О теории относительности
О теории относительности
Теория относительности описана во множестве вариантов, в том числе и популярных. И ее способен понять любой, кто не будет стремиться найти полные аналогии ее представлений с привычной окружающей действительностью. Вот сейчас и попробуем :)
Далее приводятся выдержки из статей, с оригиналами которых можно ознакомиться, перейдя по ссылке в их названии.
Сначала - об истории возникновения теории относительности.
Созданная в первые годы нашего века теория положила начало радикальному преобразованию ранее сложившихся физических представлений, легла в основу современной физики.
...
В тот же период в физике формировались также исходные положения другой новой, еще более радикальной физической теории - квантовой механики.
...
Необычность выводов новой теории по самым, казалось бы, простым вопросам неизменно вызывала огромный интерес и за пределами научных кругов. Пожалуй, в широкой известности этой теории, в ее популярности, организованной, в основном, далекими от науки литераторами, и заключена одна из причин историографических отступлений от точного и объективного описания истории крупнейшего научного открытия XX века. Искажения истории состояли не только в полном забвении решающего вклада выдающегося французского ученого Анри Пуанкаре в начальный период формирования исходных идей новой теории, но и в недооценке его фундаментальных работ 1905(06) г. по созданию самой теории. Отступлением от явного замалчивания этих работ стало издание на русском языке в 1935 г. сборника работ классиков релятивизма под редакцией В.К. Фредерикса и Д.Д. Иваненко [I].
В отличие от изданного в 1913 г. в Германии сборника, русское издание включало основную работу А. Пуанкаре 1905(06) г. В примечаниях редакторов к статьям сборника было подчеркнуто, что основная статья Пуанкаре "содержит в себе не только параллельную ей работу Эйнштейна, но в некоторых своих частях и значительно более позднюю - почти на три года - статью Минковского, а, отчасти даже, превосходит последнюю" ([1], с. 367), а факт забвения этой фундаментальной работы был охарактеризован как не имеющий аналогов в современной физике.
...
...знаменитый французский математик и физик-теоретик Анри Пуанкаре в 1899 г. в своих лекциях в Сорбонне высказал твердое убеждение в принципиальной невозможности наблюдения в оптических опытах абсолютного движения в силу строгого выполнения принципа относительности для оптических явлений. Эту идею ученый высказал затем и в докладе на Международном физическом конгрессе в Париже в 1900 г.
В своей книге Э.Уиттекер привел следующее весьма четкое предсказание новой механики из доклада А. Пуанкаре на конгрессе искусств и науки в Сент-Луисе (1904): "На основе всех этих результатов должна появиться новая динамика, которая, помимо всего прочего, характеризовалась бы правилом, что ничто не может иметь скорость, превышающую скорость света".
...
Пуанкаре отметил, что постулат постоянства скорости света "дал нам новое правило для поиска одновременности".
...
Эти весьма глубокие соображения дали ему полное основание закончить статью следующим категорическим выводом: "Одновременность двух событий или порядок их следования, равенство двух длительностей должны определяться таким образом, чтобы формулировка естественных законов была бы настолько простой, насколько это возможно. Другими словами, все эти правила, все эти определения являются лишь плодом неосознанного соглашения".
...
Дальнейшее развитие идеи определения времени на основе постулата о постоянстве скорости света было дано Пуанкаре в статье 1900 г. "Теория Лоренца и принцип реакции" [18]. В этой работе впервые была дана физическая интерпретация введенного Лоренцем "местного" времени как времени, соответствующего показаниям часов, синхронизованных световым сигналом в предположении постоянства скорости света. Так, Пуанкаре в этой работе писал: "Я предполагаю, что наблюдатели, расположенные в различных точках, регулируют свои часы с помощью световых сигналов, что они подправляют эти сигналы на время передачи, игнорируя при этом поступательное движение, в котором они находятся, и считая вследствие этого, что сигналы распространяются одинаково быстро в обоих направлениях. Они ограничиваются тем, что проводят перекрестные наблюдения, посылая сигналы из А в В, затем - из В в А. Местное время t' есть время, отмечаемое часами, отрегулированными таким образом" ([18], с. 272). Эта работа игнорировалась историографией, хотя его разъяснения сущности собственного времени в инерциальных системах были приняты наукой после того, как Эйнштейн в своей знаменитой работе 1905 г. повторил те же рассуждения, сохранив в них даже характерную для Пуанкаре операционалистскую подмену времени показаниями часов.
