Зачем

Со времени создания теории относительности прошло более ста лет. За это время она получила многочисленные экспериментальные подтверждения и фактически стала инженерной наукой, формулы которой активно используются в ядерной энергетике, при строительстве ускорителей и даже в GPS-навигации. Существует обширная литература, посвящённая её анализу и практическим приложениям. Не менее многочисленны различны контр-теории, авторы которых обычно пытаются найти в исходных положениях или выводах теории относительности те или иные противоречия.

Закономерно возникает вопрос:

"Для чего нужна 1001-я книжка по теории относительности?"

Вместо ответа на него предлагается пройти небольшой тест, выразив своё согласие или несогласие со следующими утверждениями:

Тест
1. Теория относительности обобщает классическую механику, поэтому требует больше исходных постулатов.	наверноданет
2. В её основе лежит анализ распространения световых сигналов и постулат постоянства их скорости.	наверноданет
3. Быстро двигающиеся объекты выглядят сжатыми в направлении движения.	наверноданет
4. Объяснение парадокса близнецов требует привлечения неинерциальных систем отсчета.	наверноданет
5. Масса двигающегося тела тем больше, чем выше его скорость.	наверноданет
6. Чтобы объяснить смещение перигелия Меркурия необходимо рассматривать искривлённое пространство.	наверноданет
7. Для описания неинерциальных систем отсчёта необходима общая теория относительности.	наверноданет
8. Спицы колеса велосипеда, быстро двигающегося мимо наблюдателя, прямые и расположены равномерно.	наверноданет

За каждое "нет" или "не обязательно" начисляется один балл. В остальных случаях ("да" или "не знаю") баллы не начисляются. Если набрано более 8 баллов, эту книгу дальше читать не стоит. Если же баллов существенно меньше 8, то идём дальше.

Во введении будет дано краткое объяснение причин отрицательных ответов на первые два вопроса теста. В процессе дальнейшего анализа исходных положений теории мы приведём более развернутые аргументы и рассмотрим множество других тем.

---

✦ Мысленные эксперименты со световыми сигналами активно используются при обосновании релятивистской теории. Неинвариантность уравнений Максвелла относительно преобразований Галилея привела к открытию преобразований Лоренца. Не вызывает сомнения, что уравнения правильно построенной теории взаимодействия (например, электромагнетизма) отражают общие свойства пространства и времени. Инвариантность уравнений относительно определённых преобразований позволяет установить как выглядит физика в различных системах отсчёта. Однако при дедуктивном подходе к физике разумнее представляется путь, когда сначала устанавливаются общие свойства, а затем на их основе строится частная теория. Преобразования Лоренца применимы ко всем видам взаимодействия и не должны зависеть от скорости электромагнитной волны, являющейся параметром конкретного взаимодействия.

В нашем мире фотоны, по-видимому, не имеют массы. Их скорость нельзя уменьшить и она всегда равна скорости света. Тем не менее ни один из известных физических принципов не запрещает массивных фотонов. Это не противоречит теории относительности. Вполне возможен мир где нет безмассовых частиц, а теория относительности по-прежнему справедлива. Поэтому скорость света "$c_{эл/м}$" и фундаментальная скорость "$c$", входящая в формулы теории относительности, - это различные константы. При нулевой массе фотона они совпадают численно, однако их физический смысл разнится. Фундаментальная скорость "$c$" является предельной скоростью движения любых материальных объектов, независимо от их природы. Скорость света "$c_{эл/м}$" - это исключительно важная, но всё же частная константа одного из возможных взаимодействий, связанная со значением массы фотона.

✦ При выводе преобразований Лоренца обычно рассматривается распространение световой волны или светового импульса. Следуя Эйнштейну, в многочисленных учебниках по теории относительности эти преобразования получают при помощи постулата о постоянстве скорости света. Однако спустя только пять лет после работы Эйнштейна, в статьях Игнатовского, а затем Франка и Роте, было показано, что преобразования Лоренца можно вывести на основе некоторого подмножества постулатов классической механики. Другими словами, теория относительности не требует для своего обоснования второго постулата Эйнштейна и может быть получена только из принципа относительности, дополненного достаточно естественными предположениями. Несмотря на изящество этого результата, он всё ещё не стал достоянием общественного физического сознания, хотя существует достаточно много методических статей, а также различных материалов на эту тему в интернете.

✦ Может возникнуть вопрос:

"Какая разница, как выводить преобразования Лоренца?"

Ответ на него состоит из двух частей. Прежде всего, корректное обоснование теории относительности необходимо по гуманным соображениям. Ни одна физическая теория не подвергается такому количеству нападок со стороны её опровергателей, как теория относительности. Связано это, с одной стороны, с её математической простотой, а с другой стороны, с психологической сложностью восприятия исходного постулата о том, что "свет догнать нельзя". Это настолько противоречит обыденному опыту, что бросает тень и на выводы теории. Большинство привыкает и не видит проблемы, однако часть потенциальных физиков привыкать не желает и переходит в лагерь несогласных. Одна из задач книги - хотя бы немного уменьшить их число.

Во-вторых, непонимание логических основ физики обедняет. В рамках теории относительности мы имеем великолепный пример того, что для создания новой теории необходимо не увеличить, а уменьшить число исходных постулатов. Подобный дедуктивный метод очень заманчив и может быть применен для построения новых, ещё неизвестных теорий.

Физические или математические теории строятся на основе исходных постулатов или аксиом. Система аксиом считается полной, если любое утверждение относительно сущностей, с которыми оперирует теория, можно либо доказать, либо опровергнуть. Если мы хотим построить более общую теорию о тех же сущностях, то нельзя просто добавить новую аксиому. В полной теории эта аксиома либо окажется теоремой (и аксиомы перестанут быть независимыми), либо она войдёт в противоречие с уже существующими аксиомами.

Большая общность означает, что старая теория включается в новую, как частный случай. В физике это отражается принципом соответствия: в более общей теории существуют фундаментальные константы, устремление которых к определённым предельным значениям приводит к частной теории. Так, большинство формул релятивистской теории переходит в классические соотношения при $c\to\infty$. Аналогично и в квантовой механике, при $\hbar\to 0$. В связи с этим возникают вопросы: каково происхождение этих фундаментальных констант? Почему их нет в классической механике и как они появляются в релятивистской или квантовой? Краткий ответ таков: теория относительности требует для своего обоснования меньше аксиом, чем классическая. Уменьшение количества исходной информации и приводит к появлению параметров (констант), значения которых можно зафиксировать только при помощи эксперимента. Эти параметры и являются фундаментальными константами.

Оглавление

Краткое содержание