В основе специальной теории относительности лежат два постулата, принятых Эйншейном за аксиомы, не требующие доказательств. На основе двух этих постулатов строится вся нестройная теория специальной относительности.

В первую очередь в СТО, как и в классической механике, предполагается, что пространство и время однородны, а пространство также изотропно. Если быть более точным (современный подход), инерциальные системы отсчёта собственно и определяются как такие системы отсчёта, в которых пространство однородно и изотропно, а время однородно. По сути существование таких систем отсчёта постулируется. Но при этом на этом строится та теория, что есть неоднородность времени в неинерциальных системах отсчета.

Постулат 2 (принцип постоянства скорости света) выглядит логичным и основанным на физических законах. Скорость света в вакууме одинакова во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга.

Постулат 1 (принцип относительности Эйнштейна). Законы природы одинаковы во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга. Это означает, что форма зависимости физических законов от пространственно-временных координат должна быть одинаковой во всех ИСО, то есть законы инвариантны относительно переходов между ИСО. Принцип относительности устанавливает равноправие всех ИСО.

Учитывая второй закон Ньютона (или уравнения Эйлера-Лагранжа в лагранжевой механике), можно утверждать, что если скорость некоторого тела в данной ИСО постоянна (ускорение равно нулю), то она должна быть постоянна и во всех остальных ИСО. Иногда это и принимают за определение инерциальных систем отсчёта.

Формально, принцип относительности Эйнштейна распространяет классический принцип относительности (Галилея) с механических на все физические явления. Однако, если учесть, что во времена Галилея физика заключалась собственно в механике, то и классический принцип тоже можно было считать распространяющимся на все физические явления.

При этом Эйнштейн оставляет только 2й и 3й закон, отбрасывая первый как несущественный. Учитывая все это, мы должны иметь однородные (физические уравнения выглядят одинаково для всех ИСО) физические законы Галилея, распространенные на все физические явления. Но рассматривая все физические явления Эйнштейн не стал рассматривать корпускулярно-волновую природу света (когда состояние зависит от наблюдателя, свет это волна, но при конкретном наблюдении мы видим частицы - корпускулы). В этом случае мы должны добавить в законы третью силу, которая будет зависеть от текущих наблюдателей.

Ну не может серьезный человек так форсить свою СТО и язык еще на фотках показывать!

Как Эйнштейну присуждали нобелевскую премию

О жизни Эйнштейна и научных достижениях на разных языках написано в тысячи раз больше, чем написал он сам. О жизни великого ученого можно рассказывать и рассказывать. Наш рассказ - о присуждении ему Нобелевской премии.

Многие думают, что ученый получил почетную награду за разработанную им теорию относительности. Это неверно. В 1905 году он опубликовал не только знаменитую специальную теорию относительности, которой в текущем году исполняется ровно 100 лет, но еще две важнейшие работы: теорию фотоэлектронного эффекта и теорию «Броуновского движения». В 1908 году Эйнштейн впервые номинировался на Нобелевскую премию именно за получившую мировую известность специальную теорию относительности. В связи с тем, что в 1987 году были рассекречены материалы, связанные с подготовкой решений о присуждении Нобелевских премий с 1901 по 1937 годы (по решению Нобелевского комитета рассекречивание происходит только через 50 лет!), мы сегодня знаем, что происходило тогда в Стокгольме.

Большинство экспертов Нобелевского комитета по физике дали работе Эйнштейна положительные отзывы. Но несколько сомневающихся всё же были. И комиссия по присуждению Нобелевских премий не захотела рисковать. В 1915 году Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности, и его снова номинировали на эту премию. За присуждение премии Эйнштейну было подано 64 предложения. Практически все эксперты в этот раз высказались «за». Но член Нобелевского комитета Аллвар Гуллштранд (Нобелевская премия по медицине за 1911 год) заподозрил нечто невероятное. Его, как специалиста по лечению глазных болезней, очень интересовала теория световых лучей Эйнштейна, однако он никак не мог понять, почему эти лучи при встрече со звездами большой массы должны их огибать и отклоняться от своего пути. Как честный человек он опубликовал свои возражения. И кандидатуру Эйнштейна вновь отклонили.

