К КРИТИКЕ ФИЗИЧЕСКОЙ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

В этом году исполнилось 100 лет со дня поступления в физический журнал "Annalen der Physik" статьи А. Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел», которая легла в основу специальной теории относительности (СТО).
Выводы, сделанные в этой работе, привели к изменению взглядов на окружающий мир не только в физике, но и областях знания, далеких от нее. Благодаря СТО, релятивизм (учение, ставящее относительность во главу угла; relativ – на латыни относительность), имевший чисто философскую окраску, приобрел физическое наполнение, а относительность стала рассматриваться как всеобщее универсальное свойство материального мира.
В наши дни многие убеждены в том, что в этой работе Эйнштейн доказал относительность пространства, времени, массы, а кое-кто из людей, далеких от физики, уверен в правильности мысли об относительности всего на белом света (все в мире относительно!).
Убежденность в релятивистском характере творения Эйнштейна по сей день сохраняется у значительной части физиков, не говоря уже о представителях других дисциплин. Однако за сто лет, а особенно за за последние полтора-два десятилетия произошла переоценка релятивистских положений, выдвинутых в упомянутой работе Эйнштейна, которую давно пора учесть популяризаторам СТО, продолжающим от имени теории относительности насаждать релятивизм и популяризировать такие эффекты, как относительность массы.
В своей первой работе Эйнштейн действительно получил относительность ряда физических величин – длины, массы, длительности процессов. При этом принцип относительности Эйнштейн сформулировал своеобразным образом, выделив в нем не свойство относительности величин, а напротив, безотносительность, инвариантность физических законов (их неизменность при смене инерциальных систем отсчета).
Обнаружив преобразования, которые обеспечивают инвариантность законов (эти преобразования известны сегодня как преобразования Лоренца), Эйнштейн пришел к выводу что длина стержня, масса тела, промежутки времени относительны, т.е. зависят от произвольного выбора системы отсчета: например, в системе отсчета, в которой тело движется, оно имеет массу, которая превышает массу того же тела, находящегося в состоянии покоя в другой системе отсчета. Длина стержня также оказывается разной в разных системах отсчета – в системе отсчета, в которой данный стержень движется в продольном направлении, он обладает меньшей длиной, чем в системе отсчета, в которой он покоится.
Скептики сомневались в том, что количественное содержание данного свойства в теле, например, его длина или масса, может изменяться от условий наблюдений этого тела, при отсутствии собственных изменений самого тела. Изменить массу тела, не оказывая физического воздействия на это тело, а меняя систему отсчета (переходя или перенося приборы в другую систему отсчета) многим казалось невозможным, тем более, что такое поведение тел нарушало причинно-следственную связь. Действительно, оказав физическое воздействие на тело А, соседствующее с точно таким же телом В, и ускорив его до большой скорости v, можно увеличить массу тела А, но это увеличение массы нельзя считать причиной физического воздействия на него, поскольку в системе отсчета, в которой после его разгона тело А покоится, более массивным оказывается не тело А, а, напротив, тело В, оставшееся в изначальной системе отсчета, не претерпевшее ускорение, но движущееся в той системе отсчета, в которой после завершения ускорения покоится тело А.
Но факты выбивали почву из под ног скептиков. Увеличение массы тела при увеличении скорости тела экспериментально наблюдалось в ускорителях элементарных частиц, а так как относительность скорости ни у кого не вызывает сомнения, то и массу следовало считать относительной. Относительность массы и ее зависимость от скорости можно отнести к самому проверяемому и к самому проверенному выводу Эйнштейна.
Правда, вскоре после выхода работы Эйнштейна Г. Минковский предложил формальную математическую модель, в которой привычные и используемые в экспериментальной физике величины, подменялись их четырехмерными «аналогами», которые обладали свойством инвариантности (Минковский писал, что термин «постулат относительности» кажется ему слишком бледным и предлагал дать этому постулату название «постулата абсолютного мира»).
Инвариантность четырехмерных пространственно-временных величин Минковский считал свидетельством реальности единого четырехмерного пространства-времени, отсутствие же инвариантности пространственных и временных величин (длин, расстояний, промежутков времени), напротив свидетельством нереальности этих величин и пространства как такового и времени как такового. Однако наступление Минковского на относительность нельзя считать удавшимся за рамках чисто математических конструкций, поскольку не затронуло практическую физику.
Серьезный удар по популяризаторам релятивистской массы был нанесен в 1989 году, когда в журнале «Успехи физических наук» была опубликована статья Л.Б. Окуня «Понятие массы».
