т.6 No 1

75

Проблема физического времени в современной физике

7. О возможности трансформации физического времени в системах отсчета, движущихся со скоростями, близкими к скорости света

В предыдущих частях исследования мы подробно разобрали основные свойства времени с точки зрения современной физики и показали, что геометризация времени некорректна в связи с тем, что время по своему определению не может быть геометризовано из-за отсутствия частей, сосуществующих в одном пространстве. И то, что на основе проведенных опытов или расчетов исследователи строят графики и временные зависимости, еще не означает, что мы материализуем само время. В отличие от пространства, в отдельные точки которого мы тем или иным способом можем вернуться, время течет строго в одном направлении из прошлого в будущее, и повторные эксперименты будут проводиться уже в ином времени.

Также мы выяснили, что среди множества систем отсчета все же существует выделенная система, осознанно или нет присутствующая как в классических, так и в релятивистских расчетах. Она отличается от остальных тем, что распространение света в ней изотропно и трансформация эквифазных поверхностей переносится во все остальные системы отсчета, движущиеся относительно выделенной.

Теперь, чтобы выяснить вопрос о возможной трансформации времени, нам осталось объединить полученные нами знания совместно с понятием возможности трансформации самого времени.

7.1. Анализ трансформации времени в релятивистской концепции

Сохраняя последовательность рассмотрения вопроса, мы должны прежде всего проанализировать реальность трансформации времени в релятивистской концепции, в рамках которой были концептуально заявлены изменения времени при переходе между инерциальными системами отсчета.

“Всегда задают вопрос: “Реально ли лоренцево сокращение?” Сомнения возникают обычно из-за того, что длина движущихся тел определяется произвольно в той мере, насколько произвольно принятое при этом определение одновременности (например, эйнштейновское, которым мы пользуемся). Однако можно решительно ответить, что это явление реально, поскольку одна и та же процедура измерения длины даст разные результаты согласно классической (ньютоновой) теории и теории относительности” [24, с. 64]. “…Пространственные и временные данные имеют не фиктивное, а физически реальное значение. В частности, это относится ко всем соотношениям, в которые входят координаты и время…” [81, с. 24].

Безусловно, что говоря об относительных измерениях, мы невольно вносим некоторую неопределенность, обусловленную проективным восприятием форм и движений материальных тел, причем проективность зачастую связана не только со скоростью материальных тел в пространстве, но и с различной температурой, давлением окружающей среды, с влиянием различных полей, с углом зрения, под которым мы производим наблюдения, и т.д. Эти эффекты давно известны в метрологии и могут носить как мнимый характер, обусловленный искажением наших мер или пространственными искажениями, так и реальный характер, если мы измеряем, например, длину нагретого стержня или частоту сигнала, излучаемого движущимся источником. В любом случае данные трансформации не могут быть приписаны трансформации пространства-времени, но являются результатом воздействия определенных факторов как на предмет измерения, так и на меру, которой мы пытаемся провести измерения. Иными словами, в любом случае вопрос стоит о чем-то вполне конкретном, что неправомерно расширять на свойства всей вселенной, всех мер и всех измеряемых объектов. Поэтому как в измерении времени, так и в измерении длин метрология идет по пути учета указанных влияний, опираясь именно на знание физических законов. К их методам борьбы с искажениями, называемыми обычно систематическими ошибками, “… относится прежде всего предварительное изучение ошибок и введение соответствующих поправок, т.е. предварительная проверка всех измерительных приборов, определение поправок к ним и влияния на их показания различных внешних факторов” [82, с. 19–20].

В связи с этим, сам факт, что процедура измерения длин по Ньютону и по Эйнштейну приводит к различным результатам, сам по себе не является доказательством справедливости той или иной методики измерения. Для этого необходимо рассматривать сами методики в полноте и корректности учета ими влияющих факторов.

