Цель данной записки - показать отношение производственных инженеров к физическим моделям, которые внедряют в жизнь многие популяризаторы ОТО Эйнштейна. Подробности описания явлений ориентированы на людей, интересующихся этим когда досуг не удался.

Скорость света

Определить скорость света в земных условиях просто: луч пропускается через щель вращающегося диска, отражается от зеркала, попадает на тот же диск и проходит через щель только в том случае, если диск успеет сделать полный оборот. Зная расстояния, проходимые лучом, и длительность оборота, вычислить скорость труда не составляет. Выяснилось, что скорость зависит, во-первых, от среды распространения, во-вторых, от цвета. Например, желтый луч летит в парах хлороформа на 0,13% медленнее, чем в парах водорода, и в 2,4 раза быстрее, чем в алмазе. Скорость фиолетового света в воде на 1,2% больше скорости красного.

Так как космический вакуум по определению не имеет факторов, способных влиять на скорость света, решили считать ее для всех цветов (длин волн) одинаковой и стабильной, а скорость в конкретной среде выражать через коэффициент преломления, равный отношению скорости света в вакууме к скорости в среде. Решение ничем не подкреплено, и есть основание усомниться в его верности.

В справочниках пишут девятизначную цифру и называют ее скоростью света в вакууме. Получить ее значение опытным путем невозможно, потому что невозможно получить абсолютную пустоту. Точность расчета скорости в конкретной среде зависит от точности определенного опытным путем коэффициента преломления, который указывается в справочнике в лучшем случае четырьмя знаками. Казалось бы, что нет смысла водружать на пьедестал констант нашего мира, наравне с гравитационной постоянной, зарядом электрона и прочим, еще скорость света, девятью знаками которой нельзя воспользоваться. Следуя данной логике, в константы можно занести что угодно, например, единицу ума.

Почему в справочниках физики указывают коэф. преломления, а не саму скорость света в материале? Исходя из своей практики инженера-механика, отвечу, что использовать в расчетах скорость света, уточненную для конкретной среды, нужды не было. А оперировать коэффициентами преломления доводилось неоднократно. Указывать коэффициент вместо скорости - идти навстречу потребителям.

Жила мысль, что константа нужна радиоастрономам, но после знакомства с их методиками, ее пришлось выбросить. Они не используют формулы Коперника, Ньютона и прочих, а корректируют системы уравнений, ничего общего с физикой не имеющих. Остается одна причина, удерживающая скорость света в когорте физических констант - на ней зиждется релятивистская механика. Сегодня любой, окончивший школу, назовет особые свойства скорости света, благодаря которым, она, в отличии от скорости звука, удостоилась такой чести - это ее независимость от твоего движения и предел для всего материального. Оба свойства абсурдны, лишены логики. Почему они существуют?

Вспомним историю. Модель атома, придуманная Резерфордом, требовала объяснения: почему ядро не разлетается и т.д. Другого способа разбирать атомы, как бить ими о стенку или друг друга, не придумано до сих пор. Для того, чтобы они рассыпались на мелкие кусочки, их надо сильно разгонять. С увеличением скоростей частиц в ускорителях, возникли проблемы, вплоть до того, что стал нарушаться основной закон - закон сохранения энергии. Для увязки процессов в ускорителях с законами, действующими в нашем макромире, пришлось изобретать формулы, имеющие поправочные коэффициенты. Немецкий физик-теоретик Эйнштейн стал предлагать всем, имеющим дело с большими скоростями, свою трактовку наблюдаемых явлений и заменять эмпирические формулы своими. Большинство это устроило - появилась теоретическая подоплека и исчезла нужда изобретать формулы. Отсутствие в эйнштейновской модели образности, не позволяющей представить процесс и, таким образом, понять происходящее, каждый стал списывать на недостаток своего ума.

Мне кажется, что физики первой половины ХХ века надеялись, что на первых порах можно не искать смысл в математических преобразованиях, что математика, создав систему базовых уравнений, поможет в последствии понять процессы микромира. Но этого не происходит, и, судя по предметам спора сторонников и противников образовавшихся школ, в ближайшие десятилетия не произойдет.

