Честная физика. Статьи и эссе.

3. Фиговые листки теории относительности.

 

3.3. О системах отсчета.

 

 

       Ёлки-палки, до чего же мы докатились? Чем «одна-единственная относительная» скорость отличается от истинной-однозначной? Ну, разве вот чем: если вы хотите сделать правильные расчёты, то «одну-единственную относительную» скорость можно найти, действительно, лишь методом научного тыка, а истинная-однозначная скорость известна заранее. Надо только знать, как истинные-однозначные скорости отсчитывать.

       Секрета из этого не делают. Прямо говорят: здесь не обойтись какой-то одной системой отсчёта; их – целое семейство. Причём области пространства, в которых следует опираться на ту или иную систему отсчёта из этого семейства, строго разграничены. Это разграничение в точности повторяет разграничение областей действия тяготения больших космических тел (см. наш очерк «Бирюльки и фитюльки всемирного тяготения»). Действительно, имеется множество свидетельств о том, что в областях планетарных тяготений солнечное тяготение «отключено». Именно такой подход, дорогой читатель, объясняет не только фактическую картину океанских приливов (нет там никаких «приливных горбов»!), но и феномен астероидов-Троянцев, а также чудеса кинематики у парочки Земля-Луна, которая вовсе не обращается вокруг «общего центра масс»: Луна-то, можно сказать, обращается, а вот Земля всего лишь колеблется вперёд-назад вдоль местного участка своей околосолнечной орбиты. Так вот, из-за разграничения областей действия солнечного и планетарных тяготений малое тело, где бы оно ни находилось, тяготеет и, если есть возможность, падает только к одному «силовому центру»: к солнечному или планетарному. Этим и обеспечивается однозначность превращений энергии при свободном падении малых тел, благодаря чему и являются реалиями их истинные-однозначные скорости.

 

       Так по отношению к чему эти скорости следует отсчитывать? Смотрите: малое тело испытывает тягу, направленную вниз по местной вертикали, подчиняясь определённым предписаниям. Которые задают «склоны» для собственных энергий (масс) элементарных частиц: «верх» – это там, где эти энергии больше, а «низ» – там, где они меньше. Чем круче местный участок такого «склона», тем больше местное ускорение свободного падения. Ведь кинетическая энергия малого тела при свободном падении за счёт того и растёт, что при перемещении его вниз обязана уменьшаться его масса. И, если превращения энергии при свободном падении определяются геометрией местного участка «склона» для собственных энергий, то истинная-однозначная скорость – это, по определению, и есть скорость относительно местного участка этого «склона» (авторское название этой скорости – локально-абсолютная). Правда, на практике такое определение мало что даёт: как можно знать скорость физического объекта относительно каких-то там «предписаний»? Ведь ещё великий Мах учил, что «на практике мы можем проследить движение тела только относительно других тел»… Не пужайтесь, граждане: как раз на практике легко находится подходящее тело отсчёта. Для физических явлений в пределах планетарной сферы тяготения таким телом отсчёта является планета, а для физических явлений между планетарными сферами тяготения – Солнце. Можно сказать, что в солнечное «инерциальное пространство» встроены области планетарных «инерциальных пространств», которые находятся в орбитальном движении вокруг Солнца. Причём в области планетарного «инерциального пространства» на истинной-однозначной скорости физического объекта никак не сказывается то, что сама эта область находится в орбитальном движении.

 

