Предисловие

Основой для написания этой книги послужила изданная в 2019 г. книга [1], а также восемь научных статей, опубликованных уже после выхода в свет указанной книги. Эти статьи являются логическим продолжением книги [1] и вместе образуют единое целое, которое мы и назвали «Рассуждения …». То, что речь идет об основаниях физики, вполне справедливо. Здесь мы будем говорить о самых основных понятиях физики: длине, времени, массе, скорости, об абсолютном и относительном (о заряде и спине мы будем говорить кратко, по ходу изложения). Мы также будем говорить о связи геометрии с физикой. Особое место отводится здесь проблеме измерения времени. Эта проблема, до сих пор спорная, теперь уже никак не может обойтись без критики теории относительности и гипотезы расширения Вселенной. И здесь мы покажем иллюзорность этих теорий.

Изложение принципиально ведется с позиций материалистического понимания законов природы и законов мышления. Эта книга будет полезна не только физикам и астрономам, но и математикам, а также и тем, кто намерен изучать законы природы вообще.

Замечание об обозначениях. В связи с особенностями цифровой печати, физическую (алгебраическую) величину скорость мы будем обозначать буквой V (прописной, латинский курсив), чтобы надежно отличать её от (ню – частота колебаний). Векторные величины будем обозначать как обычно – латинский шрифт, полужирный, строчной, прямой (r – радиус-вектор точки, v – вектор скорости точки и т. д.). В записях в строку будем применять косую черту, как символ деления: a/b означает a, деленное на b. В числовых записях символ * будет обозначать умножение.

Глава 1. Об измерении времени и основах теории относительности

1. 1. Постановка задачи

Среди многочисленных высказываний в физике у нас наибольшее беспокойство и недоумение вызывают два следующих постулата, лежащих в основах так называемой, специальной теории относительности. Они таковы. Во-первых, скорость материальной точки не может превышать скорости света [2, с. 358] (далее коротко – 1-й постулат); во-вторых, скорость света всегда одна и та же в любой системе координат [2, с. 365] (далее коротко – 2-й постулат). На практике обычно говорят только о втором постулате и называют его кратко – «постулат о постоянстве скорости света». Нумерация нам понадобилась, чтобы избежать путаницы в изложении.

Наша цель: выяснить, как могло случиться, что в теории относительности все скорости относительны, а скорость света, однако, абсолютна? А так ли это на самом деле? Как выяснилось по ходу размышлений, происхождение постулатов тесно связано с проблемами измерения времени. Поэтому мы начнем с того, что проанализируем заново работу часов, а для этого посмотрим на них более внимательно.

После этого мы обсудим вопросы, касающиеся одновременности событий, синхронизации часов, преобразований координат и, наконец, придем к выводу, что постулаты, о которых говорилось выше, не имеют места и не являются законами природы.

1. 2. Общая, традиционная точка зрения на принципы работы часов

Обозревая устройство различных часов, и помня о том, что любые часы можно заменить эквивалентными световыми часами, мы можем взглянуть на часы с одной общей точки зрения.

Общим для всех часов (часто в неявной форме) является наличие у них некоторой, так называемой, эталонной скорости (далее V_e).

Среди всех скоростей измеряемых физиками, существуют скорости, обладающие весьма высоким постоянством. Именно эти скорости и берутся для построения часов. Что делают часы? Они берут некоторый, всякий раз постоянный (то есть эталонный) отрезок длиной s_e и преобразуют его в эквивалентный временной интервал t по формуле: t = s_e/V_e. Постоянство V_e и s_e гарантирует также и постоянство t . Когда мы говорим: «часы берут отрезок s_e» под этим мы понимаем, что этот отрезок встроен в сами часы (то есть является их важнейшей частью). Это необходимо, чтобы часы могли работать, находясь в покое. Обычно преобразование отрезка s_e во время делается методом «туда и обратно» как световых часах. В них световой импульс, проходя путь равный 2s_e от генератора до зеркала и обратно, преобразуется во временной интервал: t = 2s_e/c. Здесь c – скорость света.

