СТАТЬИ И ПУБЛИКАЦИИ

Вход или Регистрация

ПОМОЩЬ В ПАТЕНТОВАНИИ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ФОРУМ Научно-техническая библиотекаНаучно-техническая библиотека SciTecLibrary
 
Cтатьи и Публикации    Теоретическая физика СКОРОСТЬ СВЕТА

СКОРОСТЬ СВЕТА

© Климец Александр Павлович

E-mail: aklimets@mail.ru

Скорость света в вакууме занимает особое место в природе, потому что - по современным воззрениям - она является наибольшей возможной скоростью передачи взаимодействия между телами.

Ниоткуда не вытекает заранее, что в природе существует верхний предел для скорости передачи сигналов. Однако и теория и опыт как будто показывают, что все известные взаимодействия распространяются с конечной скоростью, а наибольшей скоростью передачи сигнала является скорость света в вакууме. Классическая же теория Ньютона молчаливо предполагала, что сигнал может распространяться бесконечно быстро.

Если принять, что в природе существует предельная скорость распространения сигналов, то ее абсолютная величина должна быть одна и та же во всех инерциальных системах отсчета. Ведь все эти системы, согласно принципу относительности, равноправны и нельзя указать физический опыт, в результате которого можно было бы обнаружить различие между ними.

Если бы предельная скорость распространения взаимодействий была разной в разных инерциальных системах отсчета, стало бы возможным отличить одну инерциальную систему от другой. Если считать принцип относительности универсальным, это невозможно. Отсюда сразу же следует, что скорость света в вакууме должна быть одной и той же в любой инерциальной системе отсчета.

А если источник движется к наблюдателю или наблюдатель движется к источнику? Такое движение не может изменить величины предельной скорости передачи сигнала. Следовательно, скорость света в вакууме не может зависеть ни от движения источника, ни от движения наблюдателя.

Очевидно, что скорость света в вакууме, тем самым, наделяется уникальными свойствами. Все скорости являются относительными, т.е. меняются при переходе от одной инерциальной системы к другой. А абсолютная величина скорости с остается всегда одной и той же. Хотя среди инерциальных систем отсчета нет привилегированной, в них имеется одна привилегированная скорость. Оба эти обстоятельства неразрывно связаны с тем, что электромагнитные волны могут распространяться в вакууме; иными словами, для их распространения не требуется никакой материальной среды [1].

С формальной точки зрения в СТО дело обстоит так, как будто при изменении относительной скорости тела v возникает некая скорость с' (в неявном виде). Например, напишем формулы преобразований пространственных и временных интервалов

l' = l 0 ( 1 - v 2 / c 2 )1 / 2 ;………………D t' = D t0 / (1 - v 2 / c 2 ) 1 / 2

Их можно переписать в следующем виде

l' = l 0 (c 2 - v 2 )1 / 2 / c ;………………..D t' = D t0 c / (c 2 - v 2 ) 1 / 2

Величину (c 2 - v 2 )1 / 2 можно положить равной скорости с' . Отсюда получим формально

c 2 =( с')2 + v 2………………(1)

Уравнение (1) есть уравнение окружности в координатных осях v и с', где радиус равен скорости света с (рис.1).

Если скорость v является пространственной скоростью какого-то материального процесса, то скорость с' является временной скоростью того же материального процесса. Из рис.1 видно, что если тело находится в относительном покое к пространственным осям какой-то инерциальной системы координат, то относительно временной оси оно "движется" со скоростью света, т.е. все равно находится в движении, но в движении по оси времени.

Интересно отметить, что в релятивистской квантовой механике скорость с' присутствует в явном виде через операторы скоростей (т.е. через матрицы Дирака). Это легко показать. Энергия и импульс частицы выражаются через соотношение

E 2 = E 2o + P 2x c 2 + P 2y c 2 + P 2z c 2

Его можно, разделив на E, преобразовать к следующему виду

E = ( с' / c ) E o + ( vx / c ) P x c + ( vy / c ) P y c + ( vz / c ) P z c

Видно, что скорость с' входит в это соотношение симметрично вместе со скоростью v .

В квантовой механике для частиц со спином 1/2 имеем уравнение Дирака

ih ( y / t ) = ( go E o + g1 P x c + g2 P y c + g3 P z c ) y

где gi - матрицы Дирака ( i = 0,1,2,3 ).

Из принципа соответствия между двумя последними уравнениями имеем gi ® vi / c и, таким образом, оператор скорости с' равен go c .

Отметим также следующее обстоятельство. Формальной единой основой для инвариантного интервала и энергии импульса служит соотношение (1). Действительно, если умножить это соотношение почленно на (c t0 ) 2 или на (E o ) 2 ,то, соответственно, мы получим соотношения для инвариантного интервала или энергии импульса частицы.

