Три основных релятивистских явления, их механизмы и взаимосвязь

Ранее мы выяснили, что истинно-элементарные частицы не состоят из каких-либо отдельных частей, но вполне могут быть описаны как замкнутые криволинейные токи смещения в вакууме (эфире). Поскольку криволинейный ток (а ток, как и скорость, есть величина векторная ибо имеет направление) есть ток ускоренный , то криволинейный ток есть ток переменный (точно также как равномерное по модулю скорости движение по криволинейной траектории является ускоренным ). Всякий переменный ток (в т.ч. и ток смещения) вызывает явления индукции. Другими словами, вокруг переменного (и, соответственно, вокруг криволинейного ) тока возникает электрическое поле индукции E . Это и есть так называемое "электростатическое" поле вокруг заряженных частиц. А "заряд" частицы q есть просто придуманный людьми способ численно оценивать некоторые параметры такого поля. Фактически заряд сводится к divE. Таков механизм возникновения элементарных зарядов. Почему при определенных условиях криволинейные замкнутые токи смещения в эфире могут стабильно существовать мы описали ранее: это результат одновременного действия "магнитных" и "индукционных" сил между микроскопическими участками таких токов. Из этого описания следует, что частица представляет собой "внутри" вихрь поляризованного эфира, вращающегося со световой скоростью. Снаружи она выглядит как центрально-симметричное постоянное электрическое поле. Оно есть неотъемлемый результат внутреннего устройства частиц. Таким образом, частица состоит из условно внутренней области криволинейных токов и наружной области электрического поля индукции, порожденного этими токами. В этой картине поле снаружи частицы порождается не таинственным необъяснимым "зарядом", а просто токами смещения, такими же, из которых состоит свет и электромагнитные волны вообще. Теперь легко понять каким это образом из "электронейтральных" электромагнитных волн может родиться заряженная частица (круговое движение тока частицы можно разложить на две гармонические проекции, синусную и косинусную, т.е. как бы на два "фотона"). При этом поле частицы - это не какое-то "приложение" к частице, а это её неизбежная и неотъемлемая часть. А поскольку поле частицы нигде во Вселенной не заканчивается, то следовательно, любая частица занимает всю Вселенную.

Теперь, коль скоро мы описали частицу как систему замкнутых криволинейных токов, и она имеет характерный размер этой токовой области, зададимся вопросом, что произойдёт, если частица начнёт двигаться относительно местного эфира? Из-за того, что скорость света является предельной скоростью движения возмущений в эфире, а поляризованный эфир "внутри" частицы отродясь движется со скоростью света (это обязательное условие стабильности частицы), то для того, чтобы оставаться замкнутым током при движении частицы как целого, внутренние токи вынуждены изменить свою форму . Ну в самом деле, представьте себе круговое движение точки со скоростью света по некоторой окружности. А теперь двиньте саму эту окружность вперёд с некоторой скоростью. Точка при этом должна кружиться со скоростью света, да ещё и двигаться вперёд с какой-то скоростью. Но тогда её суммарная скорость в какие-то моменты должна превысить скорость света, а это невозможно! Какой выход остаётся у такой точки? Разумеется, двигаться уже не по кругу, а по некоторой другой кривой. Только тогда она сможет и крутиться и двигаться вперёд одновременно. То же самое происходит и с токами внутри частицы - их траектории изменяются, "сплющиваются" поперёк движения. Только так возможно сохранить равновесие сил внутри частицы. Но если токи изменяют свою кривизну, а кривизна токов - причина появления электрического поля частицы, то, следовательно, и электрическое поле частицы должно неизбежно измениться. Так это же хорошо известный факт, именуемый, "релятивистским искажением поля"! Вот мы и обнаружили ключевой "релятивистский эффект" - искажение формы частицы (именуемое "релятивистским сокращением длин") и неизбежно связанное с ним искажение электрического поля снаружи частицы (именуемое "релятивистским искажением поля"). Значит, Лоренц был прав, углядев "Лоренцево сокращение длин" в основе релятивистских явлений, хотя и не имел представлений об устройстве элементарных частиц. Но раз "сплющилась" сама элементарная частица, раз "сплющилось" и её поле, то, значит, "сплющатся" и все системы частиц, поскольку они держаться на электрических силах. Сплющаться атомы, молекулы и сами макроскопические объекты. Значит, в каком-то смысле, можно сказать, что в направлении движения "сократятся все длины". Это увидел бы неподвижный наблюдатель, обладай он волшебным "мгновенным зрением". Но вещественный наблюдатель, движущийся вместе с объектами исследования сам "сократился". Сократились все его эталоны длины и, следовательно, он ничего не заметит. Для него палка длиной в метр так и останется длиной в метр, поскольку длина - это всего лишь число, показывающее сколько раз уложился в палке некий материальный эталон длины. А он сократился в точности также, как и сама палка. Вот всем известная формула лоренцева сокращения длины:

