У принципі весь зміст СТО та її постулати пояснюються засобами класичної фізики або теоретичних основ електротехніки, але це неприємна, занудна праця. Починаючи її, я не знаю, наскільки вистачить мого терпіння.
Частину пояснень уже викладено, а далі - як вийде. Мені не подобається, що безліч розумних людей витрачають час і працю, щоб повалити СТО і знайти в ній недоліки. Вона незаперечна, і немає в ній недоліків. Є особливий спосіб мислення, з яким не всі згодні. Тому пропоную замість критики інше розуміння цієї теорії.
Парадигма класичної науки відрізняється від сучасної низкою принципових і приватних положень. Їй недостатньо, наприклад, того факту, що виміряна швидкість світла однакова в будь-якій рухомій системі координат. Їй потрібен причинно-наслідковий зв'язок між явищами природи, потрібно пояснити, чому так виходить, і узгодити цей факт, який видається алогічним, з логікою і здоровим глуздом. З цього і почнемо.
А для цього потрібно розглянути будову і властивості системи координат СТО і процес вимірювання. Система координат СТО - це репер із жорстких стрижнів - твердих тіл і годинника, що йде синхронно і розставлений уздовж осей. А властивості розмірів тіл колись викликали питання.
Подивіться в старі підручники. Питання про розміри тіл, Лоренц і Фіцджеральд. У п'яти підручниках, які я бачив, - п'ять "наукових" аргументів: скорочення довжини - це безглуздо, смішно, кумедно, наївно, це спроба врятувати теорію. І це виходить з Академії. Значить аргументів іншої якості академічна фізика не має. І не має моделі твердого тіла, яка пояснювала б властивості розмірів, а відтак і масштабів СО.
Однак там же пишуть, що Ейнштейн ввів нове поняття довжини - довжини в просторі-часі, в чотирьох координатах, яка на одну складову більша, ніж довжина в колишньому розумінні - тривимірна, яку мали на увазі Лоренц і Фіцджеральд.
Структура фізичного тіла - це просторова решітка з атомів, а його розміри - сума міжатомних відстаней, схованих у мікросвіті й не доступних для прямого вивчення. Але в техніці є можливість будувати аналогічні просторові решітки з макроскопічних елементів при макроскопічних відстанях, теж утворених за допомогою полів.
Вони не приховані в мікросвіті, їх і розглянемо. Нам тут зручніше і дешевше розглядати їх у віртуальному вигляді, виготовляти немає потреби. І вони послужать інструментом у наступних дослідженнях.
Уявіть собі, що є елементарні випромінювальні магнітні вібратори, синхронні між собою і синфазні, обтічні струмом НВЧ котушки-соленоїди однієї орієнтації, зібрані паралельно в пучок. Про джерела струму подумаємо потім, а поки будемо вважати, що він є, і на вібратори діють сили відштовхування, як на всякі електромагніти.
Пучок встановили торцем на слизьку або рідку поверхню і дозволили вібраторам розбігтися під дією сил відштовхування. На відстані в одну довжину хвилі сили відштовхування змінюються силами тяжіння, тому вібратори зупиняться на цій відстані один від одного, займуть стійкі положення, і будуть там утримуватися електромагнітними силами, як пружинками. Орієнтація вібраторів - уздовж силових ліній поля буде теж стійкою, тобто буде відновлюватися при відхиленнях.
Група вібраторів утворює пружну структуру, якоюсь мірою впорядковану. Кожен із них стоїть у стійкому положенні як у потенційній ямі.
Оскільки це відбувається само собою, таку структуру вже можна назвати системою, що самоорганізується, а процес її становлення - процесом самоорганізації. Самоорганізація буде повнішою, якщо струми для вібраторів генеруватимуть самі вібратори, доповнені для цього підсилювачами, конденсаторами та іншими радіодеталями до LC-генераторів коливань, і батарейками.
