-------------------
Вы знаете, как устроен наш мир?



---Load files---
Совет: если изображения отображаются неправильно, попробуйте очистить кеш браузера!
Поиск на странице - нажмите "Ctrl+F", Поиск на сайте - поле ввода "Яндекс-Найти" на "шапке",
Поиск в интернете - 1) выделите текст, 2) нажмите правую клавишу мыши и 3) выберите поисковик.

С О Д Е Р Ж А Н И Е

------- Тимин В.А. (mail: timinva@yandex.ru) Дата последней загрузки: May 13 2020. -------
Ссылка на этот материал: Пятый-элемент-(К.Злосчастьев).htm)


"Пятый элемент": история и современный взгляд.

Доктор философии в области физики К. ЗЛОСЧАСТЬЕВ. (Национальный автономный университет Мексики, Институт ядерных исследований, кафедра гравитации и теории поля). "Наука и жизнь", №1, №2, 2007.

Противоречит ли эфир теории относительности Эйнштейна?

 

Гипотеза эфира, "пятого элемента" некой невидимой субстанции, наполняющей Вселенную, господствовала в философии и науке более чем две тысячи лет - до 1905 года, когда Альберт Эйнштейн опубликовал свою первую работу по теории относительности (ТО). Из теории, в частности, следовало, что эфир - вещь для электродинамики в принципе необязательная, и лезвие бритвы Оккама неприятно сверкнуло над горлом некогда столь незыблемого "пятого элемента". Эксперименты Майкельсона - Морли и их последователей (кстати, продолжающиеся и в настоящее время) не выявили каких-либо проявлений эфира, и теории, которые на нем базировались, постепенно перекочевали со страниц серьезных научных изданий в труды непризнанных гениев-изобретателей, поэтов, бродячих философов и оккультных служителей лохотрона, где и деградировали окончательно. Но не рано ли зачитан некролог, а что, если пациент скорее жив, чем мертв? Эта статья о направлении в фундаментальной физике, которое стало особенно популярным в последние два-три года, - о гипотезе релятивистского эфира (Einstein Aether) и нарушении Лоренц- и cpt-инвариантности, то есть о теоретических предсказаниях и экспериментальных поисках отклонений от теории относительности и Стандартной модели.

Ночной зефир струит эфир

Скудость эмпирической информации об эфире вкупе с его изначально божественным происхождением сделали эфир своего рода мистическим идолом человеческой цивилизации и "красным словцом" литературы, будоражащим беспокойные умы и поныне. Наиболее поэтически настроенные из них не смирились с отсутствием наблюдаемых данных о предмете познания и решительно двинулись вперед. Одни сразу же наделили эфир богатой внутренней структурой, имеющей первостепенное значение для зарождения Вселенной.

Такая постановка вопроса в свою очередь подразумевает необходимость создания четкой и последовательной структуры мироздания. По времени это совпало с появлением физики - науки о природе, которая должна была стать более мощным инструментом познания наблюдаемой Вселенной, чем мифология, религия и философия, вместе взятые.

Эфир, везде один эфир

С открытием Ньютоном законов классической механики началась эра теоретической физики - математической науки, которая позволяла предсказать или отвергнуть возможность существования того или иного феномена до начала попыток его наблюдения и/или соответствующего эксперимента. Люди осознали, что получили интеллектуальный инструмент для исследования того, чего могло и не быть. Однако предположение, что эфир все-таки может существовать, толкал их на разработку теорий, объясняющих те или иные явления с помощью эфира.

Эфир Ньютона. Классическая механика Ньютона легко отняла у Аристотелевой теории "вихревого эфира" статус теории, объясняющей планетарное движение, но полностью отвергнуть эфир Ньютон не смог. Во-первых, классическая механика сама по себе содержала концепции абсолютного пространства и абсолютного времени, и предполагалось, что взаимодействия между телами распространяются мгновенно. В этом случае эфиром можно было назвать как само абсолютное пространство и время (выделенную систему отсчета - СО*), так и механическую среду, по которой распространяются гравитационные и электромагнитные взаимодействия.

