Рассуждения об основах физики

Анатолий Николаевич Овчинников, 2020

Книга посвящена критике иллюзорных физических теорий: теории относительности и теории расширения Вселенной. Показано, что эти теории отрицательно влияют на образование и мировоззрение современного человека. В книге критикуются идеалистические взгляды на основания физики, астрономии, математики. Часть книги посвящена проблемам измерения времени, другая её часть – анализу негативного влияния теорий относительности и расширения Вселенной на основные понятия физики: длину, время, массу, пространство и геометрию, абсолютное и относительное. Книга полезна не только физикам, астрономам, математикам, но и любому человеку, который намерен заниматься наукой.

Глава 2. Об измерениях в теории относительности

2. 1. Постановка задачи

О возможности измерений в теории относительности (точнее об их невозможности) уже говорилось кратко в [1, с. 4 — 7]. В предыдущей главе мы также показали, что неправильное применение часов при измерении времени приводит к появлению двух ложных постулатов (с которых и начинается теория относительности). Однако, просмотр дискуссий, которые ведутся по вопросу измерений в теории относительности (например, на сайте РАН, forum. lebedev. ru) показал, что имеет место досадное непонимание этой проблемы. Становится ясно, что об этом надо писать более подробно (что и делается в этой главе).

Нетрудно видеть, что все измерения в физике в конечном итоге сводятся к измерению относительных перемещений (или длин), а также углов. Связь между измерениями в физике и законами геометрии является важнейшей особенностью законов природы. Поэтому нам достаточно разобраться с вопросом об измерении длины в теории относительности. Если возможность измерений длины в теории относительности будет доказана, то и все остальные измерения в этой теории также будут заслуживать доверия. И наоборот, если будет доказана невозможность измерений длины в этой теории, то и все остальные измерения также уже не будут иметь смысла. Как раз последнее мы и намерены сделать. Наша цель: доказать, что в теории относительности понятие измерения длины не имеет смысла, а также объяснить читателю, почему это происходит. Заметим, что возможность измерений в какой-либо теории не является фактом само собой разумеющимся. Существует много теорий, в которых нет понятия измерения (например, топология). В общем случае возможность измерений необходимо или подтверждать или опровергать. Для классической механики мы подтвердим возможность измерений попутно.

Заметим еще, что разговор об измерениях в теории относительности может завести нас очень далеко. Мы ограничимся лишь тремя замечаниями (см. пункты 2. 6 — 8). Эти замечания (вытекающие из обсуждения проблемы измерений), совершенно необходимо довести до сведения читателя, как весьма важные.

И начнем мы наше изложение с рассуждений о длине движущейся линейки.

2. 2. Длина движущейся линейки

Итак. Пусть в системе координат S(x,y,z) покоится линейка на оси OX и её длина равна L₀. Пусть вдоль оси OX двигается со скоростью V вторая система координат S^I (оси OX и O^IX^I совпадают по направлению). «Измерение» длины линейки в системе S^I можно производить двумя способами.

1-й способ (по Эйнштейну). Отметки начала и конца линейки на оси O^IX^I делаются одновременно в системе S^I. И тогда мы получим длину линейки равной, [2, с. 373]:

2-й способ (по антиЭйнштейну). АнтиЭйнштейн скажет: «Господа, какая же это длина линейки, если отметки делаются не одновременно по часам, установленным на её концах? Ведь за время между отметками линейка успеет сдвинуться по отношению к S^I на некоторую величину ΔL. И это уже не будет длина линейки, а будет длина:

какая из отметок будет сделана первой. Поэтому отметки должны делаться одновременно относительно концов линейки» (т.е. одновременно в системе S). И тогда, поступив таким образом, антиЭйнштейн получит длину линейки в системе S^I равной [2, с. 376]:

Какой из этих способов правильный? Эйнштейн и его последователи не предусмотрели ответа на этот вопрос (по крайней мере, вразумительного). По их мнению, 1-й способ «естественный». Но 2-й способ ничуть не менее «естественный». В обоих способах одновременность присутствует. Некоторые говорят, что здесь мы имеем два различных опыта. Но это не так. Физический опыт один и тот же (ни L₀ ни V не зависят от количества наблюдателей и их мнений). Опыт один; действия же наблюдателей различны и приводят к различным результатам. И тут вступает в дело принцип относительности, который усложняет ситуацию и делает её неразрешимой. В самом деле. Если «измерения» идут по 1-му способу, то наблюдатель в системе S^I скажет: «Кто говорит, что линейка в моей системе стала короче? Линейка в моей системе не изменилась. Это линейка в системе S стала длинней». Если «измерения» идут по 2-му способу, то наблюдатель в системе S^I скажет: «Кто говорит, что линейка в моей системе стала длинней? Линейка в моей системе не изменилась. Это линейка в системе S стала короче». Итак, наблюдатель в системе S^I говорит то же самое, что и наблюдатель в системе S, но он всегда говорит все «наоборот», потому, что действует принцип относительности. Ни законы природы, ни логики не дают нам возможности узнать какая из четырех перечисленных выше линеек правильная (истинная). Далее мы увидим, что изложенные выше способы «измерения», ни каким образом не подходят под понятие — измерение. Поэтому слово «измерение» в этом пункте всюду заключено в кавычки.

2. 3. Понятие измерения

Исторически понятие измерения было введено математиками (в первую очередь геометрами). Древние геометры рассуждали приблизительно так. Пусть имеются два равных отрезка (отрезок — 1 равен отрезку — 2). Затем в результате чего-то оказалось, что отрезок — 1 стал короче отрезка — 2. Как узнать, что произошло с ними на самом деле? Здесь имеются пять вариантов развития событий.

1-й вариант. 1-й отрезок стал короче; 2-й не изменился.

2-й вариант. 1-й отрезок не изменился; 2-й стал длиннее.

3-й вариант.1-й отрезок стал короче; 2-й стал длиннее.

4-й вариант. Оба отрезка укоротились, но 1-й отрезок укоротился больше, чем 2-й.

5 — вариант. Оба отрезка стали длиннее, но 2-й отрезок удлинился больше, чем 1-й.

Нет никакой возможности узнать, что произошло с отрезками на самом деле, если только заранее не иметь в своем распоряжении таких фигур (отрезков, углов и т. д.), про которые мы точно знаем, что они не меняются ни при каких внешних обстоятельствах. А это требует «аксиомы неизменности», говорит геометр и вводит её примерно так: геометрические объекты подчиняются только условиям, налагаемым математиком, и не зависят ни от каких других внешних условий. Так если геометр говорит: дан отрезок длиной L, то это значит, что его длина никоим образом не изменится, как бы мы его не двигали и куда бы мы его не прикладывали. Если геометр говорит: дана сфера радиуса R с центром в точке O, то никто кроме математика уже не может переместить её центр в другую точку или изменить её радиус. Далее нам придется говорить только об этой аксиоме неизменности, поэтому мы будем её называть просто Аксиома (и писать её с большой буквы ввиду её важности). Аксиома эта настолько прочно вжилась в наше сознание, что мы никогда почти её вслух не проговариваем, но всегда подразумеваем, что она действует. Традиционная математика, в которой действуют знаки: <, >, =, +, — , и т. д., покоится именно на этой Аксиоме. Следует также заметить, что в ситуации с двумя отрезками геометры применили принцип относительности, взятый ими из законов природы, и применили его весьма корректно (и эта корректность привела их к Аксиоме).

Только теперь геометр начинает говорить об измерении. Он вводит определение: измерить отрезок L с помощью единичного отрезка s_e, это значит определить одно из двух выражений:

Или

Здесь n — число равных частей, на которые поделена единица s_e, а m, m₁, m₂ — число таких частей в выражениях (2. 1) и (2. 2). Если имеет место выражение (2. 1), то геометр говорит, что единица s_e и отрезок L — соизмеримы. Если L не удается представить в виде (2. 1), а удается представить только в виде (2. 2), то геометр говорит, что единица s_e и отрезок L — не соизмеримы.

Таким образом, понятие «измерение» пришло в физику от математиков. Физик в своих измерениях всегда только копирует действия математика и его понятие измерения ничем не отличается от понятия измерения математика. Разница лишь в том, что у физика всегда имеется только выражение (2. 2) (что связано со степенью точности измерения), но это не меняет сути дела.

2. 4. Аксиома неизменности и преобразования Лоренца

А теперь допустим, что геометру говорят: ваша единица длины s_e может меняться в зависимости от того, как на неё посмотрит наблюдатель или от того как она двигается и т. д. Тогда геометр скажет: « В таком случае я не могу сказать, что я что-то измерил; понятие измерения теперь потеряло смысл». И он будет прав (Аксиома не работает). Но тогда и физик должен сказать то же, что и геометр (если физик последователен): я тоже не могу сказать, что я что-то измерил; понятие измерения потеряло смысл.

А когда Аксиома перестает действовать? А тогда, когда начинают выводить преобразования Лоренца [2, с. 366]. Здесь один геометрический объект — сфера, в центре которой находится источник света (система координат OXYZ), при появлении (всего лишь) наблюдателя превращается в другую — сферу, в центре которой теперь уже находится наблюдатель (система O^IX^IY^IZ^I). Пока наблюдателя не было, уравнение сферы было таково:

Радиус этой сферы равен ct, а центр сферы находится в точке O, то есть там же, где находится и источник света. И это соответствует физической ситуации. Но вот появляется наблюдатель (со своей системой координат O^IX^IY^IZ^I) и согласно преобразованиям Лоренца уравнение сферы становятся таковым:

Но сфера (2. 4) это уже совсем другая сфера, нежели сфера (2. 3). Во-первых, радиус сферы (2. 3) не равен радиусу сферы (2. 4), потому, что в преобразованиях Лоренца t не равно t^I. Во-вторых, в центре сферы (2. 4) находится теперь уже не источник света, а наблюдатель (точка O^I), источник света как оставался в точке O (центр сферы (2. 3)), так и остается в ней. Сфера (2. 3) реально существующая, таинственным образом преобразовалась в другую, не равную самой себе сферу (2. 4), только потому, что изволил появиться наблюдатель. Все это означает, что преобразования Лоренца отменяют Аксиому (она уже не действует).

Последовательный физик должен сказать: «Мы вывели преобразования Лоренца, но теперь измерения потеряли смысл». Но последних четырех слов сторонники теории относительности почему-то никогда не говорят. Возможно, они думают, что при измерениях они не копируют действия математика, а действуют как-то гораздо умнее. Но как? Они это не объясняют. И весьма сомнительно, что они это когда-нибудь объяснят.

Теперь нам становится понятным, почему ситуация с линейками, о которых велись рассуждения выше, становится неразрешимой. Верность или неверность способов измерения потеряла смысл, потому что ещё до этого (т. е. при выводе преобразований Лоренца) потеряло смысл понятие измерения.

А как обстоят дела с измерениями в классической механике? Здесь используются преобразования Галилея, а они, как легко видеть, не отменяют Аксиомы. В самом деле, преобразования Галилея преобразуют сферу (2. 3) в такую:

Сфера (2. 5) совпадает со сферой (2. 3). Радиус сферы (2. 5) равен радиусу сферы (2. 3) потому, что в преобразованиях Галилея t = t^I. Наличие слагаемого Vt в скобках первого члена говорит о том, что центр сферы (а вместе с ним и источник света) двигаются по отношению к наблюдателю со скоростью ( — V) или (что, то же самое), наблюдатель двигается по отношению к центру сферы со скоростью V. И все это, ни коим образом, не противоречит реальной физической ситуации. Преобразования Галилея не отменяют Аксиомы; напротив, они ей строго подчиняются. Поэтому в классической механике измерения возможны и имеют ясный физический смысл.

2. 5. Релятивистская сфера

Но есть еще опыт (наипростейший, очищенный от всего лишнего, что могло бы помешать правильно рассуждать). И мы не можем не упомянуть о нем. Пусть точечный источник света испускает сферический волновой фронт. Каков будет радиус сферы по истечению времени T? Ответ: радиус будет равен cT. А каков будет её диаметр? Ответ (релятивистский): согласно постулату о постоянстве скорости света диаметрально противоположные точки этой сферы удаляются друг от друга также со скоростью света c, поэтому диаметр сферы также равен cT. Диаметр сферы оказался равен её радиусу! Легко видеть, что при других скоростях расширения сферы (меньших c), «релятивистская» сфера всегда будет обладать следующим, неприятным, свойством: диаметр «релятивистской» сферы всегда меньше её удвоенного радиуса (это следует из релятивистской формулы сложения скоростей [2, с. 371]). Такую сферу не сможет построить ни один геометр. А не построивши её, геометр ничего и не сможет измерить. А вслед за ним ничего не сможет измерить и физик. И это потому, что в теории относительности нет Аксиомы. На наш взгляд, достаточно рассмотреть только этот один опыт, чтобы понять всю бессмысленность каких-либо измерений в теории относительности.

2. 6. Подмена одного понятия другим

Подмена одного понятия на другое (не равносильное прежнему), довольно распространенная ошибка в логических рассуждениях. Она имеется и в теории относительности. Это — незаконная подмена тензора одного ранга на тензор другого ранга. В теории относительности вектор скорости света

заменяется скаляром c, то есть имеет место подмена: c вместо c. В самом деле. В теории относительности не существует понятия — проекции вектора скорости света на оси координат, то есть чисел — c₁,c₂,c₃. Это означает нарушение правил тензорной алгебры. Аналогично при введении четырехмерного пространства-времени скаляр ct заменяется на вектор, то есть:

Здесь слева — вектор, а справа — скаляр потому, что ie₄ есть единичный вектор пространства L₄ с базисом (e₁, e₂, e₃, ie₄) и этот базис вводится совершенно независимо от каких-либо существующих скалярных величин (в том числе и скалярной величины — времени). Трехмерное пространство L₃ (e₁, e₂, e₃) является подпространством указанного выше четырехмерного пространства L₄ и то, что верно в L₃ верно так же и в L₄. Но в L₃ проекций скалярной величины времени на оси координат не существует, а значит, таких проекций не будет существовать и в L₄. Скалярная величина — время в подпространстве L₃ остается таковой (скалярной) и в пространстве L₄. Нетрудно видеть, что эти подмены есть также следствия отсутствия Аксиомы. В самом деле; если при выводе преобразований Лоренца мы запросто заменяем одну сферу на другую, то почему тогда нам нельзя заменить один геометрический объект на другой? (Скаляр и вектор это — разные геометрические объекты). Таким образом, введение четырехмерного пространства-времени по схеме (2. 6) не является обобщением. Это — ошибка. Эта математическая ошибка тотчас становится и физической потому, что физические величины описываются тензорами.

Примечание. Ошибочность схемы (2. 6) можно установить и в более простых рассуждениях. Мы имеем формулу: F = am; но мы не можем сказать, сколько килограммов соответствуют 1 Н потому, что существуют различные ускорения. Мы имеем формулу: U = RI; но мы не можем сказать, сколько ампер соответствуют 1 В потому, что существуют различные сопротивления. Мы имеем формулу: s = Vt; но мы не можем сказать, сколько секунд соответствуют 1 м потому, что существуют различные скорости. Но сторонники теории относительности знают, сколько секунд соответствуют 1 метру потому, что в схеме (2. 6) они всегда умножают время t на одно и то же число c — скорость света. Они думают, что в мире существует только одна эта скорость (скорость света) и никаких других. Как они это узнали? Абсурдность ситуации очевидна.