В статье было написано: «Время не ждет. Ежегодно миллионами экземпляров тиражируются книги, которые вбивают в головы подрастающих поколений ложные представления о теории относительности. Этот процесс необходимо остановить.»
Нет, Л.Б. Окунь, один из ведущих советских, а ныне российских физиков, не подверг сомнению справедливость теории относительности. Он лишь заявил, что теорию относительности, как она излагается в популярных изданиях, в школьных и вузовских учебниках, следует считать безобразной, а именно это изложение теории относительности сформировало у представителей гуманитарных и прочих нефизических наук представление об относительности как о всеобщем универсальном свойстве материального мира.
В своей работе Л.Б. Окунь, специализирующийся в области физики элементарных частиц и знающий, как ведут себя частицы в ускорителях, заявил, казалось бы противореча экспериментальным фактам, что масса не зависит от выбора системы отсчета, что она лоренц-инвариантна (то есть независима от выбора систем отсчета – безотносительна и одинакова во всех системах отсчета).
«Масса, растущая со скоростью, - это было по-настоящему непонятно и символизировало глубину и великолепие науки и завораживало воображение», пишет Л.Б. Окунь. «Что по сравнению с ней обычная масса, такая простая, такая понятная!» - продолжает он.
Сегодня точка зрения противников релятивистской массы становится общепринятой, по крайней мере в «большой» физике.
Однако есть обстоятельства, которые работают против лоренц-инвариантности массы, хотя и в пользу ее независимости от произвольного выбора системы отсчета. Дело в том, что считать величину эту массу лоренц-инвариантной можно только в тех случаях, когда рассматриваются простейшие объекты – такие как, например, пространственно-протяженные тела с неизменяющейся массой или точечные тела с изменяющейся массой. По отношению к пространственно-протяженным телам с изменяющейся массой утверждение о лоренц-инвариантности массы оказывается неточным.
На некоторых сайтах Интернета предлагается задача, решение которой не может быть получено путем использования окуневского понятия массы. В задаче рассматривается длинный стержень, изготовленный из горючего материала и способный, если его концы поджечь, в течение некоторого времени полностью и без остатка сгореть (процессы горения распространяются при этом по направлению друг к другу). На теле стержня на некотором удалении друг от друга предположительно нанесены две метки А и В.
Рассматривается случай, при котором быстро сгорающий с двух концов стержень летит в некоторой инерциальной системе отсчета К с продольной (одним из концов строго вперед) скоростью около 260 тыс.км/c, причем в некоторый момент времени процессы горения (одновременно по часам системы отсчета К) достигают нанесенных на стержень меток А и В .
Предлагается найти собственную длину и и массу данного, ограниченного метками А и В, остатка горящего стержня в системе отсчета К’, в которой стержень покоится, если длина и масса остатка АВ в системе отсчета К равны, скажем, соответственно 5 км и 500 кг.
В случае обычного негорящего стержня собственная длина стержня, который перемещаясь в некоторой системе отсчета со скоростью 260 тыс.км/c, обладает в ней релятивистской длиной 5 км, оказывается вдвое больше этой релятивистской релятивистской длины.
Хитрость этой задачи состоит в том, что о собственной длине остатка АВ, которая, казалось бы, должна быть равной 10 км, и о сохранении лоренц-инвариантной массы, равной тем же «лоренц-инвариантным» 500 кг в системе отсчета К, где остаток АВ покоится, нельзя говорить, поскольку в системе отсчета К данный остаток не может быть обнаружен ни в какой момент времени – в силу относительности одновременности там может быть в лучшем случае обнаружен остаток, ограниченный с одного из концов только одной из меток А и В.
Таким образом, рассмотренный остаток АВ стержня, ограниченный метками А и В, в принципе не может находиться в состоянии покоя и поэтому не обладает собственной длиной и какой бы то ни было массой вне системы отсчета, в которой он обнаруживается. Он может только двигаться с продольной скоростью 260 тыс.км/c.
То, что существуют объекты, скорость которых не является относительной, показывает и следующий пример.
Представим себе некое шариконадувное устройство, которое срабатывает при попадании на него светового импульса, и при срабатывании устройства быстро надувается и, просуществовав долю секунды, лопается воздушный шарик.