Якщо при цьому котушки трохи зблизити від стійких відстаней, наприклад, пропустивши по котушках ще й постійні струми, то з'являться умови для самосинхронізації, що можна буде назвати самоорганізацією за фазами коливань або в часі. Виходить система із самоорганізацією за всіма ступенями свободи в просторі та часі. Об'єкт унікальний. Коливання вібраторів і їхні випромінювання стають когерентними і зливаються в єдиний по всій групі процес.
Не обов'язково структура має бути плоскою, їй можна надавати будь-яких форм.
Система із соленоїдів - індуктивна, згідно з одним із правил Ленца, вона рухається в просторі й за фазами до максимальної індуктивності, і котушки встановлюються і фазуються так, щоб сумарні магнітні потоки всередині них були максимальними. Але при цьому струми, які наводяться в котушках полями сусідів, мають індуктивний характер і енергію не переносять.
Зближення котушок зменшує запізнювання полів і змінює фази наведених струмів, надаючи їм активних складових, які переносять деяку частку потужності, збільшуючи амплітуди коливань.
Але амплітуди в генераторах завжди чимось обмежені (інакше розвивалися б до нескінченності), зазвичай знижуються коефіцієнти посилення. І в цьому випадку знижуються настільки, що без припливу потужності через поля генерація була б неможлива. Генератор переходить у режим регенеративного посилення сигналу, що приймається, і тільки разом з іншими такими самими становить генеруючу систему. Система генерує один процес коливань, частини якого - коливання в котушках - природно синхронні.
Таким чином вийде пружна система з вібраторів, що випромінюють, стягнута статичними силами тяжіння.
Така пружна група реально зможе існувати самостійно за якихось умов певний час, до розряду батарейок, але аж надто малі в ній сили. Однак, перебільшивши ці сили і вважаючи її досить міцною, ми ще не зробимо її фантастикою. А міцність залежить від рівня технології та вміння. Вона тут не принципова.
Однак нас цікавить, чи залежать розміри тіл від швидкості і що відбувається з тілами, коли вони приводяться в рух. Однак під час спроби уявити групу в русі з'ясовується, що є проблема: на початку руху, під час прискорень елементи структури виводяться зі стійких положень - потенційних ям, а поля, що їх утворюють, рухаються від сусідів через відстань, тому запізнюються й утворюють ями там, звідки елементи вже пішли. Елементи опиняються на схилах ям, і виникають сили протидії руху структури, вона не може рухатися за інерцією. Для цього вона має якось змінитися.
У нашій конструкції такі зміни відбуваються через самосинхронізацію, оскільки сигналами синхронізації слугують ті самі запізнілі силові поля. Якщо пара вібраторів рухається один слідом за іншим, то поле від заднього до переднього рухається навздогін за ним, а поле переднього до заднього - назустріч, тому запізнюється менше. Слідом за полями змінюються фази коливань. Те ж саме відбувається за будь-якого числа вібраторів.
Передні вібратори випромінюють із запізненням за фазою, задні - з випередженням, і тоді поля приходять до елементів своєчасно й утворюють ями точно там, де проходять елементи. У результаті кожен передній у русі вібратор відстає у своїх коливаннях за фазою або в часі на часовий інтервал dt= lv/c2. Як на цьому малюнку. І вона рухається за інерцією зі стійкою швидкістю, яка визначається величиною dt.
У нашій технічній решітці можна, в принципі, організувати будь-які тимчасові інтервали, і коли ями створюватимуться осторонь від елементів, виникнуть сили, які рухатимуть їх у ями, доки решітка не почне рухатися зі швидкістю, що відповідає інтервалу. Тоді й вібратори опиняться в ямах. Звичайно, є спокуса зробити те ж саме в природних тілах і отримати рушій, але це неможливо.
Синхронний коливально-хвильовий процес займає весь об'єм конструкції і може розглядатися як такий, що йде в деякому місцевому часі, про який колись писав Лоренц. А ми можемо до кожного вібратора нібито під'єднати лічильники числа і часток коливань із виведенням результатів на годинникові табло й отримати звичний електронний годинник, що показує цей місцевий час. І зауважимо, що цей процес необхідний для цілісності системи, тобто є невід'ємною її складовою, що робить конструкцію об'єктом просторово-часовим, чотиривимірним. Побудувати ж пружну конструкцію суто тривимірну неможливо.