Мнение Аллвара Гуллштранда не изменилось и в 1920 году, когда Нобелевский комитет вновь рассматривал кандидатуру Эйнштейна. Но тут вмешался молодой профессор теоретической физики Андерс Барани, секретарь Нобелевского комитета по физике, который предложил вместо теории относительности рассматривать теорию фотоэлектрического эффекта. Аллвару Гуллштранду ничего не оставалось, как согласиться. Нобелевские премии за 1921 год были обнародованы 9 ноября 1921 года, а вручались месяцем позже, в день смерти Нобеля. Эйнштейн тогда не смог присутствовать на вручении премии. Тогдашний председатель Нобелевского комитета, знаменитый Свен Аррениус, в своей речи сказал, что все дискуссии были сконцентрированы на теории относительности. В ответ на это Эйнштейн свой традиционный нобелевский доклад лукаво назвал «Фундаментальные идеи и проблемы теории относительности», лишь упомянув в нем о теории фотоэлектрического эффекта.

Ученые из Флориды разработали технику, при которой групповая скорость светового импульса в 30 раз превышает скорость света, а также может двигаться в обратную сторону. При этом техника не подразумевает использования дополнительных материалов.

Исследователи из Университета Центральной Флориды разработали способ контроля за скоростью света. Они утверждают, что могут не только ускорить и замедлить световой импульс, но и заставить его двигаться в обратную сторону. Результаты исследований были опубликованы в журнале Nature Communicationsв конце февраля, но привлекла внимание СМИ только сейчас.

Эта работа представляет собой важный шаг в исследованиях, которые однажды могут привести к разработке более эффективной оптической коммуникации, а также к технике, которую можно применить в облегчении скопления данных и предотвращении потери информации. При возрастающем количестве устройств, подключающихся к информационным сетям, и повышенных скоростях такой тип контроля станет необходимым.

Предыдущие попытки контролировать скорость света включали в себя пропускание света через различные материалы. Однако новая техника стала первой, при помощи которой скорость света можно регулировать в открытом пространстве без помощи дополнительных материалов для его ускорения или замедления.

Пространственно-временная спектральная инженерия для произвольного управления групповой скоростью / © H. Esat Kondakci/Ayman F. Abouraddy

«Это первая ясная демонстрация контроля импульса света в свободном пространстве, — говорит соавтор исследования Айма Абурадди. — Она открывает двери многим применениям, оптический буфер — лишь одно из них, но, самое главное, делается это простым способом, который можно повторить и который надежен».

Абурадди и его соавтор Эсат Кондакчи продемонстрировали, что могут ускорить световой импульс в 30 раз быстрее скорости света, замедлить его до половины скорости света, а также заставить импульс двигаться в обратную сторону.

Важно отметить, что речь идет о групповой скорости, и результаты исследований Абурадди никак не противоречат принципам Специальной теории относительности. Как пишут в своей работе исследователи, для контроля групповой скорости оптического импульса обычно требуется прохождение через материал или структуру с дисперсией, проработанной особым образом. В то же время, в свободном пространстве групповую скорость можно изменять путем пространственного структурирования профиля пучка. В средах с аномальной дисперсией групповая скорость может превышать световую, равно как и быть меньше нее и даже быть отрицательной.

Исследователи смогли разработать свою технику при помощи специального устройства, известного как пространственный световой модулятор для смешения пространственно-временных свойств света, что позволило им контролировать скорость светового импульса. Взаимодействие этих двух свойств стало ключом к успеху этой техники.

«Мы смогли контролировать скорость импульса, реорганизовав энергию его самого таким образом, чтобы его пространственные и временные степени свободы смешались друг с другом, — объясняет Абурадди. — Мы очень довольны результатами и надеемся, что это только отправная точка для будущих исследований».

Источник

Принципы относительности имеют множество оттенков: от банального местоположения наблюдателя – ты находишься справа от меня, тогда как я слева от тебя – и до специальной и общей теорий относительности, предложенных Альбертом Эйнштейном. С уважением относясь как к самой науке, так и к ее величайшим исследователям, тем не менее, должен заметить, что эта гипотеза, возведенная сегодня в ранг теории, есть математическая пустышка.

