Механика + Физика

Введение. Некоторые понятия
Почему я решил написать серию постов на эту тему? Потому, что выводы СТО считаются парадоксами. А парадоксы – это высказывания, мнения, научные выводы и т. п., расходящиеся с общепринятыми представлениями и поэтому кажущиеся нелогичными и даже противоречащими здравому смыслу. Таковы все выводы СТО. Отношение в обществе (даже в научном) к ним разное: от восхищения до полного недоверия. Многие считают, что СТО очень сложная теория и понять её выводы невозможно. Поэтому я постараюсь доступно изложить, как и что в СТО получается, поясняя это на рисунках. Для желающих в дополнениях будет приведён вывод формул.
В этом посте мы рассмотрим замедление времени (отставание часов) в движущемся объекте.

Что такое движущийся и неподвижный объекты в СТО? Неподвижным объектом считается тот, в котором находится наблюдатель (человек, приборы).  Для наблюдателя на земле (платформе), она – неподвижный объект, поезд –движущийся. Для наблюдателя (пассажира) в поезде неподвижным будет поезд, а платформа –движущимся объектом. Я рассматриваю  поезд – землю как любимый пример Эйнштейна.  Но так как
в природе все объекты движутся, то Эйнштейн вместо неподвижный часто употребляет термин несопутствующий объект.  Это такой, по отношению к которому объект движется с определённой скоростью. Например, другой поезд.

1.  Объяснение  парадокса о замедлении времени для движущегося объекта (поезда)
1.2. Неподвижный объект – платформа, подвижный – поезд  
На платформе находится наблюдатель (рис.1). Тогда источник и приёмник короткого светового сигнала (импульса) ставят в движущемся поезде: источник – на полу вагона, над ним (на потолке) – приёмник. Путь светового сигнала от источника до приёмника в движущемся поезде – вертикально вверх со скоростью света. За счёт движения поезда относительно платформы этот световой сигнал (светящаяся точка) для наблюдателя на платформе (человека или по экрану) будет двигаться по наклонной линии, которая будет длиннее пути в поезде. Скорость движения сигнала по ней будет равна тоже скорости света (но не более), так как скорость света в СТО есть наибольшая возможная скорость движения.  При движении с равными скоростями меньший путь (в поезде) будет пройден за меньший отрезок времени, чем на платформе. Значит часы в поезде идут медленнее и постепенно будут отставать от часов на платформе всё больше и больше. То есть время в поезде будет замедляться.

На рис. 1 показаны пути света от испускания до приёма светового сигнала: В поезде 1 – вертикально вверх, относительно платформы 2– по наклонной линии за счёт движения поезда, который пройдёт путь 3 – пока свет проходит путь 1 до приёмника.

Вот мы и выяснили без формул, как в СТО получают замедление времени для движущегося объекта (поезда). Насколько оно замедляется, можно определить расчётом из Δ АВД по теореме Пифагора (расчёт – в Дополнении). Поэтому в 1905 г. в результате разработки СТО А. Эйнштейн делает вывод о реальности замедления времени для движущегося объекта (часов) [1, с. 93]. Время в поезде при таком (как на рис. 1) ∆ АВД будет составлять примерно 0,6 от времени на платформе. Такое соотношение времён будет примерно при скорости поезда =201 000 км в секунду. Такие большие скорости называют релятивистскими. При движении в земных условиях замедление времени не ощутимо.

1.2. Неподвижный объект– поезд, подвижный – платформа
Для пассажиров неподвижным будет поезд, а платформа –движущимся объектом. Для наблюдателя в поезде платформа будет двигаться со скоростью поезда в обратном направлении. Световой сигнал относительно платформы пойдёт вертикально вверх, а относительно наблюдателя в поезде – по наклонной линии. Всё будет наоборот: замедление времени – но уже на платформе, а не в поезде.

2. Вывод. Парадокс зависит от наших действий
Но в реальных условиях (независимо от наших определений, и установок источника и приёмника света в разных местах) ничего не изменилось.Получается, что замедление времени будет там, где нами расположены источник и приёмник света. Но это лишает вывод о замедлении времени объективности. К тому же часы в поезде и на платформе не могут одновременно показывать разное время для разных наблюдателей (для пассажиров и людей на платформе), если они выполняют сверку часов одновременно (а в СТО должны). В СТО этот парадокс (иногда) обходят заключением, что наблюдателю в поезде представляется, что время замедляется на платформе, а наблюдателю на платформе – что в поезде [2, с. 166]. Что значит представляется? Каждый из них определяет время для другого расчётом по формулам Лоренца.

