Слайд 61. Принцип относительности Пуанкаре. (Книга «Наука и гипотеза», 1902 г.)

– закон сохранения энергии,

– второе начало термодинамики,

– равенство действия противодействию,

– закон сохранения массы и

– принцип наименьшего действия.

Сам Лоренц по-прежнему относился к своим преобразованиям как к искусственным, т.к. оставался сторонником эфира.

Это удовлетворяло принципу относительности, выдвинутому Пуанкаре.

Из инвариантности уравнений электромагнетизма Максвелла вытекало постоянство скорости света, т.к. свет это тоже электромагнитная волна.

Слайд 66.

Работы Лоренца и Пуанкаре по теории относительности
Так выглядит перечень основных работ Хендрика Лоренца и Анри Пуанкаре в которых были развиты основы теории относительности.

Работы охватывают во времени отрезок около 10 лет.

Видно, что теория относительности создавалась в ходе длительного труда, как попытка объяснения опытных данных.

Лоренц своими преобразованиями сделал первый шаг.

Пуанкаре выдвинул принцип относительности и подвёл под преобразования Лоренца теоретическую и философскую базу. А также придал преобразованиям Лоренца более совершенную форму.
Слайд 67.

Первая работа Эйнштейна по теории относительности
На заключительном этапе, когда основы теории относительности уже были заложены, Эйнштейн опубликовал статью, содержащую теорию относительности, без каких-либо ссылок на предшественников.

Слайд 68.

Сравнение строения теорий относительности Пуанкаре (5 мая 1905 г.) и Эйнштейна (30 июня 1905 г.)
В теории относительности Эйнштейна первый постулат совпадал с принципом относительности Пуанкаре.

Вторым постулатом было постоянство скорости света.

Т.е. то, что у Пуанкаре выводилось, у Эйнштейна стало постулатом, т.е. положением, которое следует принять на веру.

На основе мысленных экспериментов с движущимися системами отсчёта и вспышками света у Эйнштейна математически строго выводились те преобразования, которые до него были предложены Лоренцем.

Выводами были

– отрицание существования эфира,

– отрицание одновременности событий и равенства длин в различных системах координат.

Предложенное Эйнштейном выглядело как соединение известных элементов, изложенное в другом порядке.

Ссылок на предшественников у Эйнштейна не было.

Эйнштейн отрицал знакомство в то время с работами Пуанкаре.

По словам Эйнштейна, он знал только работу Лоренца десятилетней давности. Но свои выводы он сделал не из электродинамики, как Лоренц, а из общих соображений.
Такова история появления теории относительности.
Является ли в действительности исследования Эйнштейна независимыми, не известно. Можно Эйнштейну верить, можно не верить. Но первенство и огромные заслуги Пуанкаре в создании релятивизма очевидны.

То, что имя Пуанкаре в связи с теорией относительности почти не вспоминают, частично связано с тем, что Пуанкаре был французским математиком, и его имя не было авторитетным в кругах немецких физиков. Не за горами была Первая Мировая война, поставившей французов и немцев по разные стороны линии фронта.

Хендрик Лоренц не вмешивался в дальнейшее приписывание заслуг коллективного труда одному Эйнштейну, т.к. не соглашался с отрицанием эфира в теории относительности.

В 1907 году немецкий математик Герман Минковский дал геометрическое представление теории относительности Эйнштейна своей публикацией, где он не упомянул о Пуанкаре.

Пуанкаре в своём выступлении в Лондонском университете в 1911 году по-прежнему связывал переворот в физике только с именем Лоренца, совсем не упоминая Эйнштейна.

Баллистическая теория Вальтера Ритца
Парадоксы с длиной, временем и массой были причиной того, что объяснение опыта Майкельсона, предложенное Пуанкаре и Эйнштейном на основе принципа относительности, не разделялось многими физиками.

И хотя с математической точки зрения теория относительности выглядела очень гладко, учёные того времени настойчиво искали другие объяснения опыта Майкельсона. Такие, которые не приводили бы к парадоксам с длиной, временем и массой.

Он предположил, что скорость света, испускаемого движущимся источником, образуется подобно скорости ядра, выстреливаемого из перемещающегося орудия.

Поэтому теория Ритца была названа баллистической.

Т.е. скорость света по Ритцу складывалась из скорости источника и скорости света при неподвижном источнике, как в корпускулярной теории света Ньютона.

Также одновременно.

Это позволяло легко объяснить отрицательный результат опыта Майкельсона.
Слайд 89.

Достоинства баллистической теории Ритца
Теория Ритца продолжала классическую традицию Ньютона и не нуждалась в эфире.

Ей не были свойственны сокращения длин, замедление времени и увеличение масс.

С появлением теории Вальтера Ритца физика получила ещё одно объяснение опыта Майкельсона.

К сожалению, год спустя этот замечательный учёный умер, и его имя оказалось практически забыто.

Одна группа – релятивисты Пуанкаре и Эйнштейн.

Вторая – приверженцы мирового эфира. Это учёные, начиная с Гюйгенса и кончая Лоренцем.

И третья – сторонники корпускулярной теории. Это Ньютон и Ритц.

Из-за сложения скоростей свет от каждой из звёзд в паре будет идти быстрее, когда эта звезда приближается, и медленнее, когда она – удаляется.

Вследствие этого должна возникнуть кажущаяся неравномерность вращения.

Наблюдения де Ситтера за двойными звёздами не выявили видимой неравномерности вращения.

Следовательно, сделал вывод де Ситтер, теория Ритца не верна.

Это объяснение вошло во все учебники.

В настоящее время доказано, что точность метода, предложенного де Ситтером, не достаточна ни для того, чтобы отвергнуть теорию Ритца, ни для того, чтобы её доказать.

Предложенный де Ситтером способ проверки влияния скорости движения звезды по орбите становится заметным на столь больших расстояниях, что видимая неравномерность вращения уже не видна в имеющиеся телескопы. Т.е. двойные звёзды выглядят как одна звезда, и не могут наблюдаться по отдельности.

Это означает, что теория Ритца была отброшена безосновательно.

В 2008 году исполняется столетие опубликования теории Вальтера Ритца.

Но в жизни не всегда удается поставить доказывающие опыты. Чаще это подтверждающие или непротиворечащие опыты.

Случается, что один и тот же опыт может не противоречить сразу нескольким противоположным теориям. Но это не значит, что он их доказывает.

Опыт Майкельсона подтверждает как теорию относительности Пуанкаре и Эйнштейна, так и теорию Ритца.

Для случая, когда недостаточно опытных данных, средневековый английский философ и логик Уильям Оккам предложил правило, которое теперь носит название «бритва Оккама». Суть его в следующем:

– не применять несколько объяснений, когда достаточно лишь одного;

– считать истинным то, которое проще;

– отбрасывать то, что не сводимо к интуитивному или опытному знанию.
Слайд 94.

Условия, необходимые для того, чтобы теория могла считаться научной
По современным представлениям физическая теория имеет право именоваться научной при обязательном соблюдении трёх условий.

1. Теория должна опираться на положения, обоснованность которых проверяется опытным путём,

2. Получение результатов должно производиться при строгом соблюдением законов логики и математики,

3. Выводы, получающиеся в теории, не должны противоречить опытным данным.

Одна из посылок – постоянство скорости света – подробнее будет обсуждена несколько позже.

А сейчас остановимся на логике вывода и рассмотрим чуть подробнее рассуждения Эйнштейна, которые он использует при своём изложении теории относительности.
Слайд 96.

Короткая вспышка при совмещении начал систем отсчёта
Основным приёмом у Эйнштейна является мысленный эксперимент.

Однако всем понятно, что эксперимент – это проверка человеческих представлений путём их непосредственного соприкосновения с независящей от человека природой.

Это означает, что мысленный эксперимент есть бессмыслица.

Однако вернёмся к рассуждениям Эйнштейна.

Две системы отсчёта. Одна XYZ условно покоится. Вторая X’Y’Z’ прямолинейно и равномерно движется относительно первой.

Вторая движется так, что в определённый момент времени эти системы совмещаются своими началами координат и осями.

В момент совмещения в начале отсчёта происходит короткая вспышка.

И свет начинает удаляться от места вспышки с равной скоростью во всех направлениях, образуя сферу. Это простейший случай электромагнетизма Максвелла.

В каждой системе отсчёта имеется наблюдатель.

Согласно принципу относительности все системы равноправны.

Поэтому каждый из наблюдателей вправе считать, что вспышка произошла именно в его системе.

Спустя какое-то время в каждой системе будет иметь место сфера фронта волны с центром в начале отсчёта.

Но к тому времени начала координат рассовместятся. Следовательно, получатся две различные сферы.

То есть одна вспышка порождает две сферы.
Слайд 98.

Две сферы от одной вспышки… ?...
Это грубо противоречит здравому смыслу.

В том, что мысленный эксперимент Эйнштейна излагается именно так можно убедиться, обратившись к институтскому учебнику по физике.

Приведённая страница взята из весьма солидного учебника по физике.

Её кратковременность не позволяет сказать, движется её источник или покоится. Из-за кратковременности каждый из двух наблюдателей может утверждать, что источник вспышки связан с его системой.

А если взять более длительное излучение, то станет возможным установить, движется его источник или нет. И в этом случае можно будет говорить только об одной сфере волны.

В одной системе координат центр сферы будет покоиться, а в другой – двигаться. Математические уравнения, описывающие эту сферу в обоих случаях, будут отличаться.

Но так и должно быть с точки зрения здравого смысла.

А рассуждения Эйнштейна о том, что каждый наблюдатель вправе считать то-то и то-то, больше напоминают рассуждения юриста о конституционных правах, нежели физика о физических явлениях.

По мнению же критиков Пуанкаре, полное совпадение математического описания одного и того же конкретного явления в системах отсчёта, отличающихся скоростью движения, не требуется. При этом в математическую запись будет входить скорость движения систем относительно друг друга. А к скорости распространения света будет добавляться скорость источника излучения.

К удовлетворению принципа относительности через одинаковость математического описания.

А что получил?

Различие физической картины явлений для различных систем отсчёта: различие длин и времён. Эйнштейн к этому добавил также различие масс.

Это означает, что системы отсчёта становятся различными.

Различными, а, следовательно, неравноправными.

А это не удовлетворяет принципу относительности.

Получается внутреннее противоречие.

Как из него выйти?
Слайд 103.

Исправленные результаты применения принципа относительности
Действительно, мирового эфира нет, все системы отсчёта равноправны.

Все физические явления в них протекают одинаково.

Но математическое описание одного и того же явления в разных системах отсчёта может иметь отличие, если эти системы отсчёта движутся друг относительно друга.

Поэтому в исправленном виде результаты применения принципа относительности не будут приводить к появлению различия в длине, времени и массе.

Однако возникновение скоростей, больших скорости света никого не должно волновать до тех пор, пока какой-либо подтверждённый опытом закон физики не запретит это.

Забегая вперёд, скажем, что пока такого закона в естествознании не известно.


Слайд 105.

Эйнштейн – субъективный идеалист
Снова вернёмся к Эйнштейну, но уже с философской точки зрения. Тем более что Эйнштейн, по его собственным словам, считал себя «…скорее философом, чем физиком, и должен непременно рассматриваться и оцениваться как философ».

Эйнштейн провозгласил новый принцип развития физики так: «...она (физика) является созданием человеческого разума с его свободно изобретёнными идеями и понятиями».

Его не страшил отрыв от объективной реальности.
Он писал так.

«Вопрос о том, реально ли лоренцево сокращение, не имеет смысла. Сокращение не является реальным, поскольку оно не существует для наблюдателя, движущегося вместе с телом.

Однако оно реально, так как может быть принципиально доказано физическими средствами для наблюдателя, не движущегося вместе с телом».

Налицо логическое противоречие: с одной стороны – реально, а с другой – нет.

Для выявления субъективного идеализма в этих рассуждениях Эйнштейна рассмотрим преломление света в воде. Ложка и линейка в стакане с водой.
Слайд 106.

Ложка и линейка в стакане с водой. Реален излом или нет?
Наше зрение является физическим средством.

И оно указывает нам на то, что в стакане с водой ложка и линейка имеют излом.

Но всем понятно, что ни ложка, ни линейка не ломаются при погружении в воду.

Однако, следуя логике приведённого высказывания Эйнштейна, мы должны были бы сказать следующее об изломе ложки и линейки.

«Вопрос о том, реален ли излом ложки и линейки, не имеет смысла. Излом не является реальным, поскольку он не существует для наблюдателя, опустившего ложку и линейку в пустой стакан.

Однако он реален, так как может быть принципиально доказан физическими средствами для наблюдателя, опустившего ложку и линейку в стакан с водой».

Такова в действительности логика релятивизма как философского направления.

Опыты по проверке теории относительности
Слайд 107.

Опыты по проверке теории относительности
Как было сказано, для придания любой теории статуса научной нужны опытные подтверждения. Причём как для исходных положений теории, так и для её выводов.

И над постановкой опытов для проверки теории относительности стали думать.

Специальная касается движения с околосветовыми скоростями, а общая посвящена вопросам тяготения. При этом общая теория относительности опирается на выводы специальной.

Согласно общей теории относительности свет должен притягиваться массивными телами.

Но и в соответствии с классической физикой свет отклоняется, проходя вблизи тяготеющих масс.

Однако значение отклонения в общей теории относительности для луча, проходящего, например, мимо Солнца, должно быть в два раза больше, чем по физике Ньютона.

И в 1919 году английским астрономом Эддингтоном были организованы наблюдения за звёздным небом во время солнечного затмения.

Целью было измерение угла отклонения луча от звезды при его проходе вблизи Солнца.

И сравнение с предсказаниями классической физики, а также общей теории относительности.

Запланированные Эддингтоном измерения были сделаны.

Точность их была настолько не высокой, что для ряда звёзд наблюдалось даже их отталкивание Солнцем.

Их отнесли на ошибку эксперимента и исключили из рассмотрения.

Оставшиеся наблюдения свидетельствовали об их соответствии общей теории относительности, а не физике Ньютона.

После этого все с воодушевлением объявили об экспериментальном подтверждении общей теории относительности.

В настоящее время результаты наблюдений Эддингтона поставлены под сомнение.

Но не только из-за погрешностей.

Дело ещё в том, что вблизи Солнца существует солнечная корона, которая дополнительно преломляет свет из-за отличия своих свойств от свойств вакуума.

По фотографии солнечного затмения 1922 года можно увидеть, насколько сильны отклонения положения звёзд в разные стороны.

Если бы способ, предложенный Эддингтоном, не давал столь высоких ошибок, он вполне мог бы быть многократно повторён, в том числе и в наши дни.

Слайд 109.

Проверка общей теории относительности. Круговое смещение орбиты Меркурия
Аномальное вращение Меркурия

Давно известно, что орбита Меркурия не является в точности круговой.

Но в XIX веке было замечено, и вытянутость орбиты постепенно смещается вокруг Солнца.

Общая теория относительности объясняет это тем, что вблизи массивного Солнца пространство искривлено, а время течёт медленнее. Меркурий, на котором время течёт медленнее, как бы, запаздывает со своевременным оборотом вокруг Солнца.

Такое запаздывание обнаружено и для других планет Солнечной системы, но Меркурий находится ближе всего к Солнцу, поэтому на нём влияние Солнца сказывается больше всего.

Экспериментальные данные для Меркурия совпадают со значением, предсказываемым общей теорией относительности.

На основании столь близкого совпадения заявляется, что общая теория относительности доказана экспериментально.
Между тем классическая физика также имеет объяснение смещения орбиты Меркурия.

Как известно, закон Ньютона описывает притяжение двух материальных точек, обладающих массами.

При этом орбита согласно первому закону Кеплера имеет вид эллипса.

Но на небольших расстояниях притягивающиеся тела уже нельзя считать материальными точками, т.е. пренебрегать их конечными размерами.

Так, например, на поверхности Земли предмет притягивается не только ядром Земли, но и участками земной коры, расположенными по сторонам от предмета.

Учёт конечных размеров приводит к тому, что убывание силы тяготения с расстоянием отличается от зависимости «единица разделить на расстояние в квадрате».

Математические теории гравитации указывают, что вследствие этой зависимости убывания силы тяготения орбита Меркурия должна отклоняться от эллиптической и постепенно поворачиваться вокруг Солнца.

Таким образом, необходимости к привлечению общей теории относительности нет.

По правилу Оккама при прочих равных условиях предпочтение следует отдавать наиболее простому объяснению.

Время шло, а теория относительности с её постулатом постоянства скорости света так и оставалась теорией.

Главным должен был стать опыт, подтверждающий независимость скорости света от движения источники и наблюдателя.

В опыте Майкельсона источник и приёмник света оставались неподвижными друг относительно друга.

Нужен был опыт, в котором один из них перемещался относительно другого.