Добавочная критика кинематики СТО

Начнем с общих замечаний. Групповые свойства математических уравнений, как преобразования с математическими символами, не имеют совершенно никакого отношения к каким-либо физическим принципам или постулатам, то есть групповые свойства могут быть найдены без дополнительных физических гипотез. Например, преобразования Лоренца, отражающие групповые свойства уравнений Максвелла в пустоте (или классического волнового уравнения, в том числе в акустике), вовсе не связаны с введенным в СТО постулатом постоянства скорости света или с принципом относительности.

Теория относительности - это фактически "теория видимости": что мы увидим в эксперименте, если в его основу (с обобщением на свойства пространства и времени) положить законы электромагнитных взаимодействий (абсолютизация электромагнитных явлений). Аналогично можно поставить вопрос о том, как будут выглядеть явления, наблюдаемые с помощью звука и др. Разумеется, конечность скорости передачи тех или иных взаимодействий видоизменяет явления, наблюдаемые с помощью этих взаимодействий. Но это не мешает делать единые экстраполяции для привязки к пространству и времени (абсолютным классическим физическим понятиям) для единого описания мира, не ограниченного никакими всеобщими гипотезами.

Ньютоново пространство обладает важным свойством: системы с меньшими размерностями могут обладать аналогичными свойствами. Например, вектор может быть введен не только в пространстве, но и на прямой и на плоскости. В ТО пространственные величины не обладают векторными свойствами (только 4-вектора), то есть нет непрерывного предельного перехода к классическим величинам ("почти вектор" $\rightarrow$ вектор).

В качестве следующего замечания опишем парадокс "нелокальности". Заметим, что все формулы СТО локальны, то есть не зависят от предыстории движения. Пусть система $S'$ движется со скоростью ${\bf v}$ относительно системы $S$. В центре $O$ в момент совпадения с центром $O'$ происходит вспышка света. Пусть за время $t$ в системе $S$ волновой фронт достигнет точки $A$, а в системе $S'$ соответственно точки $A'$ (Рис. 1.24).

Рисунок 1.24: Парадокс нелокальности.

Сообщим приемнику сигнала в системе $S$, находящемуся в точке $A_1=A'$ импульсно скорость ${\bf v}$. Получается что фронт волны сразу переместился в точку $A'$ (ведь теперь мы в системе $S'$). Так где же находился фронт волны в один и тот же момент времени? Изменилось время в $A_1=A'$? А если мы через мгновение остановим приемник в $A_1$? Время восстановится, а фронт волны опять вернется в $A$? А наблюдатель забудет, что видел вспышку света? Тогда чтобы увидеть будущее надо быстрее двигаться? То, что наблюдатель в $A_1$ не все время двигался вместе с системой $S'$, ничего не объясняет, так как в $A'$ может находиться другой наблюдатель, который все время двигался вместе с системой $S'$. Получается, что один из них увидит событие, а второй - нет? Исчезает объективность науки.

Можно добавить следующее вспомогательное замечание. Движется ли волновой пакет (свет) в вакууме со скоростью света? Если да, то мы не можем разбить его на отдельные импульсы с помощью стробоскопа: вследствие сокращения длин длина каждого импульса и длина каждого промежутка между ними должна быть нулевой (что противоречит опыту). Если же считать размеры полученных импульсов (сигналов) и промежутков конечными в покоящейся системе (лабораторной), то в собственной системе отсчета волнового пакета и импульсы и промежутки должны быть бесконечными (как тогда сопоставить импульс и промежуток, где он отсутствует?). По-сути это вопрос о том, материален ли свет и пространство между импульсами?

