Книга Румера и Рывкина [1] считается довольно неплохой, и часто рекомендуется студентам для изучения теории относительности. Вместе с тем в этой книге содержится ряд утверждений, мимо которых просто невозможно пройти, не оставив замечания.
К с.7. (история физики)
"Действительно, с точки зрения волновой теории света предположение о существовании эфира казалось совершенно необходимым".
Так и есть. Это необходимо.
К.с.7.
"Предсказание Максвелла о существовании светового давления было подтверждено классическими опытами Лебедева (1912 г.)".
Да, причем, на основе волновой теории, а не корпускулярной (следует учесть).
К.с.8.
"Развитие атомистики в конце XIX в. привело к дальнейшему уточнению и сближению представлений физики атомов и физики эфира. ... Стало ясно, что атомы веществ не являются элементарными, неделимыми частицами, а представляют собой сложные системы, состоящие из положительных и отрицательных зарядов.
На этой основе Г. А. Лорентцом (1853-1928 гг.) была построена так называемая электронная теория, сочетавшая представления теории Максвелла с атомистическими представлениями. В этой теории в качестве источников электромагнитного поля выступают электрические заряды, из которых построены атомы. В частности излучение света атомами в теории Лорентца описывается как результат колебаний электронов. Электроны внутри атомов совершают колебания, колеблющийся же электрон по законам электродинамики возбуждает в окружающем эфире электромагнитные волны.
Эта схема позволила в хорошем согласии с экспериментом объяснить целый ряд факторов, которые в теории Максвелла, не учитывающей атомизм электрических зарядов, оставались непонятными. Так, например, теория Лорентца дает объяснение так называемой дисперсии света (зависимости показателя преломления от частоты или длины волны падающего света)".
Важно отметить следующее: зависимость показателя преломления от частоты света - это, по сути, зависимость скорости света в среде от частоты этого света.
Наука признаёт известный факт зависимости скорости света от частоты для любого вещества, но не признает этой зависимости для вакуума.
Отметим, что для этого, конечно, есть основания, но эти основания достаточно шатки.
Действительно, поскольку скорость света, измеряемая в различных опытах, оказалась одной и той же с высокой степенью точности, и - что важнее всего - она совпала со скоростью электромагнитного поля, следует предположить, что скорость света в вакууме постоянна не только для широкого спектра частот, но и даже для частот далеко за пределами светового диапазона.
Но эти соображения - аргумент, не имеющий силы доказательств.
С другой стороны явление дисперсии доказывает, что в среде скорость света зависит от частоты. Вакуум можно, разумеется, выделить как некоторую иную пространственно распределенную субстанцию, для которой это общее правило не выполняется. Но не следует забывать, что "абсолютного вакуума" никогда не было получено. Все экспериментальные данные в этой области получены с помощью опытов не с вакуумом, а с чрезвычайно разреженным газом, который в технике называют "вакуумом", присовокупляя к нему показатель разреженности этого газа. Межзвездное пространство также заполнено не вакуумом, а чрезвычайно разреженным газом.
В теории относительности свойства любого сколь угодно разреженного газа кардинально отличаются от свойств вакуума. Но, поскольку абсолютный вакуум никто не мог исследовать, то либо согласимся, что эксперимент может лишь давать основу для рассуждений о разреженных газах, но не о вакууме, либо признаем, что вакуум не принципиально отличается от разреженного газа, и его свойства не меняются скачком.
В первом случае мы должны признать, что не имеем никаких оснований для рассуждений о природе вакуума, включая результаты опыта Майкельсона и космические исследования. Во втором же случае мы не должны более употреблять вакуум в смысле "пустота", поскольку это - среда.
Поскольку межзвездное пространство заполнено разреженным газом, нельзя исключать элементарной дисперсии, последствия которой могут быть вполне заметны. С одной стороны, разреженность газа такова, что дисперсией, казалось бы, можно пренебречь. С другой же стороны, свет от звезд распространяется столь долго, что даже небольшое различие скоростей света для разных длин волн должно привести к накоплению значительной разности фаз.
Поэтому мы не должны удивляться дисперсии света от звёзд.
