ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ ОДНОВРЕМЕННОСТИ

и

ОСНОВНОЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВО ЗАКОНА ALICE

Han Erim

Март 2005 

Резюме: Эту работу я опубликовал внутри физической программы Закона Alice версии 5 в 2005 году. Эта публикация, содержащая важное физическое доказательство, связанное со Специальной Теорией Относительности, ясно показывает, что скорость света не может быть постоянной для всех систем отсчёта. Данное доказательство, которое я называю "Основное Доказательство", является первым из двух доказательств Закона Alice, связанных со Специальной Относительностью. Во втором доказательстве (Относительная скорость света) раскрывается поведение света и объясняется, каким образом возникает Специальная Относительность. Второму доказательству я дал название "Финальное Доказательство". Оба доказательства вместе показывают, какой должна быть Специальная Относительность и определяют её новую математику.

Относительность Одновременности и Специальная Относительность.

Отправная точка теории «Специальной Относительности» основана на доказательстве того, что определение «Одновременности» является «ОТНОСИТЕЛЬНЫМ». Поэтому, объясняя вам теорию Специальной Относительности, я начинаю первую часть именно с определения «Одновременности». Альберт Эйнштейн использовал знаменитый пример с ПОЕЗДОМ, чтобы доказать относительность одновременности. Здесь я применяю аналогичный пример.

Как вы увидите, Закон Alice развил понятие «Одновременности», сделав его более логичным и понятным. В результате было достигнуто значительное продвижение в теории Специальной Относительности, и некоторые противоречия, содержащиеся внутри теории, были устранены. Поэтому, думаю, что вполне уместно назвать эту часть «новым фундаментом Специальной Относительности». Каждая последующая тема была построена в соответствии с результатами, полученными в этой части, и в итоге теория Специальной Относительности получила очень подробное и ясное объяснение.

Figure 1 - Представим две лампы, установленные на земле. Пусть вы находитесь ровно посередине между ними. Вы можете зажигать обе лампы в любой момент, нажимая на кнопку (прошу вас участвовать в анимациях внутри страницы. Пожалуйста, нажмите кнопку и включите лампы.)

Если я спрошу вас, загораются ли лампы одновременно относительно вас, вы, вероятно, ответите так: «Эти лампы находятся от меня на одинаковом расстоянии, и если предположить, что кабели, ведущие к ним, одинаковой длины (и, более точно: по принципу симметрии левая сторона полностью равна правой), то при нажатии на кнопку я увижу, что обе лампы загораются одновременно».

Таким образом вы дали собственное определение «Одновременности». Спорить с этим невозможно. (Во всех анимациях мы принимаем, что левая сторона полностью симметрична правой относительно оси симметрии.)

Figure 2 -Теперь представим, что вы находитесь внутри прямоугольного транспортного средства, движущегося с постоянной скоростью, и в центре которого расположен источник света. Если бы я спросил вас, достигает ли свет передней и задней части транспортного средства одновременно, вы, как физик, ответили бы: «Поскольку транспортное средство движется с постоянной скоростью, то для меня свет достигнет его передней и задней части одновременно».

Если я возражу: «Как вы можете утверждать, что, несмотря на движение транспортного средства, свет достигает обеих сторон одновременно?» — вы скажете, что это подтверждается экспериментально и теоретически основано на двух постулатах Альберта Эйнштейна.

Постулаты Эйнштейна:

Принцип Относительности: Для всех систем отсчёта справедливы те же электродинамические и оптические законы, содержащие в себе равенства механики.

Универсальная Скорость Света: Свет распространяется в пустом пространстве со скоростью c, независимо от скорости источника.

Если я продолжу возражать, вы скажете: «Я не собираюсь спорить с тобой относительно истинности этих постулатов. Ты можешь понимать их или не понимать — это твое дело. Но скажу одно: объяснить описанное выше явление иначе, не опираясь на эти два постулата, невозможно. Свет, исходящий из источника, расположенного в центре транспортного средства, достигнет обеих сторон совершенно одновременно. Это — физическая реальность».

Figure 3 - После такого введения расширим наш пример.

Теперь мы ищем ответ на вопрос: загораются ли, по мнению наблюдателя, находящегося на оси симметрии, две лампы одновременно для наблюдателя, находящегося внутри движущегося транспортного средства?

На самом деле Альберт Эйнштейн дал этот ответ около ста лет назад, используя пример с поездом. Но поскольку наша цель — еще более четко раскрыть причины относительности «Одновременности» и сделать «Специальную Относительность» более понятной, я объясняю ту же идею с помощью другого примера.

Figure 4 -Предположим следующий эксперимент:

Транспортное средство слева движется с постоянной скоростью по направлению к источнику света справа. Вы стоите на оси симметрии. Поскольку кнопка, включающая лампы, находится под вашим контролем, момент зажигания света определяете вы. Ваша цель — добиться того, чтобы наблюдатель внутри транспортного средства увидел, что обе лампы зажглись одновременно. Если вы нажмёте кнопку слишком рано или слишком поздно, наблюдатель, естественно, увидит, что одна лампа загорелась раньше другой.

Мы можем понять, был ли эксперимент успешным, по следующему критерию: если наблюдатель внутри транспортного средства считает, что обе лампы загорелись одновременно, он поднимает зелёный флаг. Если он видит сначала одну лампу, а затем другую — красный флаг. (Пожалуйста, используйте кнопки. Кнопкой Start вы можете привести транспортное средство в движение и включить лампы в любой момент.)

Figure 5 -Чтобы устранить трудности в настройке времени зажигания ламп, мы можем поместить кнопку (коричневый треугольник) прямо на путь, по которому движется транспортное средство. Если транспортное средство касается кнопки, лампы автоматически загораются. Если оно движется с постоянной скоростью (в эксперименте мы именно это и предполагаем), вы можете перемещать кнопку вправо или влево (пожалуйста, попробуйте), чтобы отрегулировать момент зажигания света. Если кнопка расположена правильно, обе лампы достигнут наблюдателя внутри транспортного средства одновременно.

Разумеется, длина кабелей, ведущих от кнопки к лампам, остаётся одинаковой. Поэтому, пока вы стоите на оси симметрии, где бы вы ни разместили кнопку, лампы для вас всегда будут загораться одновременно — и свет всегда будет доходить до вас одновременно.

Перед началом эксперимента необходимо устранить ошибки анимации, сделав важное уточнение: примем во внимание, что свет, который вы наблюдаете как одновременно загорающийся, может не загораться одновременно для наблюдателя внутри транспортного средства. Потому что согласно текущей теории Специальной Относительности, для наблюдателя в движущемся транспортном средстве лампы, которые относительно вас загораются одновременно, могут загораться НЕ одновременно.

Тогда можно думать так: пока вы стоите на оси симметрии, где бы ни была кнопка, для вас лампы всегда загораются одновременно и свет всегда достигает вас одновременно. Но для наблюдателя в транспортном средстве ситуация иная: даже если лампы НЕ загораются одновременно относительно него, при правильном расположении кнопки свет всё равно достигнет его одновременно. Наблюдатель может находиться на разном расстоянии до ламп или лампы могут загораться в разное время, но если свет достигает наблюдателя одновременно, он считает, что лампы зажглись одновременно. В эксперименте как раз этого и требуется добиться.

Figure 6 -Теперь прошу быть особенно внимательными.

Чтобы наблюдатель внутри транспортного средства увидел, что обе лампы загорелись одновременно, прежде всего свет должен войти в транспортное средство через переднюю и заднюю часть одновременно. Это обязательное условие — если оно не выполнено, наблюдатель никогда не увидит, что свет дошёл до него одновременно. Я называю это «выполнением необходимого условия».

Если, по мнению наблюдателя, свет вошёл в транспортное средство одновременно через обе стороны, то он гарантированно достигнет наблюдателя одновременно.

Теперь логика эксперимента почти полностью сформирована. Если кнопка расположена правильно, свет достигнет передней и задней частей транспортного средства одновременно, а затем одновременно достигнет наблюдателя, находящегося в центре. А вы, в свою очередь, всегда видите, что свет загорается одновременно и достигает вас одновременно.

До этого момента, думаю, не было сказано ничего, что бы противоречило вашей логике. Единственным исключением является физическое явление «Space Contraction» (= сокращение физического пространства объекта из-за скорости), которое пока не включено в логику эксперимента. Я добавлю его чуть позже.

Теперь, когда подготовка завершена, мы можем начать эксперимент.

Figure 7 -Теперь я выполню доказательство, которое приводит к очень важным результатам. Поэтому прошу максимальной концентрации.

Мы добавляем ещё одно транспортное средство и основываем доказательство на правиле симметрии.

Поскольку вы стоите на оси симметрии, если рассматривать ситуацию с вашей точки зрения, все события, происходящие слева от оси, должны происходить одновременно и справа — относительно вас.

Условия, выполненные для транспортного средства слева, должны выполняться одновременно и для транспортного средства справа.

Figure 8 -Прежде всего рассмотрим положение, в котором свет достигает передней и задней части транспортных средств — то есть когда необходимое условие выполнено. Если условие выполнено для транспортного средства слева, оно выполнено и для транспортного средства справа. Обратим внимание на поведение света. Относительно вас свет, исходящий из одного и того же источника (например, слева), достигает двух транспортных средств с разными скоростями.

Вы можете передвигать транспортное средство слева вправо или влево (с помощью мыши), чтобы изучить ситуацию для разных положений. Неважно, в каком положении свет достигает транспортных средств или с какой скоростью они движутся. Предполагается, что необходимое условие выполнено в том положении, в котором вы оставляете транспортное средство.

Мы видим, что перед нами стоит интересный вопрос. Потому что данная фигура показывает, что свет достигает транспортных средств не со скоростью «c» относительно вас. Хотя теория Специальной Относительности утверждает, что свет должен двигаться со скоростью «c» относительно всех систем отсчёта.

Предположим, что эта странная ситуация возникает из-за того, что физическое явление «Space Contraction» не было включено в логику эксперимента. Тогда необходимо включить его. Это делается так:

Примем, что пространство, собственное время и собственные размеры обоих транспортных средств (length contraction) отличаются от ваших пространственных, временных и размерных измерений. Поэтому мы не можем выражать события графически так же, как раньше.

Перед этой проблемой я предлагаю перечитать то, что мы знаем наверняка.

Поскольку мы не можем надёжно выразить системы отсчёта транспортных средств графически, сначала найдём систему отсчёта, которой можем доверять полностью. Если немного подумать, мы увидим, что такая система уже у нас есть — ваша собственная. Во-вторых, из правила симметрии мы уверены, что события в обоих транспортных средствах должны быть одновременными относительно вас. Третье известное нам условие таково: поскольку наблюдатели в транспортных средствах должны увидеть свет одновременно (с вашей точки зрения), свет должен войти в оба транспортных средства одновременно, независимо от их положения. Тогда давайте используем эти три факта вместе.

Figure 9 -Чтобы получить решение, предлагаю следующее:

Пусть наблюдатели в транспортных средствах сбросят свои флаги на землю в тот момент, когда свет достигает передней и задней части их транспортных средств. Затем мы можем подойти к месту, где находятся флаги, и изучить их положение. Мы уверены, что оба наблюдателя сбросят флаги одновременно относительно вас. Поэтому положение флагов даст нам точную информацию о том, в какой момент свет достиг транспортных средств.

Чтобы не отвлекаться, мы накрываем место проведения эксперимента тканью.

Предположим, что кнопка расположена правильно, и начинаем эксперимент.

Сначала рассмотрим положение, в котором выполнено необходимое условие — свет достигает передней и задней части транспортных средств одновременно.

Figure 10 -Исследуем флаги, оставленные транспортными средствами.

Если предположить, что свет достигает обоих транспортных средств со скоростью «c», то существует только один возможный вариант расположения флагов: флаги должны находиться симметрично относительно оси симметрии и совпадать друг с другом.

Теперь последовательно исключим другие возможные варианты.

На фигурах выше показаны два возможных положения флагов.

Зелёные флаги — флаги первого транспортного средства.
Синие флаги — флаги второго транспортного средства.

Поскольку флаги сброшены одновременно (относительно вас), наличие флагов в этих двух положениях показывает, что свет достигает транспортных средств с разной скоростью. Рассмотрим свет, идущий от левой лампы. Свет приходит к обоим транспортным средствам одновременно (относительно вас), но при этом расстояние до транспортных средств в этот момент разное.

Figure 10 - A и B: Таким образом фигуры A и B показывают, что свет приходит с разной скоростью. Но если теория Специальной Относительности верна (то есть свет движется со скоростью «c» для всех систем отсчёта), такая ситуация невозможна. Поэтому эти варианты исключаются.

Остаются фигуры C и D.

Figure 10 - C и D: Эти варианты нарушают принцип симметрии, поэтому их сразу исключаем. В этих случаях транспортные средства не движутся с равными скоростями относительно оси симметрии.

Figure 10 - E: Значит, чтобы свет не имел разных скоростей, флаги должны находиться именно так — симметрично, на одинаковом расстоянии от оси симметрии.

Только такая конфигурация удовлетворяет необходимому условию.

Figure 11 -Включив физическое явление «Space Contraction» в логику эксперимента, мы приходим к выводу, что в момент, когда свет достигает передней и задней части обоих транспортных средств, эти части должны совпадать друг с другом. Пусть даже длина транспортных средств уменьшается из-за «Length Contraction», но это сокращение будет симметричным относительно вас. В этот момент наблюдатели, стоящие в центрах транспортных средств, находятся на оси симметрии относительно вас.

Теперь, когда мы исследовали положение, в котором выполнено необходимое условие, можно перейти к следующему этапу — к моменту, когда свет достигает наблюдателей.

Figure 12 -Продолжаем движение. Пока транспортные средства движутся, свет, вошедший в них, движется к наблюдателям. В момент, когда свет достигает наблюдателей, они уже не находятся на оси симметрии относительно вас. Поэтому невозможно, чтобы сброшенные ими центральные флаги оказались совпадающими и на оси симметрии.

Эта ситуация показывает, что свет не движется со скоростью «c» относительно вас. Таким образом, доказательство демонстрирует, что свет не может двигаться к транспортным средствам со скоростью «c» относительно внешнего наблюдателя. Это важнейший вывод, проливающий свет на природу Специальной Относительности и указывающий на источник ошибки внутри существующей теории.

Позвольте мне сделать последнее дополнение.

Ни при каких условиях центральные флаги не могут быть найдены совпадающими и на оси симметрии. Во-первых, такая ситуация означала бы, что транспортные средства перестали двигаться после выполнения необходимого условия — что невозможно.

Во-вторых, наблюдатели в транспортных средствах увидели бы один и тот же свет в одном и том же месте пространства — что, как доказал Эйнштейн своим примером с поездом, невозможно.

Так как доказательство приводит к выводу, что оба наблюдателя сбросили флаги на одинаковом расстоянии от оси симметрии, но в разных точках, следует, что свет двигался к транспортным средствам не со скоростью «c» относительно вас. На этом первая часть доказательства завершается.

Figure 13 - Это доказательство показывает существование важного результата, видимого на рисунке выше. Поскольку свет состоит из фотонов, ясно, что фотоны, исходящие из одного и того же источника, не все движутся со скоростью «c». Для наблюдателя на земле фотоны, движущиеся к транспортным средствам, не двигались со скоростью «c».

Данное доказательство Закона Alice является первой частью двух доказательств, необходимых для того, чтобы показать, что скорость света «ОТНОСИТЕЛЬНА». Вторая часть — «Относительная скорость света» — показывает, с какой скоростью свет движется к транспортным средствам. Это доказательство показывает, что в существующей теории Специальной Относительности есть серьёзный пробел и что поведение света объясняется иными физическими механизмами.

Очевидно, что нельзя развить определение «Одновременности», не понимая скорости света относительно транспортных средств. Во второй части доказательства («Относительная скорость света») мы увидим, с какой скоростью движется свет.