Сделаем теперь замечание относительно изменения направления видимого движения частиц или видимого направления получения волнового сигнала (вспомним, например, аберрацию) при переходе в движущуюся систему отсчета. В СТО этот элементарный классический факт представляют как поворот всего волнового фронта на некоторый угол. При этом волновой фронт соответствует точкам световой сферы для одного момента времени. Напомним, что в СТО волновой фронт в один и тот же момент времени различен для движущихся друг относительно друга систем (именно вследствие изменения хода времени). Однако, предыстория движения регистрирующего прибора не входит ни в одну формулу СТО. Фотон, летящий в пространстве между источником и приемником никак причинно не связан с движением приемника или источника в этот момент времени. Взаимодействие регистрирующего прибора с фотоном происходит только непосредственно в момент приема сигнала. Нет никакого различия, имел ли приемник все время некоторую скорость ${\bf v}$ и оказался в данной точке пространства в момент приема сигнала, или он "стоял" в данной точке пространства, а за мгновение до получения сигнала приобрел ту же скорость ${\bf v}$ (результат взаимодействия с фотоном будет в обоих случаях одинаков). Таким образом, для самого факта получения сигнала имеет значение только пришел ли фотон в данное место пространства. Очевидно также, что скорость в данном месте пространства не изменит самого факта прихода сигнала (а только его частоту - согласно эффекту Допплера). Если бы зависел сам факт получения сигнала, то что бы тогда означала подстановка величин в формулу Допплера в одной из систем? Следовательно, никакого реального поворота всего фронта волны (выражающего факт прихода сигнала) быть не может. Это локальный (в данной точке) математический (дифференциальный) способ описания наблюдаемого направления получения сигнала. Понять это просто, если использовать аналогию с общеизвестными природными явлениями - дождем или снегом (Рис. 1.25)

Рисунок 1.25: Изменение направления воспринимаемого движения.

Если в безветренную погоду вы взглянете строго вверх на тучу, из которой начинает идти дождь, то вы увидите падение на вас капель точно сверху (направление получения "сигнала"). Если же вы бежите (а лучше вспомните поездку на машине в снежный день), то направление прилета капель (направление получения "сигнала") будет далеко впереди по ходу движения и может даже не совпадать с реальной тучей. Однако, горизонтальный фронт дождя либо достиг земли (факт получения "сигнала"), либо нет, и от вашего движения в данной точке земной поверхности этот факт не зависит (см. рис. 1.25).

Рассмотрим теперь некоторые спекулятивные построения СТО. Так, нереальным в СТО является рассмотрение бесконечных систем, например, проводника с током при "объяснении" появления дополнительного объемного заряда (игра на бесконечностях). В действительности проводник может быть только замкнутым (конечным). В этом случае объяснение не только методически сложно, но и противоречиво. Рассмотрим квадратную рамку с током, например, сверхпроводящую. Величина заряда каждого электрона и иона инвариантна, общее количество частиц тоже неизменно. Как же тогда может измениться плотность зарядов? Рассмотрим движение электронов с точки зрения "системы ионной решетки" (Рис. 1.26).

Рисунок 1.26: Парадокс рамки с током.

Согласно СТО "электронная рамка" должна уменьшиться в размерах (сокращение длин из-за движения электронов на каждом прямолинейном участке). Казалось бы вследствие симметрии задачи "электронная рамка" должна войти внутрь "ионной рамки". Тогда мы имели бы вблизи проводника странно несимметричное поле (дипольного типа). Кроме того, при большой скорости электронов они могли бы оказаться с ионами по разные стороны от наблюдателя. Совершенно непонятно, как такой переход через наблюдателя (перпендикулярно движению частиц!) мог бы произойти? И за счет каких сил удерживались бы вместе в потоке заряженные электроны (да и ионы) и не разлетались бы в разные стороны? Даже если для одной стороны квадрата воспользоваться подгоночной неопределенностью СТО (к какому концу происходит сокращение?), то все вопросы остаются для других сторон квадрата.