Известно, что эффект Хаббла, состоящий в смещении спектра излучения звезд в красную область, легко объясняется, если допустить дисперсию света в межзвездном пространстве. Следовательно, так называемое "разбегание галактик" не имеет места. Имеет место некоторое затухание энергии света и дисперсия его в космическом разреженном газе.
К.с.8 - 9.
"В рамках электронной теории удалось объяснить открытое еще Фарадеем вращение плоскости поляризации света в магнитном поле, дать качественную теорию парамагнетизма. Наконец, электронная теория позволила создать теорию так называемого нормального, или простого, эффекта Зеемана (расщепление спектральных линий в магнитном поле).
Итак, стройная картина окружающего нас мира в классической физике XIX в., казалось бы вполне надежно подтвержденная экспериментом, выглядела следующим образом.
Существует бесконечно протяженный, заполняющий все пространство, упругий эфир, в который погружены атомы, представляющие собой сложные системы электрических зарядов.
Колебания этих зарядов вызывают деформации эфира, которые распространяются в виде упругих волн и обусловливают электромагнитные взаимодействия между атомами".
Действительно, стройная картина! И сейчас еще актуален вопрос - надо ли от неё отказываться?
Авторы книги [1] справедливо пишут:
"Правда, в этой стройной картине мира имелись и отдельные пробелы.
В области атомистики возникали затруднения при объяснении устойчивости атомов, не удавалось дать согласующуюся с опытом теорию происхождения атомарных спектров и т. д.
Не все шло гладко и в физике эфира.
Представление об эфире как об обычной механической среде наталкивалось на серьезные затруднения. Опыт с полной определенностью указывал, что электромагнитные волны поперечны (это вытекает из существования поляризованного света). Так как поперечные волны могут распространяться только в средах, сопротивляющихся деформации сдвига, т. е. в твердых телах, то эфир следовало мыслить как твердую упругую среду. Но тогда чрезвычайно трудно объяснить тот факт, что планеты и иные небесные тела не встречают при своем движении сквозь эфир сколько-нибудь заметного сопротивления. Приходилось приписывать эфиру ничтожно малую плотность наряду с весьма значительной упругостью.
Кроме того, только весьма искусственными аргументами удавалось объяснить, почему в эфире наряду с поперечными волнами не возникают волны продольные.
Итак, попытки построения механической модели эфира сталкивались с существенными затруднениями.
Кроме того, как мы увидим в следующих параграфах, вопреки всем ожиданиям физиков, опыты, в которых надеялись обнаружить движение тел по отношению к эфиру, привели, казалось бы, к противоречащим друг другу результатам.
Тем не менее в целом система представлений классической физики казалась настолько стройной и убедительной, что физики лелеяли надежду на то, что все эти трудности окажутся преходящими, все противоречия будут объяснены и картина мира классической физики останется непоколебимой. Однако эти надежды остались тщетными: корень всех трудностей классической физики лежал гораздо глубже, чем полагали".
Итак, полный перечень проблем с теорией эфира состоит в следующем:
1. Не удаётся объяснить устойчивость атомов.
2. Не удаётся объяснить происхождение спектров.
3. Не удается объяснить поперечные волны, если эфир - разреженная среда, а если же он твердая среда, то не удается объяснить отсутствие продольных волн и проницаемость эфира для твердых тел.
4. Опыт Майкельсона не позволил выявить зависимости результата от движения интерферометра в среде.
На все перечисленные пять вопросов мной дан ответ.
Ограничусь лишь кратким перечислением сути ответов на эти "неразрешимые" вопросы.
1. Устойчивость атомов удаётся объяснить [2, 3] с помощью единственной теории, занимающейся вопросами устойчивости (теории замкнутых динамических систем). Эта теория обязательно должна быть в данном случае использована, поскольку имеется обратная связь и имеется зависимость динамических свойств этой связи от частоты. Электрон, двигаясь к ядру, вызывает изменения электромагнитного поля. Эти изменения вызывают изменения сил, изменения сил вызывают изменения ускорений, которые вызывают изменения скорости и положения электрона. Налицо обратная связь. В планетарной модели динамикой этих процессов можно было пренебречь, поскольку темпы движения планет намного меньше, чем темпы изменения градиента сил, вызывающих эти движения. В физике атома это, очевидно, не выполняется, поэтому данная теория обязательно должна привлекаться. Правильное применение этой теории указывает, что устойчивое колебание частиц около центра равновесия не только возможно, но и необходимо, как следствие широко известных законов.