Конечно, глупо спорить с математическими формулировками, заложенными в основу теории. Никто не сомневается в правильности их доказательств, но…. Эти формулировки лишь доказывают возможность построения той или иной физической конструкции, модель которой описана соответствующей математикой, тогда как вероятность их появления в природе фактически равна нулю.

Может ли искривляться пространство или замедляться время? ОТО отвечает утвердительно на первую часть вопроса, а СТО – на вторую. Ребята, но вы хотя бы дайте определения: что такое «пространство» и что такое «время», прежде чем искривлять непонятно что. Эйнштейн, в этом плане поступил хитро: он не стал давать/менять определения, но ввел новую сущность «пространство-время» (пространственно-временной континуум) единый и неразрывный, который можно и гнуть, и замедлять….

Для того чтобы понять всю тонкость и изощренность момента вспомним определения пространства и времени, полученные еще во времена древнегреческих философов, но наиболее четко выраженные с появлением физики Ньютона: берем объект – яблоко – и производим действо – роняем его на голову. В итоге получаем закон всемирного тяготения. Отсюда и определение пространства – как место, где находятся вселенские объекты, с каковыми случаются различные действа, а время – это то, что определяет последовательность этих самых действ.

Определения, конечно же, утрированны, но лишь самую малость, полностью сохраняя суть сказанного, глядя на которую вполне осознаешь, что этим определениям грош цена. Во-первых, мы не можем опереться на понятие «место», поскольку это производная от самого «пространство». А, во-вторых, мы не можем также опираться на понятие «объект». Это Ньютон мог вырастить яблоко, настрогать шариков, построить телегу…. А во Вселенной-то откуда всё это берется?! Иными словами, без пояснения того, откуда берутся используемые в определении объекты, мы не можем получить и сути пространства! И для того чтобы устранить все эти явные несуразности, нам придется отказаться от философии ньютоновской механики, введя дополнительные сущности, первой из которых будет обычный «процесс».

Сразу оговорюсь, что речь идет именно о природных процессах, каковые мы наблюдаем на матушке Земле и в ее окрестностях, и аналоги которых проистекают на всех планетах, галактиках, как и во всей Вселенной. Именно в результате этих процессов появляются новые и исчезают старые объекты, происходят все те изменения, за которыми мы можем наблюдать, и даже те, за которыми мы наблюдать не в состоянии.

Процесс – это набор циклических изменений природных состояний, проистекающих от фазы зарождения новых объектов к фазе их развития, и завершающийся гибелью объектов, на этапе которой завершается и действие рассматриваемого процесса.

Следующая дополнительная сущность – система.

Совокупность природных процессов, проистекающих на едином ограниченном поле, взаимозависимых друг от друга и взаимодействующих друг с другом, образуют систему природных процессов. И вот это поле взаимодействий процессов – единое и ограниченное – и следует называть пространством, поскольку для внутреннего наблюдателя данной системы ничего иного более не существует.

Для лучшего понимания рассмотрим примеры природных процессов, а также образованные ими системы:

Пример 1. Природный процесс – дождь. Каждый наблюдал данное природное явление, и его восприятие не должно вызывать каких-либо недоумений. Можно лишь добавить, что данный процесс находится в составе природной системы, называемый в науке круговорот воды в природе.

Пример 2. Кровообращение того или иного организма (пусть будет человеческого организма). И вновь мы наблюдаем циклический процесс, входящий в состав внутренней системы жизнедеятельности человека, пространство которого ограничено кожным покровом данного конкретного человека.

Пример 3. Процесс вращения Земли вокруг Солнца. И здесь, думается, также всё понятно – циклический процесс, входящий в состав системы, которую мы называем Солнечная система, со всеми ее взаимодействиями или, по крайней мере, взаимовлиянием.

Указанные примеры позволяют нам вывести первый принцип относительности пространства и времени.

Понятия времени и пространства строго индивидуальны для каждой природной системы. Пространство определяется полем, на котором проистекают все взаимосвязанные процессы с участвующими в них объектами (во многих случаях это поле имеет ограничивающую оболочку, как, например, кожный покров человека). Время – это параметр системы, определяющий период/скорость жизнедеятельности системы.