Релятивисты следующим образом обосновывают сокращение времени в движущихся системах отсчета: “…обратимся теперь к аналогичной задаче для отрезков времени… В частности, нам нужно определить скорость хода движущихся часов. Предположим, что стандартные покоящиеся в системе S' часы подают сигналы каждую секунду; чему будет равен интервал между этими сигналами в системе S ? Для того, чтобы применить к этой задаче преобразование Лоренца, необходимо связать с сигналами часов какие-то события. Этими событиями могут быть вспышки лампы, присоединенной к часам и управляемой их механизмом. Событиями могут быть и последовательные положения стрелки на циферблате против 12 час., 12 час. 1 сек., 12 час. 2 сек. и т.д. Каждое такое событие фиксирует положение часов в пространстве в момент их существования. Если в системе S' часы расположены в точке (x', y', z') , то двум последовательным сигналам от них будут соответствовать события с координатами (x', y', z', T')  и (x', y', z', T' + 1) , где T'  – некоторое число. Согласно (2.10) (преобразования Лоренца в общем виде (4.1) – авт.), моменты тех же самых событий записываются в системе отсчета S как

откуда вычитание дает

(в секундах). Это и есть искомый отрезок времени в системе S . Он превышает одну секунду, так что движущиеся часы кажутся идущими медленнее (отстают).

Из соображений симметрии (равноправия систем) следует, что стандартные часы, покоящиеся в системе S , представляются отстающими в системе отсчета S' , в чем можно также непосредственно убедиться из закона преобразования. Как и в случае взаимного сокращения длин, здесь нет никакого противоречия. В одном случае конкретные часы из системы S' сравниваются с последовательностью оказывающихся рядом с ними часов системы S , которые все синхронизованы друг с другом посредством эйнштейновской процедуры, взятой для S . В другом случае конкретные часы из S сравниваются с последовательностью часов из S' , которые синхронизированы эйнштейновским способом, но в применении к системе S' . Движущиеся часы отстают. Этот эффект называется замедлением времени” [24, с. 64–66].

В трактовке Эйнштейна эта же процедура сравнения интервалов времени во взаимно движущихся системах отсчета звучит аналогично: “Пусть в начале координат системы K' находятся часы с секундной стрелкой. Для них всегда x' = 0 , и они отсчитывают свои секунды в моменты времени t' = 0, 1, 2, 3  и т.д. Первое и четвертое уравнения преобразования дают для времени t  этих секундных отсчетов значения

и т.д. Таким образом, в системе K время между отсчетами часов равно

т.е. больше секунды. Часы, движущиеся со скоростью v , идут – с точки зрения несопутствующей системы координат – медленнее, чем шли бы те же часы, если бы они покоились” [45, с. 420].

Таким образом, вывод, сделанный Мардером, находится в полном соответствии с выводом Эйнштейна, а потому все проблемы, которые возникают в данном подходе к сравнению темпа времени, следует относить не к трактовке Мардера, но к представлению самой релятивистской концепции. А проблемы имеются, несмотря на то, что релятивисты упорно твердят “здесь нет никаких противоречий”, и заключены они именно в полной эквивалентности систем отсчета, являющейся базовым постулатом теории относительности. Чтобы последовательно вскрыть весь комплекс возникающих при этом проблем, рассмотрим вопрос последовательно.

7.1.1. Проблема взаимности сокращения интервалов времени

Обратим внимание на важный момент сверки часов. Эйнштейн пишет: “…Часы, движущиеся со скоростью v, идут – с точки зрения несопутствующей системы координат – медленнее, чем шли бы те же часы, если бы они покоились” [45, с. 420]. Мардер пишет аналогичное: “Движущиеся часы отстают”. Осталось только выяснить, какие из двух часов все-таки движутся? Тем более, что каждые часы движутся относительно другой системы отсчета, но покоятся в сопутствующей. Отсюда, если одни часы по отношению к другим идут медленнее, то при полной идентичности систем отсчета, часы другой системы отсчета также должны идти медленнее, с точки зрения несопутствующей системы отсчета. Это же подтвердят формулы преобразования Лоренца. Учитывая, что в выражения (7.3) и (7.5) скорость движущейся системы отсчета входит квадратично, заменяя штрихованные символы на нештрихованные, мы получим тот же результат. А следовательно, невозможно в рамках сохранения их инерциальности и релятивистской идентичности ввести между системами различие. И то, что Мардер попытался составить схему синхронизации в следующем виде: “В одном случае конкретные часы из системы S'   сравниваются с последовательностью оказывающихся рядом с ними часов системы S , которые все синхронизованы друг с другом посредством эйнштейновской процедуры, взятой для S . В другом случае конкретные часы из S   сравниваются с последовательностью часов из S' , которые синхронизированы эйнштейновским способом, но в применении к системе S' ” [24, с. 66] – проблему не решает. Из того, что каждые часы синхронизуют временные интервалы по своей процедуре, не следует, что в одном случае часы будут отставать, а в другом идти быстрее. Замеры, сделанные по той же самой процедуре из S в S' , дадут то же самое замедление, что и замеры из S' в S , и мы придем к тому, что сокращение мнимо.

Не зря в своей статье, посвященной парадоксу близнецов, Эйнштейн сам же опровергает Мардера, задолго до написания последним исследования по той же теме:

“К р и т и к. … Даже самые рьяные приверженцы теории не станут утверждать, что из двух покоящихся и расположенных друг возле друга часов каждые отстают друг от друга.

Р е л я т и в и с т. Твое последнее утверждение безусловно верно, однако метод вывода несправедлив, потому что, согласно специальной теории относительности, системы координат K  и K'  никоим образом не являются равноправными. В самом деле, эта теория утверждает равноценность только всех галилеевых (неускоренных) систем координат, т.е. таких систем координат, по отношению к которым в достаточной мере изолированные материальные точки движутся прямолинейно и равномерно. Такой системой координат является, конечно, система K (откуда улетает близнец – авт.), но не ускоряемая время от времени система K' ” [83, с. 618].

Таким образом, согласно Эйнштейну, реальность трансформации времени все-таки обусловлена не преобразованиями Лоренца как таковыми, но фактом того, что одна из систем отсчета когда-то в предыстории ускорялась (т.е. той же неэквивалентностью систем отсчета). Ведь замедление времени у улетевшего близнеца пропорционально не периодам ускорения/торможения, а полному времени, в котором инерциальные участки значительно больше неинерциальных, а главное, могут быть сделаны полностью произвольными по длительности. Исходя из этого, по мнению релятивистов, ускорение в предыстории каждого инерциального участка не столько вносит поправку к самому показанию часов, сколько привязывает сокращение времени к ускорившейся системе отсчета. Из этого, кстати, следует, что если близнецы будут синхронно ускоряться/замедляться в разные стороны относительно исходной общей инерциальной системы отсчета, то никакой разницы во времени при возврате в исходную точку между ними не должно быть. Вместе с тем, если на своих синхронных инерциальных участках они сверят между собой часы, то один из них должен оказаться моложе, поскольку в выводе преобразований, которые Эйнштейн повторял многократно, начиная с работы 1905 года [4], важнейший аспект влияния предыстории ускоренного движения на трансформацию времени никоим образом не обозначен, и преобразования Лоренца для времени выведены для взаимно движущихся инерциальных систем отсчета безотносительно к чему-либо иному. Ведь согласно релятивистской постановке задачи, “Если оставить в покое обычную кинематику и на новых принципах создать новую, то при этом возникают формулы преобразования, отличные от приведенных выше. Итак, мы сейчас покажем, что из

1. Принципа относительности и

2. Принципа постоянства скорости света

следуют формулы преобразования, позволяющие видеть, что теория Лоренца совместима с принципом относительности. Теорию, основанную на этих принципах, мы называем теорией относительности” [17, с. 152].

Таким образом, весь вывод формул преобразований зиждется всего на двух постулатах, и постулат относительности в релятивистской интерпретации предполагает, что “законы, управляющие явлениями природы, не зависят от состояния движения системы координат, по отношению к которой эти явления наблюдаются, если эта система движется без ускорения” [17, с. 145]. И здесь тоже не говорится о предыстории инерциальной системы отсчета и требуется только, чтобы она в данный момент не ускорялась (что позже, кстати, Эйнштейн сам и опроверг, введя полную эквивалентность всех систем отсчета). Но в данном случае факт остается фактом. Если трансформация времени реальна только в случае, если какая-либо из систем отсчета ускорялась, то это должно быть отражено в доказательстве, многократно приводимом Эйнштейном, тем более, что если теория относительности рассматривает преобразования между взаимно движущимися системами отсчета, то для возникновения взаимного движения какая-то из систем отсчета или обе вместе должны были когда-то ускоряться относительно друг друга. Следовательно, факт ускорения должен присутствовать в обосновании концепции и фактически заменять принцип полной эквивалентности систем отсчета, выделяя из взаимно движущихся систем отсчета ту, которая не ускорялась. Если же реальность сокращения проистекает из вышеуказанных постулатов теории относительности, то при полной идентичности систем отсчета данное сокращение мнимо как раз вследствие этой полной идентичности, которая впрямую фигурирует в доказательстве Эйнштейна.