Содержание:
§ 1. Введение
§ 2. Пространство и время
§ 3. Адекватное преобразование путевого времени и координат движущейся материальной точки
§ 4. Физический смысл формул адекватного преобразования
§ 5. Динамика движущихся тел
Литература
Обращение автора
ФОРУМ - ВЫСКАЖИТЕ СВОЕ МНЕНИЕ >>
загрузить статью (архив*rar,85K)
РАЗВИТИЕ МЕХАНИКИ НЬЮТОНА
ПРИМЕНИТЕЛЬНО К РАСПРОСТРАНЕНИЮ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ С КОНЕЧНОЙ СКОРОСТЬЮ
© Шилин Анатолий Степанович, к.т.н
Природа любит простоту,
она избегает пышности излишних причин.
Исаак Ньютон
В статье показано, что принцип постоянства скорости света в специальной теории относительности противоречит данным опыта и мысленного эксперимента Эйнштейна.
Даны определения физических понятий пространства, времени и независимости скорости материальных сигналов от скорости их источников, которые взаимодействуют посредством испускаемых ими этих сигналов в виде мельчайших весомых частиц.
На основе данных определений построена предельно простая, ясная по смыслу и логически безупречная теория развития механики Ньютона, в которой нет корпускулярно-волнового дуализма света и материи, сокращения движущихся тел и ограничения их скорости скоростью света, замедления времени движущихся часов, изменения массы движущихся тел с изменением их скорости, противоречий и парадоксов теории относительности, но которая в областях ее применения согласуется со всеми опытными фактами и наблюдениями, предсказывает возможность открытия новых закономерностей, существующих в природе вещей.
§1. Введение
1. В статье “Радарная проверка относительной скорости света в космосе” [1] Б. Г. Уоллес (B. G. Wallace) проанализировал опубликованные данные радиолокации Венеры и установил, что принцип постоянства скорости света явно противоречит этим данным, которые с высокой точностью описываются классическим законом сложения скоростей.
2. В статье “К электродинамике движущихся тел”[2] А. Эйнштейн (A. Einstein) рассматривает мысленный эксперимент с движущимся стержнем, ось которого параллельна оси Х покоящейся системы, и пишет: “Представим себе, что к обоим концам стержня (А и В) прикреплены часы, которые синхронны с часами покоящейся системы, т. е. показания их соответствуют “времени покоящейся системы” в тех местах, в которых эти часы как раз находятся; следовательно, эти часы “синхронны в покоящейся системе””, в которой все часы идут синхронно. Это высказывание, очевидно, нужно понимать так, что наблюдатели, покоящиеся на движущемся стержне возле часов А и В, и наблюдатели, покоящиеся возле часов покоящейся системы во всех местах, в которых движущиеся часы А и В как раз находятся, своими глазами видят, что в этих местах стрелки неподвижных и движущихся часов показывают одинаковое время. Другими словами, время, измеряемое движущимися часами А и В и всеми часами покоящейся системы, абсолютно, как в механике Ньютона. Это значит, что указанные наблюдения для всех названных наблюдателей являются данными опыта, которые нельзя опровергнуть никакими логическими рассуждениями. Но следом за цитированным высказыванием и в противоречие ему автор статьи [2] становится в положение наблюдателей покоящейся системы и, применяя принцип постоянства скорости света, делает вычисления, на основании которых наблюдатели на стержне, ничего не знающие об этих вычислениях и проверяющие синхронность хода часов А и В с помощью световых сигналов, почему-то должны найти, что часы А и В не идут синхронно, в то время как наблюдатели, находящиеся в покоящейся системе, считают эти часы, идущими синхронно с часами покоящейся системы.
Что мы здесь видим? Неподвижного эфира нет, системы отсчета равноправны, наблюдатели на стержне посылают из А в В и из В в А световые сигналы для подтверждения синхронности хода часов, покоящихся в этих точсках, а формулы для проверки синхронности этих часов пишут и делают из них выводы не они, а наблюдатели, находящиеся в покоящейся системе. Но ведь это же подлог и совершает его сам автор статьи [2], приписывая наблюдателям, находящимся на стержне возле часов А и В, результаты вычислений, о которых они ничего не знают.
Но это ещё не всё. В результате анализа преобразований Лоренца он приходит к выводу, что при наблюдении из покоящейся системы движущиеся часы идут медленнее часов покоящейся системы и, значит, не синхронны с ними, а в описании мысленного эксперимента приводит противоположное высказывание . Налицо - противоречие: положение, при котором одно высказывание исключает другое, несовместиммое с ним.