Далее представим себе очень длинный стержень M, обладающий собственной длиной (длиной покоя), равной l, на концах которого закреплено по по одному такому устройству. Предположим, что в центре стержня нанесена полоска магния (стержень выглядит примерно так: х------=------х ; здесь значки х – это шариконадувные устройства, штриховая линия ------- – стержень, а черточка в центре – магниевая полоска). Пусть в какой-то моменты времени происходит магниевая вспышка и импульс света от вспышки, распространяясь в противоположных направлениях, через некоторое время попадает на упомянутые устройства.
После попадания света на шариконанадувные устройства, в системе отсчета, в которой стержень покоится, появляется объект, представляющий собой стержень и два воздушных шарика на его концах (объект похож на гантель и выглядит так: О------------О), существующий в течение очень малого периода времени (кратковременно). Назовем кратковременно существующий объект объектом O-M-O.
Рассмотрим также стержень N, который отличается от стержня M только тем, что магниевая полоска смещена относительно центра вправо (стержень «выглядит» примерно так: х----------=----х).
Можно ли что либо сказать о кинематическом состоянии и о длине (о расстоянии между шариками «гантели», а не о длине стержня самого по себе) каждого из объектов O-M-O и O-N-O, не указывая систему отсчета.
Ограничимся случаем продольного движения стержня и заметим, что здесь не рассматривается стержень без шариков или стержень с одним единственным шариком. РЕЧЬ ИДЕТ ТОЛЬКО О КРАТКОВРЕМЕННО СУЩЕСТВУЮЩИХ ОБЪЕКТАХ O-M-O и O-N-O С ДВУМЯ ШАРИКАМИ!
Нетрудно понять, что объект O-M-O покоится (под покоем мы будем понимать собственно покой или движение со скоростью, малой по сравнению со скоростью света), поскольку он существует только в той системе отсчета, в которой стержень М покоится; длина объекта O-M-O (расстояние между шариками) равна собственной длине l покоя стержня. В любой другой системе отсчета, в которой стержень движется с околосветовой скоростью, объекта O-M-O ни в какой момент времени любой из этих системы не существует – в них могут быть обнаружены стержень с одним из шариков или стержень без шариков, но не может быть обнаружен стержень с двумя одновременно существующими шариками.
Объект же O-N-O движется с большой скоростью вправо, поскольку этот объект существует только в той системе отсчета, в которой стержень движется в указанном направлении с некоторой скоростью v; если скорость v оказывается равной, допустим, 260 тыс.км/с, то его длина (расстояние между шариками) составляет половину длины l. В системе отсчета, в которой стержень покоится или движется со скоростью, значительно отличающейся от скорости v=260 тыс.км/с, ни в какой момент времени не существует объекта O-N-O с двумя шариками.
Рассмотренные примеры показывают, что в каждом из них в разных системах отсчета наблюдатели имеют дело с разными кратковременно существующими объектами, конкретного описания которого оказывается достаточным для определения размеров относительных физических величин каждого из этих объектов без указания системы отсчета. Выбор системы отсчета в этом случае становится актом, зависящим от того, что из себя представляет описанный объект.
Более детальный анализ показывает, что и стержень сам по себе представляет собой разные объекты в разных системах отсчета. Особенно наглядно это отличие обнаруживается, если предположить, что стержень изготовлен из радиоактивного материала с малым периодом полураспада.
Скорость радиоактивного стержня относительна только тогда, когда стержень с равномерно распределенной линейной плотностью активности по его длине и стержень с неравномерно распределенной плотности активностью рассматривается как один и тот же объект, тождественный самому себе. Скорость такого стержня действительно относительна, но ее относительность представляет собой обычную неопределенность, обусловленную неопределенностью понятия «один и тот же стержень». Скорость же стержня v с определенным, например равномерным, распределением активности абсолютна и вполне определенна, поскольку такой стержень не может быть обнаружен в системах отсчета в которых он движется со скоростью, отличной от данной скорости v.
Физическая относительность в целом есть неопределенность, порожденная неопределенностью понятия «физический объект». При достаточной степени конкретизации физического объекта существует только одна система отсчета, в которой может быть обнаружен данный объект и измерены принадлежащие ему размеры физических величин.
Примеры с остатком АВ горящего с двух сторон стержня и с «гантелью» наглядно показывают правильность рассмотрения физической относительности как неопределенности, устраняемой конкретизацией физических объектов. Такой подход к проблеме физической относительности был предложен в книге [1], которая по настоящее время остается незамеченной философами и физиками, работающими в этой области.

_____________________________________________

Литература:

1. В.Н. Матвеев. В третье тысячелетие без физической относительности. М., ЧеРо, 2000.