Действительно, в выражение для силы Лоренца, действующей на электрически заряженную частицу в магнитном поле, входит скорость этой самой частицы. Вопрос: скорость частицы относительно чего, то есть, в какой системе отсчета? Значит, необходимо либо найти ту единственную "истинно верную" СО, относительно которой надлежало делать все расчеты, либо перестать считать понятие трехмерного вектора силы фундаментальным (Эйнштейн пойдет по второму пути и добьется подлинного понимания, но до этого должно еще пройти двести лет господства нерелятивистской механики и эфира).

Во-вторых, в попытке дать единое описание света, вещества и гравитации, Ньютон пишет книгу "Optiks", где эффекты влияния гравитации и вещества на свет объясняются изменениями скорости света (напоминаем, что скорость света постоянна только в вакууме), в свою очередь обусловленными изменениями плотности эфира. Согласно его теории, частицы света (Ньютон уже тогда предполагал, что свет имеет не только волновую, но и корпускулярную природу!) отклоняются в сторону более высокой плотности или в сторону более сильно притягивающей массы.

Как бы то ни было, теория ньютоновского эфира окончательно рухнула после того, как выяснилось следующее. Во-первых, Ньютон ошибочно предполагал, что свет в веществе притягивается к областям, где он имеет более высокую скорость; во-вторых, величина эффекта "красного смещения" (увеличение длины света при прохождении в окрестности массивного тела), посчитанная согласно теории, отличалась от экспериментально измеренной чуть ли не в два раза.

Светоносный эфир. Джеймс Максвелл в 1864 году выводит свои уравнения, объединившие электричество и магнетизм, и утверждает, что свет есть электромагнитная волна, которая может распространяться в вакууме исключительно с фиксированной скоростью - 310 740 км/с. В механике Галилея - Ньютона это могло выполняться только в какой-то одной системе отсчета, и поэтому такая гипотетическая выделенная система отсчета была объявлена сопутствующей эфиру как среде, в которой распространяется свет. Таким образом, эфир должен быть неподвижен и одинаков в любой точке наблюдаемой Вселенной, иначе скорость света должна изменяться в пространстве. Теоретические расчеты и существующие на то время экспериментальные данные уже позволяли сказать, какими свойствами должен обладать светоносный эфир, чтобы удовлетворять всем требованиям теории. Эти свойства оказались совершенно сверхъестественными: он должен быть текучим, как жидкость или газ, чтобы равномерно наполнять пространство, и вместе с тем в миллион раз тверже, чем сталь, чтобы поддерживать высокие частоты электромагнитных волн. Кроме того, эфир должен быть безмассовым и с нулевой вязкостью, чтобы минимизировать собственное влияние на орбиты планет, а также полностью прозрачным, несжимаемым, нерассеивающим и непрерывным вплоть до самых малых масштабов. Такой эфир выходил за все рамки здравого смысла и становился вопросом веры.

Карета подана, сэр!

Девятнадцатый век поднял технологию на новую ступень и освободил человечество от многих догм прошлого. Физики тоже расширили свои экспериментальные возможности, с успехом использовав новые технологии для получения ответов на вопросы, ранее считавшиеся недоступными для рационального объяснения. Существование глобального светоносного эфира было едва ли не самым важным из них…

Земля движется по орбите со скоростью около 30 км/с; таким образом, она должна ощущать "эфирный ветер", угол падения и величина которого в заданной точке поверхности планеты станут меняться в зависимости от времени года и суток. Влияние эфирного ветра на свет должно быть подобно влиянию обычного ветра на звуковые волны, то есть скорость распространения света в различных направлениях будет различной, согласно нерелятивистскому закону сложения скоростей.

В 1881-1887 годы Альберт Майкельсон (Michelson) и Эдвард Морли (Morley) осуществили один из наиболее важных экспериментов в истории физики, идея которого используется до сих пор из-за достигаемой высокой точности. Луч света из источника попадает на частично посеребренное зеркало, где разделяется на два луча (обозначенные на рисунке зелеными и синими стрелками), которые направляются в разные стороны. Там они отражаются от зеркал (отстоящих от центрального на одинаковом расстоянии) и в конце концов попадают в один детектор - экран. Если скорость света различна в этих двух направлениях, то один из лучей должен прийти с запаздыванием, и в детекторе должна наблюдаться интерференционная картина.

