Мифы в науке XX века

Ю.А.Рогожин, к.т.н., директор Центра радиационно-химической безопасности

XX век был отмечен не только двумя мировыми войнами и политическими революциями, но также революцией научной, которая ознаменовалась появлением двух теорий относительности (специальной и общей), квантовой механики, молекулярной генетики и ряда смежных дисциплин.

Если в результате политических революций возникли новые государства и новый мировой порядок, то научная революция привела к смене научно-технической парадигмы с новым взглядом на природу вещей и явлений в мире.

Успех социально-политических кампаний был во многом обусловлен государственной пропагандой, пользующейся мифотворчеством под видом новых теорий и философий. Как будет показано в дальнейшем, научный прогресс также не обошелся без мифов и заблуждений.

Но политические ошибки не остановили социальный прогресс, а научные заблуждения не помешали техническим достижениям. Однако пришла пора освободиться от некоторых научных мифов, которые могут оказаться препятствием на пути исследований и разработок. Об этом и пойдет речь в прилагаемых заметках.

Сюжет 1. Скорость света и течение времени

Краеугольными камнями Теории относительности являются постулаты:

1. О неизменной скорости света при переходе ко всем системам отсчета;

2. О скорости света как максимально возможной скорости для всех материальных объектов.

Исходя из этого, Эйнштейн построил в 1905 году так называемую потом «специальную теорию относительности», затем эти постулаты в 1916 году неявно были перенесены в «общую теорию относительности», которая фактически является теорией гравитации.

Между тем, в специальной теории относительности (СТО) свет (фотоны) фактически являются в качестве средства:

а) для передачи сигналов;

б) для распространения электромагнитного поля.

Следует поэтому признать, что СТО является (всего лишь) теорией электромагнитного взаимодействия, в которой свет играет двойную роль:

1. В качестве физического агента переносчика взаимодействия;

2. В качестве информационного агента передачи сигналов.

Если в качестве агента, удовлетворяющего свойствам (1)–(2), выбрать звук, то можно разработать звуковую теорию относительности (ЗТО), в которой скорость звука будет играть роль, аналогичную скорости света в СТО. В ЗТО будут фигурировать все релятивистские эффекты, такие как, например, зависимость массы тела от скорости. Причем, при приближении скорости тела к скорости звука масса тела будет стремиться к бесконечности.

Это следует понимать в том смысле, что материальный объект, созданный за счет фонических взаимодействий, не может превзойти скорость передачи этих взаимодействий. Если в качестве примера взять циклон, то сказанное не вызывает сомнений. Однако большинство объектов сделано из твердых материалов (дерево, пластик, металлы), которые скреплены отнюдь не за счет фонических взаимодействий, и потому в принципе могут превысить скорость звука, что и наблюдается, например, в случае сверхзвуковых самолетов.

ЗТО имеет также эффект «сокращения времени». Это, как и в СТО, выражается математической формулой:



где dt, dt’ – промежутки времени в неподвижной и движущейся системе отсчета соответственно, v – скорость движущейся системы отсчета, с – здесь скорость звука.

Однако реального замедления времени в движущейся системе отсчета не происходит. Просто в неподвижной системе отсчета прослушивается замедление «тиканья» хода движущихся часов.

Возвращаясь к СТО, теперь можно признать, что этот вариант релятивистской теории обоснованно именуется специальной теорией относительности, если иметь в виду ее исходные ограничения специально электромагнитными взаимодействиями и сигналами. Имея в виду аналогию с вышеописанной ЗТО, есть основания сформулировать следующие

Концовки для сюжета № 1

Скорость света не является предельной для передачи информации:

1. Течение времени на движущихся объектах не зависит от скорости их движения; относительность измерения времени вызвана измерениями посредством электромагнитных сигналов, скорость распространения которых принимается одинаковой во всех системах отсчета;

2. Возможно существование материальных объектов, способных двигаться со скоростью, большей скорости света; в частности, тех, строение которых формируется посредством более сильных, чем электромагнитные, взаимодействиями.