       Может истинные-однозначные скорости кому-то кажутся умозрительными фантазиями? Отнюдь, истинная-однозначная скорость прибора детектируется на опыте! И это получилось задолго до первой эйнштейновской статьи. Знаете у кого? Вы только потерпите, не смейтесь – у Майкельсона и Морли в 1887 году! Вам наверное трудно в это поверить, потому что во множестве учебников и монографий подчёркивается огромная роль, которую сыграл в становлении СТО эксперимент Майкельсона-Морли. Результат его якобы оказался «нулевым», никакого «абсолютного» движения обнаружено не было. Те, кто такое пишут, что-то путают. Может они и правы насчёт «огромной роли», если, конечно, Эйнштейн считал эту роль настолько огромной, что просто не смог найти подходящих для такого случая слов, и поэтому про Майкельсона и Морли в своей статье даже не упомянул. А что касается «нулевого результата», то слухи о нём несколько преувеличены. Ну да, не проявилось орбитальное движение Земли вокруг Солнца – по этому поводу и устроили вселенскую скорбь. Но ведь был повод и для радости: интерферометр реагировал на своё движение в направлении на местный восток из-за вращения Земли вокруг своей оси. Правда, линейная скорость этого движения на два порядка поменьше, чем 30 км/с, но это всё же больше, чем совсем ничего. Заметьте, прибор Майкельсона-Морли – это вам не интерферометр Саньяка, где свет движется во встречных направлениях в обход контура с ненулевой площадью, благодаря чему детектируется собственное вращение прибора. У прибора Майкельсона-Морли площадь контура нулевая! И, к тому же, это вам не акселерометр, который используется в системах инерциальной навигации, где детектируется ускорение, а затем оно интегрируется и таким образом вычисляется скорость. Нет, к изумлению релятивистов прибор Майкельсона-Морли реагировал непосредственно на свою скорость, причём на вполне конкретную.

 

       Далее был ещё целый ряд экспериментов, которых релятивисты называют «аналогами» эксперимента Майкельсона-Морли. В этих, с позволения сказать, «аналогах» результаты были действительно нулевые. То, что там не проявлялось орбитальное движение вокруг Солнца – это само собой. Но там не проявлялось и движение установки из-за суточного вращения Земли. Странно? Нет, не странно: оно и не могло там проявиться. Вот, например, что вытворяли Таунс с сотрудниками. Ставили пару мазеров на платформу, пучками атомов навстречу друг другу, причём, вдоль линии запад-восток. Измеряли частоту биений этой парочки. Затем поворачивали платформу на 180° и снова измеряли частоту биений. И так много раз, на протяжении более полусуток. «Орбитальный эфирный ветер» при такой методе обнаружился бы. А «суточный» – нет, поскольку при повороте платформы на 180° допплеровские сдвиги частот у мазеров просто менялись ролями, и частота биений оставалась прежней. Другие специалисты ставили на платформу два инфракрасных мазера ортогонально друг другу, и давай поворачивать эту платформу туда-сюда на 90° между положениями, когда резонатор одного мазера ориентирован по линии север-юг, а резонатор другого, соответственно, по линии восток-запад. Если бы дул «эфирный ветер», он приводил бы к неодинаковым сдвигам частот у резонатора, ориентированного «вдоль ветра», и у резонатора, ориентированного «поперёк ветра»; поэтому при тех самых поворотах платформы частота биений мазеров соответственно изменялась бы. Размах этих изменений, соответствующих скорости 30 км/с, составил бы 3 МГц. А обнаружили – 270 кГц, да не из-за «эфирного ветра», а из-за магнитострикции, т.е. изменения длин металлических стержней резонаторов под воздействием магнитного поля Земли. Вклад же из-за суточного движения установки должен был иметь размах около 300 Гц при синфазности с «магнитным» эффектом. Ясно, что этот вклад было невозможно увидеть. Как выражаются экспериментаторы, он был «погребён в шумах».

       Другого рода шутки получались в тех случаях, когда измерения проводились при неизменной ориентации всех элементов установки по отношению к земной поверхности. Таких экспериментов было множество: исследования ионного стандарта частоты, двухфотонная спектроскопия в атомном пучке, сличения частот ортогонально расположенных лазеров… Всё это делалось с сумасшедшей точностью. Но что толку от этой сумасшедшей точности, если проявление суточного «эфирного ветра» было неизменным на протяжении всего интервала измерений? Как здесь увидеть, что это проявление вообще существует? Увидеть эффект можно тогда, когда его проявление хоть как-то изменяется. А если нет, то как ни всматривайтесь, эффекта всё равно не увидите!