Прекрасно! Итак, ключевым релятивистским явлением, по всей видимости, является именно эффект "сокращения длин". И причина его - конечность скорости распространения в мировой диэлектрической среде электромагнитных возмущений. Вот почему абстрактный постулат Эйнштейна о постоянстве скорости света в любых системах отсчёта, сам по себе необъяснимый, привёл к созданию вполне работающей (т.е. дающей совпадение с опытом) теории СТО. А дело-то не в умозрительных "системах отсчёта", а в реальных физических механизмах явлений внутри самых малых "кирпичей" вещества - элементарных частицах. Раз так, то "релятивистский рост массы" и "релятивистское замедление времени" должны прямо вытекать из сокращения длин. Так что нам мешает это проверить?

Мы вскрыли физический механизм явления инерции, тяготения и, соответственно, физическую сущность массы. Инерция - это результат самоиндукции элементарных зарядов при их ускорении в мировой среде. Результат электродинамического взаимодействия частицы и среды при их взаимном ускорении. Тяготение - то же самое явление инерции, но вызванное уже не движением пробного тела относительно среды, а ускоренным движением самой среды, вызванным источником тяготения. Возьмём формулу электродинамической массы:

Теперь подставим вместо радиуса частицы r 0 ("длины" частицы) его Лоренц-сокращенный радиус и получим:

Видим, что "релятивистский рост массы" полностью обусловлен "релятивистским сокращением длины". Внимательный читатель скажет: но это же только поперечная масса, а как же продольная? А нет никакой "продольной" массы! Всё дело в том, что при разгоне частицы в линейном ускорителе происходит не одно явление (рост массы), а целых два - и рост массы и "релятивистское искажение поля". Ускоряющее поле ускорителя с точки зрения частицы ослабевает. И наоборот, поле самой частицы (а, значит, и её "заряд") с точки зрения ускорителя ослабевает. Причём ослабевает в гамма-квадрат раз. А чем ускоритель разгоняет частицу? Правильно, полем. А за что он её "цепляет"? За "заряд", т.е. за её собственное поле. Кто бы из них не ослабел в "гамма-квадрат" раз, результатом будет одно и то же - в "гамма-квадрат" раз упадёт сила их взаимодействия . В итоге, в гаммма раз возрастает инерционность частицы (масса), да плюс в гамма-квадрат раз ослабевает сила взаимодействия частицы с ускорителем. Во сколько раз уменьшится ускорение такой частицы в таком (линейном) ускорителе? (a=F/m).Правильно, в гамма-куб раз. Что и наблюдается в эксперименте. К чести современных учёных надо отметить что они и сами заподозрили то, что мы только что выяснили и давно уже перестали употреблять термины "продольная" и "поперечная" масса. Ну и слава Богу!