Автор отнюдь не умаляет научное и методологическое значение Теории относительности, однако он не считает ее священным писанием, неподсудным для критики. СТО должна занять свое место в ряду других физических теорий, таких как физика Ньютона, чья применимость ограничена определенными условиями.

Сюжет № 2. Ускоренная система отсчета и принцип эквивалентности

При построении Эйнштейном общей теории относительности (ОТО) ключевую роль играла ускоренная система отсчета, т.е. система отсчета, движущаяся с ускорением относительно некой инерциальной системы отсчета. Это объясняется сформулированным Эйнштейном «принципом эквивалентности», в соответствии с которым «наблюдатель, находящийся в закрытом ящике, никаким способом не может установить, покоится ящик в статическом гравитационном поле или же находится в пространстве, свободном от гравитационных полей, но движется с ускорением, вызываемым приложенными к ящику силами» [1].

В дальнейшем мы вернемся к обсуждению этого «принципа эквивалентности», но вначале рассмотрим преобразования координат между инерциальной и равномерно ускоренной (т.е. движущейся с постоянным ускорением вдоль оси Х) системами отсчета, предложенные Эйнштейном в 1907 году:

x’=x; t’=[1+(a/c2x’], (2)

где x, x’ , t, t’ – пространственные координаты и время в инерциальной и равноускоренной системах отсчета соответственно, а – ускорение (начала системы координат). Получается, что время в ускоренной системе отсчета течет по-разному в различных местах! Но это еще не все странности преобразования координат (2). Нетрудно убедиться, что ускорение точек движущейся системы отсчета ax’ = d2x/dt2 будет различным, т.е. координаты такой системы отсчета фактически являются «резиновыми».

Паули [2], ссылаясь на работы Минковского, Зоммерфельда и Борна, приводит для рассматриваемого случая «гиперболические» преобразования координат:



где hspace=4 = c2/a, hspace=4 = c/a, hspace=4 = ct’/a.

Меллер [3] модернизировал гиперболические преобразования координат в виде:



однако при этом координатные стержни ускоренной системы отсчета остаются «резиновыми».

Для дальнейших рассуждений введем понятие базисных тел системы отсчета К. Чтобы базирующаяся на них система отсчета соответствовала интуитивным представлениям, базисные тела должны удовлетворять следующим двум требованиям:

– пространственные расстояния между базисными телами должны быть неизменными, т.е. базирующаяся на них система отсчета должна быть жесткой. В декартовых координатах это приводит к требованию неизменности координат базисных тел;

– все базисные тела должны иметь одинаковое ускорение (относительно инерциальной системы отсчета).

Как уже отмечалось, этим естественным требованиям не удовлетворяют преобразования координат (2)–(4). Анализировались и другие преобразования координат между инерциальной и равноускоренной системами отсчета, предложенные различными авторами в разные годы. Однако ни одно из них не удовлетворяет вышеприведенным требованиям. Более того, было доказано, что удовлетворительных (конечных) преобразований в принципе не может быть.

В качестве альтернативы автором [4] были предложены дифференциальные преобразования координат в виде:



где hspace=4 = (a/c2)x’.

Важно подчеркнуть, что вышеприведенные преобразования не интегрируются в виде конечных преобразований координат типа:

x = f(x’,t’); t = g(x’,t’); (6)

Такого типа преобразования координат называются голономными, в отличие от неинтегрируемых дифференциальных преобразований координат, которые называются неголономными.

Кстати говоря, как раз неголономностью характеризуются преобразования координат при переходе к гравитационному полю. Геометрически это описывается как переход от плоского пространства-времени к искривленному.

Преобразования (4) индуцируют другой геометрический тип пространства-времени, который называют закрученным (наглядным примером двумерного пространства с кручением может служить проекция на лист бумаги архимедова винта или шнека мясорубки). Геометрические свойства плоского, искривленного и закрученного пространств различаются особенностями метрики (измерением расстояний) и параллельного переноса векторов. Не имея возможности останавливаться здесь на деталях, необходимо отметить, что указанные типы пространств геометрически не эквивалентны даже локально.

