Преобразования Лоренца, постоянство скорости света и требование однородности времени (стр. 2 из 3)

Установив вид этих преобразований, Эйнштейн проверяет совместимость двух постулатов СТО следующим образом. Цитата из работы [1]:

“ Пусть в момент времени

из общего в этот момент для обеих систем начала координат посылается сферическая волна, которая распространяется в системе со скоростью . Если есть точка, в которую приходит эта волна, то мы имеем

Преобразуем это уравнение с помощью записанных выше формул преобразования; тогда получим

И так, рассматриваемая волна, наблюдаемая в движущейся системе, также является шаровой волной, распространяющейся со скоростью

. Тем самым доказано, что наши два принципа совместимы” - конец цитаты.

Таким образом, на основании совпадения формы этих уравнений, сделан вывод, что преобразования Лоренца переводят сферическую поверхность в покоящейся системе отсчета в сферическую поверхность в движущейся системе отсчета. Тем самым было доказано соответствие преобразований (1) первому пункту исходных требований задачи о вспышке света и, является общепризнанным в физике. Однако, данное доказательство вызывает сомнение, исходя из рассуждений, которые приводятся ниже.

Если имеется сфера радиуса

(геометризация задачи) в покоящейся системе отсчета:

(9)

то она может быть переведена в сферу движущейся системы отсчета только умножением радиуса заданной сферы на константу:

(10)

где

(11)

координаты этой же сферы относительно начала новой системы отсчета. Коэффициент пропорциональности

может зависеть только лишь от скорости относительного движения рассматриваемых систем отсчета. В противном случае третье равенство (10) не может считаться уравнением сферы, т.к. величина, стоящая в правой части этого равенства, не будет являться постоянной величиной. Особо отметим, что (11) также оставляют инвариантными уравнения Максвелла, следовательно, также могут считаться решением задачи рассматриваемой Лоренцем.

В свою очередь, преобразования Лоренца формально могут быть получены путем следующих тождественных преобразований:

(12)

Отсюда наглядно видно, что проводится изменения координат

точек сферы, а координаты остаются без изменений. Это приводит к деформации поверхности сферы, что выражается соответствующей зависимостью от . Таким образом, из общих рассуждений вытекает, что преобразования Лоренца не являются преобразованиями сферы в сферу.

Чтобы проверить справедливость сделанного утверждения построим поверхность вспышки света в движущейся системе координат с использованием преобразований Лоренца. Для этого зададим промежуток времени

по часам покоящегося наблюдателя, в течение которого распространяется свет. Этот промежуток времени однозначно определит те координаты точек пространства покоящейся системы, до которых дойдет сигнал. Воспользовавшись преобразованиями Лоренца (1), мы найдем координаты этих же событий в движущейся системе отсчета. И согласно Эйнштейну это должна быть сфера. Однако (1) являются неудобными для графического построения. Поэтому переведем их в полярную систему координат.

Пусть

и углы, под которыми видно одно и тоже событие в покоящейся и движущейся системах отсчета, соответственно. Тогда:

(13)

Подставим (13) в первое и четвертое равенство (1). Получим

(14)

Поделив, первое равенство (14) на второе, установим связь между углами в движущейся и покоящейся системах отсчета:

(15)

(16)

Выражение (16) является обратным к (15). Умножив левую и правую стороны второго равенства (14) на

и произведя замену на (16), получим выражение для преобразований Лоренца в полярной системе координат:

, (17)

где, для любого конкретного случая

.

На рис.1 представлены два графика в полярной системе координат. График-1, это координаты событий в покоящейся системе отсчета. График-2, это координаты этих же событий в движущейся системе отсчета даваемые преобразованиями Лоренца (формула (17)). Графики построены при следующих параметрах:

. Подстановка координат сферы покоящейся системы отсчета для этих параметров в (1) так же приводит к графику-2 рис.1, показывая тем самым полную эквивалентность (1) и (17), что доказывает справедливость (17).

Анализ результатов

Из рис.1 видно, что координаты событий, даваемые формулой (17) ложатся не на сферу, а на поверхность эллипса. На основании этого можно заключить, что вывод Эйнштейна о сферичности получаемых результатов, для движущейся системы отсчета, сделан неверно. Преобразования (1) не удовлетворяют пункту 1 исходных требований поставленной задачи. Не смотря на то, что уравнения в цитате его работы совпадают по форме, они несут различное содержание. В первом уравнении цитаты координаты событий определяются только промежутком времени, который прошел с момента вспышки - это сфера. Переменные второго уравнения цитаты, т.е. координаты и промежуток времени, измеряемые наблюдателем движущейся системы отсчета, несамостоятельны. Они, посредством преобразований Лоренца, однозначно определяются переменными первого уравнения цитаты. Однако полученный эллипс не является нонсенсом для СТО. Более того, он находится в полном согласии с выводами СТО о сокращении стержней и не одновременности. Покажем это, выстроив логику покоящегося наблюдателя, проверяя тем самым пункт 2 исходных требований задачи.

Пусть с момента вспышки прошло

секунд. Тогда, по мнению покоящегося наблюдателя, движущийся наблюдатель и начало движущейся системы отсчета сместятся на расстояние , относительно покоящейся системы отсчета. К этому моменту времени световой сигнал прошел вдоль положительного направления оси путь , а вдоль отрицательного направления, путь . Координатами этих событий, для движущегося наблюдателя, были бы и . Однако согласно СТО, покоящейся наблюдатель знает, что длина стержней расположенных вдоль оси , каковыми являются измерительные линейки, в движущейся системе отсчета сокращается в . Поскольку изменение длины линейки в некоторое число раз приводит к изменению измеряемых координат точек в обратное число раз, то измеренные одновременно движущимся наблюдателем координаты рассматриваемых событий увеличатся в раз. Следовательно, вместо указанных координат , по мнению покоящегося наблюдателя, движущийся наблюдатель зафиксирует координаты