Занимательная имитация специальной теории относительности эйнштейна в водной среде.

В начале 2012 года на сайте Корнельского университета была опубликована наша статья по имитации релятивистского времени и кинематических эффектов СТО. За год до этого на международной конференции PIERS в Марракеше (Марокко) нами был сделан доклад на эту же тему. В 2012 году издательством E-bookPartnership выпущен электронный вариант книг "An Entertaining Simulation of the Special Theory of Relativity using methods of Classical Physics " на английском языке, а издательством УРСС выпущена книга «Занимательная имитация специальной теории относительности средствами классической физики » на русском языке. Доклад будет посвящен описанной в нашей книге имитации. В книге рассмотрено поведение объектов, которые, будучи тихоходными, ведут себя, тем не менее, по законам, аналогичным законам специальной теории относительности. Элементарными средствами классической физики сымитированы релятивистское время и релятивистские эффекты специальной теории относительности Эйнштейна – лоренцевское сокращение, замедление времени, релятивистские эффекты Доплера, эффект Скобельцына-Белла, релятивистское сложение скоростей. Получены преобразования Лоренца. Показаны пути имитации четырехмерного пространства-времени. Имитация наглядно показывает простоту и «приземленность» специальной теории относительности. Из имитации, дающей преобразования Лоренца, вытекает возможность использования в этой модели «четырехмерного формализма», не отличающегося от формализма Минковского. Т.е. примитивнейшая модель приводит к возможности описания «принципа действия» этой модели в четырехмерном пространстве-времени. Уже после издания книг мы обнаружили, что при уточнении определения понятия сымитированного времени и введении определенных условий искусственно введенная нами в предыдущих работах предельная скорость плавсредств появляется как естественное следствие этих условий. Т.е. скорость плавсредств в сымитированном времени становится предельной «сама по себе». Тем самым достигается имитация предельного характера и постоянства скорости сигнала (скорости света), о чем также будет сказано в докладе.

О книге
От авторов
Суть имитации вкратце
Введение
	I. Объекты и принцип имитации
	II. Технические средства на баржах. Главная задача технических средств
	III. Симметрия регистрации с покоящейся и с движущейся барж процессов поступления песка на баржи
	IV. Имитация времени на отдельных баржах. Обычные и сымитированные времена
	V. Имитация лоренцевского сокращения расстояния между движущимися элементами
	VI. Синхронизация часов групп R и R"
	VII. Имитация симметрии релятивистских эффектов
	VIII. Сложение скоростей
	IX. Имитация простейших эффектов неинерциальных тел
	X. Сымитированное "пространство-время"
	Приложение 1 . Прямое сравнение скоростей погрузки песка на баржи
	Приложение 2 . Эффект Доплера при прямом сравнении скоростей погрузки песка на баржи
	Приложение 3 . Аналог парадокса близнецов при прямом сравнении скоростей погрузки песка на баржи
	Приложение 4 . Имитация эффекта Доплера с использованием сымитированного времени
Заключение
Литература