Математика перестала быть инструментом, в физике она стала всемогущим захватчиком, отвергающим закон о переходе количества в качество и навязывающим одно и то же микро и макромиру. К чему это привело? К тому, что появились ученые, раскладывающие на шкафах в операционных плакаты с легко запоминаемыми картинками. Это объявляется "научным экспериментом", подтверждающим или опровергающим, по мнению исследователей, правдивость рассказов испытавших клиническую смерть, что их душа парила под потолком и наблюдала за действиями персонала. В рассказах обстановка такая же, какую видим мы, а не та, что может показать прибор ночного видения или рентгеновский аппарат. То, что физики-академики стали верить в существование души, следовало из их похождений в церковь. Проблема в том, что они принимают душу такой, как описывают медиумы, то есть, видящей в том же цветовом диапазоне, что и мы. Наше зрение основано на фокусировании внешних излучений, когда на внутренней оболочке глаза появляется плоское уменьшенное изображение окружающей среды. Оптической линзой является хрусталик, коэффициент преломления которого выше, чем у воздуха и глазной жидкости. Это требование к коэф. преломления - обязательное для любой линзы. В воздухе линзы из воздуха такой же плотности быть не может. Таким образом, если душа имеет голову и глаза, видит те же цвета, что и мы, то она не может быть невидима для нас. По крайней мере, две бусинки-стекляшки - хрусталики её глаз, имеющие более высокую оптическую плотность, мы видели бы обязательно. Отношение к сегодняшней физике упомянутых экспериментаторов можно охарактеризовать так: они её не знают и не понимают чего творят.

Попробуем создать образную модель, дающую возможность пояснить ситуацию и основанную на зарегистрированных явлениях.

Проблема в том, что принятая в электротехнике терминология приспособлена к описанию поведения элементов, но лишает возможности разбираться в причинах.

Например, известно, что на заряд q, помещенный в электрическое поле, будет действовать сила F=q•E, где Е - напряженность. Электродинамика, как наука, не требует от пользователя мысленного представления поля, осознания отличия поля напряженного от расслабленного. Попробуем представить ситуацию с зарядом, заменив его вместе с полем одинаково понимаемыми всеми предметами.

Можно ли уподобить заряд в поле с однородной электрической напряженностью шарику, находящемуся на наклонной плоскости? Сила F, действующая на шарик рис.1, выражается формулой F=m•g•Sin w. Если массу шарика m уподобить заряду, а g•Sin w - напряженности, то аналогия полная.


Рис. 1

К сожалению, в данной модели, сила не зависит от скорости скатывания шарика. А ускорение заряда в электрическом поле с увеличением скорости замедляется по закону, в котором на конечную скорость наложено ограничение. Значит, модель, представленная на рис.1, выбрана не правильно.

Поместим шарик в аэродинамическую трубу. Если пренебречь зависимостью коэффициента аэродинамического сопротивления от скорости, сила, создаваемая воздушным потоком, пропорциональна квадрату разницы скоростей потока и шарика. Если скорость шарика сравняется со скоростью потока, воздействие на шарик прекратится. Такая модель полностью соответствует наблюдаемому в ускорителях. Но как совместить воздушный поток с напряженностью поля? Что в поле может течь? Что может бесконечно долго истекать из заряда, не сказываясь на его величине?

Слишком много вопросов, ответы на которые ссылкой на житейские случаи не подкрепишь. Нет сомнения, что ветры в ускорителях не дуют. Но сама идея, что воздействие на заряд осуществляется через какую-то флюктуацию среды, пусть ограниченную в скорости перемещения, правильная.

Смоделировать воздействие на заряд электромагнитных волн несколько проще. Именно воздействием этих волн на электроны в проводниках, объясняют появление потенциалов в антеннах приемников. Но придется вернуть эфир и представить его подобным идеальному газу, скорость броуновского движения частиц которого 500 000 км/с. Волна возмущения в такой среде представляет собой стабильную по глубине зону, перемещающуюся со световой скоростью, в которой суммарное броуновское движение частиц эфира больше нуля. Подробнее процесс изложен в записке «Звуковая локация в трубах». Волны возмущения похожи на порезанный колбаской воздушный поток.

Если отказаться от объемности, рассматривать сечение, то моделью можно принять поверхностные волны.


