О. Деревенский - Фиговые листики теории относительности

• Название: Фиговые листики теории относительности
• Автор: О. Деревенский
• Жанр: Физика

Канонизированная версия появления теории относительности (ТО), вкратце, такова. На рубеже XIX-XX веков был в оптике движущихся тел жуткий кризис. Физики захлебнулись в противоречиях, сидели в прострации и не знали, что делать дальше. Тут-то Эйнштейн и вывел этих недотёп на путь истинный. Все-то противоречия его ТО устранила, все-то эксперименты она объяснила, да ещё кучу предсказаний сделала – и все они великолепно подтвердились на опыте!

Ну, красная цена канонизированным версиям хорошо известна: «Боже мой, что скажет история?» - «Да не волнуйтесь, история солжёт, как всегда!»

И точно! Никаких противоречий ТО не устранила: она их послала куда подальше, а от себя новых насадила, ласково называя их парадоксами. Никаких экспериментов она не объяснила: она выдала постулаты без каких бы то ни было объяснений. А что касается дух захватывающих предсказаний ТО – мол, у движущегося с околосветовой скоростью объекта продольный размер сокращается чуть не в ноль, время растягивается чуть не на веки вечные, а масса растёт в дурную бесконечность – так правда в том, что все эти предсказания великолепно подтверждаются лишь мысленными экспериментами. А в физических экспериментах – не считая тех, тривиальные результаты которых ничего не доказывают – всё получается не так, как предсказывает ТО.

Вам трудно такое представить? Ничего страшного: по меткому выражению Ландау, «ныне учёные способны постигать даже то, чего не могут себе вообразить».

Было бы желание!

---

Странное оно какое-то получается – замедление времени. Чересчур разборчивое! На вещество оно действует, а на свет, видите ли, не действует. За что же свету такая немилость? Уж не за то ли, что фотонов и вправду нет? Мы ведь уже говорили, что без них всё гораздо проще. Есть фотоны – есть проблемы, а нет фотонов – нет проблем! Кстати, фотоны ведь и импульс не переносят. Давление света – это шутка! Лебедев раскачивал светом крыльчатку из тонюсенькой фольги – но дело там было не в давлении света, а, скорее всего, в его тепловом действии, вызывавшем изгибные деформации. Не верится? Ладно, тогда простенький вопрос: в каком диапазоне импульсы фотонов самые большие? Конечно, в гамма-диапазоне. Так спросите специалистов по экспериментальной ядерной физике – они подтвердят, что на практике от импульсов гамма-квантов остаются нулики с хвостиками… Вот интересно, как должен поступить настоящий релятивист – чем он должен пожертвовать: фотонами или замедлением времени? А пока релятивисты на эту тему в носу ковыряют – до сих пор руки-то не доходили! – мы расскажем про эксперименты с перевозимыми атомными часами. Тем и хороши эти эксперименты, что здесь все эти мутные проблемы с фотонами удаётся отсечь начисто.

Вот, смотрите, что проделали Хафеле и Китинг с четвёркой атомных часов. Каждые часы из этой четвёрки аккуратно сличили со шкалой времени Военно-морской обсерватории США – и спрогнозировали их хода по отношению к этой опорной шкале на ближайшее обозримое будущее. А затем с величайшей осторожностью, не пиная часы ногами, прокатили их вокруг света на самолёте. Да опять провели сличения с той же шкалой. И вот что увидели: после воздушных приключений, свои хода часы сохранили, но их разности с прогнозами оказались сдвинуты, практически, на одну и ту же величину. Ага! Значит, это и есть накопившаяся сумма релятивистских и гравитационных эффектиков, которых часы нахватали в ходе своей кругосветки. Высший пилотаж! Затем, для контроля, часы прокатили вокруг света второй раз – в противоположном направлении. Поскольку сличения проводились в том же самом месте, где формировалась опорная шкала, то и вправду не было никаких кривотолков, связанных с загадками при распространении света.

Ещё убедительнее сумма релятивистских и гравитационных эффектиков проявилась, когда запустили первые экспериментальные спутники навигационной системы GPS – с квантовыми стандартами частоты на борту. Если у Хафеле и Китинга запас по точности был невелик, то здесь этот запас составлял почти четыре порядка! Правда, здесь без радиосвязи со спутниками не обошлось, но кривотолки также были исключены. Ведь спутники летают долго, и разность между бортовыми и наземными часами монотонно накапливается. Если информация о показаниях бортовых часов передаётся на Землю в импульсных кодах, то радиосигналы, несущие эту информацию, отсебятины в неё при своём движении практически не добавляют. Вот так и убедились в том, что сумма релятивистского и гравитационного эффектов у бортовых часов GPS – это серьёзно! На радостях, частоты бортовых стандартов, перед запуском их на орбиту, стали специально сдвигать – в конкретную сторону и на конкретную величину – чтобы системная шкала GPS, подправленная релятивистским и гравитационным эффектами, имела такой же ход, что и наземная. Тютелька в тютельку!

Радости, действительно, было полные штаны: вот оно, мол, релятивистское и гравитационное замедление времени – с полной очевидностью! Бей в барабаны, труби в трубы! Пусть веселится и ликует весь народ! Ну, народ и ликовал, не догадываясь о двух тонкостях из разряда «Совершенно секретно».

О первой из них мы уже упоминали выше: как ни дико это звучит, релятивистские эффекты на опыте всегда получаются однозначные. Например, если пару атомных часов сличить рядышком, затем одни из них повозить, нахватав релятивистских и гравитационных эффектиков, и затем снова сличить эту пару рядышком – то набежавшая разность будет конкретная: скажем, -230 наносекунд. Хоть ты тресни: -230 наносекунд, ни наносекундой больше или меньше. А ведь расчёты релятивистского вклада в эту набежавшую разность, выполняемые в различных системах отсчёта, будут давать различные предсказания. Именно потому, что релятивистский эффект квадратичен по скорости. Верный расчёт получится лишь в какой-то одной системе отсчёта, остальные расчёты окажутся неверными. И впервые этого хлебнули как раз Хафеле и Китинг. Они, фактически, устроили проверочку того, как на опыте обстоят дела с пресловутым «парадоксом близнецов». Помните: один остался сиднем сидеть, другой покатался и вернулся – так кто из них оказался постаревшим больше? СТО утверждает, что у движущегося объекта время течёт медленнее, чем у покоящегося. Смешной вопрос: какие часы у Хафеле и Китинга двигались, а какие покоились? Смешной ответ: те, которые повезли на самолёте – двигались, а те, что остались в лаборатории – покоились. Хафеле и Китинг не подозревали, что этот ответ смешной: они именно так и думали. И поэтому расчёт они сделали в системе отсчёта, связанной с наземной лабораторией – подставляя в формулу квадрат скорости транспортируемых часов относительно лабораторных. Сделали они этот расчёт – и ахнули: он дал совершенно не те цифры, которые получились на опыте. «Это потому, - догадались Хафеле и Китинг, - что мы неудачно выбрали систему отсчёта. Ну, с кем не бывает! Будем искать дальше – глядишь, удача и улыбнётся!» Им ещё крупно повезло: удача улыбнулась уже на второй попытке. Как вы, наверное, догадываетесь, «удачной» оказалась невращающаяся геоцентрическая система отсчёта. По отношению к ней, двигались не только те часы, которые возили на самолёте. Те часы, которые оставались в лаборатории, двигались тоже – из-за суточного вращения планеты. Соответственно, расчёт квадратично-допплеровских эффектов пришлось делать и для транспортируемых, и для лабораторных часов – индивидуально. Вот тогда всё сошлось. Задним-то умом даже СТО крепка! Авторы и шуточку-прибауточку по этому поводу выдали. Мол, система отсчёта, связанная с наземной лабораторией – она неинерциальна, и делать в ней расчёты – это дохлый номер. А вот система отсчёта, связанная с центром Земли – она инерциальна, и делать в ней расчёты – одно удовольствие. Ну, ну. Во-первых, не одно удовольствие, а два. Релятивистский-то эффект следует считать дважды – и для тех часов, и для этих – а потом ещё разность брать. А, во-вторых – скажите на милость, что же такого инерциального в геоцентрической системе отсчёта? Или вы совсем позабыли, что она ускорение имеет – в направлении к Солнцу? Не в инерциальности дело, любезные! А в том, что каждые атомные часы имеют квадратично-допплеровское замедление хода в соответствии с квадратом своей индивидуальной, истинной-однозначной скорости! Вот такой подход даёт верный расчёт квадратично-допплеровских эффектов. А концепция относительных скоростей верного расчёта не даёт, она даёт лишь «парадокс часов», которого на опыте-то и нет. Когда релятивисты в этом убедились, они быстренько разъяснили, что здесь всё дело в асимметрии: несущее возимые часы транспортное средство разгоняется, тормозится, разворачивается, и т.д. – в общем, из ускорений не вылезает. Вот, мол, и разгадка «парадокса часов»: движутся те часы, чьё движение ускоренное, а другие часы покоятся. Ну, и сильно эта «разгадка» помогает по жизни – например, в случае у Хафеле-Китинга? Не говоря уже про случай с GPS! Будем же реалистами: в терминах относительных скоростей не получается верный расчёт квадратично-допплеровских эффектов в экспериментах с перевозимыми атомными часами! Относительные скорости – это, граждане, чистая формальность. А к реальным физическим эффектам приводят скорости истинные-однозначные! Для СТО здесь – полный конец. Даже названия от неё не останется, ибо относительности-то на опыте и нету! Вот об этом и помалкивали, когда раздували горнило триумфа GPS. «Главное, - кричали, - что здесь релятивистское замедление времени отлично заметно!» Вот оно, мол, вот оно! На шкалу намотано! Откуда публике было знать, что эта намотка на шкалу происходит совсем не так, как предсказывает СТО?

Напоминаем: это был первый из двух секретиков. Сейчас про второй скажем, приготовьтесь. Если стоите – лучше присядьте. И вдохните поглубже. В общем, так: пятнадцатью годами раньше начала «эры GPS» у экспериментаторов была ещё одна возможность отличиться. Сподобились они запустить первую парочку спутников низкоорбитной навигационной системы TIMATION. На бортах этих спутников работали великолепные кварцевые стандарты, частоты которых контролировались с точностью не хуже 10-11. А сумма релятивистского и гравитационного эффектов, для спутников на орбите с высотой 925 км, составляет около 2×10-10. Имей место эти эффекты, их сумма непременно обнаружилась бы. Но разочарование оказалось страшным: эта сумма и не подумала обнаружиться. Естественно, перспективную программу TIMATION наглухо прикрыли. В гробу они видали такие перспективы. Кому нужна навигационная система, которая работает, попирая СТО и ОТО? Прям как в детском мультике – когда, помните, Чебурашку в зоопарк не приняли, сказавши: «Нет, не пойдёть! Неизвестный науке зверь!» Короче, экспериментаторам популярно разъяснили, что спутниковую навигационную систему можно сделать только с квантовыми стандартами на бортах. Мол, как хотите, так их в космос и выводите! Да лишнего не болтайте!