Подчеркнем ещё раз; давно пора развеять миф о том, что введение четырехмерного пространства-времени есть обобщение, а не ошибка.

2. 7. Теория относительности и субъективный идеализм

Ирландский философ Беркли (1685 — 1753 г.) утверждал, что материальные объекты существуют, только будучи воспринимаемыми. В наше время сторонники теории относительности утверждают, что сфера, за которой не наблюдают, отличается от сферы, за которой ведется наблюдение. Последнее утверждение принципиально ничем не отличается от утверждений Беркли; оно является толкованием, основанном на субъективном идеализме. Может ли физик изучать законы природы, оставаясь на позициях субъективного идеализма? Конечно, может, но от этого нет никакой пользы (но много вреда). В самом деле: физику, конечно, важно то, чего он наблюдает, но ему гораздо важнее знать то, что будет происходить, когда он не имеет возможности наблюдать. Это — материалистическая позиция. Этой же позиции придерживаются и другие науки, например, химия. Субъективный идеализм уводит нас в мир иллюзий, которые не имеют никакого отношения к нашему, реальному миру (например, «парадокс близнецов» — типичная иллюзия теории относительности).

2. 8. Математический аппарат и теория относительности

Мы уже упоминали о том, что математика, в которой используются знаки: больше, меньше, равно, плюс, минус, умножить и т. д.; покоится на Аксиоме. Но в теории относительности этой Аксиомы нет. В таком случае правомерно ли использование традиционной математики в теории относительности? Конечно, нет. Если в теории нет Аксиомы, то и в математике, которая описывает эту теорию, мы также должны избавиться от Аксиомы. Но это будет уже другая математика. Здесь мы наблюдаем очередную непоследовательность в действиях сторонников теории относительности, каковых у них немало.

2. 9. Выводы

Итак, чтобы разобраться в измерениях в теории относительности, не обязательно изучать линейку на атомном уровне. Достаточно сравнить действия математика и физика в измерениях и выяснить, где физики наделали ошибок. Перечислим их (некоторые, но не все).

Физики в теории относительности отменили Аксиому и лишились возможности что-либо измерить. А почему отменили? А потому, что вывели преобразования Лоренца (а из них запрещенные подмены, см. преобразование (2. 6)). А зачем им это понадобилось? А затем, что того требует постулат о постоянстве скорости света. А как они о нём узнали? А от Эйнштейна. А как узнал о нем Эйнштейн? Точно мы не знаем. У Эйнштейна были некоторые основания для введения этого постулата, но эти основания были далеко не достаточны. А в таком случае, не приходило ли вам в голову, господа физики, что такого постулата и нет вовсе? Приходило, но это считается ересью. А то, что диаметр «релятивистской» сферы всегда меньше её удвоенного радиуса, это — не ересь? Вот мы и добрались до той первой ошибки, за которой последовали перечисленные выше: постулат о постоянстве скорости света был принят без достаточных на то оснований. Роковую роль здесь имело то обстоятельство, что физики неправильно использовали часы при измерении времени. При измерении времени, они не учитывали слагаемое переноса часов (оно неизбежно возникает, если часы при измерениях перемещаются). Для одномерного прямолинейного (по оси OX) движения часов это выглядит так: t_χ = t + x/c, здесь t_χ — показания часов; t — истинное время; x — сдвиг часов по оси OX при измерениях (Гл. 1, формула(1. 10)). Для трехмерного движения — см. (Гл.1, формула (1. 20)).

При учете этого обстоятельства, постулат о постоянстве скорости света отменяется, и мы возвращаемся к преобразованиям Галилея (формулы (1. 10)). Разумеется, при этом теория относительности рухнет, как карточный домик. Но с этим, господа, уже ничего не поделаешь. «Чему быть, того не миновать».

Отметим, наконец; то, что физики проводят измерения, на деле означает, что они отвергают теорию относительности (в неявной форме). На словах же (в статьях, журналах, книгах) они её принимают и даже готовы её отстаивать. Но подходящее ли дело для физика, отстаивать иллюзии?