Під час руху скорочуються відстані між вібраторами, тому що поля рухаються відносно вібраторів зі швидкостями в один бік c + v, в інший c - v, через що довжини хвиль скорочуються як 1 - v2/c2 Так само скорочувалися б відстані та розміри решітки, але треба врахувати ще "уповільнення часу" за Лоренцом, тобто в цьому разі зменшення частот коливань пропорційно (1 - v2/c2)1/2 і збільшення довжин хвиль. У результаті розміри в напрямку руху скорочуються лише як (1 - v2/c2)1/2.
Тепер те, що ми тут побудували "на пальцях", точно описується формулами перетворень Лоренца: скорочення довжини, перебудова системи годинників і їхнє уповільнення. Можемо тепер сказати, що формули Лоренца є математичним описом раорганізації систем, що самоорганізуються, рухом.
Уповільнення коливань LC-коливального контурів і генераторів також можна пояснити. Нехай є коливальний LC-контур у розімкнутому вигляді. Якщо зарядити конденсатор і замкнути контур, то почнуться коливання, і через чверть періоду конденсатор розрядиться до нуля, а по котушці буде текти максимальний струм.
Але якщо попередньо розкрутити котушку навколо конденсатора, з'єднавши їх довгими дротами, і потім замкнути контур, то тієї самої потужності заряду не вистачить для того, щоб струм у котушці досяг колишнього максимуму. Тепер максимальний струм котушки буде меншим, оскільки до її магнітного поля додадуться вторинні поля, які теж відберуть частину енергії конденсатора. За меншого струму розряд буде тривалішим, як і весь період коливань. Аналогічне сповільнення коливань буде і в разі, якщо рухати конденсатор, а при спільному їхньому русі сповільнення визначатиметься формулами Лоренца.
Дослідивши решітку з вібраторів, побудуємо з них систему стрижнів і годинників - аналог системи координат СТО. І розглянемо її спільно з самою цією системою ніби в космічному просторі з погляду космонавта, що літає там. Якщо системи рівні за масштабами і показаннями годинників за однієї його швидкості, то вони залишаться рівними у відносному русі і за всіх швидкостей щодо космонавта. Тобто масштаби і перебіг часу в обох системах однакові й однаково залежать від швидкості, одна здатна замінювати іншу.
Самосинхронізація вібраторів і під'єднаних до них годинників відбувається природно, і результат точно збігається із синхронізацією годинників системи відліку СТО. Доводити це не буду. З точки зору спостерігача, що рухається разом із цим годинником, усі годинники показують однаково.
А з точки зору умовно нерухомого спостерігача ланцюжок годинників рухомої СО має вигляд, як на малюнку, кожний передній годинник відстає в часі (за своїми показаннями) від наступного за ним на відстані l на інтервал часу l*v/c2. І неважко збагнути, чому швидкість світла, виміряна за годинником будь-якої рухомої СО, дорівнює швидкості світла щодо умовно нерухомої, незалежно від швидкості СО.
Імпульс світла, рухаючись навздогін за рухомою лінійкою годинника, має відносно неї швидкість c-v, і проходить відстань l*(1 - v2/c2)1/2 за час l*(1 - v2/c2)1/2/(c-v), а по сповільненому в (1 - v2/c2)-1/2 разів рухомому годиннику за час l*(1 - v2/c2)/(c-v), що дорівнює l/c + l*v/c2. А передній у лінійці годинник відстає від заднього якраз на час l*v/c2, і за показаннями цієї пари годинників імпульс проходить шлях за час l/c, тобто зі швидкістю світла "с", незалежно від швидкості ІСВ, якій належить така лінійка годинників.
Так і виходить, що швидкість світла, виміряна в будь-якій рухомій ІСЗ, є однією і тією ж константою. Такі властивості самої системи координат.