Специальной теории относительности Эйнштейна и ее приложениям посвящено большое количество книг, брошюр и статей самого разного уровня -- от строгих, предельно математизированных и предназначенных для специалистов узкого профиля до научно-популярных. Значительная часть популярных книг по специальной теории относительности написана в развлекательной форме на примерах эйнштейновских поездов или ракет, мчащихся относительно друг друга с субсветовыми скоростями и населенных юркими наблюдателями. Такая форма оказывается возможной благодаря тому, что при всей сложности самой специальной теории относительности и ее приложений, ее первичные основы и принципы чрезвычайно просты и наглядны. Простота и наглядность основ специальной теории относительности стала причиной того, что к обсуждению реально существующих в специальной теории относительности проблем, которые, как правило, имеют интерпретационный и терминологический характер, подключились неспециалисты. И если специалистами, например, вопрос о справедливости преобразований Лоренца вообще не ставится -- преобразования Лоренца на практике подтвердили свою справедливость не только в теоретической физике, но и в инженерных расчетах, -- то среди неспециалистов попадается немало людей, готовых подвергнуть сомнению справедливость и преобразований Лоренца, и следующих из них положений о лоренцевском сокращении и замедлении времени. Последнее не заслуживало бы упоминания (в демократическом обществе каждый вправе выбирать себе объект веры), если бы скептицизм в рассмотрении релятивистской кинематики не проник в методические материалы, претендующие на серьезность. Примером тому могут служить "Рекомендации по изложению СТО с учетом требований Стандарта", размещенные в Интернете на сайте "Физика" учебно-методической газеты издательского дома "Первое сентября". В рекомендациях сначала отмечается, что "вопрос об измерении длины движущегося тела -- непростой", затем упоминается обнаруженный "через 50 лет после смерти Эйнштейна" эффект визуальной сохранности формы шара в разных системах отсчета и наконец с учетом этого эффекта делается вывод, что "единственно правильным, на наш взгляд, решением в такой ситуации является отказ от изложения этого вопроса и от всех связанных с ним задач". Далее делается замечание: "Надо заметить, что нам неизвестно ни одно прямое приложение формулы [формула] на практике".

Вместе с тем никакого противоречия эффекта визуальной сохранности формы шара лоренцевскому сокращению нет. Этот эффект хорошо знаком специалистам и известен как эффект Террела--Пенроуза. Мало того, визуальная сохранность формы шара теоретически предсказана (экспериментально эффект не наблюдался) с учетом метрологического лоренцевского сокращения, т.е. с учетом эффекта, следующего из преобразований Лоренца.

В этой связи книга В.Н.Матвеева и О.В.Матвеева весьма своевременна. Будучи развлекательной по жанру, она отличается от многих книг подобного рода тем, что в ней рассматриваются не сами кинематические эффекты СТО, а сходные с ними эффекты, смоделированные авторами на примере групп барж, которые покоятся и движутся по поверхности воды с привычными для нас "земными" скоростями. В силу ее развлекательного характера книга предназначена в первую очередь для тех, кто, почерпнув знания из популярной литературы, воспринял релятивистские явления как чуть ли не таинственные и выходящие за рамки наших земных представлений о материальном мире. Брошюра, если можно так выразиться, опускает любителей фантазий с небес на грешную землю. Излагая материал, авторы отказались от использования приема с наблюдателями, заменив последних приборами (техническими средствами). Такой прием позволил снизить налет субъективности, присутствующий в публикациях с использованием наблюдателей. Этот же прием позволил сымитировать релятивистское время, в масштабах которого работают приборы имитации и принципиально не могут работать наблюдатели.

Книга будет интересна широкому кругу читателей. Показанную в книге возможность имитации основных кинематических явлений релятивистской механики в среде не следует соотносить с существованием мировой среды. Во-первых, такая возможность согласуется с известной специалистам формальной тождественностью лоренцевской и эйнштейновской картин мира, а во-вторых, описанная в настоящей книге имитация охватывает лишь малую толику явлений, рассматриваемых в специальной теории относительности, и не распространяется, например, на динамику и электродинамику.

Доктор физико-математических наук, профессор
А.А.Рухадзе,
лауреат Государственных премий
и Ломоносовской премии 1-й степени,
заслуженный деятель науки России

Москва, июнь 2011 г.

В советской научной литературе проблема синхронизации часов, если и упоминалась, то в общих словах. В популярных статьях, да и в специальной литературе этой центральной проблеме всей специальной теории относительности (СТО) Эйнштейна уделялось ничтожно мало внимания. По-видимому, изНза этого многие в России и сегодня, возможно "по инерции", либо не осознают важности вопроса синхронизации часов, либо вообще крайне плохо осведомлены о его сути. Более или менее подробное описание проблемы синхронизации один из нас буквально выудил из вороха литературы в 60--70-ых годах прошлого века. Это были отдельные статьи, популярная книжка Мардера "Парадокс часов" и статья А.А.Тяпкина в УФН .