Система часов и линеек СТО спекулятивна теоретически и неудобна практически, так как предполагает, что все сведения собираются и анализируются (интерпретируются!) когда-то позже. Однозначность взаимосвязи классических Ньютоновых и релятивистских Лоренцовых координат не означает автоматическую непротиворечивость последних (в этом, физическом смысле, состоит отличие физики от математики). Например, вместо скорости света можно было бы использовать во всех формулах СТО скорость звука в воздухе и рассматривать движения на Земле в покоящемся воздухе с дозвуковыми скоростями. Однако, противоречивость подобных преобразований (для времени) сразу была бы обнаружена на опыте. Это демонстрирует опасность формально-математических аналогий для физики.

Ошибочность релятивистской идеи о замедлении времени очевидна, ведь в формулу входит только квадрат относительной скорости (эффект не зависит от направления скорости). Возьмем 4 одинаковых объекта. Пусть второй объект движется относительно первого с некоторой скоростью v1, тогда его время заторможено относительно времени первого объекта. Говорите, это объективный эффект? (Напомним значение слова "объективный": эффект, не зависящий от присутствия и свойств наблюдателя, не взаимодействующего с исследуемым объектом; не будем для проверки пока никуда летать.) Пусть третий объект движется относительно второго в произвольном направлении с произвольной скоростью v2, тогда, аналогично, его время замедлено относительно времени второго объекта. Опять объективный эффект? Возьмем четвертый объект и поместим его неподвижно рядом с первым объектом. Не будем даже спорить, с какой скоростью движется четвертый объект относительно третьего, важно только, что в общем случае эта скорость ненулевая. А, значит, опять имеем "объективное релятивистское" замедление времени четвертого объекта относительно времени третьего объекта. Таким образом, dt1 > dt2 > dt3 > dt4. Но ведь dt1=dt4, так как четвертый и первый объекты расположены рядышком (никуда даже летать для проверки не надо) и взаимно покоятся! Подобный абсурд получился из-за фанатичной веры в единственность и непогрешимость метода попарной синхронизации Эйнштейна. Объективность уплывает из-под ног и остается либо релятивистский эффект кажимости, либо чисто расчетные комбинации ("плывущие часовые пояса"). Где уж тут до заявляемого величия?

Сделаем теперь несколько замечаний общего характера. Вся кинематика СТО следует из инвариантности интервала $dr^2-c^2dt^2=inv$. Однако, мы видим, что это выражение записано для пустого пространства. В среде скорость света непостоянна, может быть анизотропна, да и не любой частоты свет может распространяться в данной конкретной среде (вспомним про затухание, поглощение, отражение, рассеяние). Ни в одном разделе физики свойства явлений в пустоте не переносятся автоматически на явления в других средах (например, в жидкостях - гидродинамические и другие свойства; в твердых телах - упругие, электрические и другие свойства), то есть они не детерминируются свойствами пустого пространства. И только СТО претендует на подобное всеобщее "клонирование" свойств.

Вообще говоря, свойства света, внутренне противоречивые и взаимоисключающие, в СТО просто запостулированы. Поэтому неправомерным является утверждение Фока [37] о том, что свет - более простое явление, чем линейка. Не стоит превозносить роль световых сигналов и все, что нам "привидится" с помощью света, считать верным, иначе пришлось бы чайную ложку в стакане с водой считать изломанной (то, что это не так, легко устанавливается геометрически в пространстве путем прямых измерений координат всех "точек выхода" ложки к границам жидкости). Классическое время (или время, детерминируемое бесконечно удаленным источником на серединном перпендикуляре к линии движения) обладает важным преимуществом: мы заранее знаем, что оно везде одинаково и не требуется делать никаких расчетов или рассуждений, затрагивающих предысторию процесса или свойства пространства. Фактически СТО в качестве одного из эталонов использует скорость света. Напомним, что в классической кинематике два эталона: длины и времени ("сформулируем" очевидные "законы постоянства эталонов": длина эталона 1 м постоянна и равна одному метру, длительность эталона 1 сек постоянна и равна одной секунде, а уж "Великим Законом Постоянства релятивистского эталона" все уши прожужжали). Поскольку введение эталона - это определение, то его свойства не подлежат обсуждению [19]. В результате все, что связано с распространением света, перестает в СТО быть прерогативой опыта. А так как все выкладки в СТО написаны только для событий - вспышек света, то СТО оказывается логически непоследовательной (не говоря о том, что "использование" свойств света в вакууме голословно распространено на все иные "невакуумные" явления).