1. 3. Материальная точка и часы как преобразователи пространства во время

Далее мы будем рассматривать только прямолинейное движение материальных точек и часов вдоль оси OX. В пункте (1. 13.) мы дадим обобщение полученных результатов на трехмерное пространство.

Пусть материальная точка двигается по оси OX c некоторой скоростью V . Этот процесс можно рассматривать как преобразование пространства во время по закону x/V = t, то есть пройденному расстоянию x материальной точки ставится в соответствие некоторое время t = x/V. В частном случае, когда V = 0 можно считать, что это преобразование также имеет место, но его результат не определен.

Рассмотрим теперь часы, как и материальную точку, двигающиеся вдоль оси OX или покоящиеся. В чем сходство часов с материальной точкой? Их два. Первое – часы также материальны, как и материальная точка. Второе – часы также являются преобразователем пространства во время.

В чем отличие часов от материальной точки? Их два. Первое – часы преобразуют пространство во время, используя строго постоянную (эталонную) скорость V_e по закону: t = x/V_e, тогда как у материальной точки скорость, вообще говоря, может быть любой. Второе – часы, находясь в покое, сохраняют прежним результат преобразования: t = x/V_e, тогда как у покоящейся материальной точки результат преобразования становится неопределенным. Таким образом, чтобы получить представление о реальных (материальных) часах, мы должны скомбинировать и сходства и различия между часами и материальной точкой (непротиворечивым образом) в одном устройстве, называемом реальными часами.

Сделав это, мы получим структурную схему часов, изображенную на рис. 1. 1.

Рис. 1. 1

В преобразователе пространство – время (s -> t) на основе эталонной скорости V_e последовательно преобразуются эталоны длины s_e и часы показывают на выходе слагаемое N(s_e/V_e), где N – число периодов часов. Но если часы сдвигаются по оси OX на величину x, то и эту величину преобразователь также преобразует во время (по тому же закону) равное x/V_e. В результате часы будут на выходе показывать сумму:

Назовем слагаемое x/V_e слагаемым переноса часов. Слагаемое переноса равно нулю, если во время измерений часы неподвижны. Но если допустить, что часы не материальны (но все-таки работают), то в этом случае слагаемое переноса будет равно нулю и тогда, когда часы двигаются. Истинное время, измеренное часами, равно только N(s_e/V_e) и из показаний часов следует вычитать слагаемое переноса. Чтобы придать слагаемому переноса определенный знак (– или +) договоримся о направлении эталонной скорости V_e. Если часы сдвигаются независимо (от других скоростей), то будем направлять скорость V_e в положительном направлении оси OX. Если же часы двигаются вместе с материальной точкой, время движения которой они измеряют, то будем направлять скорость V_e также как и скорость точки V, то есть векторы v_e и v одинакового направления.

Рис. 1. 2

На рис. 1. 2 представлена наглядная механическая, одномерная модель реальных часов. Механизм часов двигается вдоль оси OX, не меняя своего направления в пространстве. Циферблат же часов, представляющий круг, может свободно вращаться вокруг своей оси и катиться по оси OX (для выполнения правила знаков он катится по оси OX снизу). Неподвижные часы (1) отсчитывают угол пропорциональный истинному времени k = N(s_e/V_e). Подвижные часы (2) отсчитывают угол +, причем – угол поворота циферблата пропорционален слагаемому переноса, а k – коэффициент пропорциональности. Таким образом, подвижные часы отсчитают время:

В дальнейшем договоримся показания часов снабжать индексом (греческое хи), то есть писать – t, тогда, как истинное время будем писать обычно – t и тогда:

Наиболее ясно механизм появления слагаемого переноса усматривается в световых часах. Если часы неподвижны, то путь проходимый светом за один период равен 2s_e. Но если часы двигаются вдоль оси OX (и световой импульс двигается вдоль этой же оси) то, как легко видеть, путь проходимый световым импульсом за один период будет равен не 2s_e, а равен 2s_e+x, где x – сдвиг часов за один период вдоль оси OX. Поэтому часы покажут время: