Теория относительности и сверхсветовая скорость (издание второе)

Моренко Владимир

Во-первых, в выражении для инвариантного интервала время, равно как и три пространственные координаты, является независимой переменной. А во-вторых, этот интервал является величиной измеримой, в то время как в классических преобразованиях Лоренца этот интервал, если бы он был введен, является тождественно равным нулю, и определяется он не через абсолютные значения времени и координат, а через их изменения.

Эйнштейн предложил способ учета конечности скорости света при описании движения в различных системах координат, ориентированный на классические преобразования Лоренца, с помощью инвариантного интервала, задаваемого выражением

и являющегося определением длины отрезка по его проекциям в четырехмерной системе координат. Причем собственно пространство определено через особую метрику, в соответствии с которой расстояния между точками, определение которых осуществляется с помощью нетривиальных значений временной координаты, в нем заданы именно через инвариантный интервал (см., например, [8] с.25). А расстояния между точками, задаваемыми только через пространственные координаты, определяются по правилам евклидовой геометрии. В указанном источнике (см. там же) сравнение «движущейся» и «неподвижной» прямоугольных систем координат предлагается осуществлять путем сравнения развернутых на некоторый угол ? четырехмерных систем, таким образом, чтобы:

Тогда,

если

, то

. А так как

,

, использование заданной метрики четырехмерных пространств якобы позволяет получить преобразования координат, совпадающие с теми, что получены при классических преобразованиях Лоренца. Однако такое предположение является в корне ошибочным. Действительно, если подставить в формулы

и

начальные условия

и

, то получим выражение только для сравнения хода часов:

. А сравнение пространственных координат x с x’ принципиально невозможно – по начальным условиям последние всегда равны нулю. И определить, как это предлагается в [8], изменение длины стержня при переходе от одной системы координат к другой также принципиально невозможно, поскольку в развернутой системе координат начальным условием является равенство нулю длины этого стержня.

Отметим, что при данном выводе для четырехмерного пространства используются значения пространственных координат и времени трехмерного пространства, при этом неподвижной для трехмерного пространства системой координат считается та, в которой центр другой также трехмерной системы отсчета и произвольно выбранная точка являются движущимися. Кроме того, из рассмотрения исключены изменения координат, связанные с их параллельным переносом. В этом смысле использование в записи формул собственно обозначений независимых переменных, а не их изменений не должно вводить в заблуждение, что речь идет о преобразованиях координат сравниваемых инерциальных систем отсчета. На самом деле мы имеем дело со сравнениями изменений этих переменных при изменении ориентации одной и той же четырехмерной системы координат, то есть с одним единственным наблюдателем, а не с двумя, как это имеет место для вывода преобразований Лоренца в классическом трехмерном случае.

Альтернативой псевдоевклидовому пространству с его метрикой, задаваемой частично через гиперболические функции, а частично через тригонометрические функции, являются координатные системы, в которых длина четырехмерного отрезка определяется только правилами геометрии Евклида. При этом инвариантный интервал определяется в них как длина вектора, исчисляемая с помощью теоремы Пифагора, в соответствии с выражением:

В этом случае мы, при совпадении центров систем координат, имеем дело с использованием только тригонометрических функций для определения геометрии четырехмерных пространств, развернутых на некоторый угол:

И тогда

.

Оба указанных выражения для времени в движущейся системе координат могут быть выведены только с помощью использования факта существования инвариантного интервала, имеющего одну и ту же длину в сравниваемых системах. При этом последнее из них не ограничивает скорость тела скоростью света в вакууме.

Существуют и иные, базирующиеся на понятии об инвариантном времени собственном, способы определения взаимозависимости времен движущейся и неподвижной четырехмерных систем координат, основанные на использовании метода неопределенных коэффициентов (индефинитных преобразований), более известного как преобразования Лоренца ([5], §1):

< image l:href="#"/>

,

Но

и для этих способов применение разных видов инвариантного времени собственного

и

, для которых

, а

, дает те же самые результаты по соотношению хода часов в разных системах координат, что были определены выше

и

. Как видим, «пространственно-временные» трансляции в результате проведенных преобразований свелись только к временным, а не пространственно- временным трансляциям, как и следовало этого ожидать при принятии условия, что один из наблюдателей видит тело в состоянии покоя (речь конечно же идет о трехмерном пространстве). Причем здесь неподвижной считается система координат, в которой отсутствует движение произвольно выбранной точки в трехмерном подпространстве, но есть движение по временной координате четырехмерного пространства.

Учитывая разночтения в процедуре определения какой из наблюдателей является неподвижным, а какой движущимся, необходимо дополнительно рассмотреть вопрос об определении статуса неподвижности четырехмерных систем отсчета.

