расстояние LK, cпутник будет виден возвратившимся в точку Д позже, чем если бы Земля по прежнему находилась в точке L"

Отсюда уже видно, что расчёт заключается в следующем:

- определяется время запаздывания выхода спутника из тени (Дt);

- определяется дополнительный путь, пройденный светом, это хорда LК;

- и определяется скорость света (с) из выражения:

с = LК/Дt

Для того чтобы определить время запаздывания выхода спутника из тени, необходимо знать истинный период обращения спутника. Поскольку, при удалении Земли от Юпитера период обращения спутника увеличивается, а при приближении Земли к Юпитеру - уменьшается, то, очевидно, что в противостоянии, когда Земля движется параллельно Юпитеру, как раз, можно измерить истинный период обращения спутника Юпитера. А для того чтобы увеличить точность этих измерений, лучше замерить суммарное время по возможности большего числа оборотов спутника. Если затем это суммарное время разделить на число оборотов спутника, то получим истинный период обращения спутника.

Для того чтобы точнее определить запаздывание света, также необходимо замерить суммарное время нескольких оборотов спутника, но уже на участке удаления Земли от Юпитера.

Эти приёмы повышения точности измерений были найдены и применены ещё Рёмером, и, вряд ли, здесь, можно, что-либо улучшить.

Мы же своё внимание сейчас сосредоточим на том, что не могло быть предметом внимания Рёмера, а именно: на условиях распространения света.

Отраженный от спутника солнечный свет последовательно проходит: сильное гравитационное поле спутника, по мере удаления от него ослабевающее; затем, проходя вблизи Юпитера, свет проходит его сильное гравитационное поле, ослабевающее по мере удаления от планеты; далее свет попадает в зону влияния Солнца и, пройдя большую часть пути в слабом гравитационном поле Солнца, попадает, наконец, в зону влияния Земли, где гравитационное поле начинает усиливаться уже за счёт гравитационного поля Земли.

Если сравнить два пути пройденные светом: ДL и ДLK, то очевидно, что в обоих случаях свет проходит все вышеназванные участки пути. Но отрезок ДLK больше отрезка ДL на величину отрезка пути LK. В каких же гравитационных полях свет проходит это удлинение пути?

Очевидно, в гравитационных полях вблизи орбиты Земли. Нетрудно убедиться в том, что в этом районе напряженность гравитационного поля определяется в основном гравитационным полем Солнца, то есть дополнительный отрезок пути LK свет проходит в зоне влияния Солнца.

Определим параметры гравитационного поля Солнца на орбите Земли, используя теорию Ньютона, получим:

g = 0, 0059 (м/с 2);

Очевидно, что параметры гравитационного поля Солнца в районе земной орбиты совсем не те, что на поверхности Земли, где: g = 9,81 (м/с 2), и поэтому не следует удивляться тому, что скорость света, вычисленная по методу Рёмера, значительно отличается от скорости света в вакууме, измеренной на поверхности Земли. Нетрудно заметить, что и в данном случае свет обнаруживает свойства, аналогичные свойствам звука, скорость которого тоже снижается в более разряжённой среде.

Итак, Рёмер определил скорость света в слабом гравитационном поле, с параметром g примерно равном: 0,006 ();

Для сравнения обратимся к другому астрономическому методу определения скорости света, открытому Джеймсом Брадлеем в 1726-28 годах, методу, который основывается на явлении аберрации света (от латинского слова aberratio - уклонение), более подробно о методе Брадлея см. [Л 5].

Определение скорости света в сильном гравитационном поле (метод Брадлея)

Брадлей обнаружил видимое отклонение звёзд от своего положения на небесной сфере (отклонение света идущего от звезд) вследствие сложения скорости света идущего от звезды и скорости движения Земли по орбите, см. Рис.6. Причем, максимальное отклонение наблюдалось при движении Земли в направлении перпендикулярном лучу света наблюдаемой звезды.

Согласно измерениям Брадлея, угол ц равен 40,66 секунды. Далее из чисто геометрических соображений (см. Рис.6) он нашел, что свет распространяется с такой скоростью, что расстояние от Солнца до Земли он способен пройти за 8 минут 13 секунд. В соответствии с современными данными (для с = 300 000 км/с) свету требуется 8 минут 19 секунд для того, чтобы преодолеть расстояние равное одной астрономической единице. Следовательно, значение скорости света, найденное Брадлеем, всего на 1 процент отличается от современных данных!

Так что же, Брадлей подправляет Рёмера? Нет, дело в том, что Брадлей определил совсем не ту скорость.

Брадлей определил скорость света, идущего к нам от далёких звёзд и проходящего большую часть пути также в слабых гравитационных полях. Но он то определил её не как - среднюю скорость, на каком то участке пути, а как - мгновенную скорость, непосредственно у поверхности Земли, в сильном гравитационном поле, где 9,81 (), в отличие от 0,006 (); у Рёмера.

Выводы к главе

Оценивая методы Рёмера и Брадлея, можно сказать, что эти методы дополняют друг друга и прямо указывают на то, что скорость распространения света зависит от параметров гравитационного поля. Перемещаясь в пространстве, в направлении возрастания напряженности гравитационного поля, свет увеличивает свою скорость, и наоборот: перемещаясь в направлении более слабого поля, свет уменьшает свою скорость.