2. Происхождение спектров совершенно логично следует из того, что для рассмотренной в предыдущем пункте системы (и для более сложных атомов) наряду с решениями в виде устойчивых циклов автоколебаний могут существовать квазиустойчивые циклы [2, 3]. Естественно, что параметры циклов зависят от заряда ядра. Поэтому переход с одного цикла на другой всегда связан с поглощением или испусканием фиксированного для данного перехода количества энергии. Это количество для одинаковых видов атомов всегда одинаково, а для разных - разное.
3. Причина распространения поперечных волн кроется вовсе не в том, что вакуум - твердое тело [4]. Предположение, что разреженная среда не может передавать поперечные колебания, ошибочно, поскольку при этом рассматриваются в отрыве электрические или магнитные колебания. На самом же деле электрические колебания в одой плоскости порождают магнитные колебания в ортогональной плоскости, и обратно. Поэтому возникает цепочка связанных колебаний в двух взаимно ортогональных плоскостях: в одной плоскости совершаются магнитные колебания, а в другой - электрические. Линия же пересечения этих плоскостей даёт направление распространения колебания. Гипотеза разреженной упругой среды, таким образом, не противоречит возможности прямолинейного распространения поперечных колебаний, в частности - по лучам, направленным радиально от точечного источника света. Гипотеза твердой среды исключает возможность распространения колебаний в таких направлениях, поэтому она ошибочна.
4. Корректное толкование опыта Майкельсона даёт объяснение его результатам без привлечения каких-либо дополнительных гипотез (о расширении или сжатии пространства, о зависимости скорости света от источника света и тому подобных) [5]. Дело в том, что в интерферометре измеряется не скорость света, а приращение фаз в двух ортогональных плечах. В этом случае необходимо говорить не о скорости распространения света, а о фазовой скорости, которая, как показано мной в одной из статей,
Далее утверждается [1]:
"Для преодоления этих трудностей пришлось радикально пересмотреть целый ряд фундаментальных представлений, и это в конечном счете привело к созданию двух величайших физических теорий современности - квантовой механики и теории относительности".
В связи с этим уместен вопрос: Удалось ли с помощью этих двух новых теорий разрешить поставленные вопросы?
Напомним:
1. "Объяснить" устойчивость атомов - не значит "согласиться и признать". Объяснение должно предполагать указание механизма, ответственного за указанное свойство.
2. "Объяснить" сложные спектры излучений - не значит изучить их, а значит опять-таки указать модель их происхождения.
3. Решение вопроса о том, жесткий ли эфир, или проницаемый, требует отыскание такой модели эфира, которая объясняет проявляемые этим эфиром свойства. Отказ от понятия "эфир" с принятием понятия "вакуум" попросту требует объяснения, чем новое понятие отличается от старого, чем оно лучше, и все указанные проблемы, не решенные с эфиром, должны быть решены с вакуумом.
4. Толкование опыта Майкельсона должно снять противоречие. Как минимум, мы вправе ожидать, что количество снятых новой теорией противоречий будет меньше количеству новых противоречий, возникающих исключительно из-за принятия этой новой теории.
Далее некоторые замечания по поводу оценки теории относительности, данной авторами книги.
"Теория относительности Эйнштейна, несмотря на чрезвычайную революционность своих исходных положений и выводов, представляла собой естественный результат развития физики".
В советский период слово "революционность" несло чрезвычайно позитивный смысл, поэтому революционность теории воспринималась тождественно её прогрессивности. На самом деле следует лишь констатировать это свойство в смысле "ниспровержения основ". Для того, чтобы это ниспровержение принять, требуются весьма основательные доводы. Более основательные, чем привел Эйнштейн в своей первой статье на эту тему.
Совершенно не верно, что теория относительности "представляла собой естественный результат развития физики". Естественным результатом была бы совершено иная теория - теория, объясняющая инвариантность интерферометрической картины не через инвариантность скорости света, а через инвариантность фазовой скорости светового колебания. Первое - невозможно, не имеет логических оснований и не избавляет от противоречий. Второе - необходимо следует из теории, избавляет от противоречий, и является достаточным [5].