Эксперимент показал, что никаких сезонных эффектов не наблюдается. И даже если эфир существует, его скорость относительно прибора не может превышать 8 км/с. Последующие эксперименты подобного рода, проведенные в XX веке Миллером (Miller), Томашеком (Tomascheck), Кеннеди (Kennedy), Иллингворсом (Illingworth), Пиккардом (Piccard), Стаелем (Stahel), Джусом (Joos), Таунсом (Townes) и другими, к 1959 году снизили этот порог до 25 мм/с. Наконец, эксперимент Брилле - Холла (Brillet - Hall), проведенный в 1979 году, поставил рекорд: разница между скоростями двух лучей, испущенных гелий-неоновым лазером в противоположных направлениях, не превышала по порядку величины одной тысячной миллиметра в секунду. Но в принципе все было понятно задолго до 1979 года: в 1905 году Альберт Эйнштейн предложил устранить парадоксы электромагнетизма, отказавшись от гипотезы абсолютного пространства, абсолютного времени и силы, мгновенно передающейся на расстояние. Механику Ньютона и теорию относительности Галилея вобрала в себя релятивистская теория относительности, эфир стал не нужен и был отправлен в изгнание.

I'll be back?

После создания теории относительности эфир стал не нужен и был отправлен в изгнание. Но было ли изгнание окончательным и бесповоротным? За сто лет теория Эйнштейна продемонстрировала свою состоятельность в многочисленных экспериментах и наблюдениях как на Земле, так и в окружающем нас пространстве, и пока нет никаких оснований для замены ее на что-то еще. Но являются ли теория относительности и эфир взаимоисключающими понятиями? Парадоксально, что нет! При определенных условиях эфир и выделенная система отсчета могут существовать, не противореча теории относительности, по крайней мере ее принципиальной части, которая подтверждена экспериментально. Чтобы понять, как такое может быть, мы должны углубиться в самое сердце теории Эйнштейна - лоренцеву симметрию.

Изучая уравнения Максвелла и эксперимент Майкельсона-Морли, в 1899 году Хендрик Лоренц заметил, что при преобразованиях Галилея (состоящих из вращений в трехмерном пространстве, тогда как время абсолютно и не изменяется при переходе к другой системе отсчета) уравнения Максвелла не остаются неизменными. Лоренц вывел, что уравнения электродинамики обладают симметрией только относительно неких новых преобразований (похожие результаты были независимо получены еще раньше: Вольдемаром Войтом в 1887 году и Джозефом Лармором в 1897 году). В этих преобразованиях помимо трехмерных пространственных вращений время дополнительно преобразовывалось вместе с пространством. Иными словами, трехмерное пространство и время объединялись в единый четырехмерный объект: пространство-время. В 1905 году великий французский математик Анри Пуанкаре назвал эти преобразования лоренцевыми, а Эйнштейн взял их за основу своей специальной теории относительности (СТО). Он постулировал, что законы физики должны быть неизменными для всех наблюдателей в инерциальных (движущихся без ускорения) системах отсчета, причем формулы перехода между последними задаются не галилеевыми, а лоренцевыми преобразованиями. Этот постулат получил название Лоренц-инвариантность наблюдателя (ЛИН) и в рамках теории относительности не должен нарушаться ни в коем случае.

