Теория относительности. Классические ошибки понимания классической физики.⁠⁠

Этот пост мотивирован к написанию большей частью благодаря твёрдой уверенности отдельных продвинутых физик-кунов из числа пикабушников в … теории относительности. Если точнее не в самой теории, а её роли в современной физике. Итак, о священных коровах.

Большинство из нас в общих чертах представляет теорию относительности как достаточно заумную фигню, в которой лучше не разбираться, дабы не сломать мозг. При этом основные положения теории про скорость света, релятивистские эффекты и прочие плюшки принимаются как данное, то есть то, с чем лучше не спорить или до чего лучше не докапываться. Ибо понабегут, докопаются и засмеют, если не зачмырят. Тем не менее, суть самой теории, её центральная идея остаётся непонятой в той же степени, в какой непонятым остаётся оператор дивергенции из высшей математики. А ведь по сути и то и другое – не нечто сверхсложное. Я бы сказала даже наоборот – весьма и весьма простые вещи заложены в основу «великих» теорий.

Итак, кратенько, суть теорий относительности.

Хотя в одном из пердыдущих постов уже писала, повторюсь. Откуда ноги растут: электромагнитные волны. Все. Радио, микроволновки, радары, видимый свет, рентгеновское излучение и гамма-лучи. Всё, что имеет электромагнитную природу и поддаётся описанию волновой природы. Мы знаем, что волна – это колебание. Колебание чего-то, колебание какой-либо среды. Звук – колебание молекул воздуха, морские волны – колебания воды, а электромагнитные… А кстати, что колеблется в электромагнитной волне? Какая среда получает изменяющиеся мгновенные значения электрического и магнитного поля, чтобы получилась волна? «А вот хрен знает, но это очень интересный вопрос!», подумали в своё время учёные и стали искать ответ.

Сначала придумали эфир. Некую субстанцию, пронизывающую всё, и способную передавать электромагнитные волны. Придумать-то придумали, а ведь его ещё найти надо. Искали. Не нашли. Ну нет эфира. Мало того, что его нет, так у электромагнитных волн ещё одну фишку нашли: они распространяются с одной и той же скоростью. Всегда. Независимо от того, двигается ли источник или нет. Как бы мы не мерили скорость. Как бы не двигались при этом сами и как бы быстро не двигался источник, скорость света всегда будет одна и та же. Нет сложения скоростей! Ньютоновская механика идёт в жопу, заставляя физиков не по детски охреневать плакать от бессилия.

Вот тут то на сцену выходит знаменитый еврей и рассказывает всем правду со своими догадками. Оказывается, на самом деле всё выглядит так, будто время в разных системах отсчёта идёт по-разному. Если система отсчёта движется, то время в ней замедляет течение. И как бы мы в этой системе не пытались измерить скорость света, замедление времени даст нам результат, равный той же константе с, которую мы получили бы, не двигаясь никуда. (Маленькое уточнение: с – максимальная скорость любых взаимодействий, в том числе электромагнитных)

Первая главная идея – идея специальной теории относительности: нет никакой общей системы отсчёта. У каждого – своя. Системы отсчёта не равны. Именно в этом суть идеи: всё относительно. События, движение, процессы, взаимодействия - всё что угодно происходит и измеряется относительно чего-то. Относительно того, кто измеряет, например. Да, системы отсчёта равнозначны, в них действуют одни и те же законы, действуют одинаково, но сами системы не равны друг другу.

Вторая главная идея – идея общей теории относительности: нет никакой гравитации, это всё искривление пространства. Все гравитационные взаимодействия – следствия влияния инерционной массы на пространство рядом с ней. Нет воздействия одного тела на другое посредством гравитации, это пространство искривляется так, что одно тело "притягивает" другое (и наоборот). Наличие массы даёт геометрическое искажение пространства. Прямая линия нихрена не прямая, нам только кажется.

Это самая суть, если в двух абзацах. Теперь к ошибкам.

Первая, самая распространённая ошибка. Теория относительности (и общая и специальная) – это не теория, объясняющая причины наблюдаемых явлений. По сути – это математическая модель, набор уравнений, позволяющих просчитать то или иное наблюдаемое явление. Например, релятивистское изменение массы или времени. Уравнения основаны на наблюдениях за явлениями и лишь описывают их. Сама по себе механика явлений для ТО не доступна. Когда я спрашиваю, почему время в движущейся системе отсчета замедляется, мне в ответ приводят формулу релятивистского замедления времени. Но разве время смотрит на эту формулу, говорит «О! Чуть помедленнее, кони!» и затем изменяет свой бег? Что именно заставляет процессы замедляться? Почему это происходит?

Теория относительности на этот вопрос ответа не даст.