Авторы далее пишут:
"Одним из ее идейных истоков является принцип относительности классической механики, установленный еще в XVII в. Галилеем".
Это не верно. Принцип Галилея теория относительности отвергла, заменив его преобразованиями Лоренца. Сам Эйнштейн признавал неудачность названия своей теории. Многое в жизни относительно, даже в быту - и люди, порой, на бытовом уровне говорят: "Прав был Эйнштейн, всё относительно". Но его теория - вовсе не о том, что всё относительно. Она - о том, что скорость света имеет особое абсолютное значение для строения мира. При этом даже не понятно, о скорости какого именно света идет речь, поскольку, как мы видели выше, для каждой длины волны, строго говоря, в любой среде скорость света зависит от длины волны, я как обстоят дела с вакуумом, мы судить не можем, поскольку абсолютный вакуум не достижим.
Авторы далее пишут:
"Гипотеза об абсолютном пространстве к концу прошлого столетия значительно укрепилась в физике в связи с успехами концепции эфира. Казалось естественным считать, что абсолютная система отсчета связана с мировым эфиром, заполняющим все пространство, и рассматривать движение тел по отношению к эфиру как абсолютное движение. С этой точки зрения следовало ожидать, что в лабораториях, движущихся по отношению к эфиру, физические явления должны протекать не так, как в лабораториях, находящихся в абсолютном покое. В связи с этим существовала надежда, что, изучая явления, протекающие в движущихся лабораториях, можно разработать методы обнаружения абсолютного движения".
Любопытно, что космическое пространство всё же заполнено разреженным газом, а не вакуумом. Следовательно, к этому газу, как к совокупности молекул, применимо в среднем понятие "движение" и "покой". Поэтому отрицание покоящейся системы - это как раз искусственное построение. Даже зная, что Земля движется, мы при решении большинства задач в системе, связанной с Землёй, не допускаем разночтения, какую из систем считать покоящейся. Для каждой задачи этот выбор естественен. Попытка выбора глобально покоящейся системы интересна лишь с теоретической точки зрения: на практике мы всегда знаем о множестве форм движений, совершаемых нами вместе с астрономическими телами и системами, но это нас никак не беспокоит.
Единственная проблема здесь - в том, чтобы убедительно объяснить причину, по которой это движение никак себя не проявляет в тех опытах, в которых оно, казалось бы, должно себя проявить. Коль скоро объяснение для этого найдено, проблема глобальной системы отсчета перестает быть проблемой.
Авторы далее пишут:
"Однако еще на начальном этапе развития механики было установлено, что равномерное и прямолинейное движение лаборатории не только по отношению к абсолютному пространству, но и по отношению к другой лаборатории не может быть обнаружено в результате наблюдения механических явлений".
Это утверждение некорректно. Строго говоря, не удалось выявить изменение интерференционной картины в интерферометре Майкельсона. При этом интерферометр поворачивался. Движение интерферометра и лаборатории - это движение Земли. Планета Земля движется не прямолинейно. Криволинейную составляющую движения Земли также выявить в данном опыте не удалось, но опыт с маятником Фуко позволяет выявить вращение Земли. В связи с этим возникает вопрос: если один опыт не выявляет ни одного вида движения, то почему на его основании сделан вывод, что невозможно выявить только один вид движения? Если же другой опыт выявляет второй вид движения, как можно наперёд утверждать, что не только в настоящее время не известен такой опыт, который бы выявил первый вид движения, но и в будущем с развитием науки и техники такого опыта не предвидится?
Мало того, такой опыт можно было бы указать уже сейчас, если бы распространенная трактовка опыта Майкельсона была верна. А именно: поскольку перемещения полос не обнаружено, сделан вывод, что для "эфира", заполняющего интерферометр, нельзя указать объективное понятие скорости света, а следовательно, самого "эфира", как светоносной среды, не существует. В этом случае достаточно было бы интерферометр Майкельсона заполнить иной светоносной средой, которая заведомо существует, и перемещения полос тут же появились бы. Из этого с необходимостью следует одно из двух: либо наличие или отсутствие светоносной среды никакого отношения не имеет к наблюдению перемещения интерференционных полос, либо можно всё же указать опыт, позволяющий отличить равномерное прямолинейное движение от абсолютного покоя.