 

       А вот Брилет и Холл (1979 г.) исхитрились сличать частоты двух лазеров, один из которых был установлен на медленно вращающейся платформе. Это совсем другое дело! Эффект, конечно же, обнаружился. Соответствующая ему скорость «эфирного ветра» отличалась от линейной скорости суточного вращения на широте лаборатории менее чем на шесть процентов! Это – потрясающий результат. Он подтверждает, что если устранить технические и методологические «косяки»… в общем, если подойти к вопросу умеючи, то вполне реально детектировать свою скорость автономно, без оглядки на звёзды или на искусственные спутники Земли. Причём наземные приборы, которые на такое способны, исправно игнорируют своё орбитальное движение вокруг Солнца, но не менее исправно реагируют на своё движение из-за суточного вращения Земли. Всё в согласии с концепцией истинных-однозначных скоростей! Ведь в пределах сферы тяготения Земли истинные-однозначные скорости физических объектов – это как раз их скорости в геоцентрической невращающейся системе отсчёта. Покоящийся на поверхности Земли прибор, способный автономно детектировать свою истинную-однозначную скорость, отреагирует именно на линейную скорость своего суточного обращения вокруг земной оси. А от того, что у Земли есть линейная скорость орбитального движения, этому прибору не будет ни жарко, ни холодно. «Почему же, – недоумевают релятивисты, – на большую скорость прибор не реагирует, а на маленькую – реагирует?» Да ёлки-палки! Объясняем же русским языком: истинная-однозначная скорость у прибора одна. Если она маленькая, то прибор только на неё, на маленькую, и реагирует. И не надо реакции наземных приборов на своё движение в геоцентрической системе отсчёта называть паразитными эффектами. Не надо судить об этих эффектах по себе!

 

       Понятно, что релятивистам страшно не нравится факт автономного детектирования истинной-однозначной скорости прибора. Ведь этим фактом сразу же сживается со света принцип относительности, он же первый постулат СТО. Эйнштейн сформулировал его так: «Законы, по которым изменяются состояния физических систем, не зависят от того, к которой из двух координатных систем, движущихся относительно друг друга равномерно и прямолинейно, эти изменения состояний относятся». Могут возразить: почему же он сживается со света – он сформулирован так туманно, что непонятно, о чём тут вообще речь. Позвольте, позвольте! Несколько поколений толкователей потрудились на славу и пришли к согласию в том, что в переводе на общепонятный язык принцип относительности означает следующее: «Никакими физическими экспериментами внутри лаборатории обнаружить её прямолинейное и равномерное движение невозможно». А, оказывается – возможно!

       Хорошо ещё, что остаётся справедлив второй постулат: «Каждый луч света движется в «покоящейся» системе координат с определённой скоростью [c], независимо от того, испускается ли этот луч света покоящимся или движущимся телом». О независимости скорости света от характера движения источника давно говорили наблюдения за двойными звёздами. Из-за их обращения друг вокруг друга часто бывает, что одна звезда приближается к Земле, а другая, наоборот, удаляется. Если скорость света складывалась бы со скоростью источника, то с Земли наблюдалось бы, вместо кеплерова обращения у таких парочек, нечто кошмарное. Так вот: почему скорость света не зависит от характера движения источника, Эйнштейн не объяснил. А ведь это так просто: те самые «склоны», которые обеспечивают тяготение, задают «инерциальную привязку» не только для истинных-однозначных скоростей малых тел, но и для фазовой скорости электромагнитного излучения. Можно сказать, что эти «склоны» играют роль «светоносного эфира». Земля вращается с запада на восток в «эфире» земной сферы тяготения – результирующий «эфирный ветер» с востока и ловили Майкельсон и Морли, а также Брилет и Холл. Следует только не забывать, что «эфир», о котором говорим мы, имеет природу не вещественную и не полевую. «Эфир», о котором говорим мы, это реальность не физическая, а надфизическая: это программные предписания. Потому-то при движении планетарной области «инерциального пространства» сквозь солнечное «инерциальное пространство» не возникает проблем ни по линии гидродинамики, ни по линии наложения полей друг на друга. Просто предписания таковы, что солнечный и планетарные «эфиры», так сказать, не смешиваются, и границы между ними сохраняют первозданную резкость. Ну, а фазовая скорость света ведёт себя, как фундаментальная константа, в пределах каждой из этих неперекрывающихся областей «инерциального пространства». А ведь эти области движутся друг относительно друга! И в итоге оказывается, что скорость света – это фундаментальная константа… лишь в локальном смысле. Например, пока свет движется в пределах планетарной области «инерциального пространства», его скорость равна с только в планетоцентрической системе отсчёта. А в гелиоцентрической системе отсчёта она векторно складывается с гелиоцентрической скоростью планеты! Напротив, по межпланетному простору свет движется со скоростью с только в гелиоцентрической системе отсчёта, и уже для его скорости относительно какой-либо планеты следует делать соответствующий векторный пересчёт. Заметьте, эти пересчёты следует делать по простому, классическому закону сложения скоростей!

 

       Именно такой подход, дорогой читатель, единым махом устраняет проблемы в оптике движущихся тел, которые так и не осилила ТО, что бы там не верещали её популяризаторы. Вот вы, наверное, слышали про такое скромное физическое явление – про годичную звёздную аберрацию, которую давным-давно открыл Брэдли. Там штука в том, что видимые положения звёзд выписывают на небесной сфере замкнутые кривульки с периодичностью ровно в один год. Эти кривульки являются, вообще говоря, эллипсочками, вытянутыми тем больше, чем меньше угол между направлением на звезду и плоскостью земной орбиты; но большая полуось у всех этих эллипсочков одинакова и равна, в угловой мере, отношению орбитальной скорости Земли к скорости света. Во многочисленных учебниках это явление комментируют в том духе, что, мол, если в неподвижной системе отсчёта свет летит вертикально, то в системе отсчёта, движущейся поперёк полёта света, этот свет летит под соответствующим углом к вертикали. И ещё пояснение дают: мол, когда поезд стоит, то капли дождя оставляют на вагонном окне вертикальные следы, а когда поезд едет, то следы получаются не вертикальные, а «под углом». Это же, мол, так просто, что даже до жирафа быстро дойдёт…

       Дяденьки, да вы основополагающую статью Эйнштейна читали? Он ведь там пытается всё строить на относительных скоростях. А в формуле для годичной аберрации фигурирует орбитальная скорость Земли. Она, простите за каламбурчик, относительна по отношению к чему? Да только по отношению к Солнцу. Но причём тут Солнце, если речь идёт о свете от звёзд? У Эйнштейна чёрным по белому написано, что угол аберрации должен зависеть от относительной поперечной скорости источника света и его приёмника; в данном случае, звезды и Земли. Начитавшись подобных предсказаний, релятивистски настроенные астрономы с жаром брались за их подтверждение. Но, всматривались они в собственные движения звёзд, всматривались – и у них тихо сносило крышу. Понимаете, у тех же двойных звёзд, которые обращаются друг вокруг друга, поперечные скорости относительно Земли заведомо различны. И при этом не наблюдается никаких отклонений от их кеплерова движения: аберрационные смещения изображений этих парочек не только одинаковы по величине, но ещё и синхронны. Получается, что звёздную аберрацию никак не объяснить в терминах относительных скоростей: она зависит только от конкретной собственной скорости приёмника!

 

       Но ведь так и должно быть. При переходе света через границу раздела двух областей «инерциального пространства» происходит переключение скорости света на новую «инерциальную привязку» с соблюдением простого правила: начальное движение света в новой области происходит в том направлении, в котором свет в эту область влетел. Прикиньте, что при этом происходит со светом от звёзд, влетающим в земную область «инерциального пространства», которая обращается вокруг Солнца с периодом в один год – и вы сразу получите адекватное объяснение годичной звёздной аберрации.

       А у релятивистов эта больная мозоль так и осталась. Впрочем, кое-какие меры они приняли. Мне как-то рассказывали про первый том трудов Эйнштейна из фондов Центральной Ленинской библиотеки. Тот самый лист, где Эйнштейн с треском прокололся со звёздной аберрацией, в этом томе заботливо вырван. Не удивлюсь, если физическое лицо, совершившее сей научный подвиг, впоследствии заслуженно защитило диссертацию на тему «Способ решения проблемы звёздной аберрации в рамках принципа относительности».

 

       Но это ещё не всё! В электродинамике движущихся тел имеется ещё один линейный по скорости феномен, где истинные-однозначные скорости излучателя и приёмника заявляют о себе во весь голос. Это (страшно вымолвить) линейный эффект Допплера. Откуда берётся эффект Допплера в акустике – это понятно: скорость звуковой волны «привязана» к среде, в которой она распространяется, поэтому при движении в этой среде как источника звука, так и его приёмника происходят соответствующие изменения как излучаемой, так и принимаемой длины волны (или частоты). Аналогичную картину представляли и для электромагнитных волн, пока считали, что они являются волнами в эфире. Но Эйнштейн упразднил эфир, а заодно и скорости излучателя и приёмника по отношению к нему. И заявил, что линейный эффект Допплера в электродинамике определяется, опять же, только относительной скоростью излучателя и приёмника: скоростью их сближения или расхождения. Откуда при таких делах могут браться допплеровские сдвиги, да ещё если скорость света всегда одинакова как для излучателя, так и для приёмника, релятивисты до сих пор не понимают. Кроме абстрактных математических фокусов-покусов на этот счёт, никакого физического объяснения у них нет. А ведь без физического объяснения опять с треском проколешься. Так и вышло. Заявление Эйнштейна о зависимости линейного эффекта Допплера лишь от относительной скорости излучателя и приёмника оказалось, вообще говоря, неверно в корне. Верно оно только тогда, когда излучатель и приёмник находятся в одной и той же области «инерциального пространства», например, в одной и той же планетарной сфере тяготения. А когда они находятся по разны стороны границ, разделяющих области действия солнечного и планетарных тяготений, то с линейным эффектом Допплера творится, по меркам релятивистов, полная жуть!

       Смотрите: если истинные-однозначные скорости излучателя и приёмника имеют чёткий физический смысл (а выше мы пояснили, как следует отсчитывать эти скорости), то линейный эффект Допплера в электродинамике объясняется аналогично тому, как он объясняется в акустике. Соответственно, и величина его должна зависеть только от проекций истиннных-однозначных скоростей излучателя и приёмника на соединяющую их прямую. А теперь, внимание: планеты покоятся в центрах своих сфер тяготения, поэтому истинные-однозначные скорости планет равны чему? Правильно, они равны нулю! Теперь представьте: мы посылаем с Земли на другую планету узкополосный сигнал и принимаем его отражение. Вопрос: проявится ли через допплеровский сдвиг сближение или расхождение Земли и этой планеты? Ответ: нет, не проявится!

       И на опыте это так и есть. В 1961 г. группа под руководством Котельникова провела удачную радиолокацию Венеры не импульсами, а именно узкополосным сигналом. Причём принцип детектирования эхо-сигнала был основан на выделении его из шумов в очень узкой полосе. А чтобы он в эту полосу попал, требовалось по релятивистским меркам компенсировать огромный допплеровский сдвиг, соответствующий удалению Венеры со скоростью более 2 км/с. Так вот, результат оказался ошеломляющим. Когда компенсация допплеровского сдвига проводилась, никаких эхо-сигналов не обнаружилось. А когда компенсация НЕ проводилась, эхо-сигналы убедительно обнаруживались!

       Об этом секрете удачной радиолокации Венеры мало кто знает. Даже за словесную критику ТО можно было не только распрощаться с научной карьерой, но и скоротать остаток жизни в психлечебнице. А тут получился не просто трёп, а убийственный для ТО опытный факт… Котельников и его сотрудники нашли соломоново решение. Они написали про этот факт, но, так сказать, по частям, рассредоточенным аж в трёх статьях одного и того же номера «Радиотехники и электроники». «Публикаций у нас маловато!» – пояснили они редактору. Каждая из этих статей по отдельности выглядела серенько и ни о чём таком убийственном не говорила. Но тот, кто догадался бы их сопоставить, имел бы дело со страшным коктейлем.

 

       Впоследствии радиолокационщики чуть не наизнанку вывернулись, чтобы убедить научную общественность в наличии эффекта Допплера при радиолокации Венеры. Смотрите, мол: и собственное-то вращение Венеры мы замерили по противоположным допплеровским сдвигам у отражений от западного и восточного краёв её диска, и даже некоторые крупные особенности её поверхностного рельефа различили! Ну, какие молодцы, возьмите с полки по пирожку! Если уж Венера имеет собственное вращение, то, конечно, истинные-однозначные скорости элементов её поверхности не равны нулю, что и даст соответствующие вкладики в допплеровские сдвиги. Надо же: нет главного вклада, который тянет на километры в секунду, но зато есть вкладики, которые тянут на несколько метров в секунду! Это, конечно, здорово утешает. Родная мама не утешила бы лучше!

 

       Вот так и вышло, что специалисты по дальней космической связи, управлявшие автоматическими межпланетными станциями, тоже пребывали в несокрушимой уверенности насчёт того, что линейный эффект Допплера здесь определяется скоростью удаления космического аппарата от наземной антенны, или наоборот скоростью его приближения к ней. Так говорит ТО! Какие, мол, сомненья?! Вот так под знаменем ТО и летели аппараты к Венере и к Марсу. А когда долетали они до чужой сферы тяготения и пересекали её границу, радиосвязь с ними немедленно пропадала, и операторам только и оставалось, что помахать им ручкой (мы об этом уже писали в «Бирюльках…»). Вот так под знаменем ТО и потеряли целый ряд советских и американских аппаратов на первых подлётах к Венере и Марсу. Помните, перед влётом в планетарную сферу тяготения истинная-однозначная скорость аппарата – это его скорость в гелиоцентрической системе отсчёта, а после влёта – в планетоцентрической? А сама-то планетарная сфера тяготения движется вокруг Солнца, да с приличной скоростью. Видите, при пересечении аппаратом границы планетарной сферы тяготения просто обязан происходить скачок его истинной-однозначной скорости по правилам векторного сложения. А значит, и соответствующий скачок допплеровского сдвига при радиосвязи с ним. Руководители межпланетных полётов отлично знают про эти пограничные скачки скорости: игнорируя их, межпланетный полёт правильно не рассчитаешь. И про пограничные допплеровские скачки они тоже отлично знают: игнорируя их, пропавшую радиосвязь не восстановишь. И не могли эти руководители быть такими идиотами, чтобы не сопоставить те и другие скачки. И не увидеть, что они вполне соответствуют друг другу. И не понять при этом, что успешные межпланетные полёты начали получаться тогда, когда управление аппаратами начали выполнять совершенно диким по меркам ТО образом. Всё эти руководители знают, всё они понимают. И при этом, загадочно улыбаясь, уверяют всех и вся, что и ближние, и дальние космические полёты происходят в согласии с ТО, да с неслыханной точностью. Впрочем, что верно, то верно: кроме них, никто про эту «точность» не слыхивал.

 

       Заметим: этот бесценный опыт межпланетных полётов говорит о том, что при пересечении границы планетарной сферы тяготения переключается «инерциальная привязка» не только для скорости космического аппарата, но и для скорости света! Кстати, а вы знаете, сколько у света скоростей? Или вы полагаете, что она у него одна? Вот похоже Эйнштейн именно так и полагал: он везде говорил про скорость какого-то «луча света». Летит, мол, себе этот «луч», да со скоростью, ну и слава Богу. Если бы сегодняшние студенты знали, что на такой формулировочке держится фундамент теоретической физики, то им, право, стало бы неловко. Им-то известно, что у света есть фазовая скорость, с которой движутся световые волны, и групповая скорость, с которой движутся световые импульсы. Как измерять фазовую скорость, экспериментаторам хорошо известно. И как измерять групповую скорость, им тоже известно не хуже. Но попросите-ка их измерить скорость «луча света»! Они посмотрят на вас умными глазами и спросят: «Батенька, о чём вы?» Ну, кто бы мог по горячим следам подумать, что всё так выйдет? По горячим следам думалось о другом – и додумалось вот до чего: «Никакой физический объект не может двигаться быстрее света!» И для слабоумных примечание сделалось: «В том числе, и сам свет!» Поясняем: в противном случае вся математическая конструкция ТО рассыпалась бы.

       И что же? Первого противного случая оказалось совсем недолго ждать. Обнаружилось, что при движении света в вещественных средах происходят дивные вещи: у света с длинами волн, попадающими на ту или иную линию поглощения в веществе, фазовая скорость может превышать скорость света в вакууме в разы и даже на порядки. Пришлось релятивистам комментарии сооружать: «Ах, ну что такое фазовая скорость, в конце концов? Она же явно какая-то ненастоящая! Ничего с этой скоростью не летит, только фаза сдвигается, а это, уверяем вас, совсем не страшно! Вот если, господа экспериментаторы, вы обнаружите групповую сверхсветовую скорость, тогда, действительно, нам будет крышка. Ищите-свищите!»