Скорость света и его соотношение с приципом относительности в классической механики.

Суть этой теории состоит в том, что она разрешила противоречие в физике между скоростью света, которая не зависит от скорости источника его распространения, и принципом относительности в классической механике. Этот принцип гласит,"что если К" - система координат, движущаяся равномерно и без вращения относительно системы К, то явления природы протекают относительно системы К" по тем же общим законам что и относительно системы К." Данное противоречие сам Эйштейн описывает его следующим образом. "Пусть вдоль полотна дороги распространяется луч света, который, согласно сказанному выше, движется относительно полотна со скоростью С. Пусть по рельсам снова движется со скоростью V наш вагон, притом в том же направлении, в котором распространяется луч, но гораздо медленнее. Возникает вопрос, какова скорость распространения света относительно вагона. Нетрудно видеть, что здесь можно применить соображения предыдущего параграфа. Теперь роль человека, движущегося относительно вагона, выполняет световой луч. Вместо скорости W человека относительно полотна дороги здесь выступает скорость света по отношению к последнему. Пусть W - искомая скорость относительно вагона, для которой следовательно имеем W = C - V.

Таким образом, скорость распространения светого луча относительно вагона оказывается меньше С. Но этот результат противоречит принципу относительности. В самом деле, согласно принципу относительности, закон распространения света в пустоте, как и всякий другой закон природы, должен быть одинаковым как для полотна железной дороги, принимаемого в качестве тела отсчета, так и для вагона. Но согласно нашим рассуждениям, это кажется невозможным. Если всякий световой луч распространяется относительно полотна дороги со скоростью С, то казалось бы, поэтому скорость распространения света относительно вагона должна быть иной - в противоречии с приципом относительности. В связи с этой дилеммой неизбежным представляется отказ либо от принципа относительности либо от простого закона распространения света в пустоте." Но так как оба закона являются неоспоримым фактом в реальной жизни, то единственным решением этой проблемы будет такое решение, которое сохраняя закон распространения света в пустоте постоянным смогло бы вписать его в рамки теории относительности.

Относительность одновременных явлений на примере Эйнштейна.

И такое решение он нашел. Простая логика ему подсказала, что если скорость света должна быть постоянной относительно любой системы отсчета, упомянутой выше, то в этих системах отсчета должны меняться время и расстояние. Действительно, если путь, пройденный светом со скоростью С в системе отсчета М выразить через формулу S = Ct, то путь, пройденный светом с той же скоростью С в системе отсчета М", будет равен S" = C t".

В реальности это должно означать что время, втечение которого тело движется в системе М должно быть отлично от времени ,если рассматривать то же самое движение того же тела но относительно системы М", которое двигается по отношению к системе М. И как следствие этого предположения должно быть то же самое и с расстоянием, которое тело проходит в системе М, если его рассматривать относительно системы М", т.е оно быдет разным. Другими словами, время и расстояние не являются абсолютными величинами для всех систем отсчета. Но одно дело предположить и выразить это предположение математически, другое дело логически показать, что это предположение правомерно и отражает реальную действительность.

Это прекрасно понимал Эйштейн и в качестве наглядного доказательства он приводит пример с молниями, которые одновременно ударяют в рельсы железнодорожного полотна на определенном расстоянии друг от друга, по которому движется поезд. "Когда мы говорим об ударах молнии А и В, одновременно относительна полотна дороги, то это означает, что световые лучи исходящие из А и В встречаются в средней точке М участка полотна АВ. Но событиям А и В соответствуют также места А и В на поезде. Пусть М" - средняя точка отрезка АВ движущегося поезда. Хотя эта точка в момент ударом молнии и совпадает с точкой М,она движется со скоростью V поезда вправо (рис 1). Если бы находящийся в поезде в точке М" наблюдатель не обладал этой скоростью, то он продолжал оставаться в точке М и тогда световые лучи от ударов молнии в А и В достигли бы его одновременно, т.е. оба этих луча встретились бы в том месте, где он находится.