Можно записать выражение для инвариантного интервала следующим образом

d S = с' d t' = с d t o.......или…….с' = d S / d t'

Время t' в теории относительности является координатным временем. Отсюда следует, что скорость с' является координатной (или относительной) временной скоростью материального процесса.

Из всего вышеизложенного следует, что величина с' является не просто квадратичной разностью скоростей c и v , а играет в теории самостоятельную роль, аналогичную роли скорости v . То, что на этот факт совсем не обращается внимание, можно объяснить ее большой величиной, сравнимой со скоростью света при обычных условиях ( v << c ). Однако при приближении скорости движущейся инерциальной системы отсчета к скорости света или при приближении ее к горизонту событий черной дыры замедление временных процессов в данной системе отсчета становится очевидным. Это связано с тем, что в этих случаях скорость с' приближается к своему нулевому значению.

Конечно, современная физика формально может и не вводить явно эту скорость, как это делается до сих пор, но в наших дальнейших статьях скорость с' играет заметную роль, поэтому мы специально выделяем этот момент в теории.

Скорость с' отвечает за скорость материального процесса во времени, в то время как скорость v отвечает за скорость материального процесса в пространстве. В соответствующей системе координат скорость света разлагается на одну компоненту скорости с' и три компоненты скорости v .

Можно сказать, что пространство и время, энергия и импульс относительны именно в силу того, что относительными являются пространственные и временная компоненты скорости света с в уравнении (1). Самостоятельный характер скорости с' проявляется не только в уравнении Дирака, но и в других случаях, в том числе и в общей теории относительности (ОТО), что будет отражено в следующей статье по ОТО.

А сейчас выясним, как тот же вопрос об абсолютной скорости света с решается в общепринятом формализме СТО [2].

Вектор скорости (4-вектор) материальной точки определяется в СТО следующим образом

U a = dx a / dS ;……U o = 1 / ( 1 - v 2 / c 2 )1 / 2 ;…….U k = v k / c ( 1 - v 2 / c 2 )1 / 2 ;

где a, b = 0, 1, 2, 3 ;……..v k = dxk / dt' ; k = 1, 2, 3

C геометрической точки зрения U a есть компонент единичного вектора касательной к мировой линии, т.е.

h ab U a U b = 1…………………….(1' )

Обратите внимание на следующее обстоятельство: 3-вектор скорости v c компонентами v k , а также все пространственные компоненты можно обратить в нуль выбором системы отсчета, в полном соответствии с обычным представлением о скорости как относительной величине. Но обратить в нуль все компоненты 4-вектора U a невозможно никаким выбором системы отсчета. Это следует из того, что компоненты U a образуют 4-вектор и, если он задан в одной системе координат, он будет присутствовать в любой другой, как бы она ни была повернута относительно первой. В частности, ее модуль всегда будет равен единице. Относительными, зависящими от выбора системы отсчета являются лишь его компоненты. Мы имеем здесь своеобразное возрождение ньютоновской идеи о скорости абсолютного движения, не требующей преимущественной системы отсчета, однако не в 3-мерном пространстве, а в 4-мерном пространстве-времени с псевдоевклидовой метрикой.

Каждая частица "получает" в момент рождения свой 4-вектор скорости и уже не расстается с ним все время, пока существует.В ее собственной системе отсчета, где она покоится (U k = 0), пространственные компоненты 4-вектора скорости также равны нулю, зато временная компонента U o = 1 . Покоящаяся в обычном понимании частица движется, но только в направлении оси времени x o = c t , совпадающей в этом случае с линией собственного времени частицы, причем движется со скоростью света.

Перейти от формы (1' ) к форме (1) нетрудно. Действительно

U a = dx a / dS = dx a / c' dt = v a / c' ;………… где a, b = 0, 1, 2, 3

то есть

U o = 1 / ( 1 - v 2 / c 2 )1 / 2 = c / c' ;………. U k = v k / c ( 1 - v 2 / c 2 )1 / 2 = v k / c' ;

Отсюда получаем

h ab U a U b =( c / c') 2 - S (v k / c') 2 = 1;………… k = 1, 2, 3

или c 2 - S (v k) 2 = ( c') 2 и окончательно получим

c 2 = ( c') 2 + S (v k) 2

А это и есть форма (1).

Таким образом мы видим, что правомерна не только форма (1' ) для компонент 4-вектора скорости U a, но также форма (1 ) для скорости света c . С нашей точки зрения, форма (1) более адекватна реальности с физической точки зрения. Она более наглядна.В принципе весь математический формализм специальной и общей теории относительности можно перестроить в соответствии с соотношением (1 ). В следующих статьях по СТО и ОТО мы придерживаемся именно такого подхода. Форма, в которой преподносится та или иная теория, имеет важнейшее значение для понимания ее сущности и во многом определяет ее дальнейшее развитие.

