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 ν (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 Ve).
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 se и преобразуют его в эквивалентный временной интервал Δt по формуле: Δt = se/Ve. Постоянство Ve и se гарантирует также и постоянство Δt . Когда мы говорим: «часы берут отрезок se» 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 se во время делается методом «туда и обратно» как световых часах. В них световой импульс, проходя путь равный 2se от генератора до зеркала и обратно, преобразуется во временной интервал: Δt = 2se/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 Ve по закону: t = x/Ve, тогда как у материальной точки скорость, вообще говоря, может быть любой. Второе – часы, находясь в покое, сохраняют прежним результат преобразования: t = x/Ve, тогда как у покоящейся материальной точки результат преобразования становится неопределенным. Таким образом, чтобы получить представление о реальных (материальных) часах, мы должны скомбинировать