Однако в действительности он движется (если наблюдать с полотна дороги) навстречу световому лучу, идущему из точки А. Следовательно, наблюдатель увидет световой луч из В ранее, чем луч из А. Наблюдатели, пользуюшиеся поездом в качестве тела отсчета, должны, таким образом, прийти к выводу, что удар молнии в В произошел ранее, чем удар молнии в А. Следовательно мы приходим к важному результату. События одновременные относительно полотна железной дороги, не являются одновременными по отношению к поезду и наоборот (относительность одновременности). Исякое тело отсчета (система координат) имеет свое особое время, указанное время имеет смысл лишь тогда, когда указывается тело отсчета, к которому оно относится. До появления теории относительности физика молчаливо принимала, что указания времени абсолютны т.е. не зависят от состояния движения тела отсчета. Но мы только что видели, что это предположение несовместимо с наиболее естественным определением одновременности; если отказаться от этого предположения, то исчезает и описанный конфликт между законом распространения света в пустоте и принципом относительности." (стр 180, Физика и Реальность, А Эйштейн,изд Наука, Москва 1965 год).

На первый взгляд, метод доказательства в приведенном примере об относительности одновременности вполне логичен, но это только на первый взгляд. Во-первых, возникает вопрос. В данном примере с молнией сохранится ли "относительность одновременности", если вместо света от молнии мы будем использовать ее звук,т.е. гром, который она порождает одновременно вместе со светом ? В этом случае человек, стоящий на середине полотна железной дороги в той же самой точке М, услышит одновременно звуки грома от молний, ударивших одновременно в точке А и В, потому что расстояние АМ равно расстоянию МВ и поэтому звук от каждой молнии пройдет одинаковое расстояние в тот момент, когда они достигнут человека. Мы, конечно, предполагаем, что воздух неподвижен относительно полотна железной дороги и что скорость звука в воздухе всегда постоянна.

В момент удара молний, как и в случае со светом,средняя точка поезда М", хотя и будет совпадать с точкой М, движется со скоростью V поезда, вправо. Поэтому находящийся в точке М" наблюдатель услышал бы гром от молнии в точке В раньше чем в точке А. Конечно, наблюдателям на платформе и в поезде пришлось бы ждать несколько дольше, чтобы услышать гром чем увидеть свет от молний. И это вполне понятно, потому что свет распространяется со скоростью 300000 км/сек а звук - 330 м/сек.

Таким образом "относительность одновременности" демонстрируется с равным успехом как со светом так и со звуком. Но когда наш наблюдатель в точке М по звуку фиксирует одновременность ударов молний в точке А и В, он осознает тот факт, что время одновременности, которое показывают его часы, отличается от времени одновременности, которое показывают часы, расположенные непосредственно в местах удара молний т.е. в точках А и В. Например, удар молний произошел одновременно в точках А и В в 3 часа ровно, а часы наблюдателя в точке М будут показывать время 3 часа 10 секунд, если расстояние АМ и МВ будет равно 3300 метров. И это вполне понятно, потому что звук со скоростью 330 м/сек покроет расстояние АМ и МВ за 10 сек. Следовательно, время одновременности, которое фиксирует наблюдатель не совпадает со временем одновременности произшедшего события.

Эта Логика сохраняет свою силу и по отношению к свету, потому что и свет и гром являются следствием происходящего события а не самым событием. На языке философии свет и гром являются формой а молния их содержанием.

Этот вывод становится более очевидным, если мы рассмотрим одновременность ударов молнии относительно одной системы отсчета, полотна железной дороги. В этос случае одновременность ударов молний длжна сохраняться для наблюдателей этой системы независимо от того в какой точке полотна железной дороги они находятся. Предположим наши наблюдатели находятся в точках М и F, где расстояние АМ = 3300 метров а FВ = 1650 метров. Далее предположим, что мы имеем часы в точках А, М, F и В, которые показывают одно и то же время. Так как время событий в одной системе абсолютно, то мы вправе утверждать, что если молнии вдарили одновременно в точках А и В, скажем в три часа дня, то то же самое время будут показывать и часы в точках М и F.

Но если наблюдатели в этих точках будут использовать свет или звук, чтобы определить время ударов молний, то они придут к разным заключениям. Наблюдатель в точке М скажет, что молнии ударили одновременно, но это событие произошло не в три часа ровно а чуть-чуть позже, скажем в 3 + Т. Эта разница во времени возникает за счет того, что свет должен пройти расстояние равное АМ или МВ. Наблюдатель в точке F будет утверждать, что молния в точке В ударила раньше чем в точке А и опять же потому, что отрезок пути FВ, который проходит свет или звук из точки В, короче чем отрезок пути АF, который должен пройти свет или звук из точки А. И по этой причине его часы зафиксируют событие в В не в 3 часа а 3 + Т1, где Т1 меньше Т, а событие в А - в 3 + Т2, где Т2 больше Т1.