...
К данному периоду следует отнести и работы, в которых были получены новые преобразования пространственно-временных координат, занявшие затем центральное место в теории. ... впервые Лоренц пришел к этим преобразованиям, получившим по предложению Пуанкаре название группы Лоренца, в работе 1899 г.
...
...к концу прошлого века проблема объяснения отсутствия "эфирного ветра" трудами Пуанкаре, Лоренца и Лармора была достаточно подготовлена для окончательного решения. В частности, Пуанкаре уже высказал в научной печати основные необходимые и достаточные исходные положения. Именно этой завершенностью идейной подготовки, на наш взгляд, объясняется тот факт, что научная проблема, остро вставшая перед физиками более пятнадцати лет назад, была решена в течение сравнительно короткого времени (в 1904-1905 годах) тремя выдающимися учеными - Лоренцем [4], Пуанкаре [5] и Эйнштейном [б]. Работа Лоренца была доложена на заседании Амстердамской Академии наук 23 апреля 1904 г. и напечатана 27 мая 1904 г.; краткое сообщение о полученных результатах было сделано Пуанкаре 5 июня 1905 г. и под этой же датой было опубликовано в докладах Французской Академии наук, а его следующая статья под тем же названием поступила в печать 23 июля 1905 г. и была опубликована в январе 1906 г;6 статья Эйнштейна поступила в журнал 30 июня 1905 г. и опубликована была в сентябрьском номере того же года.
...
Статья Эйнштейна (тогда никому не известного молодого исследователя), опубликованная в центральном немецком научном журнале ("Аnnalen der Physik"), сразу же обратила на себя большое внимание. Чтобы подчеркнуть необычность возникшего внимания и указать на нетривиальность объяснения огромного успеха работы молодого ученого, заметим, что статья Эйнштейна не содержала ни одного нового соотношения или нового физического эффекта, не опубликованного до 1905 года.
...
Этот несомненный успех статьи можно было бы объяснить только вескими и объективными причинами, а именно, в том случае, если бы статья Эйнштейна содержала последовательное, строгое и целостное построение новой физической теории с подробным объяснением необходимости принятия новых представлений о пространстве и времени и содержала наглядное разъяснение физического смысла нового понятия о собственном времени каждой инерциальной системы координат.
Но, отмечая преимущества статьи Эйнштейна по сравнению с параллельными работами других авторов, не следует впадать в крайность и считать, что этими важными для признания теории преимуществами одного из первых изложений теории сколько-нибудь исчерпывался сам предмет научного исследования. На самом же деле работы Лоренца, Пуанкере и Эйнштейна, дополняя друг друга, вскрывали разные аспекты проблемы, и, в том числе, важнейшее понимание абсолютного содержания теории.
...
Физика, накопив свои проблемы, как бы ждала прихода такого проницательного ученого, который своим свежим взглядом сумеет заметить давно созревшие для решения проблемы и снять обильный урожай, отделив их от проблем, требующих дальнейшего длительного созревания, упорного подготовительного труда крупнейших исследователей. Так, например, давно ждала своего решения проблема доказательства существования атомов и молекул. Крайне нуждалась в дальнейшем развитии и радикальная гипотеза М. Планка о дискретных уровнях осцилляторов вещества. Настоятельно требовала объяснения давняя проблема невозможности наблюдения каких-либо эффектов, связанных с абсолютным движением системы через эфир. Также окончательного решения ожидала проблема взаимосвязи энергии и массы, поставленная еще в 1881 г. Дж. Дж. Томсоном как задача увеличения массы наэлектризованного тела.
Перечисленные выше проблемы потому и накопились в физике к началу XX века, что их окончательное решение, а в случае с квантом действия Планка даже дальнейшее развитие самой идеи, требовали необычайной смелости мышления, способности посягнуть на, казалось бы, незыблемые устои классической физики Ньютона.
...
Но успешное развитие смелых новаторских начинаний других ученых, причем одновременно по нескольким научным направлениям, для Эйнштейна было характерно только в начальный период его научной деятельности. В дальнейшем при создании общей теории относительности и затем при затянувшихся на 35 лет поисках единой теории гравитации и электромагнетизма Эйнштейн показал пример упорного труда, сосредоточенного целиком на одной проблеме, проявив при этом полную самостоятельность и в самом выборе научной тематики.
...
...хотя в статье Эйнштейна не содержалось новых предсказаний каких-либо физических эффектов по сравнению с более ранними работами Лармора [19] и Лоренца [4], но она давала единое объяснение всем этим эффектам на основе нового представления о пространстве и времени, и при этом в статье содержалось одно совершенно новое утверждение об обратимости этих эффектов. В статье Эйнштейна об этом было сказано всего одна фраза: "Ясно, что те же результаты получаются для тел, которые находятся в покое в покоящейся системе, но рассматриваются из равномерно движущейся системы." Но именно эта фраза характеризует важнейший аспект понимания новой теории и делает очевидной полную необоснованность лоренцевского объяснения возникновения кинематических эффектов движением системы в эфире. (Об эфирных теориях смотрите в Современные теории эфира)
...
Уже в своих выступлениях в Германии по ряду вопросов, связанных с новой физической теорией, Пуанкаре свое мнение явно противопоставлял тому освещению происшедшего в науке переворота, которое начало усиленно распространяться в этой стране. После выступлений в печати авторитетных ученых М. Планка и Г. Минковского с безоговорочной поддержкой "теории относительности", и особенно после выступления Минковского в сентябре 1908 г. на широком форуме немецких естествоиспытателей и врачей, эта теория начала пропагандироваться уже в широкой среде немецкой интеллигенции. Падкие до научных сенсаций журналисты вынесли ее обсуждение далеко за пределы научных кругов, сосредоточив внимание лишь на пространственно-временном аспекте теории и на Эйнштейне как на единственном создателе этой теории, без всякого упоминания о первоначальном вкладе голладского ученого Г. Лоренца.
В своих лекциях Пуанкаре и противопоставил этой пропаганде усиленное подчеркивание создания Лоренцем новой механики околосветовых скоростей движения и решающее значение этой механики для всего нового теоретического построения. Но вместе с тем он обсуждал также и имеющиеся пока сомнения в экспериментальном подтверждении самой основы этой теории. Похоже, что, акцентируя внимание на неясности ситуации с экспериментальным подтверждением новой теории, докладчик хотел охладить пыл любителей "делить шкуру неубитого медведя". Во всяком случае, этими сомнениями Пуанкаре старался привлечь ученых для внимательного рассмотрения всех аспектов новой теории.
Представления о том, как создавались концепции теории относительности были бы слишком неполными и несколько тенденциозными, без ознакомления с работой Имре Лакатос в Фальсификация и методология научно-исследовательских программ (470 кб). Очень рекомендую ее тем, кто заинтересовался именно этой стороной вопроса. Однако, у нас задача сейчас - понимание сущности некоторых наиболее интересных положений теории относительности, поэтому не будем отвлекаться.
Парадоксы теории относительности. Лучше всего полностью прочитать саму статью, но вот ее некоторые выдержки:
...вспомним, какие три явления должны наблюдаться, если скорость света не зависит от скорости её (скорости) наблюдателя:
1. замедление времени - этот вывод следует из наблюдения за светом, который движется перпендикулярно движению наблюдателя; с точки зрения неподвижного наблюдателя, свет преодолевает прямой путь некоторой длины, с точки зрения движущегося - наклонный, более длинный путь; следовательно, часы движущегося наблюдателя должны идти медленнее, чтобы он счёл, что свет преодолел более длинное расстояние за большее время и получи ту же скорость; из этого же наблюдения получается пропорция, в которой замедляется время -
![[sqrt(1 - v^2/c^2)]](pop_STO/sqrt.gif){kind=small}
. Об этом подробно рассказано в рассылках Замедление времени и Измерим замедление времени. 2. сокращение (лоренцево) длин предметов - этот вывод следует из наблюдения с разных точек зрения за тем, как короткоживущий объект (космическая частица) успевает до своей смерти преодолеть расстояние, которое он преодолеть, казалось бы, успеть не может. С точки зрения неподвижного наблюдателя это происходит потому, что время у объекта замедляется и он проживает дольше. С точки зрения самого объекта это происходит потому, что сокращается само расстояние, которое ему нужно преодолеть. Пропорция, в которой происходит лоренцево сокращение - точно та же, что и для замедления времени. Об этом подробно рассказано в рассылках Лоренцево сокращение и Измерим лоренцево сокращение.
3. относительность одновременности - этот вывод следует из сопоставления явления замедления времени с фактом относительности движения - если А движется, а Б покоится, то это тоже самое, что Б движется назад, а А покоится; из этого следует, что если с точки зрения А время замедляется у Б, то с точки зрения Б время должно замедляться у А - такое сперва не укладывается в голове, кажется, что если А замедлен относительно Б, то Б относительно А должен быть ускорен; но это неверно и в природе всё иначе - из-за того, что одновременность относительна, то есть, из-за того, что Б в некоторый момент считает одновременным себе не тот момент из жизни А, находясь в котором А считает одновременным первоначальный момент у Б.
Теперь соединим вместе работу всех трёх явлений и посмотрим, что они дают сообща.
Представим, что некто летит вдогонку свету с такой скоростью, что его время и его длины сокращаются в два раза (работают первые два явления). Для этого наблюдатель должен лететь со скоростью около 260 тысяч километров в секунду (получено по формуле -
из которой найдено v, при котором всё выражение становится равно 0,5). Пусть он вылетает из начальной точки вместе со световым импульсом, а за всем этим наблюдаем мы - неподвижный наблюдатель.Мы увидим, что в тот момент, когда по нашим часам пройдет 1 секунда и свет пролетит 300 тысяч километров, по часам движущегося наблюдателя пройдет всего 1/2 секунды. Начало его линейки будет находиться на расстоянии 260 тысяч километров от нас, а свет - на расстоянии 300. Поскольку линейка сокращена, то наша разница в расстояниях 300 - 260 = 40 тыс. км означает, что свет будет находиться напротив деления 40*2 = 80 линейки движущегося наблюдателя.
Если мы подождём, пока по часам движущегося наблюдателя пройдёт ровно одна секунда, то в этот момент по нашим часам пройдёт две. Свет улетит от нас на расстояние 600 тыс. км, а начало линейки движущегося наблюдателя - на 260*2 = 520. Разница в расстояниях между началом линейки и положением света 600 - 520 = 80 отобразится по укороченной линейке движущегося наблюдателя в величину 80*2 = 160 тысяч километров - именно напротив этого деления в этот момент будет находиться свет.
Значит ли это, что движущийся наблюдатель получит скорость света, равную 160 тыс. км/с? Конечно же нет!
Поскольку постоянство скорости света - это постулат, то мы сейчас заставим движущегося наблюдателя исхитриться и получить 300 тыс. км/с! :-)
Для этого воспользуемся третьим явлением - относительностью одновременности.
Очевидно, что те два события (событие 1 - показания часов движущегося наблюдателя, равные 1 сек и событие 2 - положение светового импульса напротив отметки в 160 тыс. км), которые для нас являются одновременными - не являются одновременными для движущегося наблюдателя. А для того, чтобы правильно измерить скорость, он должен найти положение света напротив линейки, одновременное с моментом показа 1 с на его часах.
...
Выводы
Мы обнаружили, что опыт по наблюдению за тем, как движущийся наблюдатель летит вдогонку свету является очень богатым источником различных закономерностей.
Пытаясь понять, каким образом оба наблюдателя получают одну и ту же скорость, нам пришлось привлечь все три обнаруженных нами ранее явления: замедление времени, сокращение длин и относительность одновременности.
В итоге мы увидели, что неизменная скорость света вполне возможна, при условии, если мы будем наблюдать мир движущегося наблюдателя не только сплюснутым и замедленным, но и разбитым на множество прилегающих моментов времени. Протяжённый предмет мы должны наблюдать в разные моменты его "жизни".
Сложное соответствие между расстояниями и временами у движущегося наблюдателя и расстояниями и временами у нас (у неподвижного наблюдателя) - называется преобразованием Лоренца.
Смотрите также подборку О скорости света.
В статье Черные дыры и структура пространства-времени:
Время относительно, а скорость света абсолютна. Это противоречит нашим интуитивным представлениям о мире, так как эффект этот на нас практически не сказывается, поскольку мы обычно путешествуем на скоростях, которые очень далеки от скорости света, а время измеряем не с абсолютной точностью. Однако в ускорителях элементарных частиц этот эффект наблюдается постоянно. При скоростях, близких к скорости света, частицы живут значительно дольше.
...
Эйнштейн осознал, что теория Ньютона противоречит теории относительности, поскольку согласно ньютоновской теории гравитационное взаимодействие между телами передается мгновенно. В 1915 году Эйнштейн решил эту проблему таким образом, что из этого решения естественным путем вытекает и принцип эквивалентности. Свою новую концепцию Эйнштейн назвал общей теорией относительности. Он предположил, что гравитация возникает вследствие искривления пространства-времени. В искривленном пространстве-времени частицы движутся по кратчайшим траекториям. Изначально параллельные линии таких траекторий в искривленном пространстве-времени могут сближаться.
...
пространство-время - не самое фундаментальное понятие. Оно порождается более фундаментальными понятиями, и его законы вступают в силу лишь после некоторого удаления наблюдателя от объекта изучения. Позвольте привести аналогию. Предположим, мы наблюдаем поверхность озера. Мы видим волны, мы видим жуков-плавунцов, бегающих по поверхности воды и т. п. Поверхность озера представляется нам ясной и вполне описываемой. Действительно, мы даже можем написать уравнения, описывающие распространение волн, силы поверхностного натяжения и т. д. Теперь, предположим, нам захотелось изучить структуру поверхности воды более пристально. Под микроскопом мы увидим, что поверхность воды наблюдается не столь отчетливо, как раньше. А уж если мы посмотрим на неё в электронный микроскоп, то мы и вовсе увидим, как с поверхности воды беспрестанно срываются испаряющиеся молекулы, а их место занимают конденсирующиеся молекулы воды из воздуха, и поймём, что граница между водой и воздухом носит чисто условный характер, поскольку точно определить её местоположение невозможно. При ближайшем рассмотрении оказывается, что мы недостаточно чётко дали определение поверхности воды, что нужно, оказывается, каким-то образом включить в него явления, происходящие на уровне отдельных молекул. В точности так же и определение пространства-времени при рассмотрении последнего в самых микроскопических масштабах утрачивает былую определенность. И выясняется, что на этом уровне главной является концепция слоя пограничных частиц, а само пространство-время - суть проявление их совокупных свойств.
В статье Новодерёжкина В.Е. О постоянстве скорости света. Анализ постулатов Эйнштейна:
Главная аксиоматика теории относительности выражена в цитате А.Эйнштейна 1922 г. [8, стр. 27]:«Все опыты показывают, что поступательное движение Земли не влияет на электромагнитные и оптические явления по отношению к Земле, как к телу отсчета. Наиболее важными из этих опытов являются опыты Майкельсона и Морли, которые я предполагаю известными. Таким образом, справедливость специального принципа относительности вряд ли может вызывать сомнения»
... В опыте Майкельсона – Морли световые волны распространяются в двух взаимно перпендикулярных направлениях с одинаковой скоростью С относительно «эфира», но в процессе измерений поочередно одно из плеч интерферометра движется вдоль световых волн, а второе – перпендикулярно им. Движение плеча интерферометра вдоль световых волн приводит не только к искомому в опыте изменению интервала времени прохождения луча света вдоль плеча «туда» и «обратно», но и к изменениям частоты световых колебаний на зеркалах, расположенных в этом плече интерферометра. Эти изменения частоты колебаний наглядно проиллюстрированы flash-моделью.
...
Зададимся простым, на первый взгляд, вопросом: «относительно чего постоянна скорость света в специальной теории относительности (СТО)?». Многие из тех, кому я задавал этот вопрос, удивленно пожимали плечами, но, подумав, несколько неуверенно произносили: «относительно пустоты». Однако на практике скорость движения одного материального объекта (в том числе – частицы или световой волны) может быть определена относительно системы отсчета, связанной с некоторым другим материальным объектом, а не «относительно пустоты», поскольку сама пустота, если она действительно может существовать в природе, не является материей и не характеризуется никакими физическими константами.
...Тогда, все-таки, относительно чего она постоянна?
...движение приемника света и движение света не связаны между собой никакой причинно-следственной зависимостью, и ничем не ограничиваемая в «совершенно пустой» области пространства скорость «приемника света» в принципе может иметь любое произвольное значение относительно движущихся световых волн. Если свет и приемник движутся независимо друг от друга, то каким же образом значение скорости света оказывается всегда равным С относительно «приемника света»? Вопреки практике и логике по А. Эйнштейну «мы должны считать» движение света таким движением, скорость которого постоянна и равна С относительно любого объекта (и связанной с ним координатной системы), равномерно движущегося в любом направлении с произвольной скоростью относительно других объектов в «совершенно пустой» области пространства. Такое относительное движение света и приемника, если оно может существовать, коренным образом отличается от обычного независимого движения, каковым является любое относительное движение не связанных между собой материальных объектов.
А. Эйнштейн постулирует существование в природе совершенно нового для физики явления – абсолютной скорости движения света, имеющей одно и то же значение при измерении ее в любом множестве координатных систем, движущихся относительно друг друга «в пустоте». Выдвижение такого постулата, в свою очередь, неизбежно должно привести и действительно приводит в СТО к отказу от безоговорочно признаваемых классической физикой абсолютного времени и абсолютного пространства, размеры единиц времени и длины в которых одинаковы для всех координатных систем.
... пространство и время, в которых движутся объекты, обладают свойством изменяться в зависимости от скорости движения этих объектов.
... поскольку объекты движутся с одинаковой скоростью С относительно волн общего луча света, результат «вычислений» пространством и временем скорости движения объектов относительно друг друга всегда должен быть равен нулю (!), с какой бы относительной скоростью в действительности не передвигались эти объекты – «приемники света».
...«... законы природы не зависят от состояния движения системы отсчета, по крайней мере, если она не ускорена»
...
О чем свидетельствует масса известных экспериментов, в которых «регистрируется» несуществующее реально релятивистское «замедление» времени? Ответ может быть один. В действительности экспериментаторы регистрируют не кажущееся замедление времени, а реальное замедление скорости протекания физических процессов, происходящих в материальных объектах, движущихся относительно нас с большими скоростями, сопоставимыми со скоростью света, или с большими ускорениями.
В статье Что глобальная навигационная система GPS говорит нам об относительности:
Глобальная навигационная система [Global Positioning System (GPS)] состоит из сети 24 спутников, находящихся примерно на 12-часовых орбитах, на борту каждого из которых имеются атомные часы. Орбитальный радиус спутников - приблизительно равен четырем Земным радиусам (26 600 км). Орбиты почти круговые, с типичным эксцентриситетом, меньшим чем 1 %. Наклон орбиты к экватору Земли - обычно 55 градусов. Спутники имеют орбитальные скорости около 3,9 км/с в системе координат с началом в центре Земли и не вращающейся относительно отдаленных звезд. Расчетные орбиты спутников лежат в шести равноотстоящих плоскостях. В каждой плоскости находится по четыре спутника, а угловое расстояние между спутниками в каждой плоскости равно примерно 90 градусам. Орбитальные периоды спутников приблизительно равны 11 часам и 58 минутам так, что проекция траектории спутника на поверхность Земли повторяется день за днем, потому что Земля делает один оборот относительно звезд каждые 23 часа и 56 минут. (Четыре дополнительных минуты требуются, чтобы точка на Земле возвратилась в положение непосредственно под Солнцем, потому что Солнце перемещается приблизительно на один градус в день относительно звезд.)
Бортовые атомные часы имеют точность приблизительно в 1 наносекунду (нс) по времени, и приблизительно 1 нс/день по скорости хода. Так как скорость света приблизительно равна одному футу (1 фут = 30,48 см) в наносекунду, то система способна с удивительной точностью определять расположении объектов на Земле или в околоземной окружающей среде.
...
