О движении, пространстве и времени

Николай Анатольевич Скурихин

Восемь лет прошло с момента написания этой книги. И как следует из оглавления, большая ее часть касается физического мира Вселенной (и никакой нейробиологии, мира рибонуклеиновых кислот и молекул белков), вещественной основы появления в человеческом существе информации о действующих на него предметах и явлениях внешнего мира. И только сейчас столкнулся с высказыванием Им. Канта о физике: «Физика есть не опытная наука, а наука для опыта».

29-03-2014 Читая Ричарда Фейнмана

50 лет назад были прочитаны Р. Фейнманом в Корнеллском университете лекции по физике, опубликованные в 2012 году книгой «Характер физических законов». Издательство этой книги запрещает любое использование материалов книги без его разрешения. Поэтому здесь будут только ссылки на текст, рисунки, уравнения, выводы, и проч., с указанием страниц и номеров, дополненные собственными соображениями. Возможно, понять их будет сложно, не обратившись к тексту оригинала. Однако весь этот материал, сущность физических законов, примеров, суждений, — так широко известен, что размышляющий человек все может понять и оценить.

На стр. 82 рисунок с двумя космическими кораблями и описание позволяют увидеть относительность их движения. И одновременно утверждается о невозможности увидеть, какой корабль движется, а какой находится в покое. Из описания следует, что явление одновременного возникновения и исчезновения заряда на одном из кораблей, зафиксированное наблюдателем другого неподвижного корабля, только для него и является одновременным. Наблюдатель же движущегося корабля это явление воспринимает разновременно. Вспышку о появлении заряда на носу корабля он видит прежде, чем появляется вспышка на корме корабля об исчезновении заряда, хотя возникновение и исчезновение заряда происходит в одно и то же время.

Что же осталось за пределами описания, которое представляло бы для нас несомненный интерес? Первое, если есть разновременность восприятия двух явлений, разнесенных в пространстве, значит, имеется интервал времени между ними. А это и является признаком появления дополнительного времени в движущемся корабле: время в нем течет медленнее, чем в неподвижном корабле. Второе, направление движения корабля указывает прежде появляющаяся вспышка: к ней корабль приближается, удаляясь от позже появившейся вспышки на корме корабля. Однако не предполагается появление обеих вспышек на движущемся корабле.

Но что меняется в ситуации восприятия вспышек наблюдателем в средине корабля, если они возникают одновременно в носу и корме движущегося корабля? Внутреннее пространство корабля перемещается во внешнем пространстве, отделенное его корпусом. При равномерном прямолинейном движении корабля относительно неподвижной системы отсчета его скорость может иметь любую величину, приближаясь к скорости света. Означает ли это, что состояние внутреннего пространства зависит от скорости корабля относительно неподвижной системы отсчета? И да, и нет.

Да, поскольку разгон корабля до скорости, сопоставимой со скоростью света, ведется относительно нашей неподвижной системы отсчета. Корабль, ускоряясь относительно неподвижной системы, которая, несомненно, обладает гравитаций, преодолевает ее сопротивление каждым элементом вещества корабля, в том числе и внутренней атмосферой корабля. Может оказаться, что корабль выйдет за пределы влияния гравитационного поля неподвижной системы. Достигнув заданной скорости, например, две трети скорости света, корабль прекратит разгон и будет двигаться прямолинейно с постоянной скоростью. Чем будет определяться внутреннее состояние корабля при таком движении? И каким образом оценивать движение корабля в космическом пространстве на расстояниях в миллионы и миллиарды километров от того места, где корабль принял старт?

Специальная теория относительности говорит о замедлении времени в системе, движущейся с релятивистскими скоростями. Общая теория относительности говорит о замедлении времени в деформированном гравитацией пространстве. Ускорение объекта также должно влиять на течение времени, как гравитация. Поэтому замедление времени в движущемся объекте можно объяснить не самой скоростью этого объекта, а наличием ускорения в процессе всего времени разгона корабля. И возникшее замедление времени сохраняется все последующее время.

