Специальная Теория Относительности: недоразумение или мошенничество?

Уважаемые коллеги, для начала вспомним сухие и скучные строчки постулатов Специальной Теории Относительности (далее – СТО).

Первый постулат: законы природы одинаковы во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга. Это означает, что форма зависимости физических законов от пространственно-временных координат должна быть одинаковой во всех ИСО, то есть законы инвариантны относительно переходов между ИСО. Принцип относительности устанавливает равноправие всех ИСО.

Второй постулат: скорость света в вакууме одинакова во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга.

С этой самой СТО я впервые познакомился, когда учился в десятом, выпускном классе средней школы. Тогда я впервые увидел формулы со знаменитыми квадратными корнями множителей Лоренца:

С самого начала у меня возникло ощущение, что с этой СТО что-то не так. Как будто я имею дело с подгонкой решения задачи под известный ответ. Мне было непонятно, почему и за счёт чего растягивается время и увеличивается масса, так как до недавнего времени я не знал, каким именно образом Лоренц вывел свои множители. Правда, надо сказать, что я и не пытался это выяснить, так как вплотную этим вопросом никогда не интересовался.

Но недавно «средь шумного бала случайно» я увидел ролик на Youtube, автор которого продемонстрировал то, как именно Лоренц вывел эти множители.

Вот этот ролик, в котором автор показывает вывод замедления времени в СТО.

Для тех, кто по каким-то причинам не может посмотреть ролик, я в двух словах опишу его содержание.

Проведём мысленный опыт. Представьте себе кабину в форме параллелепипеда с непрозрачными стенками. В одной из длинных стенок кабины установлен источник света, который может испускать по одному фотону в направлении, перпендикулярном длинным стенкам кабины. Установленный в кабине хронометр может точно измерить время, за которое фотон света, выпущенный из источника, преодолеет расстояние между длинными стенками кабины. В кабине находится наблюдатель. Здесь мы сделаем допущение, что наблюдатель сможет увидеть, как фотон, выйдя из источника, достигнет противоположной стенки кабины.

Опыт мы разделим на две части. В первой части опыта кабина будет находиться в покое, а во второй будет двигаться равномерно и прямолинейно в направлении, параллельном длинным стенкам кабины. Скорость движения кабины, которую мы обозначим буквой V, должна быть достаточно высокой, например, равной половине скорости света в вакууме.

Итак, в первой части нашего мысленного опыта, когда кабина находится в покое, мы выпускаем из источника света фотон. Наш наблюдатель увидит, как фотон света, выпущенный из источника, находящегося в точке А, достигнет противоположной стенки кабины в точке B. Так, как это показано на рис. 1, где траектория движения фотона выделена жёлтым цветом.

Во второй же части нашего опыта, когда кабина будет двигаться равномерно и прямолинейно в направлении, параллельном длинным стенкам кабины, наблюдатель увидит достаточно странную картину. А именно – то, что фотон движется не перпендикулярно стенкам кабины, а под некоторым углом к ним. Соответственно, он достигает противоположной стенки не в точке В, как было в первом случае, а в точке С, находящейся на некотором расстоянии от точки В. Так, как это показано на рис. 2, где траектория движения фотона выделена зелёным цветом.

Это происходит потому, что за то время, пока фотон света проходит свой путь от источника до противоположной стенки кабины, сама кабина за счёт своей скорости V успевает переместиться на некоторое расстояние. При этом «бортовой» хронометр покажет точно такое же время, как и в первом случае, когда кабина находилась в покое.

И вот тут возникает парадокс. Получается, что фотон света прошёл путь из точки А в точку В и путь из точки А в точку C за одно и то же время. Но расстояние между точками А и С, а также расстояние между точками A и B, относятся друг к другу, как гипотенуза и катет прямоугольного треугольника АВС. А гипотенуза прямоугольного треугольника, как известно, всегда длиннее любого из его катетов. Выходит, что фотон света в разных частях опыта преодолел разные расстояния за одно и то же время. Как такое возможно?

Разрешить этот парадокс взялся Хендрик Лоренц. Так как скорость света согласно второму постулату СТО одинакова во всех системах координат, то Лоренцу для разрешения парадокса ничего не оставалось, как предположить, что изменяться должно течение времени.

 Этот же множитель используется также в формулах уменьшения длины и увеличения массы.

Каков же вывод делает СТО из этих формул?

