Как объясняются парадоксы теорий относительности

Постулаты СТО

СТО полностью выводится на физическом уровне строгости из пяти постулатов
(предположений):

1. Справедлив принцип
   относительности Пуанкаре-Эйнштейна, являющийся расширением принципа относительности
   Галилея на все явления.
2. Скорость света не зависит
   от скорости движения как источников, так и
   приёмников во всех инерциальных системах отсчёта. Это позволяет
   дистанционно произвести однозначную первоначальную синхронизацию всех
   имеющихся часов как в неподвижной, так и в
   движущейся системе отсчёта.
3. Справедливость симметрий
   относительно поворотов в пространстве-времени Евклида.
4. Справедливость симметрий
   относительно сдвигов в пространстве-времени Евклида.
5. Пространственно-временные
   измерения осуществляются с помощью электромагнитных волн.

Формулировка второго постулата может быть шире: «Скорость света постоянна во
всех инерциальных системах отсчёта», но для вывода СТО достаточно его
формулировки, записанной выше. Некоторые постулаты сформулированы явно, а
другие предполагаются неявным образом как в работах
Эйнштейна, так и Пуанкаре, хотя и в разной степени.

Иногда пятый постулат СТО записывают как синхронизацию часов по А.
Эйнштейну, но принципиального значения это не имеет: при различных условиях
синхронизации изменяется математическое описание экспериментальной ситуации без
изменения предсказываемых и измеряемых эффектов. Пятый постулат СТО является
ключевым, так как без него скорость света не смогла бы появиться в
преобразованиях Лоренца для координат и времени и в других формулах.

Раньше можно было встретить утверждение о том, что СТО обосновывает
существование скорости света как предельной скорости распространения сигналов.
Естественно, что это не может быть доказано в рамках СТО, которая
не является теорией о распространении сигналов, а лишь использует свет в
процессе измерений.

Общая теория относительности

Тоже самое с ОТО.

Есть ряд измеряемых эффектов, величину которых ОТО предсказывает точнее, чем другие теории. Но не более того. Все остальное – черные и белые дыры и различные эффекты, которые должны сопровождать эти объекты – не более, чем “мысленные эксперименты”.

Черных дыр (ЧД) никто не видел и не обнаруживал. Обнаружили компактные  области, которые не излучают или излучают очень мало, но создают значительное гравитационное притяжение. Верхние границы размеров этих областей  пока на порядки больше, чем соответствующий их массе радиус черной дыры. То есть, даже если #черные дыры реально существуют, вовсе не факт, что это именно они.

Так что все остальное – горизонт событий, замедление времени и так далее, может оказаться не более чем “мысленные эксперименты” в областях, где теория реально не работает, хотя и создавалась, вроде, как раз именно для этих областей.

Да в самой ОТО есть противоречия:

• прежде всего это то, что в ней не соблюдается святая святых физики – закон сохранения энергии.
• ЧД не является черной, так как должны излучать (Излучение Хокинга)
• И  тут же время достижения ЧД при свободной падении на нее – бесконечно. То есть ничто не может попасть в черную дыру.
• Падающие заряженные частицы должны излучать, так как падают с ускорением. И излучать бесконечно много. А сами также, при этом, приобретают бесконечную кинетическую энергию, которую уносят с собой внутрь ЧД. То есть маленькая область вокруг XL должна светиться, что опять таки, делает ЧД видимой.
• в падающем лифте заряженные частицы должны излучать, хотя в поле гравитации этого не происходит. Нарушается основной декларируемый ОТО принцип эквивалентности.

Подводя итог, можно сказать, что парадоксы теорий относительности не существуют. Часть из них лежит вне области СТО, и все они не более чем непонятные корни не идеально соответствующих реальному миру теорий.

Ссылки[править | править код]

1. Федосин С.Г. Современные проблемы физики. В поисках новых принципов, М: Эдиториал УРСС, 2002, 192 стр., Ил.26, Библ. 50 назв. ISBN 5-8360-0435-8.
2. von W. v. Ignatowsky, «Einige allgemeine Bemerkungen zum Relativitätsprinzip», Verh. d. Deutsch. Phys. Ges. 12, 788-96, 1910 (русский перевод)
3. von Philipp Frank und Hermann Rothe «Über die Transformation der Raumzeitkoordinaten von ruhenden auf bewegte Systeme», Ann. der Physik, Ser. 4, Vol. 34, No. 5, 1911, pp. 825—855 (русский перевод)
4. Паули В. Теория Относительности. — М.: Наука, Издание 3-е, исправленное. — С. 27. — 328 с. — 17700 экз. — ISBN 5-02-014346-4
5. Терлецкий Я. П. — Парадоксы теории относительности, М.: Наука (1965)
6. Mermin N.D. — «Relativity without light», Am.J.Phys., Vol. 52, No. 2 (1984) p. 119—124. Русский перевод: Мермин Н. Д. — «Теория относительности без постулата о постоянстве скорости света», Физика за рубежем. Серия Б. (1986)

7. Lee A.R. Kalotas T.M. — «Lorentz transformations from the first postulate», Am.J.Phys., Vol. 43, No. 5, (1975) p. 434—437.