Розглянемо тепер як виходить сталість розмірів тіл у просторі-часі. Довжина відрізка l у розумінні Лоренца (тривимірна) скорочується під час руху і дорівнює l*(1 - v2/c2)1/2. Але в СТО до неї додається четверта ортогональна компонента - інтервал часу між показаннями годинника на кінцях цього відрізка, помножений на швидкість світла, тобто c*l*v/c2.
І квадрат сумарної довжини чотиривимірного відрізка стає рівним сумі квадратів: l2*(1 - v2/c2) + l2 *(v/c)2 = l2, тобто довжина відрізка в просторі-часі не залежить від його швидкості. У міру скорочення тривимірної довжини збільшується часовий інтервал, і довжина чотиривимірна залишається постійною.
У техніці систем управління існує поняття "неповно спостережувані системи", існують параметри, які не можна спостерігати, як ми не спостерігаємо абсолютні швидкість і час. Можливо, такі існують, але ми не маємо потрібних засобів спостереження, і змушені обмежуватися спостереженням лише відносних величин. Причому можна поставити задачу, де абсолютні величини задані за умовою, але і там проблематично відокремити абсолютне від відносного.
Ось уявіть собі, що ми відшукали абсолютну систему координат, зайняли в ній своє місце і тепер порівнюємо хід свого годинника з годинником рухомої ІСЗ. Очікуємо, що наш годинник не сповільнений рухом і тому більш швидкий. Прямо перед нами пробігає вісь координат із годинником, показання якого - як на тому ж малюнку: кожен передній у русі годинник відстає від наступного за ним на інтервал l*v/c 2.
Ми бачимо перед собою годинник, який змінюється як кадри кіно, і кожен наступний кадр показує час, на dt більший, бо в цьому "кіно" перебіг годинника, фактично уповільненого як (1 - v2/c2)1/2, прискорено в 1/(1 - v2/c2) разів, і спостерігається як прискорений в 1/(1 - v2/c2)1/2 разів.
Ми не знаємо: чи то це "кіно", чи то чужий годинник дійсно йде швидше. І в такому самому становищі опиняється спостерігач, що рухається, який бачить, що наш годинник іде швидше, але не впевнений, що це не "кіно" з уповільненого годинника. Порівняння перебігу часу не дає змоги виокремити АЧТ, навіть якщо вона є, ні за такого, ні за інших способів порівняння. Спостерігаються тільки відносні величини часу і швидкості.
Не більш інформативним виявляється і порівняння довжин, наприклад, відрізків осей координат з їхнім годинником. Нехай такий відрізок пробігають уздовж такого самого нерухомого відрізка і вони відмічають на чужих осях свої розміри, довжини l, періодично ставлячи за своїм годинником одночасно мітки свого початку і кінця. Тоді нерухома ставить свої мітки на пробігаючому відрізку, скороченому рухом, і після його зупинки зазначений розмір виявиться більшим за l в 1/(1 - v2/c2)1/2 разів.
Відрізок, що рухається, ставить за своїм годинником спочатку мітку заднього кінця, потім через інтервал часу dt за своїм сповільненим годинником мітку переднього, пробігаючи за цей час відстань v*dt, що дорівнює v*lv/c2(1 - v2/c2)1/2.
Відстань між мітками стає рівною l(1 - v2/c2)1/2 + lv2/c2(1 - v2/c2)1/2 = {l*(1 - v2/c2)1/2 *(1 - v2/c2)1/2 + lv2/c2 } /(1 - v2/c2)1/2 = l/(1 - v2/c2)1/2, тобто теж більшою в стільки ж разів. І знову спостерігаються тільки відносні розміри у відносному русі. Результати вимірювань не дають нам відомостей про те, який же з відрізків нерухомий і яка абсолютна швидкість.
Усі ці міркування можна повторити для випадку, коли макроскопічна решітка рухається в електромагнітному середовищі, і швидкість е. м. хвиль у цьому середовищі набагато нижча за швидкість світла в порожнечі, якщо, звісно, ігнорувати тертя об середовище. Адже рівняння Максвелла для середовища відрізняються тільки коефіцієнтами, як і формули Лоренца, а описувані ними процеси - тільки швидкістю. Тому релятивістські явища в середовищі теж мають місце.