Рис. 2

На рис.2 показано движение частицы воды в волне. Оно включает два простых движения - вращение и перемещение. В итоге получается траектория близкая к циклоиде. Важно то, что находящийся на гребне волны шарик, со скоростью V перемещается волной в сторону ее движения. Нет необходимости доказывать, что скорость шарика может сравняться со скорость перемещения волны, но не может быть выше.

Условию ограничения конечной скорости модель удовлетворяет. Рассмотрим ее соответствие второму условию - с увеличением скорости шарика воздействие волны должно ослабевать.


Рис. 3

На рис.3 волна показана зачерненным сектором. Сила, действующая со стороны волны на шарик, выражается формулой F=const•(C-V)², где С - скорость волны, V - скорость шарика. Время воздействия t=L/(C-V), где L - эффективная длина волны. Импульс силы, определяющий приращение скорости шариком, выразится формулой F t=const•(C-V).

Так же, как в случае с аэродинамической трубой, шарик способен наращивать скорость пока она отстает от скорости волны.

У наблюдателей процесса ускорения заряда в электрическом поле сложилось впечатление, что нарастанию скорости препятствует возрастающая масса. То, что такое возможно, следовало из предложенной теории Эйнштейна. А рассмотренная выше модель не способна объяснить многие особенности распространения световых волн, поэтому призывать «увеличителей» массы к разуму и ссылаться на нее, не корректно. Здесь я просто хочу обратить Ваше внимание на то, что якобы наблюдаемому в ускорителе эффекту увеличения массы заряда можно найти другое объяснение.

Предлагаю рассмотреть распространение световых волн в эфире, свойства которого указаны выше. Для наглядности вернемся к поверхностным волнам и поплаваем на лодке. Примем маленькие допущения, будем считать все волны одинаковыми по высоте, поэтому обладателями одной и той же скорости фронта С, которая превышает скорость лодки V.

Представим себе мысленно картину волн, образовавшихся от хлопков ладошкой по поверхности, если удары повторялись через равные промежутки времени. Последнее условие не обязательное, оно лишь увеличивает наглядность. Лодка перемещается от одного берега, на котором находится наблюдатель Б, к противоположному, на котором стоит наблюдатель А - рис.4.


Рис. 4

Каждый Ваш хлопок породит круговую волну, диаметр которой будет увеличиваться пропорционально времени. Центры круговых волн из-за перемещения лодки окажутся сдвинутыми в одну сторону относительно друг друга на одно и то же расстояние, как показано на рис.4.

Предположим так же, что над озером туман и наблюдатели Вас не видят. Это условие естественное потому, что люди не могут видеть распространение звуковых и световых волн. Перед наблюдателями поставлена задача: определить периодичность хлопков. Каждый из них может воспользоваться секундомером и засекать время между приходом пиков волн. У наблюдателя А период окажется меньше, чем у его коллеги Б. Это проявление эффекта Доплера.


Рис. 5

На рис.5 наблюдатели плывут вместе с вами. Они видят волны эксцентрическими кругами, у них та же задача, что у предыдущих наблюдателей: по волнам определить периодичность хлопков. Если каждый из них секундомером начнет измерять время между проходом волн, например носа и кормы, на которых наблюдатели и находятся, то результаты будут идентичными. У носа гребни ближе друг к другу, но скорость прохождения низкая. У кормы - наоборот.

Если вернуться к световым волнам, придать лодке скорость несколько десятков тысяч километров в секунду, хлопки заменить фонарем, светящим белым цветом, то экран наблюдателя А окрасится голубым цветом, Б - розовым, на восприятие находящихся в лодке собственная скорость никак не скажется, экраны на носу, по бокам и на корме будут белыми.

Пристроим к носу лодки устройство, которое отразит волны, и превратим «шлепальщика» в

наблюдателя. Посадим его на корме, на расстоянии L от отражателя. Время, затраченное первой волной на преодоление расстояния до носа



от носа до кормы



Сложив их, получим суммарное время



Разделив весь путь 2L на это время, мы получим среднюю скорость волны

. (1)

Интрига данной формулы в том, что средняя скорость волны зависима от скорости лодки. Шлепальщик-наблюдатель имеет основание заявлять, что решение считать скорость волн константой - неправильное.