Однако в теории Эйнштейна существует еще один тип лоренцевой симметрии - Лоренц-инвариантность частицы (ЛИЧ), нарушение которой хотя и не вписывается в рамки стандартной СТО, но все же не требует радикального пересмотра теории при условии, что ЛИН сохраняется. Чтобы понять разницу между ЛИН и ЛИЧ, обратимся к примерам. Возьмем двух наблюдателей, один из которых находится на перроне, а другой сидит в поезде, проезжающем мимо без ускорения. ЛИН означает, что законы физики должны быть одинаковы для них. Пусть теперь наблюдатель в поезде встанет и начнет двигаться относительно поезда без ускорения. ЛИЧ означает, что законы физики должны по-прежнему быть одинаковы для этих наблюдателей. В данном случае ЛИН и ЛИЧ - это одно и то же - движущийся наблюдатель в поезде просто создает третью инерциальную систему отсчета. Однако можно показать, что в некоторых случаях ЛИЧ и ЛИН нетождественны, и поэтому при сохраненном ЛИН может происходить нарушение ЛИЧ. Понимание этого феномена требует введения понятия спонтанно нарушенной симметрии. Мы не будем вдаваться в математические подробности, просто обратимся к аналогиям.

 Первоначально в физике утвердилось представление о том, что взаимодействие тел имеет характер дальнодействия - мгновенной передачи воздействия тел друг на друга через пустое пространство, которое не принимает участия в передаче взаимодействия. Однако концепция дальнодействия была признана не соответствующей действительности после открытия и исследования электромагнитного поля, выполняющего роль посредника при взаимодействии электрически заряженных тел. Возникла новая концепция взаимодействия - концепция близкодействия, которая затем была распространена и на любые другие взаимодействия. Согласно этой концепции, взаимодействие между телами осуществляется посредством тех или иных полей (например, тяготение - посредством гравитационного поля), которые непрерывно распределены в пространстве. 
    В науке 19 века переносчиком электромагнитных взаимодействий считалась всепроникающая среда - эфир. 

На представления об эфире как переносчике электромагнитных взаимодействий в прошлом веке опиралась вся электродинамика и оптика.

Первоначально эфир понимали как механическую среду, подобную упругому телу. Соответственно распространение световых волн уподоблялось распространению звука в упругой среде. Гипотеза механического эфира встретилась с большими трудностями. Так, поперечность световых волн требовала от эфира свойств абсолютно твердого тела, но в то же время полностью отсутствовало сопротивление эфира движению небесных тел. В течение долгого времени поколения математиков и физиков пытались внести свой вклад в решение проблемы эфира. В результате попыток построить модель эфира была, например, тщательнейшим образом разработана механика сплошных сред и ее аппарат, однако адекватную модель эфира построить так и не удалось. Нерешенным оставался вопрос об участии эфира в движении тел. Эфир настойчиво продолжал оставаться "выродком в среде физических субстанций". 

Проблема эфира приобрела фундаментальный характер, поскольку эта среда заняла в физике чрезвычайно важное место. Оказывалось, что физика покоится на зыбких основаниях. Они и были пересмотрены в процессе создания теории относительности. 
    Американский физик Майкельсон в 1881 году поставил опыт для выяснения участия эфира в движении тел.

Ряд явлений (аберрация света, опыт Физо) приводил к заключению, что эфир неподвижен или частично увлекается телами при их движении. Согласно гипотезе неподвижного эфира, можно наблюдать "эфирный ветер" при движении Земли сквозь эфир, и скорость света по отношению к Земле должна зависеть от направления светового луча относительно направления ее движения в эфире. Однако этого не было обнаружено - опыт Майкельсона дал отрицательный результат.

Опыт Майкельсона не сыграл решающей роли в создании теории относительности. Об этом говорил и сам Эйншейн. Он использовал результаты опыта Майкельсона для обоснования уже созданной теории.

Результаты опыта Майкельсона, как и других подобных опытов, могли быть объяснены и без радикальных изменений классических представлений о пространстве и времени. Вообще, результаты опытов допускают различные теоретические интерпретации. Глубокие мировоззренческие изменения в физике были вызваны не отдельными экспериментальными результатами, а неудовлетворительностью положения дел в электродинамике, оптике, физике вообще.

Всю совокупность результатов в области электродинамики движущихся тел в начале века можно было объяснить на базе преобразований Лоренца, которые были получены в 1904 году как преобразования, по отношению к которым уравнения классической микроскопической электродинамики сохраняют свой вид. 

Лоренц и Пуанкаре интерпретировали эти преобразования как результат сжимания тел постоянным давлением эфира, т.е. динамически в рамках классических представлений о пространстве и времени. 