Рассмотрим еще один пример природной системы, а именно одной из клеток (пусть будет) человеческого организма. В том, что это именно система, нет никаких сомнений. Те же (пусть и упрощенные) процессы жизнедеятельности, та же оболочка, ограничивающая ее пространство, то же время, определяющее период жизнедеятельности данной клетки. Т.е. после гибели клетки все ее процессы жизнедеятельности завершатся, а внутренние объекты сгниют, исчезнут, растворятся во внешней среде. Но как же быть в этом случае с каким-нибудь клеточным паразитом, который после гибели нашей клетки может перебраться в другую клетку/систему? Нет ли здесь нарушений предложенной логики?

Конечно же, никаких нарушений нет. Просто в случае с паразитом мы должны были правильно определить систему. Наша клетка не является полной системой жизнедеятельности паразита. Клетка – это его, так сказать, дом/квартира, который приходится иногда покидать. Системой же для паразита будет являться весь организм, а возможно, и внешняя среда, из которой он в этот организм попал.

Еще раз подчеркну, что выбирая параметры пространства и времени всегда важно правильно определить саму систему. В противном случае смысловая логика перестанет работать, а использование математического аппарата приведет к серьезным ошибкам.

Перейдем к выводу следующего принципа относительности – бесконечность Вселенной.

Итак, мы приняли за истину то, что каждая клеточка любого организма является природной системой. Но и сам организм также является системой! Мириады клеточек, взаимосвязываясь друг с другом, в итоге образуют организм, функциональность и самостоятельная жизнедеятельность которого, уже не имеет ничего общего с жизнедеятельностью каждой отдельной его клетки. Если же вновь перевести фокусировку, то мы увидим, что мириады организмов животного и растительного мира также образуют системы фауны и флоры, а применительно к совокупности человеческих организмов – общественную систему!

Отстранимся на время от человека – как уникальной во Вселенной сущности (обратное не доказано) – и это позволит нам продолжить предложенную логику. Т.е. наши флора и фауна составляют лишь малую толику от внутренних процессов следующей по величине системы, каковую мы называем планета Земля. Та, в свою очередь, вместе с Солнцем и другими планетами образует Солнечную систему, каковая вновь входит в состав еще большей системы – галактики Млечный путь. Совокупность окружающих нас галактик позволяет говорить о новой системе – физической вселенной, за пределами которой (около 40 млрд. световых лет) астрофизики наблюдают яркий свет/огонь. Иными словами наша физическая вселенная имеет ярко выраженные границы.

И наличие этих границ позволяет нам предположить и следующий уровень уже метафизической Вселенной, объединяющей множество физических вселенных в единую организацию или систему. По крайней мере, нет ни единого указующего перста, что наша логика должна прерваться на этом этапе.

Но хорошо, допустим, что метафизическая Вселенная на самом деле существует. А далее? И далее! В этом-то и заключен принцип бесконечности Вселенной! У нашей вселенской «матрешки» нет последней, вернее, где-то там, за пределами нашего понимания идет «строительство» очередного уровня системы, возведя который Природа примется за следующий. Наша Вселенная – это единый живой организм, постоянно развивающийся и растущий, и все мы и всё, нас окружающее, – это крохотные клеточки этого организма.

Сказанное не отражает полную суть принципа бесконечности. Дело в том, что в отличие от однонаправленности времени, пространственная сущность не имеет векторных указателей. И если предложенная логика позволяет нам принять принцип бесконечности в сторону увеличения систем, то точно таким же образом мы должны принять и малую бесконечность! Т.е. каждая клеточка нашего организма является некой физической вселенной для ее внутренних обитателей, каковые также состоят из еще меньших по размерам клеточек. Иными словами, в нашей «матрешке» нет самой малой! И раскрыв очередную, мы всегда будем натыкаться на следующую, и следующую, и следующую. А потому нет ни малейшего смысла ловить бозоны и прочую микроскопическую пыль, когда перед нами лежат пласты неисследованной реальности, организованные в строгие системы жизнедеятельности, непонимание сути которых, превращает адронные коллайдеры в дорогостоящие игрушки для высоколобых ученых детишек.

Итак, принцип бесконечности Вселенной гласит об уровневой организации природных систем, этажи которой уходят в неоглядную даль как в сторону большой, так и малой бесконечности. У нашего здания нет первого и последнего этажа, поднявшись или опустившись на которые, мы всегда обнаружим новые горизонты для исследований.

Но вернемся к человеку, уникальность которого несколько нарушает строгую логику предыдущих утверждений. Т.е. с малой бесконечностью – здесь проблем нет – такие же клеточки в организме, каковые должны состоять из природных систем меньшего размера. В этом плане всё соответствует. Но, вот, с большой бесконечностью наша уникальность создает проблемы. Т.е мы имеем логику – от клеточек к организму и затем – к обществу. А что далее? Что дает нам в дальнейшем (и дает ли) общественная система?

Здесь можно предположить три относительно равноценных варианта развития событий, каждый из которых имеет свои плюсы и минусы.

1. Самый простой – человек не выделяется из структурной организации Земли, и вместе с остальной флорой/фауной входит в эту систему. Плюсы подобного варианта – исчезают нарушения в логике и собственно простота решения. Минусы – мы не видим/не слышим человеков в ближайшем звездном окружении, хотя они там также должны были бы быть. Или другими словами – наша уникальность создает предпосылки для сомнений в этом варианте.

2. Из мира фантастики – общественные структуры начнут копироваться и распространяться по планетам и звездным системам, что позволит в итоге создать из общественных организаций новую единую систему. Здесь имеем излишне прямолинейную логику, и опять же, необходимость существования «сторонних» общественных структур, каковые могли бы привнести нечто новое в процессы развития.

3. Можно предположить, что объединение малых природных систем в единую большую, не всегда линейно. В отдельных случаях будет происходить что-то, похожее на энергетическое преобразование. Т.е. общественная организация человека создаст нечто новое, допустим, некую систему виртуальной реальности, каковая начнет развиваться самостоятельно, полностью соответствуя ранее предложенной логике.

Третий вариант мы достаточно часто наблюдаем в Природе. Так, например, дождь из круговорота воды в природе, порождает и развивает органическую жизнь. Но насколько это может соотноситься с человеком и обществом – судить очень сложно – и плюсом данного варианта является лишь учтенная уникальность человека, хотя, на мой взгляд, именно этот вариант является предпочтительным.

Добавлю несколько слов, касающихся относительности времени. Самое, наверное, важное то, что время или скорость процессов развития той или иной природной системы всегда соответствует ее размерам (скорее, уровню вложенности). Так, если взять человеческий организм, то период его развития равен нескольким десятков лет, тогда как на развитие каждой его клеточки требуется несколько дней или даже часов. С другой же стороны, период развития, скажем, Солнечной системы составляет уже миллиарды лет. Но, по большому счету, всё это сопоставимые системы, отличие которых лишь в размере и в скорости развития. Иными словами, если клетку нашего организма мысленно увеличить до размера планет, то с большой долей вероятности мы увидим однотипные структуры, а наши несколько часов для развития клетки растянутся в миллиарды лет.

В чем тут сложность восприятия? Дело в том, что мы привыкли мерить время по будильнику или периоду обращения Земли вокруг собственной оси. Но время на часах – это условные математические единицы. Каждая система имеет свой уникальный будильник, стрелки на котором перемещаются в строгом соответствии со скоростью ее внутренних процессов. И движение этих стрелок всегда отличается от наших часов, а для разноуровневых систем это отличие достигает многих порядков. Почему, скажем, мы не можем увидеть электрон? Да, потому что скорость его вращения вокруг атома настолько велика, что, применяя самое современное оборудование, мы видим лишь размытое электронное облако. При этом скорость его вращения – это основной атрибут, определяющий период жизнедеятельности. Как долго будет вращаться, скажем, вентилятор, если его крутить со скоростью 100 оборотов в минуту? А если увеличить эту скорость на пару порядков?! Ответ достаточно прост: грубо говоря, и тот и другой вентилятор проживут разные периоды [по нашим часам] времени, но совершат при этом одинаковое количество оборотов. Так вот, принцип относительности времени состоит в том, что время жизни наших вентиляторов строго одинаково, а стрелки часов их жизнедеятельности необходимо настроить таким образом, чтобы их движение соответствовало бы скорости вращения их лопастей.