Проблемность синхронизации часов состоит в использовании в СТО для синхронизации часов принципа равенства скорости света в противоположных направлениях, в то время как экспериментально проверить это равенство принципиально невозможно. Чтобы измерить скорости света из точки А в точку В, а затем из точки В в точку А и сравнить эти скорости, необходимо иметь в точках А и В синхронно идущие часы. Однако синхронизировать часы в точках А и В эйнштейновским способом нельзя иначе, как предположив еще до измерений этих скоростей, что эти скорости равны. Естественно, что после реализации такого предположения они становятся равными и по результатам измерения.

Нельзя скорость измерить, и синхронизировав пару часов в точке А, а затем перенеся одни из них в точку В, поскольку результат синхронизации и измерения скоростей света v AB и v BА соответственно из точки А в точку В и наоборот оказывается зависящим от скорости, с которой часы транспортируются из одной точки в другую. Если при синхронизации часов методом переноса транспортируемые часы в разных случаях переносить с разными скоростями, то результаты измерения скоростей v AB и v BА в разных случаях окажутся разными. Например, после переноса часов из А в В со скоростью близкой к скорости света измеренная впоследствии скорость v АВ окажется сколь угодно велика, а скорость v ВА сколь угодно близка к c/2 . При такой синхронизации свет почти мгновенно приходит из точки А в точку В, но обратно движется в два раза медленнее, чем обычно. При очень медленном переносе скорости v АВ и v ВА будут равными друг другу.

Так какая же скорость переноса часов "правильная"? На этот вопрос нельзя ответить, и, в частности, по этой причине синхронизация часов в разных точках пространства осуществляется в СТО световыми сигналами, а не путем перемещения их из одной точки в другую. Равенство скоростей света в противоположных направлениях представляется сегодня многим очевидным "фактом", а вот для предпочтения априори медленной транспортировки часов быстрой транспортировке оснований нет.

Следует отметить, что на практике проблема скорости света в одном направлении не злободневна, так как реально измерения скорости света производятся с помощью одних-единственных часов и зеркала. При таком способе этими единственными часами измеряется промежуток времени между отсылкой светового импульса к зеркалу и приемом импульса, вернувшегося после отражения от зеркала в исходную точку. Скорость измеряется по двойному расстоянию между часами и зеркалом и времени прохождения светом пути туда и обратно. Измеренная таким способом скорость, строго говоря, является средней скоростью на пути туда и обратно -- ведь скорость туда может быть не равной скорости обратно. Равенство этой средней скорости постоянной c является экспериментальным фактом.

Проблемы синхронизации часов при измерении средней скорости не возникает. Как бы мы ни синхронизировали вторые часы, измеряемая без предположений средняя скорость света на пути туда и обратно была бы равна постоянной c . Это очевидно, поскольку результат эксперимента не зависит ни от показаний часов в точке В, ни от самого наличия их там.

Нередко говорят, что скорость света в одном направлении была измерена Рёмером. Как это ни странно, но скорость Рёмера -- это тоже скорость, полученная в неявном предположении равенства скоростей света в противоположном направлении. Дело в том, что Рёмер и Кассини рассуждали о движении спутников Юпитера, заведомо предположив, что пространство наблюдателей изотропно. То, что Рёмер фактически измерил скорость света, неявно сделав предположение о равенстве скорости света туда и обратно, показал австралийский физик Карлов .

Предположение о равенстве скорости света из A в B скорости из B в A рассматривалось Пуанкаре, и именно это предположение стало главным постулатом работы Эйнштейна 1905 года , хотя и представлено оно не в виде постулата, а в виде "определения", предшествующего двум эйнштейновским принципам, которые часто называют постулатами. В более поздней работе Эйнштейн называл данное "определение" допущением, причем отмечал, что оно относится не только к скорости света, но и к скорости вообще. В этой работе Эйнштейн писал: "Но если скорость, в частности скорость света, принципиально невозможно измерить без произвольных допущений, то мы имеем право делать произвольные допущения и о скорости света. Допустим теперь, что скорость распространения света в пустоте из точки A в точку B равна скорости прохождения света из B в A ". Правда, в отличие от Пуанкаре, придерживавшегося конвенционалистской точки зрения, Эйнштейн, упоминая невозможность измерения скорости в одном направлении без произвольных допущений, был склонен рассматривать произвольное допущение неравенства скорости света в противоположных направления неестественным и "крайне маловероятным" .

Часто говорят, что равенство скоростей туда и обратно очевидно, поскольку пространство изотропно, а неравенство неочевидно. Это не так. То, что свету для движения из точки А в точку В требуется больше времени, чем для движения из B в A, также очевидно, если, например, точка А находится в корме, а точка В в носу движущегося относительно нас космического корабля, а мы не изнутри, а снаружи отслеживаем процесс движения света из А в В и обратно. Как равенство, так и неравенство времен распространения света из точки А в точку В данного корабля и обратно в принципе могут быть обнаружены из множества других систем отсчета, движущихся относительно данной системы, даже если часы этих систем синхронизированы эйнштейновским способом. Так на каком основании синхронизация часов в корабле осуществляется без учета объективных результатов наблюдения за поведением света внутри корабля, полученных из разных систем отсчета вне корабля?

В 60--70-х годах прошлого века в реферативных журналах частенько попадались ссылки на зарубежные работы, в которых рассматривались варианты специальной теории относительности, построенные на предположении неравенства скоростей света в противоположных направлениях. Эти варианты назывались е- СТО и непротиворечивым способом описывали все то, что описывается СТО. Правда, большинство из них были более "тяжеловесны" и менее удобны, чем эйнштейновский вариант, поскольку в них нарушалось требование неизменности математической формы записи законов в разных системах отсчета. Большинство работ этих авторов не были направлены против эйнштейновского варианта, а показывали непротиворечивость нетрадиционного подхода. Авторы этих работ стремились, нарушив математическую красоту СТО, вскрыть ее физическое содержание и раскрыть загадку скорости света в одном направлении. Почему природа не позволяет нам измерить скорость света в одном направлении без произвольных допущений! Это случайность или нечто более глубокое? Ответа на этот вопрос разработчики альтернативных теорий на дали.

На эти вопросы попытался дать ответ один из авторов настоящей брошюры. К 2000 году им была написана книга "В третье тысячелетие без физической относительности?", выпущенная в этом же году издательством "ЧеРо" . В книге на принципе равноправия допущений равенства и неравенства скорости света в противоположных направлениях, предложен путь решения проблемы синхронизации и связанной с ней проблемы зависимости присущих самому телу размеров физических величин тела от систем отсчета.

Решение проблемы релятивистских величин было осуществлено путем уточнения понятия "объект" и рассмотрения объекта как множества подобъектов (объектов более высокой степени конкретизации), каждый из которых обладает не относительными, а абсолютными размерами. Существование таких подобъектов обязано относительности одновременности.

Уточнения понятия "физический объект" оказывается достаточным, чтобы избавиться от относительности размеров физических величин без привлечения выделенной системы отсчета или мировой среды. По этой причине автор считал вопрос (по крайней мере, для себя) решенным, а обращение к мировой среде излишним. И тем более неожиданным оказалось решение, к которому мы пришли в процессе нашей совместной работы по развитию подхода, описанного в книге "В третье тысячелетие без физической относительности?". Мы обнаружили возможность моделирования релятивистских эффектов простейшими методами доэйнштейновской классической физики на примере движения объектов в материальной среде. При этом для моделирования нам не потребовалось рассмотрение движения со скоростями, соизмеримыми со скоростью света. В модели эффекты в явном виде проявляются при обычных "земных" скоростях, с которыми мы имеем дело в нашей повседневной жизни. Возможность моделирования эффектов СТО с привлечением среды и отсутствие таких моделей в других вариантах заставляет по новому взглянуть на старую и, казалось бы, раз и навсегда решенную проблему существования мировой среды.

В брошюре, которую вы держите в руках, описана теоретическая модель СТО, которую мы также называем имитацией СТО. Брошюра представляет собой часть книги, которую мы предполагаем написать и выпустить в свет в ближайшем будущем. В брошюре на примере плавающих с обычными скоростями в водной среде барж, челноков и лодок сымитирована эйнштейновская СТО. Для имитации нам не потребовалось ничего, кроме самых элементарных правил классической физики. Надеемся, что, прочтя брошюру, вы увидите, насколько прост фундамент теории, ныне называемой СТО. Не придете ли вы после этого к выводу об искусственном характере ажурной четырехмерной математической надстройки, украшающей этот до примитивности простой фундамент? Время покажет.

Мы не показываем в брошюре всех наших соображений, которые привели нас к построению рассматриваемой в книге имитации. Однако хотели бы заметить, что имитация построена не на выдумках ради выдумок, а на наших представлениях о том, как происходят взаимодействия в материальном мире, элементы которого не связаны друг с другом ничем, кроме взаимодействий через "пустоту".

Брошюра включает в себя введение, главную часть, приложения и заключение. Кроме того мы ввели в брошюру главу "Суть имитации вкратце", которую поместили перед введением. Эта глава адресована специалистам и подготовленным читателям, способным ухватить суть имитации по ее краткому описанию. Менее подготовленным читателям следует пропустить эту главу и обратиться к последующему материалу. При первом чтении можно не обращаться к материалу приложений. В дальнейшем читатель сможет либо самостоятельно проверить утверждения, сделанные в главной части без подробных объяснений (сделать это несложно), либо обратиться к приложениям.

Вадим Николаевич МАТВЕЕВ

Окончил Ленинградский электротехнический институт в 1965 г. Более 30 лет занимался научно-исследовательской деятельностью и разработкой принципов физической фотографии (электрофотографии). Руководил научно-исследовательскими работами; участвовал в создании электрофотографических аппаратов (ксероксов) и систем. Был главным конструктором первого в СССР малоформатного электрофотографического аппарата цветного копирования. Является автором ряда работ и более двух десятков изобретений в области электрофотографии.

Олег Вадимович МАТВЕЕВ

Окончил Вильнюсский технический университет по специальности "электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов" в 1993 г. Один из создателей и главный акционер (до 2011 г. -- руководитель) компании "Sinerta LDC ", специализирующейся на переработке и восстановлении картриджей для копировальных аппаратов и принтеров.

В настоящей книге в развлекательной форме элементарными средствами классической физики сымитированы релятивистское время и релятивистские эффекты специальной теории относительности Эйнштейна --- лоренцевское сокращение, замедление времени, релятивистские эффекты Доплера, эффект Скобельцына---Белла, релятивистское сложение скоростей. Выведены преобразования Лоренца. Показаны пути имитации четырехмерного пространства-времени.

Книга адресована широкому кругу читателей --- от неравнодушных к физике школьников до специалистов, занимающихся или интересующихся моделированием и интерпретацией кинематических эффектов специальной теории относительности.

О книге

Вместе с тем никакого противоречия эффекта визуальной сохранности формы шара лоренцевскому сокращению нет. Этот эффект хорошо знаком специалистам и известен как эффект Террела--Пенроуза. Мало того, визуальная сохранность формы шара теоретически предсказана (экспериментально эффект не наблюдался) с учетом метрологического лоренцевского сокращения, т.е. С учетом эффекта, следующего из преобразований Лоренца.

Издание: обложка.
Параметры: формат: 60x90/16, 114 стр.