Отсюда ясно видно, что автор статьи [2] с самого начала заложил в основу специальной теории относительности присущее ей внутреннее противоречие. Позже он писал: “Если не грешить против логики, то вообще нельзя ни к чему прийти” [3]. И, как видно, он грешил в надежде не быть замеченным в нелогичности, но предполагал, что когда-нибудь ему, “видимо, суждено отвечать за свои мыльные пузыри” [4].
В развиваемой механике Ньютона мы не будем грешить против логики, будем строго ей следовать. Будем исходить из общепринятого материалистического положения, согласно которому события совпадений наблюдаемых показаний времени движущимися и неподвижными часами, находящимися вместе с их наблюдателями в непосредственной близости друг от друга, имеют абсолютное значение и потому не могут зависеть от выбора системы отсчета.
Чтобы устранить показанные противоречия и не допустить новых, нужно отказаться от принципа постоянства скорости света и дать такое определение независимости скорости света от скорости его источника, которое будет находиться в согласии с критенрием синхронности и наблюдаемой синхронностью совокупностей часов, движущихся друг относительно друга равномерно и прямолинейно.
§ 2. Пространство и время
Чтобы найти определение постоянства скорости света для уравнений Максвелла, которое не приводит к противоречиям, и постоянства скорости сигналов любой другой природы, посредством которых происходят взаимодействия тел, необходимо более внимательно рассмотреть первые понятия физики, которые все еще не имеют определений. Мы имеем в виду понятия пространства и времени. Поэтому первая задача, которую ставят перед нами эти понятия, заключается в том, чтобы лучше понять их и дать им такие определения, чтобы они соответствовали действительности. Только в этом случае, выбрав единицы измерения пространства и времени, можно будет их измерить и при помощи чисел определить место и момент времени физического события. И первый вопрос, на который необходимо ответить, приступая к поиску определений физических понятий пространства и времени, заключается в следующем: существуют ли пространство и время сами по себе, независимо от весомой материи, или не существуют?
Классическая механика и обе теории относительности (специальная и общая) отвечают на этот вопрос положительно. Однако ни раздельно, как в механике Ньютона, в которой пространство и время мыслятся свойствами Бога, ни связанные вместе и мыслящиеся материальными сущностями, как в теориях Эйнштейна, пространство и время принципиально не наблюдаемы. Наблюдаются и измеряются лишь движения материальных объектов друг относительно друга. Поэтому, если физика стремится оправдать свою максиму о признании реальным лишь того, что физически наблюдаемо, она должна отказаться признавать пространство и время существующими независимо от наблюдаемой материи. Древние люди называли пространством самое большое вместилище, ограниченное внутренней поверхностью купола твердого неба. Внутри этого вместилища находились все наблюдаемые предметы вместе с Землей в его центре. Когда после Коперника представление о твердом небе оказалось иллюзией, понятие о пространстве как о вместилище наблюдаемых и воображаемых предметов, много раз передававшееся из поколения в поколение, в памяти людей сохранилось до нашего времени.
В действительности пространство само по себе не существует, как не существует и ничто другое, кроме движения относительно друг друга непрерывно изменяющихся и взаимодействующих между собой тел и их частиц разных структур и размеров. Вся эта движущаяся материя существует в трехмерных формах, в форме расположения одного относительно другого и в форме последовательности одного после другого, а для нас еще и в форме воображаемого вместилища, которая называется пространством и определяется совокупностью расстояний между материальными предметами, наблюдаемыми в любой момент определенного времени.
Согласно данному определению единицей измерения пространства должна служить какая-либо длина твердого стержня, принятая в качестве эталона длины. В 1791 г. за эталон длины, называемый метром, было принято расстояние между двумя штрихами, нанесенными на одной из плоскостей бруса из платиноиридиевого сплава (хранится в Международном бюро мер и весов во Франции). В других странах имеются точные копии этого эталона, по которым устанавливается длина бесчисленных линеек-метров и гибких мерительных лент для измерения расстояний.
В поисках ответа на вопрос: что такое время? — заглянем в “Этимологический словарь русского языка” А. Г. Преображенского [5]. В нем сказано, что непосредственным предком слова время было древнерусское веремя, а более далеким — общеславянское вермя или вертмя. Индоевропейской основой послужило им слово uertmen, похожее на санскритское (санскрит — один из древнеиндийских языков) vartman. Последнее означает путь, колея, след колеса. Поскольку существование жизни на Земле обязано Солнцу, постольку время до Коперника — это путь видимого движения Солнца вокруг Земли, выражаемый в единицах длины, а после Коперника — это число поворотов или углов поворота Земли вокруг своей оси. До 1955 г. единица измерения времени базировалась на вращении Земли вокруг своей оси. Последовательное прохождение определенной звезды через данный меридиан фиксирует время одних звездных суток, являющихся наименьшей единицей времени, которую определяют при помощи астрономических измерений. Часы служат для деления этого промежутка на 86 400 равных секунд (число углов поворота Земли вокруг своей оси в течение звездных суток) и дают возможность использовать эту единицу времени вне обсерватории.