Правильная теоретическая трактовка опыта Майкельсона состоит в том, что скорость света в нем всё же зависит от скорости универсальной светоносной среды, но само значение скорости света в интерферометре не измеряется, а измеряется лишь приращение фазы на различных путях. Фаза же зависит не только от скорости распространения света, но и от частоты, которая в силу прямого и обратного эффекта Доплера в интерферометре меняется таким образом, что суммарное приращение фазы остается неизменным, что можно строго показать [5].
Авторы далее пишут:
"В двух лабораториях, движущихся друг относительно друга равномерно и прямолинейно, все механические явления протекают одинаково (при одинаковых условиях).
Это положение, сформулированное еще Галилеем, получило название классического принципа относительности, или принципа относительности Галилея.
Оговорка, сделанная нами при формулировке принципа Галилея о том, что в двух лабораториях должны быть соблюдены одинаковые условия, имеет весьма существенное значение.
Представим себе, например, тело, падающее свободно на пол лаборатории,- по отношению к этой лаборатории его траектория будет представлять собой отрезок вертикальной прямой. Однако по отношению к движущейся лаборатории это же тело вычертит отрезок параболы (если не учитывать сопротивление воздуха).
Мы видим, что траектория одного и того же тела различна в различных лабораториях (системах отсчета).
Это значит, что в этих двух системах отсчета различны также координаты и скорости движущегося тела.
Такие величины, зависящие от выбора системы отсчета, называют относительными.
Итак, координаты, скорости, траектория тела относительны и движения тела в двух наших лабораториях происходят по-разному.
Это, однако, не противоречит принципу относительности, так как в этих лабораториях различны начальные условия.
Но наблюдая движение тел внутри двух наших лабораторий, нельзя установить, какая из них движется, а какая покоится.
Это позволяет придать принципу относительности Галилея другую (отрицательную) формулировку.
Никакие опыты, проводимые внутри лаборатории с механическими приборами (представляющими собой совокупность пружин, нитей, блоков, рычагов и т. д.), не позволяют установить, покоится лаборатория или движется равномерно и прямолинейно по отношению к другой лаборатории.
Отсюда, в частности, вытекает вывод, упомянутый нами в начале параграфа.
Никакие механические опыты, проводимые внутри лаборатории, не позволяют установить, движется ли она равномерно и прямолинейно по отношению к абсолютному пространству (эфиру) или нет".
Всё верно, но корректности ради надо добавить несколько слов. Тогда формулировка будет следующей:
"Никакие известные механические опыты, проводимые внутри лаборатории в ограниченном времени и пространстве и с ограниченной точностью, не позволяют к настоящему времени установить, движется ли она равномерно и прямолинейно по отношению к абсолютному пространству (эфиру) или нет".
В такой формулировке снят её главный недостаток. Этот недостаток: результаты экспериментов, проведенных более ста лет назад, создают определенную предвзятость при трактовке любых последующих экспериментов, не зависимо от их целей, методов, продолжительности и точности.
В частности, на основе приведенного ошибочного вывода о постоянстве скорости света сделан более глобальный и совершенно необоснованный вывод о вечном постоянстве скорости света - при распространении его во времени и в пространстве. Этот вывод не оставил иной возможности для обоснования эффекта Хаббла, кроме как признания расширения Вселенной. Как бы Эйнштейн ни противился принятию расширения Вселенной, именно его теория послужила окончательным доводом в ее пользу. Действительно, коль скорость света - наиболее глобальная величина в физике, более глобальное даже, чем темп времени и метрика пространства, то предположение об изменении скорости света кажется более сомнительным, чем гипотеза о расширении пространства.
Вернувшись к истокам теории мы заметим, что постоянство геометрических размеров интерферометра (и тем более постоянство темпа времени) ничуть не менее фундаментальны, чем постоянство скорости света. Мало того: скорость света и не измеряется вовсе в опыте Майкельсона, так что разговор о ней совершенно необоснован.