Остаётся разобраться со "временем". Ох это проклятое время, вечная загадка, мучающая человечество! Столько произведений, столько теорий, столько споров и разговоров вокруг этого понятия... А между тем, это всего лишь человеческая идея. Это не какой-то физический объект, не какая-то материальная субстанция, его нельзя положить на стол и подвергуть эксперименту. Это и-де-я! Она находится в головах людей и более нигде. Это всего лишь привычка сравнивать одни процессы с другими, более регулярными, которые мы называем "часами". Давайте задумаемся на мгновение, имеет ли понятие "время" хоть какой-то смысл для стабильной истинно-элементарной частицы, например, электрона? Да никакого! А почему? Да потому, что он живёт вечно, в отличие от нас. Даже вся жизнь Вселенной (если верить теории Большого взрыва) для него - ничтожный миг, неописумо краткий эпизод в его вечном существовании. Почему так? Почему он вечен? Да потому, что внутри него ничего не меняется! Что бы мы ни делали с электроном, внутри него не происходит ничего, что можно было бы заметить, наблюдая из его же собственной системы. А когда ничего не меняется, когда ничего не происходит, понятие "время" полностью теряет свой смысл. Время - только для смертных. Как, впрочем, и "пространство". Ибо пространство - это лишь взаимное расположение объектов. А о взаимном расположении можно судить лишь тогда, когда что-то происходит, хоть что-то меняется. Когда мы можем перемещать объекты, сопоставляя их. А если мы не можем ничего изменить (даже не можем послать луч света), то "пространство" теряет смысл. Что бы мы ни делали с электроном, внутри него с его собственной точки зрения не изменятся ни процессы, ни взимное расположение "объектов". Для него есть только вечное и вездесущее "здесь и сейчас". Однако, для нас-то время имеет смысл и мы хотим понять, как же это оно "замедляется" в движущихся системах? Здесь ключевым является слово "система". Почему? Потому, что хотя сами элементарные частицы и вечны, но системы, составленные их них - уже нет. Например, атом. Простейший водород - протон и электрон. Электрон может находиться на разных "орбитах", в разных состояниях. Причём не вечно, ибо поглощение или испускание электромагнитных излучений меняет его состояние. И такое изменение заметно не только нам, смертным наблюдателям извне атома, оно заметно и "изнутри" атома. Т.е. атом, или атомоподобная структура (каковыми являются все сложные и нестабильные "частицы") уже имеет отношение к времени. Хорошо. Разберёмся с атомом, зачит, разберёмся со "временем" на самом нижнем уровне материи, на котором это понятие ещё имеет смысл. Что такое "время атома"? Или как часто говорят "атомные часы"? Это как раз и есть те интервалы времени, которые мы регистрируем между различными состояниями атома, например, основным и возбужденным. И чем же оно определяется? Очень давно, ещё на Боровской модели атома, установлено что все атомные времена связаны с так называемой "постоянной Ридберга".

Видим, что если масса электрона m возрастает в гамма раз (например, при движении атома), то возрастёт и постоянная Ридберга для такого атома. А постоянная Ридберга обратна длине волны, излучаемоей атомом при энергетических переходах с n-го уровня на m-й:

В то же время период излучаемой волны связан сдлиной волны как:

И, наконец, выражая период T через постоянную Ридберга имеем:

А поскольку "время" можно выражать (и в современной практике это так и делается) через количество периодов T атомного излучения (цезиевые эталоны и т.п.) то видим, что при движении атома из-за релятивистского роста массы сокращается любой интервал времени, составляющий N периодов такого излучения ибо сокращается сам период Т. Получается, что интервал времени, отмеренный движущимся атомом (современными атомными "часами") будет меньше, чем отмеренный неподвижными часами. Если одни часы показывают хронически меньше времени, чем другие, то какие из них идут медленнее? Разумеется, те, что показывают меньше времени. Т.е. такие часы идут замедленно . Вот это и называется "релятивистским замедлением времени". Хотя понятие (а время это всего лишь человеческое понятие) "замедляться" не может. Остаётся сделать вывод о том, что не понятие "время" замедляется в движущихся атомоподобных системах, а темп внутренних процессов, своего рода "колёсики атомных часов", которые просто движутся медленнее.