Возвращаясь к состоянию корабля при его движении, являющемся независимым, или просто оторвавшимся от неподвижной системы отсчета, что при его равномерном и прямолинейном движении более чем естественно, мы эту подвижную систему можем рассматривать как полностью автономной. Например, как галактику, удаляющуюся от нас на расстояниях в миллиарды световых лет. Скорость таких галактик приближается к около световым скоростям. Для такого космического корабля должны выполняться все физические законы, присущие пространству с исходной неподвижной системой отсчета, в том числе и постоянство предельной скорости света. В таком случае свет внутри корабля, летящего в пространстве со скоростью две трети скорости света, также может и обязан двигаться со скоростью света, несмотря на источник своего возникновения.

В таком случае в корабле возникают следующие ситуации. Возникшие одновременно мгновенные вспышки света распространяются с предельной скоростью по всем направлениям, в том числе и в направлении движения корабля. Свету от вспышки на носу корабля необходимо пройти до средины корабля меньшее расстояние, чем свету от вспышки на корме корабля из-за движения корабля. Следовательно, имеем разновременность восприятия наблюдателем одновременного события — двух вспышек в противоположных частях корабля. Никакой разности скорости света в пределах этого корабля не должно быть. Неодновременность одновременного события свидетельствует о движении корабля. Его направление указывается воспринятой в первую очередь вспышкой, которая оказывается на носу корабля.

Такой вывод опровергает утверждение о невозможности установить опытным путем, движемся мы или нет, в частности, при равномерном прямолинейном движении. В том числе и утверждение о невозможности, находясь в закрытой каюте морского корабля, обнаружить, как считал Г. Галилей, движется или стоит сам корабль. В его времена была уже известна предельная скорость света, но продумать физический эксперимент, подобный выше описанному умозрительному опыту, вряд ли была у него такая техническая возможность.

И до настоящего времени этот эксперимент носит умозрительный характер. Во-первых, создать одновременное явление возникновения и исчезновения зарядов в разных частях космического корабля проблематично. Во-вторых, для «чистого» эксперимента нужны огромные размеры такого космического корабля. Для получения точности отсчета времени в секунды и их десятые доли необходимо иметь длину корабля в сотни тысяч километров, большем, чем расстояние от Земли до Луны. В-третьих, все подобные умозрительные эксперименты предполагают не только конечную скорость света, но ее неизменность, принимаемую для космического пространства равной 300 тысячам километров в секунду.

Последнее вообще реализуется только в открытом космосе. Скорость света в космосе принимается постоянной величиной. Энергия квантов света при космических путешествиях на протяжении миллиардов лет может падать, увеличивая длину волны, не уменьшая самой скорости света. В ближайшем же окружающем нас космическом пространстве, в земной атмосфере, мы можем наблюдать практическое и замедление, и исчезновение света. Идущий от Солнца свет, попадая в облака, может вообще затеряться и не дойти до поверхности Земли. Что с ним произошло? Ясно, что энергия фотонов превратилась в тепловую энергию водяных паров и других молекул газа атмосферы. Могла ли измениться скорость света при его прохождении через атмосферные среды различной плотности, или, потеряв всю энергию, кванты света прекратили свое существование, движение, не изменяя скорость этого движения? Здесь это не столь важно, существенным оказывается то обстоятельство, что нет условий, которыми оговариваются условия умозрительных экспериментов.