Классические преобразования координат, что Галилея, что Лоренца, основаны на сравнении расстояний до произвольно выбранной точки от центров сравниваемых инерциальных систем отсчета. При этом одна из систем координат обязательно должна быть неподвижной относительно указанной точки. Данное обстоятельство позволяет именно в этой системе осуществлять экспериментальную проверку и измерение величины расстояния между указанной точкой и центром системы координат. В другой инерциальной системе координат это расстояние можно вычислить с использованием знания о величине скорости света, величине измеренного в неподвижной системе координат расстояния и скорости относительного движения центров двух систем отсчета. Введение понятия об инвариантном интервале, или времени собственном, как это принято в современной физике, вносит свои коррективы в формулировку ставящейся задачи, поскольку нам необходимо определять не соответствие координат разных систем отсчета, а найти связь между изменениями четырех независимых переменных в разных системах отсчета. При этом мы имеем две четырехмерные системы координат, каждая из которых является неподвижной относительно движущейся произвольно выбранной точки. В одной из систем это движение осуществляется как по временной, так и пространственным координатам, в то время как в другой – только по временной координате. Причем в последней из этих систем движение точки по временной координате согласовано с движением этой же точки по всем четырем координатам в первой из указанных систем отсчета. В общепринятой в настоящее время форме математического обоснования специальной теории относительности для сравнения различных систем координат используют пару идентичных часов, устанавливаемых в центре неподвижной системы координат и на движущемся объекте, полагая, что последние использует наблюдатель, находящийся в системе, где движение тела происходит только по временной координате. Однако такой подход может иметь место только в случае трехмерных, а не четырехмерных систем координат, как это постулируется в специальной теории относительности. В действительности в полном соответствии со специальной теорией относительности мы имеем одни единственные часы, установленные в общем для двух развернутых относительно друг друга четырехмерных систем координат. При этом необходимо ввести условие, что часы в центре системы, где движение тела происходит только по временной координате, показывают то же самое время, что и часы, размещенные в трехмерном пространстве на движущемся теле. Но для описания механического движения тела воспользоваться можно только часами, где это движение осуществляется, то есть в системе, где есть движение по всем координатам четырехмерной системы отсчета. Для часов на наблюдаемом в трехмерном пространстве теле такое движение отсутствует – их показания совпадают с показаниями часов, размещенных в центре системы, где есть движение тела только по временной координате. И для того, чтобы сравнивать показания одних и тех же часов с помощью времени, используемого в трехмерном пространстве, необходимо ввести понятие об инвариантном интервале для различных четырехмерных систем отсчета. При этом базовой (неподвижной) системой может быть только такая, где можно экспериментально определить координатное положение тела и параметры его трехмерного движения. И тогда правомерным следует признать подход к определению статуса неподвижной системы координат, использованный в [5], а не в [8]. В этом случае связь между различными определениями одного и того же четырехмерного инвариантного интервала выражается не через сравнение описаний длины интервала с помощью определения его длины через изменение координат двух четырехмерных систем координат, а через связь для трехмерного пространства между показаниями часов неподвижного наблюдателя и расположенных на движущемся теле часов либо как как

, либо как

. Данные выражения легко получить и без рассмотренных ранее математических выкладок, путем простого сравнения метрик (правил определения расстояния между точками) двух различных четырехмерных систем координат, в одной из которых наблюдается движение тела как в трехмерном подпространстве, так и по временной координате, а в другой – только по временной координате. В этом случае на основании инвариантности времени собственного и разных метрик можно записать

, c=1. А так как начальным условием является

, то

. При этом ни о каких иных пространственных преобразованиях не может быть и речи. Более того, при таких видах преобразований построенные нами четырехмерные системы координат будут полностью удовлетворять принципу однородности и изотропности пространства, в то время как именно изотропности пространства одна из систем координат при преобразованиях Лоренца не соответствует.

Сам же переход к сравнению изменений движений тела в четырехмерном пространстве вместо сравнения инерциальных систем примечателен тем, что один единственный наблюдатель, учитывая свойство тождественности по определению инерциальных систем координат и первый постулат специальной теории относительности, не нуждается во втором движущемся относительно него наблюдателе, чтобы определить ход часов у этого наблюдателя. Вполне достаточно использовать собственные часы и определять влияние конечности скорости света на результаты его наблюдения за движущимся объектом на основании их показаний. Таким образом, задача преобразования координат может быть заменена задачей определения особенностей наблюдения неподвижным наблюдателем движущегося объекта при условии конечности скорости света. Для решения такой задачи принципиально необходимо, чтобы соблюдались два положенных в основу специальной теории относительности условия: о тождественности (неотличимости) хода «внутренних» часов в любой из сравниваемых четырехмерных систем координат и о зависимости при переходе к трехмерному пространству хода движущихся часов от хода часов неподвижного наблюдателя и изменения положения тела в трехмерном пространстве. И для такой задачи нет необходимости соблюдения одновременности происходящих с телом изменений положения с показаниями часов у наблюдателя, а также начального нахождения тела в месте расположения неподвижного наблюдателя. Данные ограничения необходимы только в случае сравнения абсолютных значений координат, а не их бесконечно малых изменений. Данное обстоятельство обусловлено как однородностью времени, так и тем, что мы имеем дело с инерциальным движением тела в трехмерном пространстве с постоянной скоростью.