Принцип относительности

Икрамов А.М.

Создавая свою специальную теорию относительности (СТО) Эйнштейн предполагал, что принцип относительности для инерциальных систем отсчета, сформулированный Пуанкаре, соответствует реальной действительности. Напомним, инерциальными системами называются системы отсчета, которые двигаются в пространстве свободно, по своей инерции. Причем на такие системы отсчета не воздействуют внешние силы. Здесь необходимо подчеркивать, что этот предполагаемый принцип относительности предназначен для установления причинно – следственной связи только между инерциальными системами отсчета. В случае установлении связи между неинерциальными системами отсчета этот принцип относительности нельзя применять, для таких систем существуют свой принцип относительности, существенно отличающийся от принципа относительности для инерциальных систем отсчета.
Принцип относительности для инерциальных систем отсчета впервые в документально зафиксированном виде встречается в трудах Галилея. Этот принцип в его устах звучал следующим образом: все физические процессы протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета. При этом он имел в виду, что во всех этих системах отсчета существуют одинаковые условия для протекания одинаковых физических процессов. Так как в различных условиях даже в одной и той же системе отсчета один и тот же физический процесс может протекать по-разному. Например, скорости протекания некоторых химических реакции возрастают с повышением температуры окружающей среды, или скорость распространения световой волны зависит от величины плотности среды, где она распространяется. Или другой пример, изменение потенциала гравитационного поля приводит к изменению величины периода колебания маятника, и т.д. Однако такая интерпретация принципа относительности не является исчерпающей, такая интерпретация аналогична утверждению «в темноте все кошки серые». Из – за такой недосказанности принципа относительности Пуанкаре, и с ним заодно и Эйнштейн, делают реверанс совсем в другую сторону, утверждая, что все физические процессы должны протекать по одному и тому же закону, как для неподвижного наблюдателя, так и для наблюдателя, совершающего равномерное поступательное движение [1]. Однако если в действительности все процессы протекали бы так, как утверждает Пуанкаре и К0, то не было бы явления Допплера, не было бы явления аберрации света, и, наконец, не было бы и замедления хода времени в движущихся инерциальных системах отсчета, утверждаемым самим Эйнштейном.
Аргументируя свое видение принципа относительности, Пуанкаре указывал на то, что мы не имеем и не можем иметь никакого способа определять, находимся ли мы в равномерном поступательном движении или нет. Здесь он, по всей вероятности, имел в виду движение относительно какой-то абсолютно неподвижной системе отсчета. Однако в действительности нет абсолютно неподвижной системе отсчета, и поэтому все инерциальные система отсчета движутся равномерно – поступательно друг относительно друга. И мы любую из них в праве принять условно за неподвижную. И, следовательно, мы можем установить относительное равномерно – поступательное движение двух систем отсчета по изменениям параметров физического процесса, происходящего в соседней инерциальной системе отсчета.
А Эйнштейн утверждает, что он к такому же выводу пришел, анализируя следующий парадокс, на который он наткнулся уже в шестнадцать лет: «догоняя свет со скоростью с, я должен был бы наблюдать этот луч как покоящееся электромагнитное поле, колеблющееся лишь в пространстве. Но, по видимому, такой картины не бывает… Интуитивно мне с самого начала казалось ясным, что с точки зрения такого наблюдателя все должно было бы происходить по тем же законам, что и для наблюдателя, покоящегося относительно Земли» [2]. Но здесь, видимо, у молодого Эйнштейна явно не хватила фантазии, чтобы обрисовать картину, которую он увидел бы, догоняя луч света со скоростью с. В этом случае для него световая волна перестала бы существовать, так как в соответствие с эффектом Допплера световая волна превратилась бы в электромагнитную волну с нулевой частотой, т.е. в волну с бесконечным размером длины волны и с нулевой энергией. Мимо него со скоростью с двигалось бы электромагнитное поля бесконечной протяженности, которая представилась бы ему как совокупность неподвижных статических электрических и магнитных полей. Такую структуру трудно было бы отнести к волновому процессу. Кроме того желание Эйнштейна увидеть в этой структуре волновой процесс не укладывается и в закон сохранения энергии. Если мишень двигается со скоростью пули, то кинетическая энергия пули относительно мишени становится равной нулю.
Как видим, и Пуанкаре, и Эйнштейн воспринимают принцип относительности для инерциальных систем в одинаково неверной интерпретации, которая не соответствует реальной действительности. Покажем это на примерах. Если в одной инерциальной системе отсчета имеется статическое электрическое поле, то неподвижный в этой системе отсчета наблюдатель со своим прибором фиксирует статическое электрическое поле с вектором напряженности Е. Теперь, допустим, что мимо этого статического электрического поля движется с постоянной скоростью υ другая инерциальная система отсчета. В этом случае приборы второго наблюдателя, неподвижного в движущейся системе отсчета, зафиксируют кроме электрического поля ещё и магнитное поле, которого не было в первой системе отсчета. Часть энергии электрического поля перейдет в энергию магнитного поля. Вектор напряженности этого магнитного поля Н будет направлен ортогонально к направлениям вектора скорости относительного движения двух систем отсчета υ и вектора напряженности электрического поля Е. В этом можно убедиться, вводя магнитный диполь, находящегося неподвижно в системе отсчета движущегося наблюдателя. Величина напряженности магнитного поля Н будет пропорционально возрастать по мере увеличения величины скорости относительного движения υ, а величина напряженности электрического поля, наоборот, будет уменьшаться. Следовательно, физические процессы, протекающие в этих полях, будут протекать по разным законам. Этот опытный факт свидетельствует, вопреки утверждениям Пуанкаре, о том, что законы физических явлений не бывают одинаковыми для неподвижного наблюдателя и для равномерно – поступательно движущегося наблюдателя.
Другой пример. Пусть в своей системе отсчета неподвижный наблюдатель наблюдает за двумя одинаковыми физическими процессами (например, за процессом испускания источником излучение одинаковой частоты). Причем места расположения этих источников находятся в противоположных направлениях относительно наблюдателя. При этом к наблюдателю с двух сторон приходят излучения с одинаковыми частотами. Пусть теперь этот наблюдатель начинает движение со скоростью с вдоль линии, соединяющей этих двух источников. При этом эти источники останутся в одной инерциальной системе отсчета, а наш наблюдатель окажется в другой инерциальной системе отсчета, движущейся относительно прежней со скоростью с. В этом случае, хотя оба источника находятся в одной инерциальной системе отсчета, частоты излучения этих источников, воспринимаемые движущимся прямолинейно - поступательно наблюдателем, изменяются в противоположных направлениях. Частота излучения приближающего к наблюдателю источника возрастает, а удаляющего – уменьшается. Как видим, две одинаковые физические процессы, происходящие в одной инерциальной системе отсчета, для неподвижного в этой системе отсчета наблюдателя происходят по одним и тем же законам, а для движущегося наблюдателя происходят по двум отличающимся друг от друга законам.
Можно ещё привести пример. Например, прямолинейное неравномерное движение тела в одной инерциальной системе отсчета при переходе в другую инерциальную систему отсчета преобразуется в криволинейное движение.
Приведенные выше примеры свидетельствуют, что основатели теории относительности неверно истолковывали принцип относительности для инерциальных систем отсчета. Ну а как правильно истолковать принцип относительности для инерциальных систем отсчета? Как мне кажется, этот принцип должен состоять из нескольких пунктов. Так как речь идет о принципе относительности для инерциальных систем отсчета, а все инерциальные системы отсчета равноправны между собой, то первый пункт этого принципа должен звучать следующим образом:
1. Любой физический процесс протекает одинаково в каждой отдельно взятой инерциальной системе отсчета, если в них существует одинаковое условие для протекания этого процесса.
Это означает, что в реальности никаких сокращений длин отрезков и замедлений хода времени в инерциальных системах отсчета, движутся ли они или нет, не имеет место. А напоминание об одинаковости условий протеканий физических процессов в инерциальных системах отсчета необходимы в связи с тем, что изменение этого условия приводит, как было сказано выше, к изменению хода протекания физического процесса.
Второй пункт принципа относительности для инерциальных систем отсчета должен быть озвучен следующим образом:
2. Один и тот же физический процесс, протекающий в двух инерциальных системах отсчета, воспринимается наблюдателем (приемником), находящимся неподвижно в одной из этих систем отсчета, по – разному. То есть, какие-то параметры физического процесса, протекающего в соседней системе отсчета, отличается от параметров этого же процесса, протекающего в системе отсчета наблюдателя (приемника).
Третий пункт звучит:
3. Разность в параметрах физических процессов, упомянутых в пункте 2, устанавливаемых наблюдателем (приемником) из первой инерциальной системы отсчета будет идентична разности параметров этих же процессов, устанавливаемых наблюдателем (приемником) из второй системе отсчета, если условия наблюдения одинаковы.
Третий пункт является основным пунктом принципа относительности для инерциальных систем отсчета. Этот пункт выражает саму сущность принципа относительности. Если в двух инерциальных системах отсчета протекают две одинаковые физические процессы, то, что наблюдает наблюдатель в первой системе отсчета, точно такую же картину наблюдает и наблюдатель из второй инерциальной системе отсчета. Этим обеспечивается равноправие двух наблюдателей из двух равноправных инерциальных систем отсчета.

1. А. Пуанкаре, Настоящее и будущее математической физики. Доклад на Конгрессе искусства и науки в Сент-Луисе (сентябрь 1904г.). Опубликовано в журналах: «Bulletin des Sciences Mathematiques», December 1904, v. 28, ser. 2, p. 302; «The Monist», January 1905, v. XV, № 1. Имеется перевод в книге «Принцип относительности» под редакцией Тяпкина А.А., М. Атомиздат, 1973.
2. Einstein A. Ann. d. Phys. b.18, s. 639, 1905. (Перевод в книге «Принцип относительности» Атомиздат, 1973 г.).