В книге Фейнмана [35] говорится с сарказмом о философах и зависимости результатов от системы отсчета, но не подчеркивается, что, несмотря на любую "кажимость", предметы имеют реальные объективные характеристики. Например, человек с большого расстояния может казаться размером с муравья, но это не означает, что он действительно уменьшился (все приборы принято градуировать именно под объективные характеристики). Рассуждение об относительности всех величин кажется правдоподобным, но (!) как только время в СТО стало относительным, а скорость взаимодействия конечной, само понятие относительной величины для пространственно разделенных объектов становится неопределенным (зависит от пути соединения, не связано причинно, зависит от системы наблюдения и т.д.). Определение всех величин относительно "далеких звезд" бессмысленно, так как мы видим "никогда не существовавшую реальность". Например, $\alpha$-центавра была в этом месте и с такими свойствами 4 года назад, другие звезды были такими десятки и сотни лет назад, а отдаленные галактики - миллиарды лет назад, т.е. сигнал был послан источником, когда наблюдатель еще не существовал, а принят, когда, может быть, уже не существует сам этот источник. Тогда относительно чего определять величины? Ясно, что относительные величины могут определяться только по отношению к локальным характеристикам пространства (единственная мгновенная причинная связь).

Важное замечание касается понятия относительности, которое даже вошло в название теории СТО. Вопреки идеям Галилея об изолированности системы, в СТО осуществляется обмен световыми импульсами между системами. Понятие относительности доведено в СТО до абсурда и утратило физический смысл: фактически выделяется система с несколькими объектами (как правило, двумя), а вся остальная реальная Вселенная удаляется. Если уж возможно в СТО постулировать подобную абстракцию, то тем более можно просто постулировать независимость процессов внутри выделенной системы от скорости движения системы относительно оставшейся от всей Вселенной "пустоты". Но, даже несмотря на такое абстрагирование, "реальных" относительных величин для тел (${\bf r}_{ij}, {\bf v}_{ij}$ и т.д.) все равно не появится. Действительно, ответная реакция тела $i$ на попытку изменить его состояние определяется локальными характеристиками: состоянием тела $i$ и полей в данной точке пространства. Но происшедшие с телом $i$ изменения скажутся на других телах $j$ только через некоторые промежутки времени $\Delta t_j$. Таким образом, все изменения величин должны определяться относительно локального места (или локальных характеристик). А это и есть проявления абсолютного пространства Ньютона. Вопрос о том, существуют ли в этом абсолютном пространстве выделенное направление и выделенное начало отсчета (движущееся или покоящееся) - это совершенно другой вопрос. В абстрактных (модельных) теориях он может быть постулирован, например, из соображений удобства теории, а для нашей единственной реальной Вселенной должен решаться экспериментально. Понятие абсолютного времени в классической Ньютоновой физике тоже было предельно четким. Время должно быть равномерным и независимым от любых наблюдаемых в системе явлений. Именно таким свойством обладает время, синхронизуемое бесконечно удаленным периодическим источником на серединном перпендикуляре. (Напротив, в СТО время не является независимой величиной: оно связано с состоянием движения системы ${\bf v}$ и с координатами, например, соотношением $c^2t^2-r^2=constant$.) Для равномерного хода времени выбор начала отсчета времени произволен. Для единого описания явлений и сопоставимости результатов масштабы (единицы измерения) для всех систем должны быть одинаковы. Равномерность хода времени автоматически обеспечивает наибольшую простоту описания явлений и для базисного понятия времени позволяет ввести его эталонное определение.