Теперь смотрите, длины L сократились в гамма раз, но и часы T замедлились в гамма раз. Если мы попытаемся измерить скорость света с=L/T, то она для нас не изменится ! Вот почему абстрактный постулат о неизменности скорости света в любых системах отсчёта уже более 100 лет так занудно подтверждается опытами. Потому, что он соответствует действительности, хотя и ничего не объясняет. Особенно в "пустой" Вселенной СТО. Но в нашей диэлектрической Вселенной, состоящей из мировой среды всё естественно и понятно: в любой среде есть какая-то конкретная скорость распространения электромагнитных возмущений, и для эфира она равна скорости света c. А поскольку всё есть эфир, в т.ч. и сами элементарные частицы, и электромагнитные волны, и "поля", то вся материя этого мира подчиняется тому же условию - постоянству скорости распространения возмущений. В итоге все "релятивистские явления" имеют в своей основе эту скорость и могут быть выражены через неё. Но мы это делаем не путём пусть гениальных, но умозрительных догадок, а последовательно раскрывая механизмы физических явлений .

Итак, проговорим цепочку базовых релятивистских ялений в их взаимосвязи:

Из-за постоянства скорости распространения возмущений в эфире и строения частиц они вынуждено изменяют свою форму при движении (сокращаются в направлении движения), это вызывает искажение их электрического поля и, как следствие, соответствующее сокращение размеров любых материальных объектов, это автоматически приводит к увеличению инертности (массы) как самих частиц так и всех материальных объектов, что в свою очередь приводит к замедлению темпа внутренних процессов во всех составных системах, начиная с атомов и атомоподобных составных частиц. Результатом является невозможность (изнутри движущейся системы) обнаружить ни изменение размеров, ни изменение темпов. Следовательно, любые измерения скорости света внутри замкнутых систем всегда будут давать одно и то же число, равное скорости света в свободном эфире. Это самым явным образом наводит на мысль, что во Вселенной нет ничего, кроме разнообразно движущегося возмущённого эфира. Мы, люди, выделяем лишь узкий круг возмущений и их движений, которые на сегодня умеем как-то определять и называем их волнами, полями, частицами, атомами и т.п.

I.7.4 РЕЛЯТИВИСТСКИЕ ЭФФЕКТЫ

К наиболее распространённым релятивистским эффектам относятся: сокращение длины и замедление времени. Это одно из важнейших следствий, которое вытекает из лоренцева преобразования.

А. Сокращение длины

Линейные размеры тел в движущейся системе отсчёта сокращаются. При этом сокращаются продольные размеры тела (измеряемые вдоль направления движения). Поперечные размеры тела не зависят от скорости его движения и одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта. Такое сокращение размеров называют лоренцевым сокращением .

Пусть стержень движется вместе с системой отсчёта относительно системы так, как показано на рисунке 44. Длина стержня измеренная в системе равна .

Длина тела в системе отсчёта, где оно покоится (), называется собственной длиной . Для определения длины () движущегося стержня в системе необходимо найти координаты и точек и конца и начала стержня в один и тот же момент времени по часам в системе : .

Из преобразований Лоренца следует, что

, или

. (I.163)

Длина тела зависит от скорости его движения. Собственная длина тела является его наибольшей длиной. Линейный размер тела, движущегося относительно инерциальной системы отсчёта, уменьшается в направлении движения в раз (лоренцево сокращение длины ).

Лоренцево сокращение длины является кинематическим эффектом специальной теории относительности и не связано с действием каких-либо сил, «сдавливающих» стержень вдоль его длины.

В полном соответствии с принципом относительности эффект сокращения длины стержня является взаимным: если такой же стержень покоится в системе отсчёта , то его длина в этой системе отсчёта равна , а в системе длина будет меньше в соответствии с приведённой формулой.

Как видно из формулы (I.163), эффект сокращения длины зависит от относительной скорости систем отсчёта и становится особенно заметным для скоростей, сравнимых со скоростью света. При , . Зависимость лоренцева сокращения от скорости показана на рисунке 45.

Из лоренцева сокращения следует, что никакое тело не может двигаться в пространстве со скоростью . Иначе это означало бы, что длина тела является мнимой величиной или обращается в нуль.

В. Замедление времени

Теперь перейдём ко второму основному измерению – измерению хода часов.