Прежде всего тот, что если физический объект будет двигаться равномерно и прямолинейно со скоростью, сравнимой со скоростью света, то время для него по сравнению с внешним неподвижным наблюдателем будет идти заметно медленнее. То есть, если «бортовой» хронометр во второй части нашего опыта покажет, что фотон преодолел расстояние АС, например, за три секунды, то при скорости кабины, равной 0,5с, хронометр, находящийся у внешнего неподвижного наблюдателя, покажет, что фотон затратил на это не три, а почти три с половиной секунды.

Ещё внешний неподвижный наблюдатель увидит, что длина объекта, то есть, геометрический размер, совпадающий по направлению с вектором скорости объекта, будет уменьшена. Если длина кабины из нашего опыта будет составлять пять метров, то при той же скорости кабины в 0,5c внешний неподвижный наблюдатель заметит, что кабина «сплющилась», и её длина составляет не пять метров, а немногим больше четырёх метров.

Аналогично будет обстоять дело с массой объекта. Если масса нашей кабины будет составлять 100 кг, то при скорости 0,5с она составит уже почти 115 кг.

Кроме того, множитель Лоренца накладывает принципиальный запрет на достижение физическим объектом скорости света, не говоря уже о её превышении, так как при приближении скорости объекта к скорости света его масса будет расти до бесконечности. Но согласно Второму закону Ньютона для того, чтобы придать объекту, имеющему бесконечную массу, даже незначительное ускорение, потребуется бесконечная большая сила и, следовательно, бесконечно большая энергия, что, разумеется, находится за границами реальности.

Казалось бы, задача успешно решена, парадокс получил своё научное объяснение, совершён прорыв в науке, фанфары, овации, брызги шампанского ... Но, есть одно «но».

Если Лоренц на самом деле при выводе своего множителя руководствовался исключительно той логикой, что описана выше, то у меня для СТО есть неприятный сюрприз. Дело в том, что свет – это волны. В настоящий момент, насколько мне известно, это является общепризнанным. Именно потому, что свет – это волны, скорость света не зависит от скорости его источника, а не потому, что гениальный Эйнштейн так сказал. А если свет – это волны, то мы можем в нашем опыте использовать любой другой волновой процесс и получить аналогичный результат. Например, для большей наглядности, мы можем использовать волны на поверхности воды.

В самом деле, мы подвесим нашу кабину на некотором расстоянии от поверхности воды в бассейне и сделаем пол нашей кабины прозрачным, чтобы находящийся внутри кабины наблюдатель мог видеть поверхность воды. Бассейн должен быть достаточно глубоким, чтобы наш наблюдатель не мог видеть дно бассейна. Кроме того, нам необходимо исключить какое-либо внешнее воздействие на воду в бассейне, чтобы её поверхность была идеально плоской, и чтобы ничто не влияло на распространение волн по её поверхности. Источником волн на поверхности воды будет, например, один и тот же стальной шарик, который мы будем бросать в воду с одной и той же высоты, с одинаковой начальной скоростью. Так же, как и в случае с фотоном света, опыт будет состоять из двух частей. В первой части опыта кабина будет находиться в покое, а во второй части будет двигаться над поверхностью воды равномерно и прямолинейно в направлении, параллельном длинным стенкам кабины со скоростью V, сопоставимой со скоростью распространения волн на поверхности воды. Тот, кто хоть раз в жизни бросал камешки в воду, знает, что скорость волны на поверхности воды не велика и находится в пределах нескольких метров в секунду. Так как в нашем опыте важно именно соотношение скоростей, а не их конкретные значения, то мы условимся, что скорость движения нашей кабины будет немного меньше скорости распространения волны по поверхности воды. Ну и для того, чтобы была возможность провести полную аналогию с первым опытом, нам придётся отделить место падения шарика в воду от кабины специальным фильтром. Назначение этого фильтра будет заключаться в том, чтобы пропускать достаточно узкий фронт волны на поверхности воды таким образом, чтобы он двигался перпендикулярно длинным стенкам кабины.

Итак, в первой части нашего второго мысленного опыта, когда кабина находится в покое, наблюдатель, находящийся внутри кабины, увидит, как фронт волны от падения шарика в воду появится в поле его зрения в точке А, а исчезнет в точке B. Этот путь он проделает за определённое время. То есть, всё будет точно так же, как и в нашем первом опыте.

Во второй части нашего опыта, когда кабина будет двигаться равномерно и прямолинейно в направлении, параллельном длинным стенкам кабины, наш наблюдатель вновь, как и в первом опыте, увидит, что фронт волны появляется в поле его зрения в точке A, а исчезает уже в точке C, которая находится на некотором расстоянии от точки В. То есть, опять-таки, наблюдаемая картина будет ровно такой же, как и в нашем первом опыте с фотоном света.

О чём говорит нам результат второго опыта? А говорит он о том, что мы можем в множитель Лоренца вместо скорости света подставить скорость распространения волны по поверхности воды.

Уважаемые коллеги, вы уже догадались о том, что принципиально не можете двигаться быстрее, чем волны по поверхности воды? А именно об этом нам говорит СТО. Если даже принять скорость распространения волны по поверхности воды равной 10 м/с, то это всего лишь – 36 км/ч. Вот когда вы движетесь, например, на автобусе со скоростью, скажем 70 км/ч, то вы осознаёте, что этим своим действием опровергаете выдающуюся теорию гениальнейшего учёного всех времён и народов? И угрызения совести вас при этом не мучают? А должны.))

Но, если говорить серьёзно, то приглашённый участвовать в наших опытах внешний неподвижный наблюдатель во всех четырёх случаях будет видеть, в общем-то, одну и ту же картину. Он увидит, что и фотон света в первом опыте, и фронт волны на поверхности воды во втором опыте будут двигаться в направлении, перпендикулярном длинным стенкам кабины. Разумеется, при допущении, что внешний неподвижный наблюдатель сможет увидеть движение фотона света. А так как он будет видеть, что кабина во вторых частях обоих опытов перемещается, то для него будет вполне очевидным и нормальным то, что фотон света и фронт волны на поверхности воды будут попадать в точку C, а не в точку B. Но при этом и фотон света, и фронт волны на поверхности воды будут каждый раз проходить один и тот же путь, равный расстоянию между длинными стенками кабины.

Ну а то, что будет видеть наблюдатель, находящийся внутри кабины во вторых частях обоих опытов, будет являться просто иллюзией. Причина этой иллюзии кроется в том, что находясь внутри закрытой кабины, движущейся равномерно и прямолинейно, наблюдатель не будет знать о том, что движется вместе с кабиной. У него не будет для этого никакой информации. Ему будет казаться, что кабина и он вместе с ней находится в состоянии покоя. Поэтому для него будет очевидным то, что фотон света и фронт волны на поверхности воды чудесным образом проходят меньшее и большее расстояния в разных частях опытов за одно и то же время.

Если же в опыте с волной на поверхности воды бассейн будет достаточно мелким, чтобы наш наблюдатель мог отчётливо видеть прямоугольную кафельную плитку на дне бассейна, а фронт волны будет проходить между двумя предметами, находящимися на поверхности воды в поле его зрения, то никаких иллюзий у него не возникнет. Он будет видеть, что движется над поверхностью воды, а фронт волны, как ему и положено, будет проходить перпендикулярно длинным стенкам кабины между двумя «поплавками», постепенно «отставая» от кабины.

Аналогично, если в опыте с фотоном света стенки кабины сделать прозрачными, а источник света установить неподвижно за пределами кабины, то наблюдатель, находящийся внутри кабины увидит, как фотон света движется от источника наперерез направлению движения кабины. Затем он увидит, как фотон, достигнув ближней стенки кабины, проникает через неё в кабину где-то перед ним (в точке A) и после этого покидает кабину сквозь противоположную стенку где-то уже за ним (в точке C). Никаких иллюзий у него в этом случае не возникнет, так как он увидит, что траектории движения фотона и кабины просто пересекаются как раз в пределах кабины.

Таким образом, уважаемые коллеги, выводы о замедлении времени, уменьшении длины и увеличении массы представляются, как минимум, необоснованными.

И вот тут возникает два вопроса. Специальная теория относительности построена на недоразумении? Или Лоренц с Эйнштейном были мошенниками от науки?

Версия с недоразумением выглядит очень сомнительной. Всё-таки Хендрик Лоренц был серьёзным учёным в своё время. Вряд ли бы он стал публиковать какие-то выводы, не проверив и не продумав всё со всех сторон.

Если же говорить о мошенничестве, то у мошенничества должна быть какая-то серьёзная цель. Какова же могла быть цель у Лоренца? Любыми средствами подтвердить теорию Эйнштейна? Но зачем серьёзному учёному идти на обман? Ради каких-таких плюшек?

А может быть, автор представленного здесь ролика заблуждается, и Лоренц вывел свой множитель, руководствуясь какой-то другой логикой? Но тогда нужно ознакомиться с этой "другой" логикой, и уже после этого строить какие-либо выводы.

А пока же, уважаемые коллеги, все эти вопросы, увы, остаются без ответов.

P.S. Текстовый редактор КОНТа не позволяет использовать математические символы, поэтому часть текста пришлось вставлять в виде графических изображений.