Изменение Эйнштейном вывода о замедлении времени
Вероятно, по этим и иным причинам А. Эйнштейн (в 1915 г.) предлагает иную формулировку замедления времени: Движущиеся часы идут (с точки зрения наблюдателя из неподвижного объекта) медленнее, чем те же часы, если бы они покоились. И любой процесс в движущемся объекте (системе) замедляется, если он приводится в поступательное движение. Но это замедление происходит только с точки зрения наблюдателя из неподвижного объекта [1, с. 77]. Дословные цитаты – в следующем посте.

Но ссылка на точку зрения наблюдателя из неподвижного объекта скрывает серьёзное, но замаскированное изменение смысла СТО. Здесь определяющее слово только. На это надо обратить внимание. Это значит, что при расчёте с платформы по формулам Лоренца в поезде замедление времени есть, а на самом деле его нет. И на платформе (при расчёте из поезда) замедление времени есть, а реально (по часам на платформе) тоже нет. Это свидетельствует о признании Эйнштейном того, что для движущегося объекта время не замедляется. То есть замедление времени для движущегося объекта (системы) в реальных условиях отсутствует. Но этот факт остался не замеченным (?) и не принятым во внимание (!) большинством специалистов по СТО. Поэтому в следующем посте рассмотрим странное явление в науке– различное толкование специалистами основного положения развиваемой ими теории – замедления времени. Об экспериментальных проверках выводов СТО – в последнем посте этой серии.

Дополнение. Вывод уравнения Лоренца
На рис.2, б показан вывод формулы замедления времени для движущегося объекта: С–скорость света, V– скорость поезда, t – время по часам на платформе, t'– время по часам в поезде. В СТО параметры движущегося объекта отмечают штрихом. В Δ АВД расчёт длин АД и АВ ведут по часам на платформе t, расчёт длины ВД – по часам в поезде t'.

Использованные источники
1. Эйнштейн А. Теория относительности, избранные работы / А. Эйнштейн. –—Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2000. 2. Угаров В.А. Специальная теория относительности. – М.: Изд-во «Наука», Главн. ред. Физ.- мат. лит., 1969.  Подробнее: Кузьмин М. В. Объяснение парадоксов. От Зенона до Эйнштейна и далее. – М.: Изд. Бит-принт, 2021.

Спойлер для ЛЛ: неправда

В блогах и соцсетях, на научно-популярных сайтах и в прессе множество раз пересказывается примечательная история о нобелевском лауреате Петре Капице. Сюжет её в общем виде такой: одна иностранная фирма пригласила учёного в роли консультанта — помочь разобраться с поломкой некоей машины за существенный гонорар. Капица согласился, некоторое время молча изучал неисправную машину, а затем просто взял молоток и нанёс один удар, после чего машина заработала. В счёте, выставленном владельцам фирмы, Капица оценил свои услуги так: «Удар молотком — 1 фунт. Знать, куда ударить, — 9999 фунтов». В зависимости от источника некоторые детали истории могут отличаться: Капица чинил машину то ли на выставке, то ли непосредственно в цеху, заказчиками называют англичан, американцев или немцев, у фирмы в некоторых вариантах изложения есть название, гонорар был в фунтах, марках или долларах, слегка отличался его размер и т. д.

О таком ярком человеке, как Капица, рассказывали множество разных легенд и анекдотов. Один из примеров — как учёный попал на стажировку к Резерфорду. Тот сперва не хотел брать Капицу, ссылаясь на то, что у него в лаборатории нет мест. В ответ советский физик поинтересовался, какую погрешность в экспериментах Резерфорд считает нормальной. Услышав ответ — 3%, — Капица заявил, что добавление ещё одного к 30 сотрудникам будет укладываться в эту погрешность. Резерфорд оценил шутку, и Капица остался в Англии на 13 лет.

Байка про Капицу и молоток стала известна ещё в XX веке. Она есть, например, в книге Геннадия Иванова «Формулы творчества», вышедшей в Москве в 1994 году. В июле 1974 года в журнале «Огонёк» была опубликована большая статья в честь юбилея учёного, и её автор Евгений Добровольский рассказывает эту историю так:

Рассказывают, будто был такой случай, когда знаменитая фирма, кажется, «Сименс и Шуккерт», попросила у Капицы консультации — почему не работает электродвигатель очень важной машины. Сумма за консультацию была назначена весьма солидная — 10 000 марок. Пётр Леонидович осмотрел машину, потом взял молоток и ударил по коренному подшипнику: двигатель заработал.

