Доклад: Аберрация света и парадокс Эренфеста
Доклад: Аберрация света и парадокс Эренфеста
Аберрация света и парадокс Эренфеста
Корнева М.В., Кулигин В.А., Кулигина Г.А.
Аннотация
Явление аберрации связано с конечной скоростью распространения света. Допустим, мы наблюдаем движущийся светящийся объект, например, звезду на небосводе. Этот объект за время прохождения света к наблюдателю успевает сместиться к моменту наблюдения на некоторое угловое расстояние. Угол между наблюдаемым положением объекта и его истинным положением в момент наблюдения называется углом аберрации. Оказывается, что наблюдаемая скорость движущегося объекта и его действительная скорость могут отличаться из-за искажений световой волны (эффект Доплера, искажение фронта волны и др.). Опираясь на явление аберрации, удалось проанализировать сущность теории относительности. Эйнштейн не принял во внимание явление аберрации света и построил теорию относительности, используя наблюдаемую, а не действительную скорость материального объекта. Это прямо связано с определением скорости относительного движения инерциальных систем отсчета. Если в преобразовании Лоренца выразить наблюдаемую скорость через действительную скорость относительного движения инерциальных систем, то многочисленные парадоксы получают корректное объяснение (исчезают). Исправление этой ошибки возвращает физику к классическим представлениям о пространстве и времени. Новый подход позволяет дать правильное объяснение парадоксу Эренфеста и объяснить особенности работы циклических ускорителей. Работа имеет важное теоретическое, практическое и философское значение.
Введение
В БСЭ дано следующее определение философских категорий «явление и сущность»:
«СУЩНОСТЬ И ЯВЛЕНИЕ, философские категории, отражающие всеобщие формы предметного мира и его познание человеком. Сущность это внутр. содержание предмета, выражающееся в единстве всех многообразных и противоречивых форм его бытия; явление – то или иное обнаружение (выражение) предмета, внешние формы его существования» [1]. Это определение не устарело. Мы проведем анализ СТО, опираясь на связь этих понятий.
Напомним основные положения, связывающие явление и сущность, изложенные в [2]. Рассмотрим сферический предмет, вплавленный в стеклянную пластину. При наблюдении нам будет казаться, что шарик имеет не сферическую, а форму сплюснутого эллипсоида вращения. Величина кажущегося «сжатия» шарика зависит от угла, под которым мы его наблюдаем. Это и есть явление.
Изменяя угол наблюдения, мы будем видеть различную величину «сжатия» шарика. Угол наблюдения и коэффициент преломления стекла это условия, при фиксации которых мы будем наблюдать объективное явление. Каждому условию соответствует свое объективное явление, которое в чем-то будет отличаться от других явлений, соответствующих другим условиям. Изменяется условие изменяется явление, но сам объект не испытывает никаких изменений. Зависимость характеристик явления от условия называется закономерностью.
С позиции теории познания любое явление из заданной совокупности представляет собой сочетание особенного (характерного только для данного явления и отличающего данное явление от остальных явлений) и общего (т.е. того, что остается неизменным, инвариантным для всех явлений, принадлежащих взятому классу условий).
Очевидно, что по одному явлению познать сущность не представляется возможным. Сущность познается по совокупности явлений, принадлежащих заданному классу условий, т.е. по закономерности.
Явление можно наблюдать, измерять фотографировать. В этом смысле выражения: "нам будет казаться", "мы будем измерять", "мы будем фотографировать" и т.п. будут равнозначными в том смысле, что принадлежат процессу регистрации явления. В слове "кажется" нет никакой иллюзии, мистики, а есть отношение к сущности. Однако и сущность, как инвариантное представление, может быть охарактеризована некоторыми инвариантными параметрами. Эти характеристики есть инвариантные проявления сущности. В рассмотренном выше примере одним из инвариантных проявлений сущности (характеристик сущности) служит сферическая форма вплавленного в стекло шарика.
Познание сущности только по одной закономерности открывает одну из граней сущности. Это «срез» сущности или сущность первого порядка. Для более полного познания сущности необходимо иметь не одну, а много различных закономерностей.
Познание сущности идет от явлений, путем отсечения второстепенного, особенного, к выделению того общего, что остается неизменным (инвариантным) для всех явлений данной совокупности. Это общее для всех явлений выступает в качестве определенных количественных и качественных характеристик (инвариантные проявления сущности). Сущность как общее для всех явлений отражает глубинные связи и отношения. Процесс поиска сущности отталкивается от этих инвариантных характеристик к формулировке сущности (гипотеза, модель и т.д.). Этот процесс сложен и пока не создано каких-либо рецептов для прямого перехода от явлений к сущности. Схематически путь от закономерности к сущности можно проиллюстрировать следующей схемой:
ЗАКОНОМЕРНОСТЬ:
Класс условий: Условие 1. Условие 2. Условие 3. … Условие N.
Совокупность явлений: Явление 1. Явление 2. Явление 3. … Явление N.