Однако, посмотрим, до чего довел физику фетишизм скорости света. Как следствие признания расширения Вселенной теоретики вынуждены признать непостоянство фундаментальных физических констант. Не смотря на то, что никакой экспериментальной базы под этим предположением нет, ученые тратят много слов, бумаги, денег и оборудование на попытки отыскания признаков изменения этих физических констант. Способ их отыскания основан на том, что свет, дошедший до нас от удаленных звезд, несет информацию о спектре излучения, который атомы и молекулы имели в момент излучения этого света, то есть достаточно давно.
Но допущение изменения физических констант - это слишком серьёзный вывод, чтобы делать его всего лишь на основании красного смещения спектра звезд, которое легко объясняется дисперсией света. Однако дисперсия света запрещена теоретиками, поскольку в этом случае не ясно будет, о какой, собственно, скорости света идёт речь, если эта скорость зависит от длины волны.
Я и сам неохотно рассматривал возможность зависимости скорости света от частоты по тем же самым причинам. Но если мы не будем предвзятыми, то, оказывается, что ещё Эренфест писал, что в известных опытах измерения скорости света измеряется вовсе не скорость распространения света какой-то определенной частоты, а групповая скорость светового цуга, что, вообще говоря, далеко не одно и то же. Кроме того, он же указывает на различные значения для различных длин волн [6].
Приведу любопытную цитату:
"Когда Юнг и Форбс в 1881 г. нашли, будто бы синие лучи распространяются в свободном эфире на 18% быстрее, чем красные, а Рэлей воспользовался этим, чтобы поднять принципиальный вопрос - что же, собственно, определяется при абсолютном измерении скорости света в диспергирующей среде, то Майкельсон произвел измерение скорости света для красных и голубых лучей в сернистом углероде: результаты - в пределах возможной точности - оказались соответствующими формуле "групповой скорости".
К сожалению, данное утверждение в рассматриваемой публикации не снабжено комментарием. Современные физики считают, что скорость света не зависит от частоты излучения. Как относиться к сообщению Эренфеста? Совершенно очевидно, что наука отвергла эти результаты. Ведь если скорость света не зависит от частоты, то групповая скорость не отличается от скорости в традиционном понимании. Значит, на сегодняшний день для официальной науки представленные высказывания Эренфеста интересны только с позиции истории науки, а вовсе не с позиции логики теории. Вопрос только состоит в том - насколько обоснованно эти результаты Юнга и Форбса и утверждения Эренфеста отвергнуты.
Так что вопрос о том, что именно следует понимать под таким, казалось бы, ясным термином, как скорость света в вакууме, остается пока открытым. Тем более, нет никаких оснований считать эту величину более фундаментальной для каждого частного случая излучения, нежели фундаментальные константы. Напротив, логично предположить, что скорее свет затухает по мере своего распространения во времени и пространстве (и к старению Вселенной это не имеет никакого отношения), а законы физики во Вселенной остаются неизменными, что включает сюда и неизменность физических констант.
По времена Платона вода кипела при температуре 100 градусов Цельсия, хотя Цельсий родился много позже. Мы не имеем возможности это доказать, но мы полагаем, что это так, поскольку для иного предположения нет никаких оснований. Аналогично мы должны считать, что физические константы были таковы, как и сейчас, сколь угодно большое время тому назад, и останутся таковыми на сколь угодно большой срок в будущем, то есть вечно. Для отказа от этого предположения наблюдения красного смещения в свете звёзд недостаточно. В тот самый момент, который астрофизики вычислили методом обратного отсчета (в предположении расширения Вселенной с постоянной скоростью), и который они называют временем начала Вселенной, Вселенная была в целом такой же, как и нынче, за исключением малозначительных частностей, и в каждой точке этой Вселенной достаточно было бы установить соответствующую аппаратуру, чтобы наблюдать красное смещение. Через сколь угодно большой срок Вселенная будет оставаться такой же, и красное смещение будет таким же. Причина моей убежденности вовсе не в том, что я был там, а в том, что я хорошо понимаю те рассуждения и отправные факты, которые привели к гипотезе расширяющейся Вселенной, и понимаю, что рассуждения ошибочны, а факты не поняты.
Литература
1. Румер Ю.Б., Рывкин М.С. Теория относительности. Учпедгиз, М., 1960. - 212 с.
2. Жмудь В.А. Почему орбиты электронов не зависят от начальных условий. http://www.proza.ru/texts/2004/10/12-132.html