Возвращаясь к сравнению падающего и ускоренного лифтов, о чем говорилось в начале раздела, теперь есть основания утверждать, что в них имеется пространство-время различной геометрии. Динамическое же различие легко заметит наблюдатель в лифтах: в падающем лифте наблюдатель будет в невесомости, а в ускоренном – почувствует перегрузку. (Странно, что последнее обстоятельство не принял во внимание Эйнштейн и его многочисленные адепты).

Пришла пора сформулировать

Концовки для сюжета № 2

1. Не существует голономных (конечных, интегрируемых) преобразований координат между инерциальной и ускоренной системами отсчета, удовлетворяющих разумным требованиям;

2. Пространство-время в ускоренной системе отсчета является закрученным, что отличает его геометрически как от инерциальной системы отсчета, так и от гравитационного поля;

3. Принцип эквивалентности, на изложении которого Эйнштейн построил теорию гравитации, является ложным.

Однако из сказанного отнюдь не вытекает ложность общей теории относительности (ОТО) и базирующейся на ее математическом аппарате теории гравитации Эйнштейна. В рамках ОТО получило изящное описание искривление пространства любых измерений и метрик, а Эйнштейн связал динамические эффекты тяготения с кривизной пространства-времени. Что же касается падающего лифта, то он фактически послужил для Эйнштейна лишь эвристическим поводом, как падающее яблока для Ньютона.

Литература для сюжета № 2
1. А.Эйнштейн, М.Гроссман. Проект обобщенной теории относительности и теории тяготения. В сб. «Альберт Эйнштейн и теория гравитации», – М.: Мир, 1979.
2. З.Паули. Теория относительности. – М.: Наука, 1983.
3. C. Moller, Mat. Fys. Medd. Kgl. Danske I, No10, 1961.
4. Ю.А.Рогожин. Равноускоренная система отсчета / Тезисы докладов II Всесоюзной конф. по гравитации, МГУ, 1965.

Продолжение следует


Журнал «Атомная стратегия» № 27, январь 2007 г.

назад

Материалы из архива

8.2008 А Дерипаска против

О.Дерипаска, основной владелец UC Rusal: - Он (Стржалковский – ред.) хороший человек, достигший многого на госслужбе, но управлять такой компанией, как “Норникель”, должен профессиональный гендиректор, разбирающийся в металлургии… Стржалковского ввели в заблуждение, дав ему понять, что нам нужны посредники. Это не так. У компании нет проблем с государством. Она платит налоги и ответственно подходит к социальным вопросам.

12.2009 Энергетика на быстрых реакторах: от замысла через опыт к новому старту

В.В.Орлов, д.ф-м.н., профессор, НИКИЭТI. Военная предыстория, роль теорииЯдерная энергия, в миллионы раз превосходящая химическую по калорийности и ресурсам топлива, с начала 20 века будила воображение ученых и фантастов (Содди, Уэллс, Вернадский). Но Резерфорд и др. физики сомневались в ее практическом значении: ускоренные заряженные частицы теряют энергию в кулоновских столкновениях, так что выход ядерных реакций мал и выделенная энергия много меньше затраченной.

6.2007 ПЛАВУЧИЕ АЭС: «ХРОМАЯ УТКА» РОСАТОМА

Надежда Попова, «Аргументы неделi»В недрах атомного ведомства страны разгорается скандал. После бодрых рапортов о том, что в России в ближайшее время будет построена флотилия из 7 плавучих атомных станций (по другим данным, из 15, а академик Евгений Велихов и вовсе озвучил цифру 150), стали раздаваться робкие вопросы: а потянем ли? а не опасны ли эти плавучие АЭС? как охранять будем? Некоторые опасения по вопросу безопасности атомных поплавков выражают и ученые Института ядерных реакторов РНЦ «Курчатовский институт». Свои мысли вслух о дороговизне проекта озвучил министр Герман Греф.