Результаты этого примера наглядно показывают, что время самого события разнится от времени формы проявления этого события, каковым является свет и звук, даже если это происходит в одной системе отсчета. Именно эту разницу и фиксирует пример Эйнштейна с движущимся поездом по полотну железной дороги для доказательства относительности одновременности в разных системах отсчета. Действительно, в момент удара молний наблюдатель в движущимся поезде будет в точке М, а когда он настигнет свет или звук, исхдящий из точки В, он сместится в точку М", благодаря скорости поезда V. По этой причине ему и будет казаться, что событие в точке В произошло раньше чем событие в точке А. На самом деле два события произощли в тот момент, когда наблюдатель в поезде находился в точке М", совпадающей с точкой М на платформе.

Следовательно разобранный выше пример не демонстрирует "относительности одновременности" в различных системах отсчета как это утверждает Эйнштейн. Если мы имеем дело с волком переодетым в шкуру овцы, то как мы будем определять его поведение ? С точки зрения его формы появления (как овцы) или с точки зрения его содержания (как волка). Ответ здесь однозначный, если мы хотим познать реальность, то мы должны иметь дело с содержанием явления а не с формой ее проявления. Теория Эйштейна страдает и другими логическими ошибками.

1. Она делает скорость света абсолютной относительно любой системы отсчета и таким образом находится в полном противоречии с относительностью определения скорости. По Эйнштейну все в мире относительно кроме скорости света.

2. Она накладывает ограничения на скорости обьектов в природе, которые не могут превысить скорость света.

3. Скорость распространения света в пустоте Эйнштейн переносит на скорости всех тел в природе, хотя последние и не обладают электромагнитной природой, и поэтому могут и не иметь ограничений, которые накладывает среда для скорости света.

  V  -->                                     M'                поезд         

  _________________________________________________________________                    

  _______________|___________ _________|________|____________|_______  

      полотно            A                     M        F            B       

 Опыт Майкельсона, Аберрация звезд и опыт Физо.

До сего времени считалось, что опыты Майкельсона по измерению скорости света относительно земли находятся в противоречии с опытами Физо, измеряющими скорость света в движуйщейся жидкости, и аберрацией звезд. Опыты Майкельсона по измерению скорости света на земле показали, что скорость света не зависит от скорости источника его распространения. И на этом основании они стали утверждать, что в таком случае, скорость света одинакова для всех систем отсчета независимо от того двигуются ли они или находятся в состоянии покоя относительно друг друга. А если это так, то теорема сложения скоростей в этом случае не работает. С другой стороны обьяснение аберрации звезд и опыты Физо основанны именно на сложении скоростей движущихся относительно друг друга систем отсчета. Неумение обьяснить это противоречие с позиций классической теории относительности и привело, как мы видели раньше, к возникновению Специальной теории относительности Эйнштейна.

В чем логическая ошибка прежних рассуждений.

Из того что скорость света не зависит от скорости источника его распространения логически не вытекает, что скорость света будет одной и той же относительно скорости его источника, если последний находится в движении, или что одно ито же, относительно системы отсчета, движуйщейся относительно среды, в которой распространяется свет. Это положение наглядно иллюстрирует постоянная скорость звука в воздухе, которая не зависит от скорости его источника. Скорость звука в воздухе относительно движущейся системы отсчета будет больше или меньше в зависимости от того движется ли эта система в направлении распространения звука или в противоположном направлении. Мне,конечно могут возразить, что это сравнение несправедливо, потому что воздух, как среда, в которой распространяется звук, не является средой для распространения света. С этим я вполне согласен, но тот факт, что звук и свет являются волнами механическим и электромагнитными соответственно, наводит на мысль, что для электромагнитных волн должна существовать среда, отличная от воздуха, в которой они распространяются с одинаковой скоростью. Что обьединяет космос, так это гравитационное поле а может быть и электромагнитное поле. Поэтому если предположить, что такой средой для электромагнитых волн является электромагнитное или гравитационное поле небесных тел, будь то звезды или планеты и что это поле жестко связано с самим небесным телом, т.е. представляет собой одну и ту же систему отсчета, то в этом случае очень легко обьясняются с позиций теории относительности классической механики выше перечисленные опыты.

В этом свете несколько иначе трактуется опыт Майкельсона.

1. Этот опыт показал, что скорость земли относительно среды, в которой распространяется свет равен 0. Это подтверждает наше предположение, что электромагнитное или гравитационное поле земли и сама земля представляет одну и ту же систему отсчета.

2. Поскольку источник света в его опыте не двигался относительно земли, то он измерял только скорость света в электромагнитном или гравитационном поле земли, которое при нашем предположении жестко связаны друг с другом.