Необходимость измерения частоты радиосигналов привела к необходимости создания стандарта частоты. Построенные для этой цели кварцевые часы выявили неточность астрономических измерений суток и обеспечивали постоянство времени с точностью до 0,001 с/сутки, или до 1•10–8. Эта точность была улучшена применением атомных часов, которые обеспечивают получение единицы времени с точностью до 1•10–11. В настоящее время секунда определяется как величина, равная 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя уровнями сверхтонкого расщепления основного состояния атома цезия 133 [6]. С помощью атомных часов и эталонных метров можно измерить скорость рассматриваемого излучения на расстоянии между точками А и В. Умножив эту скорость на секунду, получим выраженный в метрах отрезок пути, проходимый излучением за секунду и составляющий физический смысл последней. При этом период данного излучения будет равен 1/9 192 631 770 части секунды.
Очевидно, секунда может быть определена и любым другим отрезком пути, проходимого другим предметом, если он проходит этот отрезок за одну стандартную секунду без заметного воздействия на него внешних сил. Но когда единица времени определяется тем или иным определенным отрезком пути, проходимым каким-либо предметом, свободным от внешнего воздействия, тогда и секунду времени следует отождествить с этим отрезком пути. И поскольку нет иного способа измерения движения какого-либо объекта, кроме сравнения его отрезков пути с отрезком пути другого объекта, движение которого принято за равномерное, мы приходим к следующему определению: временем называется известное движение, принятое для сравнения с другими и выражаемое числом определенных и равных между собой отрезков его пути. Измеряемое в инерциальных системах координат с помощью эталонных часов, оно называется абсолютным временем.
Данные определения физических понятий пространства и времени вносят существенные изменения в представления современной физики об этих понятиях: раз пространство и время сами по себе не существуют, то не имеет никакого смысла говорить о движении относительно пространства и о сокращении движущегося пространства, о замедлении несуществующего времени в движущемся пространстве. Не существуют и непрерывные поля, окружающие электрические и гравитационные заряды и мыслимые непрерывными структурами пустого пространства-времени. Взаимодействия между телами и частицами осуществляются посредством излучаемых ими мельчайших и все еще очень сложных весомых частиц — носителей электромагнитных, гравитационных, ядерных и других не названных нами сил, которые, ради краткости, называются сигналами.
Электрические и гравитационные заряды излучают соответствующие им сигналы, которые распространяются в пустоте изотропно, поскольку нет никаких причин, чтобы они распространялись иначе. Этот факт дает возможность произвести синхронизацию часов, покоящихся в любых точках пространства инерциальной системы координат, а с помощью синхронно идущих часов в точках А и В можно измерить скорость любого предмета на расстоянии между А и В, в том числе скорость света, которая в теории относительности Эйнштейна считается произвольной величиной [7], не имеющей точного объективного смысла [8].
Проиллюстрируем синхронизацию часов и измерение скорости света на следующем примере.
Рассмотрим две инерциальные системы координат К и К' с осями координат соответственно xyz и x'y'z',причем система К' движется вправо относительно К вдоль осей х и х',которые совпадают, а оси y и z соответственно параллельны осям y' и z'.
Пусть источник света покоится на оси х в точке О, по обе стороны которой на расстоянии l от О в точках А и В покоятся часы с неподвижными стрелками, показывающими нуль времени. Часы снабжены устройствами, которые могут включить ход часов от действия на них световых сигналов, пришедших от источника О. После того, как источник пошлет вспышку света и свет достигнет часов А и В, указанные устройства включают ход часов, которые затем всегда будут идти синхронно, отсчитывая равенство чисел секунд времени tА и tВ. Чтобы проверить синхронность хода часов А и В, можно через одинаковые промежутки времени посылать сигналы от часов А к часам В, к которым они должны приходить через те же самые одинаковые промежутки времени. Убедившись в синхронности хода часов А и В , теперь с их помощью можно измерить скорость света относительно источника на расстоянии 2l. Для этого источник света нужно установить на часах А и в любой момент времени tА послать световой сигнал к часам В, который придетк ним в момент времени tВ. Скорость света на расстоянии L = 2l между точками А и В можно вычислить по формуле
из которой получаем формулу
С помощью формулы (1) в системе покоя источника света можно произвести синхронизацию эталонных часов, покоящихся в любых точках пространства инерциальной системы координат. При этом, если хотя бы одни часы системы К из всей совокупности покоящихся в ней синхронно идущих часов сверены с какими-либо одними часами системы К' в общей для них точке пространства, с которыми потом сверены все другие покоящиеся в ней часы с помощью формулы (1), то все часы, покоящиеся в данных системах координат должны идти синхронно с установленной точностью постоянства хода эталонных часов и показывать равенство времени t и t':
Формула (2) является основой для получения галилеевых формул преобразования координат от системы К' к системе К и обратно:
где v — скорость систем К и К' друг относительно друга.