Общая теория относительности (ОТО) предсказывает, что часы в более сильном поле тяготения идут с меньшим темпом. Специальная теория относительности (СТО) предсказывает, что движущиеся часы кажутся идущими медленнее, чем неподвижные часы. Примечательно, что эти два эффекта компенсируют друг друга для часов, расположенных на уровне моря где-нибудь на Земле. Так, если в качестве опорных использовать гипотетические часы на северном или южном полюсе Земли, то часы на земном экваторе идут медленнее из-за относительной скорости вследствие вращения Земли, но быстрее из-за большего расстояния от центра масс Земли вследствие сплющенности Земли. Из-за того, что скорость вращения Земли определяет ее форму, эти два эффекта не являются независимыми, и именно поэтому они не полностью компенсируют друг друга. Однако в общем случае компенсации не происходит. Часы на любой высоте над уровнем моря идут быстрее, чем часы, находящиеся на уровне моря; а часы на движущейся ракете идут медленнее, чем неподвижные часы.
ОТО предсказывает для спутников системы GPS, что атомные часы на орбитальных высотах спутников GPS идут быстрее примерно на 45900 нс/день, потому что они находятся в более слабом поле тяготения, чем атомные часы на земной поверхности. Специальная теория относительности (СТО) предсказывает, что атомные часы, перемещающиеся с орбитальной скоростью спутников системы GPS идут медленнее примерно на 7200 нс/день, чем неподвижные наземные часы. Чтобы не иметь часы с такими большими различиями скорости хода, спутниковые часы перед запуском регулируют на такую скорость хода, чтобы компенсировать эти предсказанные эффекты. На практике это достигается просто путем изменения международного определения числа периодов при атомных переходах, которые составляют односекундный интервал. Поэтому, мы сначала перед запуском наблюдаем темп хода часов с введенным смещением темпа хода. Затем мы наблюдаем темп хода часов после их запуска на орбиту и сравниваем их темпы с предсказаниями теории относительности, как суммарный эффект ОТО и СТО. Если предсказания правильны, то мы должны видеть, что часы снова идут с почти тем же самым темпом, что и часы на земле, несмотря на использование измененного определения для длительности одной секунды.
Мы обращаем внимание, что это сравнение темпа хода часов после запуска не зависит от рассматриваемой системы отсчета или рассматриваемого наблюдателя. Поскольку проекция траектории на поверхность земли повторяется день за днем, расстояние от спутника до поверхности земли остается по существу неизменным.
...
Информация от самых высокоточных приемников GPS собирается непрерывно на двух частотах с полуторасекундным интервалом от всех спутников GPS на пяти следящих станциях военно-воздушных сил США, распределенных вокруг Земли. Глубокое обсуждение этих данных и их анализ не возможны в этой статье. [1] Эти данные показывают, что темп хода бортовых атомных часов действительно находится в согласии с темпом хода наземных часов в предсказанной степени, которая слегка отличается от номинала, потому что фактически достигнутая орбита не всегда точно совпадает с запланированной. Точность этого сравнения ограничена главным образом тем, что атомные часы изменяют свою частоту в небольших, полу-случайных размерах (порядка 1 нс/день) в непредсказуемые моменты времени по причинам, которые полностью не поняты. Вследствие этого долговременная точность этих часов хуже, чем их кратковременная точность.
Поэтому, мы можем утверждать с уверенностью, что предсказания теории относительности подтверждены с высокой точностью на протяжении временных периодов, равных многим дням.
В резюмирующей статье Вакуум, кванты, вещество:
Возмущение в вакууме распространяется не по принципу толкания предыдущей частицы среды последующей, а изменением некоего фундаментального свойства - поляризацией некоего (пока не воспринимаемого в какой-либо аналогии) свойства поля, по принципу, как это происходит в диэлектрике. Это распространение поддерживается "выталкиванием", разкомпенсацией ранее взаимно скомпенсированных энергий, составляющих вакуум.
Минимальное возмущение поля возможно только в виде кванта деформации. Если возникла такая деформация то не может не возникнуть и соответствующая "дырка", что проявляется флуктуацией вакуума. ... Если возмущение поля в виде кванта распространяется (в виде последовательной поляризации) с большой скоростью и не проявляет локальных эффектов, то в стационарном состоянии возникают эффекты зарядов и массы. Масса - проявляется в двух ипостасях.