Фирме стало обидно платить такие деньги, и она попросила учёного составить нечто вроде письменной калькуляции. Он составил: «Один удар молотком — 1 марка, 9999 марок — за то, что знал куда ударить».

Дело тут, конечно, не в «русской эксцентричности», а в блестящем инженерном расчёте.

В «Огоньке» Добровольский не в первый раз опубликовал эту историю. В его книге «Почерк Капицы», вышедшей в 1968 году, приводится тот же рассказ — правда, с оговоркой в конце: «Никто не мог мне подтвердить, был ли с Капицей такой случай».

За пределами русскоязычного сегмента интернета распространённость этой истории несравнимо меньше: есть всего несколько публикаций, и они, по всей видимости, переведены с русского. Зато находится масса анекдотов с тем же сюжетом, но с другими действующими лицами: роль Капицы в них играют безымянные инженеры и механики, изобретатели Чарльз Штейнметц и Никола Тесла, а в роли изумлённого плательщика по счёту — Генри Форд и генерал Джордж Паттон.

Исследователи проекта The Quote Investigator обнаружили эту байку в источниках, которые датировались 1908 годом. Капице тогда было лишь 14 лет, и он в тех публикациях, очевидно, не упоминался. Однако почему же в итоге эта история на постсоветском пространстве столь прочно приклеилась именно к нему?

Можно предположить, что Капица, который был склонен и пошутить, и поведать какую-нибудь удивительную историю, в одном из публичных выступлений рассказал этот анекдот, который мог слышать, будучи в Англии, но при последующем распространении байка трансформировалась в случай из его собственной жизни.

Эта гипотеза подтверждается: в книге «Всё простое — правда… Афоризмы и размышления П. Л. Капицы», выпущенной издательством МФТИ в 1994 году, в числе историй и анекдотов, рассказанных в разное время Капицей, приводится текст под названием «Удар молотком»:

Дело происходило на одном заводе в Англии, где была построена какая-то крупная машина, кажется, специальный тип воздуходувки. Завод никак не мог пустить её в ход. Инженеры долго бились над ней, цеха стояли, а воздуходувка не работала.

Наконец, директор завода решил, что надо прибегнуть к силам извне, и пригласил на консультацию крупного специалиста. Директор решился на этот шаг не сразу, так как был прижимист и не хотел тратить лишних средств на приглашение крупных профессоров, которым за консультацию приходится в Англии выплачивать большие суммы. Профессор приехал, посмотрел машину, попросил молоток или кувалду и несколько раз ударил по корпусу машины. Какие-то части внутри, должно быть, сдвинулись, пришли на место, и машина заработала. Цеха пошли в ход, завод ожил. Профессор вернулся домой и по английскому обычаю послал директору завода счёт на 100 фунтов стерлингов, сумма немалая. Директор огорчился и возмутился. «Что же это такое — приехал человек, который два-три раза ударил молотком и уехал, а я за это должен платить 100 фунтов. Надо сбить спесь с этого профессора», — решил он и послал учёному письмо, в котором в деликатной форме просил дать более точную расценку его труда.

На это он получил такой ответ: «За приезд на завод и удар молотком, — писал профессор, — мне полагается 1 фунт стерлингов, а за то, что я знал, куда ударить молотком, мне следует заплатить остальные 99 фунтов».

Под текстом приводится дата — 1944 год. Недолгие поиски позволили найти первоисточник: это был фрагмент выступления Капицы перед группой партийных и хозяйственных руководителей в 1944 году. Полный текст его речи, озаглавленный «О роли науки в Отечественной войне», был опубликован, в частности, в 1985 году в майском номере журнала «Наука и жизнь», приуроченном к 40-летию победы в Великой Отечественной войне. Когда именно и по какому случаю состоялось это выступление советского физика, установить не удалось.

Таким образом, история про Капицу и удар молотком — своеобразная городская легенда, которая бытует во множестве вариантов на разных языках и появилась ещё до того, как нобелевский лауреат начал свою академическую карьеру. Судя по всему, Капица публично рассказывал эту историю, услышанную им во время работы в Англии, но при дальнейшем распространении байки рассказчик превратился в героя.

Фото на обложке: Fotograaf Onbekend / Anefo via Wikimedia Commons

Наш вердикт: неправда

Другие проверки

Ещё нас можно читать в Телеграме, в Фейсбуке и во Вконтакте

В сообществах отсутствуют спам, реклама и пропаганда чего-либо (за исключением здравого смысла)

Аудиоверсии проверок в виде подкастов c «Коммерсантъ FM» доступны в «Яндекс.Подкасты», Apple Podcasts, «ЛитРес», Soundstream и Google.Подкаст