Формулы (2) и (3) показывают, что движущиеся друг относительно друга инерциальные системы декартовых координат и покоящиеся в них эталонные линейки и синхронно идущие эталонные часы одинаковы. Все явления природы при одинаковых начальных условиях протекают одинаково (принцип относительности Галилея), в инерциальных системах справедлива геометрия Евклида, сокращение движущихся тел по направлению движения и замедление скорости хода движущихся часов не существуют.
Причина, приведшая к отказу применения правильных формул (2) и (3) к электродинамическим уравнениям Максвелла при скоростях частиц, сравнимых со скоростью света относительно его источника, находится в неверной интерпретации второго закона Ньютона.
В самом деле, желая описать свободное движение какой-нибудь материальной точки в пустом пространстве инерциальной системы отсчета, мы задаем значения ее текущих координат как функции времени, измеряемого часами. Для этой цели формулы (3) являются совершенно правильными не только при малых скоростях этой точки, но и при как угодно больших конечных скоростях, что нашло свое экспериментальное подтверждение в данных радиолокации Венеры [1] и не противоречит никаким другим опытным данным.
Задача описания движения материальной точки усложняется, если на нее действуют сигналы со стороны тела, покоящегося в рассматриваемой системе отсчета. Такая материальная точка уже не движется свободно, действия сигналов непрерывно изменяют ее скорость и направление. С изменением скорости этой точки (далее — частицы) скорость сигналов относительно частицы тоже непрерывно изменяется. Вследствие этого факта во втором законе Ньютона должны были бы находиться две разные изменяющиеся скорости — скорость частицы и скорость сигналов относительно частицы. Но в этом законе изменяется с течением времени только скорость частицы, а скорость действующих на нее сигналов последователи Ньютона предположили бесконечно большой. Ньютон никаких данных о скорости распространения движущих сил не имел и не мог иметь, а гипотез не измышлял. По этой причине закон всемирного тяготения рассматривал не как закон природы, а как выведенное из опыта правило, с помощью которого законы Кеплера получают математическое объяснение. Если бы Ньютон знал о движении перигелия Меркурия, которое говорит о неточности законов Кеплера, возможно, он сумел бы вычислить скорость распространения сил тяготения так же, как это сделано далее с помощью формул (57) и (58), и найти математическое описание этого движения. К тому же в своем втором законе Ньютон считал массу материальной точки постоянной величиной, а это говорит о том, что при наличии конечной скорости распространения движущей силы скорость и величина этой силы должны непрерывно изменяться с изменением скорости материальной точки. Единственная возможность установить закон изменения действующей силы с изменением скорости материальной точки (частицы) и найти верный способ описания движения такой несвободной частицы находится в необходимости измерения времени не часами, а числом определенных отрезков пути движения сигналов, под действием сил которых частица изменяет свое движение. В этом случае скорость сигналов относительно частицы не будет изменяться, численно она будет той же самой, что и относительно источника сигналов, но ее физический смысл будет отличаться от физического смысла классической скорости тем, что вместо изменения скорости сигналов , действующих на частицу, будет изменяться скорость времени действия сигналов. Для отличия последней от обычной, стандартной скорости времени действия сигналов на частицу, введём понятие относительного времени..