8. Achin Sen «How Galileo could have derived the special theory of relativity» Am.J.Phys., Vol. 62, No. 2 (1994) p. 157—162.
9. Nishikawa S. — «Lorentz transformation without the direct use of Einstein’s postulates» Nuovo Cimento, Vol. 112B, No. 8 (1997) p. 1175—1187.
10. А. К. Гуц, «Аксиоматическая теория относительности», УМН, 37:2(224) (1982), с. 39—79.
11. Luigi Maxmilian Caligiuri, Amrit Sorli, Special Theory of Relativity Postulated on Homogeneity of Space and Time and on Relativity Principle, American Journal of Modern Physics. Vol. 2, No. 6, pp. 375-382 (2013).
12. Fedosin S.G. Electromagnetic and Gravitational Pictures of the World. Apeiron, Vol. 14, No. 4, pp. 385-413 (2007). http://dx.doi.org/10.5281/zenodo.891124; статья на русском языке: Электромагнитная и гравитационная картины мира.
13. ↑ Федосин С.Г. Физические теории и бесконечная вложенность материи, Пермь, 2009, 844 стр., Табл. 21, Ил.41, Библ. 289 назв. ISBN 978-5-9901951-1-0.
14. Alexander L. Kholmetskii. Empty space-time, general relativity principle and covariant ether theories. 12 Jan 2005. arXiv:physics/0501060v1.
15. Fedosin S.G. Model of Gravitational Interaction in the Concept of Gravitons. Journal of Vectorial Relativity, Vol. 4, No. 1, pp. 1-24 (2009). http://dx.doi.org/10.5281/zenodo.890886; статья на русском языке: Модель гравитационного взаимодействия в концепции гравитонов.
16. Fedosin S.G. The Force Vacuum Field as an Alternative to the Ether and Quantum Vacuum. WSEAS Transactions on Applied and Theoretical Mechanics, ISSN / E-ISSN: 1991‒8747 / 2224‒3429, Volume 10, Art. #3, pp. 31-38 (2015). http://dx.doi.org/10.5281/zenodo.888979; статья на русском языке: Силовое вакуумное поле как альтернатива эфиру и квантовому вакууму.
17. Fedosin S.G. The charged component of the vacuum field as the source of electric force in the modernized Le Sage’s model. Journal of Fundamental and Applied Sciences, Vol. 8, No. 3, pp. 971-1020 (2016). http://dx.doi.org/10.4314/jfas.v8i3.18, https://dx.doi.org/10.5281/zenodo.845357. // Заряженная компонента вакуумного поля как источник электрической силы в модернизированной модели Лесажа.
18. Fedosin S.G. The graviton field as the source of mass and gravitational force in the modernized Le Sage’s model. Physical Science International Journal, ISSN: 2348‒0130, Vol. 8, Issue 4, pp. 1-18 (2015). http://dx.doi.org/10.9734/PSIJ/2015/22197; статья на русском языке: Поле гравитонов как источник гравитационной силы и массы в модернизированной модели Лесажа.
19. Fedosin S.G. The substantial model of the photon. Journal of Fundamental and Applied Sciences, Vol. 9, No. 1, pp. 411-467 (2017). http://dx.doi.org/10.4314/jfas.v9i1.25. // Субстанциональная модель фотона.
20. Chepick A.M. Absolute. Main principles. Modern problems of statistical physics, Vol. 6, pp. 111-134 (2007). Published in NNGU; на русском языке: Абсолют. Основные принципы. Актуальные проблемы статистической радиофизики, т.6, с.111-134 (2007).
21. Обухов Ю.А., Захарченко И.И. Светоносный эфир и нарушение принципа относительности. Физическая мысль России, №3, 2001, Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова.

2.1.1 Преобразования между инерциальными системами

Рассмотрим две движущиеся системы координат.
Из принципа постоянства скорости света, а также из инвариантности
мерного интервала можно заключить, что в двух системах координат и
, связанных линейными преобразованиями
вида :

Коэффиценты преобразования проще всего выбрать в виде:

Рассмотрим дифференциалы () и подставим их в выражения для 4
мерного интервала. Легко видеть, что равенство

Раасмотрим теперь связь угла в выражениях для гиперболических синуса
и косинуса со скоростью системы относительно системы .
Рассмотрим движение центра системы в системе координат . Центр
системы координат находится в точке . В системе координат
точка движется согласно системе уравнений:

Теперь выражая гиперболические синус и косинус через гиперболический
тангенс приходим к уравнениям для преобразования координат:

(2.9)

Отметим, что преобразования () больше похожи на преобразования
типа вращения (), а не преобразования Галилея
(). Рассмотрим теперь предел малых скоростей, когда

, разложим преобразования () в ряд Тэйлора по
степеням этого малого параметра и оставим только линейные величины по

пренебрегая квадратичными и более высокими степенями
отношения взаимной скорости движения систем к скорости света:

Второй член в пребразовании времени выписан специально для того, чтобы
продемонстрировать, что в преобразовании времени содержатся следы от
преобразований Лоренца, но они второго порядка по отношению
.
Таким образом, преобразования Лоренца сводятся к преобразованиям Галилея.
Поэтому в пределе малых (по сравнению со скоростью света) скоростей
зависимость координаты от времени приобретает вид
преобразования типа сдвига, время становится внешним параметром по
отношению к преобразованиям трехмерных координат. Время становиться
неизменным, внешнее влияние на этот параметр отсутствует.