Сделаем еще несколько методических замечаний. Вообще говоря, в СТО метод сравнения явлений в двух разных инерциальных системах предполагает, что обе эти системы существовали бесконечно долго. Однако, всегда инерциальные системы "привязаны" к конкретным телам и существовали лишь конечное время. Тогда в каждом конкретном случае требует изучения вопрос: "стерлась" ли уже предыстория образования этих систем (ее влияние)?

Совершенно неадекватны действительности евклидовы аналогии с проекциями в книге [33]. Проекция - это лишь абстрактный способ описания, сам же предмет при поворотах не изменяется. В СТО, напротив, при изменении движения наблюдателя (!) мгновенно меняются характеристики объекта (даже удаленного).

Предельный переход от преобразований Лоренца к преобразованиям Галилея (для времени $t=t'+vx'/c^2$) показывает, что Ньютоновская механика - это не просто предел малых скоростей $\beta=v/c\ll 1$, а требуется другое условие: $c\rightarrow\infty$. Но тогда для многих величин в СТО нет предельного перехода к классическим величинам (см. ниже, а также [50]). А ведь в классической физике $c\ne\infty$: ее конечное значение было определено еще в 17 веке!

Свойство максимальной однородности пространства-времени может быть атрибутом либо идеального математического пространства и времени Ньютона (фактически являющегося "надстройкой свыше"), либо модельного пространства (например, с невзаимодействующими на расстоянии материальными точками). Попытка опираться на названное свойство в теории относительности как на принципиальное свойство реального пространства и времени является искусственной. Во-первых, даже в земных масштабах мы не можем произвольно менять точки пространства, моменты времени, направления осей и скорости инерциальных систем: вспомним ограниченность земного пространства, вращение Земли, гравитационное поле, влияние Луны, электрическое, магнитное, температурное поля и др.. И это достигнутые реальные практические ограничения, а не принципиальные ограничения где-то при релятивистских скоростях и огромных масштабах Вселенной. Впрочем, в масштабах Вселенной с реальными объектами и гравитационными полями это свойство также не подтверждается (модель равномерного "желе" не описывает реальную Вселенную). Во-вторых, кроме вида уравнений, решение математически еще детерминируется граничными и начальными условиями. Это также практически, на реальных конечных масштабах, препятствует любым сдвигам и изменениям (либо нужно дополнительно менять накладываемые условия). Как с претензиями ТО подходить к существующим нелинейным свойствам и уравнениям? Даже само понятие "относительность" не допускает обобщения (скорее сужение) для реального пространства с тяготением (это подчеркивал Фок [37]: термин общая теория относительности неадекватен).

Принцип относительности (в любой форме) предполагает, что "не выглядывая" за пределы системы нельзя обнаружить ее равномерное движение. Раньше роль всепроникающей среды для возможного обнаружения такого движения выполнял эфир. Заметим, речь шла не об обнаружении абсолютного движения, а только движения относительно эфира, то есть "не выглядывая" наружу можно было сравнить эти движения (здесь имеется в виду только вычислительная возможность, так как с эфиром нельзя связать систему реперных точек и эталонов). Но даже с "отменой" эфира по современным представлениям остается "кандидат" с аналогичными свойствами - гравитационное поле (принципиально неэкранируемое). Например, из анизотропии реликтового излучения, при дополнительной гипотезе о равенстве скорости распространения гравитационных взаимодействий и скорости света, может следовать анизотропия гравитационного поля (всепроникающего). Таким образом, неравноправие инерциальных систем в макромасштабах может быть в принципе обнаружено "не выглядывая" наружу даже в локальной точке. Теоретически этого можно избежать при гипотезе, что скорость гравитационных взаимодействий много больше скорости света, тогда изотропия могла бы установиться, а на практике - это прерогатива опыта.