Инерционная масса - выражается в необходимости приложить воздействие определенной силы для того, чтобы вызвать соответствующее ускорение этой массе. Понятно, что без приложенной силы местоположение массы относительно других масс меняться не обязано :) масса не скачет сама по себе по собственной прихоти, а находится в статическом "покое".
Представим передачу механического воздействия от одного свободного электрона другому. Оба являются зарядами, окруженными полями, через которые они и взаимодействуют. Посчитаем один электрон неподвижным относительно другого, приближающегося к нему. При сближении начинает возникать взаимное влияние через окружающие их поля (деформацию вакуума). Электрон, являясь закольцованной волной, при встрече с деформацией вакуума (полем), порожденной другим электроном, меняет пространственные параметры своей закольцовки с каждым встретившимся квантом деформации, что выражается в его пространственном перемещении. Т.е. воздействие на условия закольцовки несколько дестабилизируются (точно как это было бы со стоячей волной в вихре), заставляя квант, уходя в сторону, смещать закольцовку (вихрь начинает движение).
В свою очередь и поле "неподвижного" электрона точно так же влияет на пространственное расположение сближающегося электрона. Это приводит к изменению скоростей обоих электронов. Понятно, что если будет приближаться не один, а два электрона, то и их влияние на "неподвижный" будет вдвое больше. Таким образом, передача момента движения происходит пропорционально количеству зарядов в столкнувшихся веществах, что мы выражаем понятием инерционной массы.
Таким образом, движение вещественных тел воплощается как изменение распространения всех закольцовок элементарных составляющих тел, относительно других тел, но никак не относительно вакуума. Но это распространение самым непосредственным образом вызывает попутные деформации вакуума (раскомпенсацию квантов его энергий).
Что будет происходить, если в тело с одной стороны бьют постоянно другие тела. так что придают все больше ускоряющих импульсов? Смещение начнет приближаться к максимальной скорости передачи деформации в вакууме, но никогда не сможет достичь ее в пределе. Ясно, что смещение закольцовок не может быть больше, чем предел возможности в распространении деформации вакуума, который определяется скоростью раскомпенсированных квантов (так же как скорость вихря в среде не может быть больше скорости звука - отдаленная аналогия, т.к. вакуум- "среда", не связанная причинно). И чтобы приближаться к нему, необходимо затрачивать все больше "энергии", которая преобразуется во все большее рассогласование закольцовок, приближающееся к условиям раскольцовки и свободно распространяющейся в виде квантов деформации. Тогда масса полностью перешла бы в "энергию" свободно распространяющихся квантов, как это бывает при аннигиляции (формула соответствия массы и энергии).
Эта добавочная энергия движущегося тела (в виде степени рассогласования закольцовок) определяет массу вещества относительно других тел и с увелиением относительной скорости растет. Кроме того, критерий того, насколько элементарные частицы, составляющие вещество, имеют рассогласованные закольцовки, определяеющие вектор перемещения относительно других тел (но не вакуума), говорит о том, насколько все процессы, протекающие в таком теле, более замедлены по сравнению с процессами, протекающими в веществах с меньшей степенью рассогласований закольцовок. В пределе (чисто теоретическом), процессы в теле, которое бы двигалось со скоростью света, вообще не могли бы происходить потому, что все процессы определяются именно относительными скоростями деформаций вакуума в сравнению с предельно возможной скоростью деформаций - скоростью свободного распространенная кванта.
Смотрите также подборку О черных дырах.
Альтернативные теоретики постоянно пытались найти принципиальные ошибки теории относительности, которые бы доказали ее неприемлемость для описания закономерностей мира. Наиболее рьяные из них - эфирщики: Современные теории эфира.
Экспериментальные подтверждения теории относительности: Подтверждения релятивисткой теории.
О трудностях принятия теории относительности: Теория относительности и психология.
Популярное изложение в мировоззренческом плане из первых рук одного из ведущих физиков-теоретиков планеты: Краткая история времени от большого взрыва до черных дыр.
Для тех, кто ощущает силы вникнуть глубже в основы теории относительности:
Теория относительности Эйнштейна.
Теория относительности для астрономов. (! ~1,8mb) ZIP Теория относительности 900kb .