Отсечение особенного, выявление общего для всех явлений
(поиск инвариантов и симметрий)
Формулировка сущности
Этот процесс предусматривает выделение инвариантных характеристик (инвариантных проявлений сущности), на базе которых идет процесс осмысления и формулировки сущности. Из проведенного анализа вытекает, что поиск симметрий и инвариантов в физике имеет под собой глубокое основание. Инварианты и симметрии в физических теориях выступают как инвариантные проявления сущности. Опираясь на них, следует отыскивать сущность явлений.
Например, уравнение для идеального газа имеет вид: PV/T = const (произведение давления газа на его объем, деленное на его абсолютную температуру неизменно). Мы можем исследовать ряд закономерностей: адиабатный процесс, изобарический процесс, политропный процесс и т.д. Опираясь на эти закономерности можно сформулировать сущность этого закона следующим образом:
«Величина PV/T сохраняется неизменной, если:
– если в объеме число молекул газа сохраняется неизменным,
– молекулы представляют собой материальные точки, имеющие массу,
– молекулы движутся хаотически, сталкиваются и не взаимодействуют между собой на расстоянии».
Эти положения определяют модель идеального газа, которая лежит в основе этих процессов.
Процесс познания бесконечен и позволяет далее переходить к более полному пониманию сути явлений, т.е. к сущностям более высокого порядка. Более «полное понимание» опирается на блок закономерностей, а потому связано с переходом к более точной объективной модели описания явлений.
Приведенные выше рассуждения, как говорилось, не позволяют дать универсальный метод перехода от явлений к сущности. Этот переход опирается на интуицию, на поиск модели и выдвижение гипотезы, которые как раз и должны объяснить сущность закономерности. Поэтому переход от явлений к сущности является творческим и не всегда однозначным. Он зависит от правильного, глубокого понимания закономерностей и от мировоззренческих позиций ученого
Приведенный анализ дает возможность сформулировать весьма полезное правило, которое позволяет отделить явление и его характеристики от сущности и ее инвариантных проявлений:
ЯВЛЕНИЕ ЗАВИСИТ ОТ УСЛОВИЙ ЕГО НАБЛЮДЕНИЯ
СУЩНОСТЬ ОТ ЭТИХ УСЛОВИЙ НЕ ЗАВИСИТ.
Конечно, проблема связи условия, явления, закономерности и сущности этим одним правилом не исчерпывается. Условия могут быть различными: существенными и несущественными. Сущность в полном объеме (как абсолютную истину) познать невозможно, даже если мы имеем несколько закономерностей. Поэтому говорят о "срезах" сущности, о сущностях первого, второго и других порядков.
1. Явления и условия. Закономерность
Человек регистрирует явление с помощью своих органов чувств. Измерительные приборы существенно расширяют человеческие возможности. По этой причине они входят в арсенал регистрации явлений и измерения количественных характеристик исследуемых явлений. Мы обозначили здесь хорошо известное, чтобы подчеркнуть следующую мысль. Регистрация явления невозможна без обязательного существования реального или идеального наблюдателя, который описывает явление и измеряет его характеристики. Роль наблюдателя может выполнять, например, измерительный прибор.
В естественных науках явления исследуются с помощью экспериментов (реальных или идеальных = мысленных). Экспериментатор всегда имеет возможность менять условия эксперимента. В результате он имеет набор явлений, опираясь на который он пытается осмыслить сущность исследуемых явлений.
Каждому фиксированному условию эксперимента отвечает свое явление. Оно в чем- то (количественно и качественно) отличается от явлений с другими условиями. Варьируя, например, одно из условий, исследователь получает количественную (или качественную) зависимость некоторых характеристик явления от условия (закономерность). Закономерность отражает причинно следственные отношения между условиями наблюдения явлений и характеристиками этих явлений.
Пример. Закон Бойля-Мариотта имеет следующую формулировку: «при неизменной температуре произведение давления на объем газа в замкнутом объеме постоянно, т.е. произведение PV есть величина постоянная». Если в качестве характеристики условия мы выберем величину объема V (причина), то характеристикой явления (следствие) будет служить давление P (следствие). Зависимость давления от объема определяет физическую закономерность поведения идеального газа. Но закономерность еще не является сущностью совокупности явлений.
Как мы уже говорили, наблюдатель является обязательным атрибутом регистрации явлений. Сами явления по отношению к наблюдателю можно разбить на два разных вида по их причинной обусловленности:
1. Наблюдения явлений, связанные с исследованием и регистрацией характеристик взаимодействия материальных объектов (динамический вид).
2. Наблюдения явлений, связанные с переходом наблюдателя из одной системы отсчета в другую: например, в новую инерциальную систему отсчета, либо в линейно ускоренную, либо во вращающуюся и т.д. Последний вид наблюдений определяет кинематический вид регистрации и описания явлений.