Относительным временем называется движение одних и тех же сигналов, измеряемое числом определенных и равных между собой отрезков пути, проходимых в системах координат, движущихся друг относительно друга равномерно и прямолинейно. Относительно источника сигналов, покоящегося в инерциальной системе координат, время, измеряемое стандартными часами, абсолютно, но относительно частицы, на которую действуют сигналы, относительное время будет отличаться от абсолютного времени своей скоростью, которая определяется отношением длины относительного времени к единице длины абсолютного времени, измеряемого часами. Это означает, что относительное время нельзя измерять с помощью ссинхронно идущих часов, покоящихся в тех местах, в которых будет находиться движущаяся частица в каждый новый момент времени. Значение относительного времени для частицы, движущейся относительно этих мест, можно вычислить лишь математически в зависимости от абсолютного времени, установленного в системе покоя источника этих сигналов и согласованного с секундой, и в зависимости от значения мгновенной скорости частицы, определяемой в каждый момент времени в системе покоя источника. Это связано с тем, что, согласно законам обратных квадратов Ньютона и Кулона, гравитационные и электромагнитные сигналы распространяются сферически симметрично только относительно ценра масс своих источников. Относительное время могло бы измеряться воображаемыми часами, покоящимися на данной частице и идущими с непрерывно изменяющейся скоростью, предписываемой законом, который мы получим из формулы преобразования абсолютного времени в относительное. Но таких часов у нас нет. В специальной теории относительности такие воображаемые часы отождествляются с эталонными часами путем введения произвольного принципа постоянства скорости света, что, конечно, недопустимо.
Итак, в силу данного нами определения времени в инерциальных системах координат, движущихся друг относительно друга, время можно измерять в каждой из них с помощью синхронно идущих часов, отсчитывающих число определенных отрезков пути движения сигналов относительно источников, покоящихся в данных системах, и тогда в этих системах координат мы будем иметь обычное абсолютное время классической механики. Вместе с тем в инерциальных системах координат, движущихся относительно источников сигналов, определённое нами относительное время нельзя измерять с помощью стандартных часов, его можно находить лишь математически..По этой причине замедление времени движущихзся часов и сокращение длин движущихся линеек в нашей теори не возникает по определению.
Для уяснения понятия относительного времени времени и задач, которые можно решать с его помощью, рассмотрим следующий пример.
Представьте себе, что читатель, стоит на идеально гладкой горизонтальной плоскости спиной к ветру, действующему на него с измеренной силой и измеренной скоростью. Допустим, что трение между обувью читателя и плоскостью равно нулю. От перемещения его удерживает нить, связывающая с неподвижной системой отсчета. Если перерезать нить, сила ветра начнет перемещать его по плоскости. При этом опыт говорит, что действующая на него сила ветра со временем будет непрерывно уменьшаться; его ускорение, максимальное в первые мгновения, будет уменьшаться пропорционально уменьшению действующей силы ветра, а его скорость, равная нулю в начальный момент, с течением времени будет расти, но, очевидно, никогда не достигнет скорости ветра. Требуется найти метод, используя который и второй закон Ньютона, можно составить уравнение перемещения читателя, если его масса известна, а приложенная к нему сила ветра в каждый момент времени его перемещения не известна. Найденный метод должен быть пригоден для использования при решении любых других аналогичных задач.
Допустим, что в рассматриваемом примере скорость ветра в неподвижной системе равна 60 м/с, а мгновенная скорость читателя — 40 м/с. Тогда, согласно (3), скорость ветра относительно читателя равна 20 м/с. Но если последнюю выразить с помощью относительной секунды ветра, которую мы обозначим буквой s и которая равна длине отрезка пути, проходимого ветром в неподвижной системе координат за секунду, то скорость ветра относительно движущегося читателя будет равна с = 60 м/s= 60 м/60 м = 1, поскольку относительная секунда ветра в движущейся системе координат равна s = 60 м пути ветра, а перемещение воздуха за относительную секунду является функцией этой секунды. При скорости v, близкой к скорости света с, указанная секунда может длиться как угодно долго.
Скорость, выраженную в единицах относительного времени, будем называть относительной скоростью.
Теперь, можно надеяться, стало понятно, что использование абсолютного времени для описания движений в инерциальных системах координат приводит к галилеевым формулам преобразования координат и времени, а использование относительного времени для той же цели приведёт нас к преобразованиям вида преобразований Лоренца, которые в силу расширения области их применения и нового физического смысла называются адекватными преобразованиями.
Важно сказать, что понятие относительного времени открывает возможность признания инерциальных и ускоренных систем координат эквивалентными системами для описания всех явлений природы в той форме, которую в применении к инерциальным системам требует принцип относительности А. Пуанкаре (H. Poincare), сформулированный им в 1902 и 1904 годах и положенный Эйнштейном в основу специальной теории относительности.
далее >>>
Все материалы, опубликованные на данной странице, защищены законодательством об авторском праве (авторское свидетельство №19323 от 23.01.2007 )
Перепечатка и воспроизведение материалов разрешены только с письменного согласия автора