Отсюда следует, что: скорость света в вакууме, измеренная на поверхности Земли при 9,81 (), и приблизительно равная: 300 000 (км/с), - не самая большая скорость. Следует ожидать, что в более сильных гравитационных полях, свет распространяется с большей скоростью.

Убедившись в том, что свет не оправдывает, возложенных на него Эйнштейном, надежд, а напротив: непостоянством своей скорости указывает на несостоятельность Специальной теории относительности, рассмотрим ещё одно свойство электромагнитного излучения, якобы подтверждающее достоверность Общей теории относительности.

Энергия излучения и расширение вселенной

"Красное смещение", обнаруженное в спектрах излучений далеких галактик, и объяснение этого смещения с помощью эффекта Доплера, расширением Вселенной, - является одной из захватывающих страниц современной науки, а точнее, научной фантастики. Здесь явно прослеживается влияние теорий относительности: СТО и ОТО и научного метода Эйнштейна, когда за истину выдаётся самая невероятная версия.

Действительно, что заставляет объяснять "красное смещение" разбеганием галактик, если есть более простые и естественные объяснения.

Ведь общеизвестно, что имеет место также "гравитационное красное смещение", обусловленное отличием напряженности поля тяготения в точках испускания и регистрации излучения, то есть, обусловленное дополнительными затратами энергии излучения на преодоление гравитационного притяжения гравитирующих масс, больших чем Земля.

Также зафиксировано экспериментально изменение частоты излучения при взаимодействии фотонов с электронами в опытах Комптона [Л 7], где при облучении свободных электронов наблюдалось увеличение длины волны рассеянного электромагнитного излучения, вследствие передачи энергии от фотонов к электронам; то есть, по существу тоже наблюдалось "красное смещение".

В самом конце 19-го века (1900 г.) Планком было выдвинуто предположение о том, что энергия излучения является функцией его частоты. Это предположение хорошо согласовывалось с, ранее полученными Герцем и Столетовым, экспериментальными данными, при изучении ими явления фотоэффекта.

Опыты Комптона (1922 г.) окончательно подтвердили эту идею Планка.

Таким образом, в начале 20-го века была установлена однозначная связь между энергией и частотой излучения.

Доплер не связывал обнаруженный им эффект: изменения частоты излучения (в зависимости от скорости и направления движения источника излучения относительно приёмника), - с изменением энергии излучения. И это понятно, ибо в то время (1842 г.) энергии ещё не придавалось должного значения.

Но если меняется частота излучения, то обязательно меняется и энергия излучения (отрицание этой связи противоречит опытам Герца, Столетова, Комптона и Закону сохранения энергии). И если, например, источник излучает в направлении своего движения (имеется в виду движение относительно Земли, или какой либо другой привилегированной системы отсчёта), то частота излучения и, соответственно, энергия излучения увеличиваются. За счёт чего увеличиваются? За счёт уменьшения кинетической энергии тела, на котором установлен источник излучения. И наоборот, если источник излучает в направлении противоположном движению, то частота и энергия излучения уменьшаются за счёт того, что часть энергии излучения передаётся движущемуся телу, на котором установлен источник. То есть, в процессе излучения в движущемся теле отсчёта происходит обмен энергией между излучением и движущимся телом, аналогично процессу обмена (передачи энергии) при отталкивании пробных тел в движущихся телах отсчёта и связанных с ними системах отсчёта, см. примеры №№ 5 и 6.

Выводы к главе

Таким образом, изменение частоты излучения и в частности "красное смещение" может быть вызвано самыми различными физическими процессами, но, в конечном счёте, во всех случаях, - является следствием уменьшения энергии излучения.

А потому, достоверно определить истинную причину "красного смещения", обнаруженного в спектре какой-нибудь далёкой галактики, - невозможно. Можно лишь строить предположения, более или менее вероятные. И при этом, наиболее вероятной причиной "красного смещения" следует считать потери энергии (рассеяние энергии) излучения на длительном пути света к Земле.

Это предположение вполне согласуется с данными астрономических наблюдений о том, что величина "красного смещения" пропорциональна расстоянию до объекта излучения.

Расширение же Вселенной - процесс маловероятный; это просто миф, навеянный фантастическими идеями Эйнштейна и Хаббла

Общие выводы

1. "Принцип относительности Галилея" не является фундаментальным физическим законом и не является постулатом. Этот принцип не верно отображает энергетические процессы, протекающие в инерциальных системах, связанных с телами отсчёта не имеющими значительного гравитационного поля, и движущихся относительно больших гравитирующих масс, типа Земля. Формула кинетической энергии не инвариантна при Галилеевом преобразовании координат и справедлива только в системе отсчёта, связанной с Землёй.

2. Понятие "инерциальная система" не строгое, а приблизительное понятие. Инерциальность системы отсчёта зависит от величины отношения массы тела отсчёта к массе пробного тела. При этом система отсчета связанная с поверхностью Земли, благодаря большой массе Земли и её сильному гравитационному полю, занимает особое место среди других инерциальных систем отсчёта, связанных с телами отсчёта не обладающими значительным гравитационным полем.