Причина подобного разделения следующая. Взаимодействие есть процесс (но не явление!), протекающий в данной точке пространства в фиксированный интервал времени. Взаимодействие объективно. Оно не зависит от того, сколько наблюдателей исследуют процесс взаимодействия, и какие системы отсчета они себе выбрали.
Например, в Праздничный вечер множество горожан могут наблюдать салют. Они могут располагаться на разных расстояниях от места проведения салюта и рассматривать это явление с разных точек (например, из окон зданий). Но сам процесс горения ракет никак не зависит от того, где они находятся в данный момент и какое место для наблюдения они выбрали. Именно по этой причине описание взаимодействия (горения пороха) должно носить инвариантный характер, независимый от числа и положения наблюдателей. Такое описание взаимодействия (динамический подход к описанию) имеет сущностный характер и описывает одну из сторон сущности взаимодействия. Динамическое описание не зависит от выбора системы отсчета наблюдателем.
Вновь вернемся к рассмотренному примеру. Хотя процесс взаимодействия (полет и горение ракет) носит объективный характер, каждый наблюдатель будет видеть свое объективное явление. Это «другая сторона медали». Восприятие явления будет зависеть от того, наблюдает ли он этот процесс вблизи или в отдалении, наблюдает ли он процесс с самолета, поезда или движущегося автомобиля. Переход наблюдателя из одной точки наблюдения в другую не влияет на сам процесс, но при переходе наблюдаемое явление для него изменится и станет уже несколько иным (кинематический подход).
Здесь наблюдатель (или наблюдатели) может сделать шаг от совокупности результатов наблюдений явления к сущности наблюдаемых явлений, т.е. от совокупности наблюдаемых характеристик явлений к описанию взаимодействия, как одной из характеристик сущности.
Мы хотим обратить внимание на важный факт:
При наблюдении материального объекта или процесса взаимодействия положение наблюдателя и выбор им системы отсчета не влияет ни на исследуемый материальный объект, ни на процесс взаимодействия.
(вывод 1)
Само собой разумеется, что наблюдатель сам не воздействует на материальный объект и не влияет на процесс взаимодействия.
Теперь обратимся к специальной теории относительности. В рамках этой теории существует явление именуемое «замедлением времени». Неподвижному наблюдателю будет казаться, что часы движущегося наблюдателя отстают от его часов. Это объективное явление. Зависимость замедления наблюдаемого хода часов (явление) движущегося наблюдателя от относительной скорости инерциальных систем отсчета (условие) есть физическая закономерность. Вербально эту закономерность можно описать следующим образом:
«Наблюдаемое изменение темпа времени в движущейся системе отсчета есть объективное явление, которое проявляется тем сильнее, чем больше относительная скорость инерциальных систем отсчета».
(вывод 2)
Явление «замедления времени» имеет кинематический характер. Часы движущегося наблюдателя не претерпевают никаких изменений, поскольку неподвижный наблюдатель не имеет возможности воздействовать на них. Интервал времени, фиксируемый неподвижным наблюдателем, претерпевает изменения кинематического характера из-за относительного движения (эффект Доплера). Многие физики осознают этот факт (хотя и не до конца), квалифицируя «замедление времени», как квадратичный (или «поперечный») эффект Доплера. Единственное заключение, которое следует из выводов №1 и №2, следующее: темп времени в движущейся системе при переходе наблюдателя из одной инерциальной системы в другую не меняется. Следовательно, во всех инерциальных системах отсчета время будет единым [3]. Меняется лишь наблюдаемый темп времени (явление).
Сейчас широко распространены другие суждения: «пространство и время не существуют независимо; они связаны в единый 4-мерный мир»; «сущность времени в теории относительности заключена в его зависимости от скорости относительного движения инерциальных систем отсчета» и т.п. высказывания.
В данном случае закономерность (зависимость наблюдаемого темпа времени от относительной скорости) истолковывается как «сущность» («как слышым, так и пишим!»). Карл Маркс писал: «… если бы форма проявления и сущность вещей непосредственно совпадали, то всякая наука была бы излишняя …» [4].
Заметим, что люди интуитивно понимают это. Например, находясь перед кривым зеркалом, человек никогда не принимает свое отражение (явление) за действительное, неискаженное (сущность). В теории относительности все иначе вопреки здравому смыслу.
Ошибка в интерпретации сущности времени имеет гносеологический характер. Суть ее в том, что явление (или закономерность) интерпретируется как сущность. Иными словами, сущность в данном случае подменяется явлением. Подобная гносеологическая ошибка порождает негативные следствия при объяснении физических явлений и приводит к, так называемым, «парадоксам», т.е. логическим противоречиям.
Если эту ошибку исключить, то можно утверждать следующее: «время во всех инерциальных системах отсчета едино и не зависит от выбора наблюдателем системы отсчета». Тем самым отпадает проблема «синхронизации часов» и проблема «одновременности событий». Эти проблемы являются результатом некорректности интерпретации преобразования Лоренца, в рамках теории относительности.