Вторая по распространённости, но первая по важности ошибка. Теория описывает наблюдаемые процессы. Все эффекты, которые ей предсказываются/наблюдаются в действительности можно описать фразой «выглядит так, как будто…» и дальше соответствующее математическое выражение. Однако «выглядит как будто» и «на самом деле так» - это две большие разницы. В случае с теорией относительности данный момент вообще принципиален. Например, из уравнения релятивистского замедления времени следует, что на скорости света время просто останавливается. Для света времени нет. Фотон не знает о времени, которое затратил на свой полёт. Так утверждает теория. Но так ли это на самом деле? Если бы для фотона время не существовало само по себе, мы бы его не наблюдали. Действительно, остановка времени означает запрет на все процессы взаимодействия, ибо они происходят во времени. Фотон не поглощался бы веществом и не замедлял свою скорость в среде – ведь для него не существует времени, он «не знает» где распространяется.

Повторюсь на всякий: теория относительности отлично описывает эффекты, но не стоит распространять её дальше положенного.

Третья ошибка, связанная со второй: постулаты теории относительности справедливы для неё.

Любой постулат нужен для того, чтобы на него можно было опираться при построении теории. Как правила в игре: используя их, мы можем посмотреть, до какого итога доиграемся. В любой теории постулаты используются для того же – на основе их посмотреть, что получится в итоге. Какие математические модели, какие уравнения.

Однако как только мы меняем саму игру, глупо следовать в ней правилам старой игры. Кое-что можно, конечно, заимствовать, но тогда это будет не новая игра, а обновлённая старая. Если мы хотим новую теорию, тогда постулаты старой надо рассматривать не как незыблемые правила для новой.

В качестве ярчайшего примера могу привести непреодолимость скорости света как следствие постулата одинаковости её в разных системах отсчёта. Мы знаем, что двигаться со скоростью выше скорости света нельзя. «Нельзя и всё тут». А иначе энергия+масса движущегося тела становится мнимой (из уравнения коэффициента Лоренца), время вообще ведёт себя хрен знает как и вся математика разваливается. Цимес кроется как раз в двух последних словах: математика разваливается. Но математика – это следствие наблюдения, закон, имитирующий явления. Это не причина для физического процесса. С другой стороны, природа даёт нам прозрачнейшие подсказки существования движения на сверхсветовых скоростях, пусть и в слегка необычном варианте.

Смотрите на звёзды. На самые дальние структуры типа квазаров, протогалактик и так далее. Всё, что мы наблюдаем, находится в радиусе примерно 13,2 млрд. св. лет от нас. Дальше мы не видим, просто не можем. Но то, что мы видим – история развития вселенной – показывает нам далёкое прошлое. То, что происходило как раз те самые 13,2 млрд. лет назад. Возникает вопрос: свет шёл к нам 13,2 млрд. лет, значит уже тогда, давным-давно, где-то там, далеко-далеко уже что-то было. Но как же большой взрыв? Он ведь произошёл в достаточно ограниченной области. Как вещество успело преодолеть за очень-очень короткое время колоссальное расстояние в 13,2 млрд. св. лет, чтобы потом начать нам светить? Значит, скорость движения этого вещества была выше скорости света?

Была. Во много-много раз больше. И для некоторого вещества она по сей день остаётся гораздо большей, чем скорость света. Мы ни за что не увидим это вещество, если не научимся перемещаться быстрее света сами. В чём секрет? Вещество перемещается вместе с расширением пространства.

На скорость расширения пространства нет ограничения в виде максимальной скорости взаимодействий. Оценочные размеры вселенной не 13,2 млрд. св. лет, а все 49,5 (нет, уважаемые пикабушники, с вашими 49,5 см. это не связано).

Можно сказать, что сверхсветовое перемещение как вариант классического варпа был реализован нашей вселенной на самом раннем этапе развития и продолжает существовать до сих пор. Причём, чем дальше (и во времени и в пространстве) – тем быстрее будет этот варп.

Четвёртая ошибка: теория относительности небезгрешна.

Здесь имеется в виду внутренняя непротиворечивость, которая просто таки положена любой хорошей физической теории. В ТО внутренних противоречий достаточно, чтобы не воспринимать её как абсолютно верную даже в собственных рамках.

Один из примеров я уже приводила в предыдущем посте: так называемая гравитационная сингулярность. По сути, это такое явление, которое должно наблюдаться при очень-очень больших массах (но в действительности не наблюдается, хотя массы есть). Если мы берём ну очень большую массу, она искажает пространство настолько, что кривизна его по расчётам становится бесконечной. А что такое бесконечная кривизна в ТО? Бесконечное ускорение. Это значит, что любое тело за любой сколь угодно малый промежуток времени приобретает скорость выше скорости света.

В целом обе теории относительности оказались весьма важны для развития физики и построения уже более глубоких теорий всего, так что заслуги их я ни в коей мере не умаляю. Просто будьте аккуратнее в суждениях.

Ну а напоследок предлагаю выбрать тему для следующего поста:

Почему скорость света такая, какая есть.

В чём суть теории струн (М-теории) и каково её место в физике.

Непустое «пустое» пространство – вакуум.

Применение ландшафта теории струн при проектировке гиперсветовых двигателей.

Спасибо, мы не нуждаемся в ваших услугах.

зы: баянометр поворчал на картинки, но не сильно.