Эйнштейн интерпретировал преобразования Лоренца кинетически, т.е. как характеризующие свойства движения в пространстве и времени, тем самым заложив основы теории относительности. Он снял проблему эфира, упразднив его, радикально изменил классические представления о пространстве и времени.

Явления, описываемые теорией относительности, называются релятивистскими (от латинского - относительный) и проявляются при скоростях, близких к скорости света в вакууме (эти скорости тоже принято называть релятивистскими). В соответствии с теорией относительности, существует предельная скорость передачи любых взаимодействий и сигналов из одной точки пространства в другую - это скорость света в вакууме. Существование предельной скорости означает необходимость глубокого изменения обычных пространственно-временных представлений, основанных на повседневном опыте, поскольку ведет к таким явлениям, как замедление времени, релятивистское сокращение размеров тел, относительность одновременности. 
    Теория тяготения Ньютона предполагает мгновенное распространение тяготения, и уже поэтому не может быть согласована со специальной теорией относительности, утверждающей, что никакое взаимодействие не может распространяться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме. 

Обобщение теории тяготения на основе специальной теории относительности было сделано Эйнштейном. Новая теория была названа им общей теорией относительности. Самой важной особенностью поля тяготения, известной в ньютоновской теории и положенной Эйнштейном в основу общей теории относительности, является то, что тяготение совершенно одинаково действует на разные тела, сообщая им одинаковые ускорения независимо от массы, химического состава и других свойств тел. Так, на поверхности Земли все тела падают под влиянием ее поля тяготения с одинаковым ускорением - ускорением свободного падения. Этот факт был установлен опытным путем Галилеем. Он может быть сформулирован как факт равенства инертной массы (входящей во второй закон Ньютона) и гравитационной массы (входящей в закон тяготения).
    В картине мира современной физики фундаментальную роль играет принцип эквивалентности, согласно которому поле тяготения в небольшой области пространства и времени (в которой его можно считать однородным и постоянным во времени) по своему проявлению тождественно ускоренной системе отсчета. 

Принцип эквивалентности следует из равенства инертной и гравитационной масс. В соответствии с этим принципом общая теория относительности трактует тяготение как искривление (отличие геометрии от евклидовой) четырехмерного пространственно-временного континуума. В любой конечной области пространство оказывается искривленным - неевклидовым. Это означает, что в трехмерном пространстве геометрия, вообще говоря, будет неевклидовой, а время в разных точках будет течь по-разному. Ряд выводов ОТО качественно отличаются от выводов ньютоновской теории тяготения. Важнейшие среди них связаны с возникновением черных дыр, сингулярностей пространства-времени, существованием гравитационных волн (гравитационного излучения).

"Наука и жизнь", №1, №2, 2007.

 

Ссылка на этот материал: Пятый-элемент-(К.Злосчастьев).htm)
Ссылка на другие мои материалы: сайт Vixra.com

- - - ВЫ МОЖЕТЕ ОСТАВИТЬ ПЕРВЫЙ КОММЕНТАРИЙ! - - -


Введите логин*:      Введите эл.адрес:

Введите пароль*:    Ваш телефон:        
* - ввод объязателен, логин и пароль пока не контролируются;

Введите Ваш комментарий:
Формулы:

(возможно использование BB-кодов для оформления комментария и кодов LaTeX для ввода формул)

Решите пример: 79 plus "шесть" equally:

---Load files---
Сегодня - 07_07_2020
Время переоткрытия сайта 00 ч 08 м по Гр.
Календарь
на ИЮЛЬ месяц 2018 г.

Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс
1 2 3 4
6 7 8 9 10 11 12
13 14 15 16 17 18 19
20 21 22 23 24 25 26
27 28 29 30 31 1 2
(7 331)

---Load files---
---Load files---


© Все права защищены 2017-2019 При использовании материалов сайта ссылка на http://lowsofphisics.ru обязательна.

В НАЧАЛО
КОММЕНТ
В КОНЕЦ
U:0 V:0 N:7
Уникальных посетителей за текущие сутки: 0 Просмотров: 0 Этой страницы (всего): 7