Изменение размеров тел в СТО

Параметры тел, поперечные относительно перемещения, не изменяются. Рассмотрим изменение размеров тел в направлении движения.

Расположим стержень по оси $Y$ $Y’$ систем $XYZ$ и $X’Y’Z$ рис.2. Стержень перемещается по указанным осям относительно ИСО $XYZ$. В системе $X’Y’Z$ о неподвижен.

Рисунок 2. Изменение размеров тел в СТО. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рассмотрим прохождение сигнала света от источника к зеркалу и обратно. На рис.2 (a-b) показана картина прохождения света по отношению к системе $XYZ$.

В ИСО $XYZ$ длину стержня можно найти как:

$\Delta l^{‘}=\frac{c\Delta t^{‘}}{2}\left( 2 \right)$.

На рис. 2(a) видно, что световой сигнал идет вправо, при этом зеркало от него удаляется, поэтому свет проходит расстояние, которое больше длины стержня, до попадания в зеркало. Считая, что $\Delta t_{1}$- время которое свет затрачивает на преодоление расстояния до зеркала, тогда расстояние, которое он пройдет равно:

$c\Delta t_{1}=\Delta l+v\Delta t_{1}\left( 3 \right)$.

Когда свет движется обратно к детектору (рис.2 (b)), то он проходит расстояние:

$c=\Delta l-v\Delta t_{2}\left( 4 \right)$.

где $\Delta t_{2}$ – время движения света от зеркала к приёмнику.

Найдем общее время движения света в оба конца:

$\Delta t=\Delta t_{2}+\Delta t_{1}=\frac{\Delta l}{c-v}+\frac{\Delta l}{c+v}\left( 5 \right)$).

Длина стержня равна:

$\Delta l=\frac{c\Delta t}{2}\left( 1-\frac{v^{2}}{c^{2}} \right)\left( 6\right)$.

Заменим $\Delta t$ на $\Delta t’$ используя формулу (1) и вводя обозначение $\Delta l^{‘}=\Delta l_{0}\ $, , получим:

$\Delta l=\Delta l_{0}\sqrt {1-\frac{v^{2}}{c^{2}}} \left( 7 \right)$,

$\Delta l_{0}$– собственная длина стержня (она измерена в системе координат, где стержень не движется).

Выражение (7) показывает, что собственная длина является максимальной. Уменьшение геометрических размеров тел не связано с физическим воздействием перемещения на размеры тела, и оно не является кажущимся. Это сокращение длины отображает не абсолютность пространственных интервалов и их связь с системой отсчета. Понятие пространственного интервала является абсолютным в том смысле, то материальное тело имеет протяженность в пространстве. Сокращение длины становится заметным только при скоростях приближающимся к скорости света.

Эмпирических противоречий релятивистским эффектам нет.

Парадоксы – признак ограниченности теории

Но даже если парадокс возникает в строгом соответствии с областью применения теории, это скорее всего означает только то, что в отличии от декларируемого принципа теория не действует глобально или в ее математический аппарат необходимо внести изменения.

Я это уже описывал в статье “” – не все решения, которые предлагает теория всегда могут применяться впрямую или вообще иметь физический смысл. Теория это всегда как натягивание совы на глобус – натягивание наших текущих знаний на необъективную реальность. Кое-где теория очень сильно не соответствует действительности и “сова” рвется. На самом деле, когда обнаруживается такое несоответствие, это всегда ведет к прогрессу – появляется новая теория или уточняется старая. В каком то смысле это праздник на улице физиков. Вот только это несоответствие должно быть реальным, а не умозрительным.

СТО реально решается несколько задач с практическими следствиями:

• объясняет #опыт Майкельсона—Морли ;
• делает #уравнения электродинамики (#уравнения Максвелла ) инвариантными в разных инерциальных системах отсчета;
• объясняет величину видимого параллакса  звезд;
• объясняет #рост энергии частиц , без роста скорости в ускорителях;
• объясняет #увеличение времени жизни нестабильных частиц при около световых скоростях в нашей системе отсчета.

Более подробно ““.

Можно ли попытаться сформулировать другую теорию, которая объяснит все эти эффекты? Возможно. Но зачем, если она не будет давать каких-то новых предсказаний, которые можно будет проверить на опыте, а не только мысленно? То, что она упростит расчеты – также очень сомнительно.