Для чего нужны подобные сложности? Дело в том, что время на наших часах позволяет нам лишь соотносить/сопоставлять скорости различных процессов. Тогда как для понимания самого процесса нужны именно его часы, а не наши – универсальные. Иными словами, каждый изучаемый природный процесс требует четкого понимания его основных пространственно-временных параметров. Наши же линейки и часы здесь совершенно непригодны.

***

Надеюсь, теперь вы поняли всю тонкость предложенного А.Эйнштейном единого «пространства-времени». С одной стороны, гениальность ученого предвосхитило использование процессной терминологии, значимость которой многие ученые и сегодня не до конца осознают. Но, с другой, его уход в математические дебри превратили созданные им теории относительности в «сферического коня в пространственно-временном континууме».

Давайте попробуем разобраться.

1. Можно ли путешествовать в космосе выходя за пределы «скоростного режима» света?

Ответ однозначен – нет, это невозможно. Согласно теории относительности Эйнштейна, ничто не может двигаться быстрее скорости света. Вот только есть одна оговорка – ничто, что могло бы оказать влияние на причинно-следственную связь.

2. То есть всё-таки что-то может двигаться быстрее скорости света?

Учёные предполагают существование тахионов – частиц со скоростью движения выше скорости света. Первое отличие от обычных частиц вроде протонов или электронов: они имеют мнимую, а не действительную массу. А вот их энергия и импульс должны быть действительными. И чем ближе скорость частицы к скорости света, тем больше ее энергия.

Как обычные частицы не могут разогнаться выше скорости света, так тахионы не могут замедлиться ниже её.

При приближении к скорости света энергия тахиона стремится к бесконечности.
Под тахионами подразумеваются объекты не нарушающие принципы относительности.

Вот только тахион – гипотетическая частица. Не факт, что вообще она существует. Да и увидеть тахион невозможно, потому что он быстрее скорости света. При наблюдении в момент, когда тахион подойдёт максимально близко к точке наблюдателя, наблюдатель увидит появляющийся объект, который разделится на две части. Части продолжат движения в противоположных направлениях.

3. Причём здесь квантовая запутанность?

Эйнштейн назвал квантовую запутанность «жутким действием на расстоянии». И она также может превысить скорость света.
Мир атомов и частиц довольно удивителен. Квантовая запутанность ещё одно тому подтверждение. Когда частицы «запутываются», они обмениваются свойствами, которые делают их зависимыми друг от друга. И неважно как далеко друг от друга они находятся. Можно «спутать» два фотона и разнести их по разным уголкам вселенной. При воздействии на один фотон второй тут же откликнется. В недавнем прошлом учёные научились запутывать целые облака частиц.
4. Есть ли этому применение?

Информацию квантовой запутанностью передать не получится, и вот почему. Принцип неопределённости Гейзенберга не даёт узнать одновременно импульс и положение в пространстве частицы

До того, как вы измерите состояние первой частицы, вторая не будет содержать никакой информации. Но если вы измерите состояние первой частицы и выясните, что оно равно 1 – это означать, что состояние второй частицы равно 0. Но только с этого момента запутанность разрушается.

Таким образом, чтобы передавать информацию, нужен стандартный канал связи – а это уже будет означать, что скорость света не превысится. Никакой мгновенный ответ не будет получен.

Квантовую запутанность можно превосходно использовать для вычислительных задач – можно запутать те же квантовые облака и на их основе реализовывать квантовые вычисления.

5. Почему же так много интереса к квантовой информации?

В чем смысл многочисленных опытов по демонстрации корреляций между частицами на больших расстояниях? Кроме подтверждения квантовой механики, в которой давно уже ни один нормальный физик не сомневается, это эффектная демонстрация, производящая впечатление на публику и дилетантов-чиновников, выделяющих средства на науку (например, разработку квантовых линий связи). Для физиков это даёт дополнительные средства для улучшения техники эксперимента.

Возможно, механизм квантовой запутанности нам будет когда-то известен. Но пошатнуть принципы теории относительности пока не видится возможным. Поэтому скорость света в этом смысле непреодолима.