Если средняя скорость волн для нашего наблюдателя уменьшилась, то как это отразилось на восприятии им их частоты? Пусть период равен Т, проследим время прохождения мимо наблюдателя n отраженных волн.

Последняя волна из нами ограниченного контингента достигнет отражателя за время t_n1=t₁+T•n, а вернется к наблюдателю через t_n2=t_n1+t₂. Весь пакет пройдет мимо наблюдателя за время Δt=t_n2-t₁-t₂= T•n. Поделим полученное время на количество волн n и увидим, что период Т, значит, и частота не изменились.

Подобное часто можно наблюдать в жизненных ситуациях, казалось бы далеких от рассматриваемой темы. Например, когда дорога хорошая, машины едут быстро и расстояние между ними большое. Попав на разбитый участок, машины сбрасывают скорость, и расстояние между ними уменьшается. На последующем хорошем участке расстояние между ними окажется таким же, как на первом, хотя ни кто из водителей специально к этому не стремился. Если на каждом из этих трех участков поставить учетчиков количества проехавших машин, то за одинаковое время числа совпадут. В электродинамике по этому поводу придумали первое правило Киргофа. Суть его в том, что при несовпадении количества проезжающих машин необходимо искать причину их исчезновения, например, автостоянку.

В случае со световыми волнами можно утверждать, что как бы быстро лодка не перемещалась, не изменится окраска предметов в ней находящихся и освещаемых собственным фонарем. Для меня остается загадкой цель, которую ставил перед собой Майкельсон. На заявляемую сегодня - нахождение эфирного ветра - его установка не рассчитана.

Движение сопровождается многими интересными эффектами. Например, траектория подбрасываемого шарика в движущемся вагоне, играющему будет казаться вертикальной прямой, а станционному смотрителю - синусоидой. Стук вагонных колес удаляющегося поезда смотритель будет слышать не только позже пассажиров, но и в более медленном темпе.

Зная закон движения тела в подвижной системе можно легко перевести его в неподвижную. Операция называется преобразованием Галилея. Недостаток галилеевского метода в том, что он не учитывает скорость распространения визуальной информации - скорость света.

Представьте себя на площадке, с которой стартует километровой высоты звездолет, способный мгновенно достигать скорости близкой к световой. Старт для Вас безопасен, поэтому можете спокойно наблюдать отлет. Представится следующая картина: Звездолет начнет сжиматься, как будто сделан из резины и был растянут. Сжимающаяся зона возникнет внизу, начнет расширяться вверх, дойдет до верхушки, но сжатие не остановится. Оно будет происходить до тех пор, пока звездолет будет виден. На площадке стоял высокий серебристого цвета красавец, а рукой махать придется красному блину.

Наблюдаемое понятно. Мысль о том, что конструктора чего-то упустили в расчетах, и звездолет сплющило, никого не огорчит. Просто свету от головной части приходится идти до Ваших глаз дольше, чем от нижней.



Математика явления проста. Пусть в системе координат Х^lY^l двигающейся вправо по оси Х^I относительно системы XY и называемой подвижной, находится предмет, крайние точки которого имеют координаты Х^I₁ и Х^I₂.

Неизвестное лицо, находящееся в подвижной системе, обмерило предмет рулеткой и установило его длину L = Х^I₂ - Х^I₁.

Задачу - определить длину предмета - поставили перед собой наблюдатели, находящиеся в начале неподвижной системы координат. Они договорились, что один из них в определенный момент времени определит на местности предмет, положение которого соответствует ближнему концу - координату Х₁, а товарищ, в тот же момент времени, зафиксирует координату дальнего конца - Х₂. Скорость подвижной системы равна V. Время, прошедшее по прохождению «хвоста» предмета места нахождения наблюдателей - t. Тогда

, где - время прохождения света до наблюдателя. Подставим его в

предыдущую формулу и получим .

Аналогично .

Измерение длины предмета наблюдателями покажет величину . (2)

Из выведенной формулы 2 следует, что предмет в неподвижной системе будет казаться короче, чем является на самом деле.

Во всех примерах было применено преобразование Галилея. Я сделал это, чтобы показать - эффекты разницы течения времени, изменение длины и массы не являются прерогативой релятивисткой механики. Чем же данные рассуждения отличаются от положенных в основу преобразования Лоренца и общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна.