Почему происходит лоренцево сокращение?

Теория Относительности | http://relativity.ru | editor@relativity.ru

12.10.2005

Здравствуйте, уважаемые читатели!

В прошлом выпуске мы завершили построение основ Специальной теории относительности — закончили вывод преобразований Лоренца. Однако, прежде чем подводить итоги, хотелось бы поразмышлять над вопросом, вынесенным в название выпуска: почему происходит лоренцево сокращение?

Казалось бы, странный вопрос! Ещё в одном из ранних выпусков мы пришли к выводу, что сокращение должно иметь место. А впоследствии, по сути, разобрали все основания этого явления.

Тем не менее, те, кто считает, что вопроса такого задать нельзя — ошибаются. Дело тут вот в чём: можно выделить две разновидности причин и, соответственно, две разновидности следствий.

Первый вид причин — это причины логические. Это такие причины, которые нас толкают к тому или иному выводу. Например, вы пришли домой и видите, что у вашей кошки виновато-шкодливый вид. Отсюда вы заключаете, что кошка разбила вазу. Здесь получается, что кошка разбила вазу ПОТОМУ ЧТО у неё шкодливый вид. В этом случае мы имеем дело с логической причинно-следственной связью.

Второй вид причин — физические причины. Физические причины — это объективно разыгрывающиеся в реальности явления, влекущие другие явления. Если попытаться отыскать физическую причину в описанном выше примере, то есть, физическую причину того, что кошка разбила вазу, то мы придём к выводу, что ею является неосторожность животного и последовавший в результате неё толчок, направленный на вазу.

Физические причины управляют потоком событий в реальности. А логические причины управляют потоком мыслей в голове.

Так вот, те рассуждения, которые мы приводили до сих пор, относились к логическому обоснованию явлений теории относительности. Мы искали пути и способы догадаться о том, каковы должны быть соотношения между параметрами реальность. То есть, мы работали с логическими причинами.

И именно логически мы обосновали существование лоренцева сокращения. Иными словами, у нас есть причины думать, что лоренцево сокращение имеет место (так же, как и разбитая ваза при виде шкодливой кошки). Однако, мы ещё не разбирались с тем, какие механизмы приводят к существованию лоренцева сокращения в реальности, то есть, не думали о том, каковы физические причины этого явления.

Итак, начнём рассмотрение.

Нам известно, что движущийся продольно стержень оказывается для неподвижного наблюдателя сокращённым.

Представим для начала, что вместо цельного стержня у нас имеются два достаточно маленьких кусочка, отвечающих началу и концу стержня. Ясно, что теории относительности всё равно, цельный стержень, или нет. Сокращению подвергается просто расстояние — безотносительно того, говорим ли мы о расстоянии между концами цельного объекта, или просто о расстоянии между двумя объектами.

Рассмотрим, как такой "фрагментарный" стержень приходит в движение. Ясно, что, поскольку начало и конец представляют собой несвязанные тела, то чтобы произошло сокращение, мы обязаны просто-напросто, приводить тела в движение неодновременно (см. мультик).

На этом мультике показано, что чтобы стержень стал сокращённым, мы должны приводить в движение его конец и начало в разное время.

Иного выхода нет, это элементарная геометрия. Мы рассматриваем тела из неподвижной системы отсчёта. Между ними есть определённое расстояние. Если тела придут в движение одновременно, то расстояние между ними останется неизменным. Поэтому, чтобы оно сократилось, мы должны сперва привести в движение заднее тело (символизирующее конец стержня), а затем, через некоторое время, привести в движение переднее тело (символизирующее начало стержня).

Таким образом, чтобы лоренцево сокращение выполнялось для таких несвязанных тел, мы должны САМИ сперва привести в движение конец стержня, а потом начало. То есть, физической причиной лоренцева сокращения в данном случае являемся МЫ САМИ.

Как же так? Ведь мы вроде бы пришли к выводу, что лоренцево сокращение неизбежно? А что, если мы не выполним описанный алгоритм приведения тел в движение? Что, если мы приведём их в движение одновременно? Тогда лоренцева сокращения не произойдёт?

Да, тогда лоренцева сокращения не произойдёт. В этом случае теория относительности просто-напросто покорно скажет нам, что расстояние между телами в сопутствующей системе отсчёта больше прежнего, а не равно ему. Иными словами, в данном случае лоренцево сокращение есть просто напросто геометрическое условие, при котором расстояние между телами в сопутствующей системе отсчёта остаётся неизменным.

Теперь рассмотрим более плотный стержень. Сперва предположим, что его части не связаны между собой, но всё-таки заполняют весь объём стержня. Ясно, что в этом случае мы так же должны самолично приводить в движение все части стержня, причём спева ускорять задние части, потом переходить к средним и, наконец, к передним (см. мультик)

На этом мультике показано, как плотный стержень, состоящий из несвязанных участков, должен ускоряться, чтобы в сопутствующей системе отсчёта оказаться имеющим прежнюю длину.

В данном случае, физической причиной лоренцева сокращения являемся также мы сами. Причё, чтобы его осуществить, мы обязаны "приделать моторчик" к каждому участку стержня с тем, чтобы иметь возможность приводить их в движение независимо друг от друга и в разное время.

Теперь перейдём, наконец, к обычному стержню из цельного вещества. Ясно, что в этом случае лоренцево сокращение будет иметь место. Длина стержня определяется балансом межмолекулярных сил, которые действуют в его толще. Эти силы, поскольку движение относительно, будут обеспечивать одну и ту же длину стержня в любой сопутствующей системе отсчёта. А, следовательно, если эта система движущаяся, то в лабораторной (неподвижной) системе отсчёта стержень будет короче.

С другой стороны, раз длину стержня обеспечивают межмолекулярные силы, то мы можем не заботиться о том, чтобы приводить стержень в движение по всей длине. Мы можем толкнуть его в задний конец, по нему, как по желе, пройдут волны, стержень придёт в движение и, когда волны успокоятся, он примет нужную сокращённую длину.

Я попытался изобразить это в мультике.

На этом мультике схематически показано движение реального упругого стержня от толчка.

Теперь задумаемся о происходящем.

Если бы мы не толкнули стержень, а просто сжали бы его с двух сторон, а потом отпустили, что произошло бы? Ясно, что, стержень в целом остался бы в покое. По нему сперва тоже прошли бы волны, но, когда они успокоились бы, то длина стержня восстановилась бы прежней, не сокращённой.

Видите разницу? Почему-то, если стержень покоится, то баланс межмолекулярных сил устанавливает одну длину стержня, а если движется — то другую. Это факт. И он означает простую вещь: межмолекулярные силы в движении обладают отличными свойствами от свойств тех же сил в неподвижном состоянии.

Кстати, не подумайте, что это утверждение противоречит утверждению постулата относительности, который гласит, что при равномерном движении законы природы не меняются. Постулат относительности имеет в виду, что законы не меняются, если перейти в сопутствующую систему отсчёта, в которой движения нет. То есть, постулат говорит, что нельзя заметить собственного движения, а можно — только сравнив себя с другими телами.

А то утверждение, к которому мы пришли только что, говорит, что законы природы (межмолекулярные силы) меняются, если в сопутствующую систему не переходить, то есть, если объективно наблюдается движение.

Итак, вывод следующий. В третьем рассмотренном случае, то есть, в случае реального упругого стержня, физической причиной лоренцева сокращения является изменение свойств межмолекулярных сил при движении.

Дойдя до этого места, многие сворачивают в заблуждение. Дело в том, что межмолекулярные силы, которые скрепляют все окружающие нас тела — это силы Ван-дер-Ваальса. А сила Ван-дер-Ваальса — это сила электромагнитной природы. Поэтому, по сути получается, что стержень сокращается потому, что изменяют своё действие электромагнитные силы. Далее вспоминают, что и свет — это электромагнитные волны. Следовательно, поскольку в основе одного из постулатов теории относительности лежит скорость света, и поскольку лоренцево сокращение так же происходит под влиянием электромагнитных сил, то теория относительности есть ни что иное, как теория о свойствах электромагнетизма.

Это ошибочный вывод.

Во-первых, как я уже неоднократно подчёркивал, в постулате про скорость света ничего не говорится о свете. Свет там присутствует как поставщик значения скорости, не больше. Фактически, термин "скорость света" можно заменить на термин "скорость в 300 тыс. км/с" — и ничего не изменится. То есть, постулат утверждает, что "скорость в 300 тыс. км/с не зависит от выбора системы отсчёта". Далее, вся теория выводится из этого постулата точно так же и все выводы остаются теми же, и качественно и количественно.

Во-вторых, и в нашем рассуждении, которое повлекло вывод о лоренцевом сокращении упругого стержня, электромагнитный характер сил не использовался. Пусть стержень сцепляют ядерные силы, или неизвестные иноплянетянские силы. Всё равно! Наш вывод основан на постулате об относительности. Любые силы, какие бы они ни были, в сопутствующей системе отсчёта сделают длину стежня исходной. И значит, автоматически, он предстанет сокращённым в лабораторной системе, причём сокращённый в той же пропорции.

Таким образом, "электромагнитность" ни причём. Дело в том, что ЛЮБЫЕ сцепляющие силы в движении изменят своё действие ровно таким же образом.

Выводы

Итак, мы пришли к выводу, что в разных случаях, физическая причина лоренцева сокращения может быть разной. Но по итогу, действие всех этих причин оказывается одинаковым. И этот факт заставляет принять, что в основе всех этих многочисленных причин, всё-таки, лежит одна, на которую они опираются.

Эта причина называется геометрией пространства-времени. Что это значит — мы с вами разберёмся позже.

С нашего сайта можно скачать исходники мультиков.

Обсудить выпуск на форуме >>

Димс.


Внимание! В рассылке могут использоваться рисунки и формулы. Если Вы их не видите, то просмотрите письмо, подключившись к интернету on-line, либо проследуйте на сайт в архив рассылок.


Теория Относительности | http://relativity.ru | editor@relativity.ru