3. Этот опыт не демонстрирует тот факт, что скорость света не зависит от скорости источника света. Это положение было эксперементально доказано позже. На примере двойных звезд датский астроном Де Ситтер показал, что скорость света не зависит от скорости его источника. В 1956 году А.М Бонч-Бруевич и А.П. Молчанов прямыми измерениями скорости света, испускаемого разными краями солнечного диска, показали, что скорость света не зависит от скорости источника (в данном случае вращающегося вокруг своей оси солнца). С другой стороны, определение скорости света по методу звездной аберрации, по затмению спутников Юпитера, опыт Физо и т.д. хорошо подтвеждают наше предположение, что скорость света относительно движущейся системы отсчета вполне согласуется с теоремой сложения скоростей в классической теории относительности.

Опыт Физо и его неправильное толкование.

Волновая теория света привела к представлению об эфире, который заполняет все космическое пространство и относительно которого движутся все тела. Отсюда предполагалось, что можно определить скорость движения тел относительно этого эфира и в частности земли. Эти предположения были основаны на опытах Физо по прохождению света в движущейся воде по трубам в разных направленияхю Цель этого эксперимента состояла в том, чтобы обнаружить увлечение эфира текущей жидкостью. В этом опыте один луч света проходит через трубу с движущейся водой по течению, в другой - против течения. Если эфир, находящийся в воде, этой водой увлекается, то оба луча, пройдя установку, соединясь в О, будут иметь некоторую разность фаз, обусловленную разным временем, которое лучам потребуется на прохождение всего пути. Эта разность фаз определит характер интерференции в О. Обозначим через V cкорость света в эфире, находящемся в покоящейся воде, а скорость жидкости в трубе - через U. Далее предположим, что эфир увлекается движущейся водой частично, и что по этой причинк его скорость по отношению к установке будет равна аU где а меньше или равно единице и должно быть определено из опыта. В этом случае скорость света относительно установки для луча, распространяющегося проти течения в трубе равна V - аU, а для луча света, распространяющегося по течению V - аU.

Отсюда следует, что разность времени Т, в течение которого оба луча проходят одинаковое расстояние 2L (L - длина каждой трубы с водой), будет равна

                       2L                   2L                 4Lau               

                   -----------   -      ---------  =   -------------------     =  T 

                    V  -  au            V  +  au        V * V  -  au  *   au    

Разность фаз между обоими лучами равна 2пуТ, где у - частота света. Отсюда получается, что разность фаз связана с коэффициентом увлечения а. По смещению полос в интерференционной картине Физо определил разность фаз и , следовательно, коэффициент увлечения эфира

                                       а = 1 -   1  

                                                --- 

                                               N x N    

где N - показатель преломления воды.

В свете того, что эфиром является электромагнитное или гравитационное поле земли жестко с ней связанной, является маловероятным предположением, что текущая жидкость увлекает это поле. В опыте Физо вода движется относительно земли и,следовательно, относительно поля, в котором распространяется свет. Отсюда вытекает справедливость сложения скоростей света и жидкости, когда мы хотим определить скорость света в текущей воде относительно трубы. Из волновой теории света нам известно, что в веществе оптически более плотном свет распространяется медленнее чем в веществе оптически менее плотном. Движущаяся вода навстречу свету делается оптически более плотной и наоборот.

Этим обьясняется различие скорости света в стоячей и движущейся жидкости. Поэтому скорость света относительно установки для луча, который распространяется в трубе против течения, будет равна 1V - аu, где 1V - не скорость света в стоячей воде, а скорость света в воде,движущейся против движения света. То же самое и для скорости относительно установки для луча, распространяющегося в трубе по течению. Эта скорость будет равна 2V - аu, где 2V - скорость света в воде, движущейся в том же направлении что и свет. При таком рассуждении теоретический результат по определению скорости света в движущейся воде относительно установки будет намного ближе к результату, полученному из опыта, а коэффициент увлечения эфира будет равен 1.

 Заключение.

1. Свет распространяется не в пустоте а в электромагнитном или гравитационном поле, которое жестко связано с небесным телом (планеты, звезды, галактики) и эти поля движутся относительно друг друга вместе с их носителем, небесным телом.

2. Свет распространяется в этом поле со скоростью 300,000 км/сек и не зависит от скорости его источника.

3. Но скорость света относительно источника его распространения или любого движущегося обекта подчиняется закону сложения скоростейв классической механике.

4. Абсолютность времени и пространства в движущихся системах сохраняет свою силу.