Литература:

  1. Угаров В.А. Специальная теория относительности, Москва, Наука, 1977, с. 32-33
  2. Родичев В.И. "Методологические аспекты единой теории поля" в сборнике "Эйнштейн и философские проблемы физики ХХ века", Москва,Наука, 1979, с. 425-426
Дата публикации: 23 апреля 2002
Источник: SciTecLibrary.ru

Вы можете оставить свой комментарий по этой статье или прочитать мнения других в следующих разделах ФОРУМА:
Свернуть Защита интеллектуальной собственности и авторских прав
Диспуты по темам изобретательства. Вопросы по изобретениям, проблемы на пути изобретателей и методы их решения.
Патентование. Все о патентовании изобретений, полезных моделей, промышленных образцов и товарных знаков.
Нерешенные задачи. Здесь идет обсуждение нерешенных задач: безопорный двигатель, вечный двигатель, преодоление гравитации и пр.
Свернуть Точные науки и дисциплины
Дебаты по Теории Относительности Эйнштейна. Все кому не лень хотят опровергнуть Теорию Относительности Эйнштейна. Вам предоставляется слово для аргументации.
Физика, астрономия, математические решения. Физико-математические вопросы, наблюдения, исследования, теории и их решение.
Физика альтернативная. Новые взгляды на физические законы, теории, эксперименты, не вписывающиеся в общепринятые законы физики.
Teхника, узлы, механизмы, электроника и аппаратура. Все про технику, приборы, детали, узлы и механизмы. Электроника, компьютеры, программное обеспечение. Новые технические решения в самых разных областях.
Биология, Генетика, Все о жизни. Генетика и другие вопросы биологии. Их развитие. Медицина. Биотехнологии, агротехника и сельское хозяйство. Эволюционные теории и альтернативные им.
Химия. Вопросы по химическим технологиям, разработкам и применению химических материалов. Химические элементы и их свойства.
Геология, все о Земле и ее обитателях. Геология, метеорология, антропология, сейсмология, атмосферные явления и непознанные эффекты природы.
Свернуть Мозговой штурм
Генератор решений. Здесь Вы можете заработать реальные деньги, помогая решать фирмам, предприятиям и частным лицам те или иные технические задачи, которые перед ними стоят. Те, кто ставят задачи перед участниками должны обозначить гонорар за ее решение и перевести указанную сумму на общий счет генератора.
Головоломки. Если у Вас есть желание поломать голову над интересными логическими задачами - Вам сюда.
Гипотезы. В этой теме идет обсуждение гипотез и предположений, основанных чисто на теории и логике.
Найди ляп! Этот раздел для тех, кто хочет мысленно расслабиться. Он посвящен задачам по поискам ляпов, которые встречаются в литературе, интернете, кино и на телевидении.
Свернуть Взгляд в будущее и настоящее
Глобальные темы. Вопросы касающиеся всех. Глобальные угрозы и злободневные темы современности.
Наука и ее развитие. Все о развитии науки, направлениях и перспективах движения научной мысли и знаний.
Новая Цивилизация. Принципы социального устройства новой цивилизации. Увеличение роли созидательного интеллекта... Отдалённые перспективы развития человечества...
Вопросы без ответов. Этот раздел посвящен вопросам и проблемам, которые до сих пор не решены. Предлагайте свои решения.
Военная стратегия и тактика современных боевых действий. Об особенностях современного военного искусства. Проблемные вопросы теории и практики подготовки вооруженных сил к войне, её планирование и ведение в различных конфликтах на планете.
Свернуть Гуманитарные науки и дисциплины
Философские дискуссии. Диспуты по вопросам жизни, сознания, бытия и иных философских понятий.
Экономика. Вопросы по экономике и о путях развития России и других стран.
Социология, Политология, Психология. В этом разделе обсуждаются вопросы, как отдельных частных исследований данных наук, так и проблема соотношения этих наук с остальными.
Образование. Все об образовании: как учить, кому учить, чему учить и кого учить.
Религия и атеизм. Вопросы религий и атеистические взгляды, религиозные споры.

Хотите разместить свою статью или публикацию, чтобы ее читали все?
Как это сделать - узнайте здесь.

Назад

 
О проекте Контакты Архив старого сайта

Copyright © SciTecLibrary © 2000-2017

Агентство научно-технической информации Научно-техническая библиотека SciTecLibrary. Свид. ФС77-20137 от 23.11.2004.