Если два события в системе происходят в одной и той же точке не одновременно, а разделены интервалом времени (этот промежуток времени называют собственным временем ), то интервал в системе тех же событий в системе в соответствии с (I.161) будет определяться формулой

(I.164)

Соответственно для получаем

(I.165)

Если одна система отсчёта движется относительно другой, то временной интервал между двумя событиями в «движущейся» системе отсчёта оказывается больше, чем в «неподвижной» системе (парадокс часов).

Временной интервал между двумя событиями зависит от системы отсчёта, т.е. является относительной.

Так как при любой скорости отличной от нуля , то собственное время меньше, чем промежуток времени между этими же событиями, измеренный в любой другой системе отсчёта. Этот эффект называют релятивистским замедлением или «растяжением» времени. Замедление времени является следствием инвариантности скорости света.

С эффектом замедления времени связан так называемый парадокс близнецов . Парадокс близнецов – мысленный эксперимент с двумя близнецами, движущимися относительно друг друга. Согласно эффекту релятивистского замедления времени каждый из близнецов считает (и это подтверждается его наблюдениями), что часы другого близнеца идут медленнее, чем его часы. Если один из близнецов улетит, а потом вернётся, то кто из них окажется младше?

Согласно специальной теории относительности младше окажется улетевший и вернувшийся. Возникает парадокс: «Почему, если каждый видел, что время замедляется у другого, младше становится именно улетавший?»

Попробуем дать простейшее объяснение данному парадоксу.

Близнец, который вернулся, неизбежно должен был изменить свою скорость. Поэтому его система отсчёта не является инерциальной (он должен двигаться с ускорением). А согласно СТО равноправны только инерциальные системы. Следовательно, нет ничего удивительного, что системы оказываются несимметричными.

Хотя такая ситуация и необычна, в ней нет внутреннего противоречия, а многочисленные эксперименты по релятивистскому замедлению времени подтверждают теорию относительности и дают основание утверждать, что так и будет на самом деле.

Вследствие замедления времени и сокращения длины скорость в инерциальной системе, движущейся относительно данной системы, также изменяется по величине и направлению.

С. Релятивистский закон сложения скоростей

Ещё одним важным следствием из преобразований Лоренца является изменение теоремы сложения скоростей по сравнению с классической механикой

Существует два способа сложения скоростей в зависимости от того, в какой системе отсчёта определены эти скорости.

I способ . Правило параллелограмма.

Пусть тело за время смещается из точки в точку на вектор (по определению средней скорости тела). Затем, за тоже время, тело из точки смещается в точку на вектор . Согласно правилу параллелограмма для смещений , где (рис.46). Заменим , и их значениями, тогда можно будет записать следующее выражение . Отсюда получаем параллелограмм скоростей

, (I.166)

который никак не связан с принципом относительности, так как все рассуждения проводились в одной и той же системе отсчёта, где измерены и . Уравнение (I.166) представляет собой разложение вектора на составляющие.

II способ . Правило Эйнштейна.

Совсем другая ситуация возникает, когда необходимо сделать пересчёт скоростей из одной системы отсчёта в другую.

Закон сложения скоростей в механике Ньютона противоречит постулатам СТО и заменяется в СТО новым, релятивистским законом сложения скоростей. Релятивистским называется закон сложения скоростей , вытекающий из преобразований Лоренца. Этот закон удовлетворяет постулатам СТО и предельному характеру скорости света в вакууме.

Если материальная точка или тело движется вдоль осей и в инерциальных системах и и имеет в этих системах скорости, равные соответственно и , то

явления, наблюдаемые при скоростях тел (частиц), сравнимых со скоростью света. К ним относятся: Лоренца - Фицджеральда сокращение, релятивистское замедление времени, увеличение массы тела с ростом его энергии и т. п., рассматриваемые в частной (специальной) относительности теории (См. Относительности теория). Релятивистскими называются также эффекты общей теории относительности (релятивистской теории тяготения), например эффект замедления течения времени в сильном поле тяготения (см. Тяготение).

"Релятивистские эффекты" в книгах

Эффекты при видеосъемках