На стр. 122 Р. Фейнман говорит о космических километрах и космических секундах, о земных километрах и земных секундах. Этому предшествует описание движения космического корабля со скоростью 2/3 скорости света, вслед которому посылается световой импульс. Скорость этого импульса при прохождении через пространство корабля относительно его пассажира, перемещающегося в пространстве вместе с кораблем со скоростью 2/3 х с, где с — скорость света в космосе, составит 1/3 х с километров в секунду. Это должно быть невозможным, поскольку скорость света имеет не только предельную величину, но и имеет постоянное значение, равное с километров в секунду. Поэтому следует считать, как утверждали А. Эйнштейн и А. Пуанкаре, что скорость света не меняется, а изменяется только длительность времени в космическом корабле — появляется «космическая секунда», то есть меняется самое течение времени. Это суждение чисто умозрительное, основанное на предположении сущности и понятии времени, аналогичном сущности и понятию пространства. Постоянство величины скорости света делает эквивалентными понятия пространства и времени, одновременно изменяя содержание их сущностей. Зная изменение положения объекта в пространстве, мы можем однозначно выразить это изменение адекватной ему величиной времени. Причиной же замедления времени на таком космическом корабле, как уже отмечалось ранее, по нашему мнению, следует считать не скорость как таковую, близкую к скорости света, а ускорение корабля, обеспечившее такую скорость движения.

Говоря о космической секунде в космическом корабле, движущемся в пространстве со скоростью 2/3 х с, мы можем указать, также умозрительно, появление у пассажира источника света, кванты которого будут обязаны двигаться внутри корабля со скоростью с, и перемещаясь из корабля в космическое пространство в направлении его движения, будут сохранять эту скорость. Если же эти кванты света будут иметь скорость движения, равную скорости движения корабля 2/3 х с, то неизвестно, за счет какого источника они получат дополнительную скорость, вылетев из космического корабля. Таким образом, в космическом корабле оказывается существование квантов света с разными скоростями, что противоречит всякой логике, если же это кого-то устроит, то требуется пояснения источника энергии для увеличения скорости квантов света при их вылете из космического корабля.

Рассмотрим ситуацию появления «космической секунды», или что то же самое, замедление времени в космическом корабле, движущемся в пространстве со скоростью 2/3 х с, пользуясь только линейными размерами пространства. Пусть этот корабль пролетает мимо диспетчерского пункта и когда он находится на расстоянии А от этого пункта ему посылается сигнал с служебной информацией. Командир корабля находится в передней части корабля. И от того, как скоро получит он этот сигнал, зависит судьба этого корабля. Корабль удаляется от диспетчерского пункта с указанной скоростью. Скорость его движения и скорость сигнала с информацией мы будем выражать, как сказано, в линейных единицах пространства относительно положения корабля в момент посылки ему сигнала. Расстояние между носом и кормой корабля нас ничем не ограничивает, пусть он составляет величину не меньшую, скажем (3—4) А.

Когда посланный сигнал окажется в точке пространства, где находилась корма корабля в момент отправления сигнала, пройдя расстояние А1 = А, корма корабля окажется на расстоянии 2/3 х А от своего первоначального положения. Пройдя еще расстояние А2 = А, сигнал отстанет от кормы корабля на 1/3 х А. Через расстояние А3 = А сигнал достигнет корабля. Попав в пределы движущегося корабля, сигнал, по мысли физиков, должен бы продолжать свое движение к командиру корабля с новой «космической скоростью», при исчислении времени «космическими секундами», пусть уменьшенными в три раза. Если бы корабль имел протяженность 800 тысяч километров, то сигнал достиг бы носа корабля через 8 таких секунд. Двигаясь же со скоростью света, он бы преодолел это расстояние, равное 8/3 х с, за (2 +2/3) секунды. Можно ли в этом случает сократить время перемещения информационного сигнала к командиру корабля?

Да. Если в момент достижения этим сигналом кормы корабля в этом корабле сформируется новый, «свой» информационный сигнал внутри корабля, который будет перемещаться со скоростью света и даже внутри корабля. Он достигнет командира корабля уже через (2 +2/3) секунды, то есть на (5 +1/3) секунды раньше. Это возможно только при условии, что время оказывается не более чем фикция, а пространство и скорость света представляют собой не мнимую, а действительную реальность. Принятая в этом примере величина А — это расстояние, преодолеваемое светом за единицу времени, секунду, то есть скорость света. Она могла бы выражаться этими пространственными расстояниями, и мы могли бы переходить к единицам времени по завершении рассмотрения движения корабля и информационного сигнала. Это нами здесь и выполнено.