Читать книгу Рассуждения об основах физики - Анатолий Николаевич Овчинников - Страница 25

3. 1. Постановка задачи

В этой главе мы будем обсуждать вопросы, связанные с объяснением явления красного смещения, о котором написано очень много. Мы укажем лишь [2, с. 348]. В следующем пункте мы покажем, что гипотеза расширения Вселенной, якобы объясняющая красное смещение, не выдерживает критики. А потому наша цель: найти красному смещению более правдоподобное объяснение, нежели вышеупомянутая гипотеза.

Здесь используются материалы изданной недавно книги [1 с. 35 -55]. Некоторые вопросы изложены более подробно. Буквенные обозначения здесь такие же, как и в предыдущих главах: t_χ – показания часов, t – истинное время. Кроме того, во всех дальнейших рассуждениях скорость света (c) считается постоянной, а приборы наблюдения и источники света – неподвижны относительно друг друга.

3. 2. Гипотеза расширения Вселенной

Ключом к пониманию этой гипотезы является отношение физика и астронома к понятиям «относительного и абсолютного». Когда физик или астроном произносят фразу «Вселенная расширяется» они, тем самым, стараются присвоить понятию расширения абсолютный смысл, хотя прекрасно знают, что этого делать не следует. В самом деле: понятия расширения и сжатия – относительны, также как и понятие движения. Что означает это на практике? Это значит: если в какой-то системе координат имеется нечто, что расширяется, то в этой же системе координат всегда найдется достаточно удаленная от начала координат точка, относительно которой это нечто сжимается. Фраза «Вселенная расширяется» не содержит в себе сведений о системе координат, в которой нам надлежит рассматривать расширение или сжатие, а потому понятие расширения становится абсолютным, а значит и не имеющим физического смысла. Земля, как единственная точка во Вселенной, не образует системы координат; для этого нужно иметь не менее четырех, неподвижных относительно друг друга точек, не лежащих в одной плоскости. Высказывание «Вселенная расширяется» приобретает физический смысл только тогда, когда будет указана система координат, относительно которой происходит расширение.

Пусть имеются три наблюдателя в точках A₁, A₂, A₃, удаленные друг от друга на весьма большие расстояния. Для простоты допустим, что они находятся на одной прямой, а наблюдатель A₂ находится точно на середине отрезка A₁A₃. У наблюдателей имеются приборы наблюдения, такие же, как на Земле. Здесь не надо забывать, что наблюдатели не принадлежат Вселенной, за которой ведут наблюдение. В макромире наблюдатель никогда не принадлежит той системе, за которой он наблюдает (подобно тому, как метр не принадлежит отрезку, длину которого он измеряет). Поэтому наблюдатели A₁, A₂, A₃ образуют свою (жесткую) систему координат. В этой системе они неподвижны относительно друг друга. Только после того (но не раньше), как у нас появится эта система координат, наши рассуждения о расширении Вселенной приобретут физический смысл.

Пусть наблюдатель в точке A₁ фиксирует факт – «приборы показывают, что относительно точки A₁ Вселенная расширяется », а наблюдатель в точке A₃ фиксирует факт – «приборы показывают, что относительно точки A₃ Вселенная расширяется». Что тогда должен будет зафиксировать наблюдатель в точке A₂ в середине отрезка A₁A₃? Ведь наблюдатель A₂ неподвижен относительно A₁ и A₃. Он обязан зафиксировать факт сжатия Вселенной вдоль прямой A₁A₃. Этот случай можно обобщить далее. Если три наблюдателя находятся в вершинах (жесткого) треугольника ABC и фиксируют расширение Вселенной, то всегда найдется не менее трех наблюдателей, которые будут фиксировать сжатие Вселенной. Как легко видеть, три из этих наблюдателей будут находиться по серединам сторон треугольника ABC и фиксировать сжатие Вселенной вдоль сторон этого треугольника. Теперь аналогично можно расположить четырех наблюдателей в вершинах тетраэдра ABCD и сделать заключение: если приборы в вершинах тетраэдра фиксируют расширение Вселенной, то на серединах рёбер тетраэдра приборы обязательно зафиксируют её сжатие. И так далее. Таким образом, если мы верны принципам относительности, нам обязательно придется говорить не только о тех частях Вселенной, которые расширяются, но и о тех её частях, которые сжимаются. Но нам не обязательно говорить о тех частях Вселенной, которые сжимаются, если мы не верны принципам относительности. Но тогда придется отрицать и всю физику; вся физика построена на принципах относительности.

А что же показывает эксперимент? Он показывает, что центр расширения Вселенной всегда находится там, где находятся приборы наблюдения. Мы твердо в этом уверены потому, что мы знаем; Земля ничем не отличается от других тел во Вселенной, и в любой другой точке Вселенной приборы будут показывать то же, что и на Земле. Таким образом, чтобы остаться верным и принципам логики и принципам относительности и экспериментальным фактам, нам остается единственный вариант – допустить истинность следующего утверждения: никакого реального центра расширения Вселенной не существует, мнимые центры расширения создаются самими приборами в тех точках, где они находятся.

А это означает, что в наших измерениях что-то не так. Что-то не так означает: мы не учитываем в своих измерениях чего-то такого, что следовало бы учитывать. По ходу размышлений выяснилось, что мы не учитываем различия между идеальными и реальными периодическими процессами. Мы знаем одно из этих различий: в отличие от идеальных, реальные периодические процессы всегда конечны и во времени и в пространстве. Но есть еще одно принципиально важное отличие. О нем мы и будем говорить далее в этой главе.

3. 3. Гипотеза о неравенстве нулю времени регистрации события

Указанное выше отличие реальных периодических процессов от идеальных, мы будем выяснять на примере анализа работы часов, как периодически действующего устройства. А затем, используя аналогию, мы распространим полученные выводы на любые периодические процессы.

Поскольку сначала речь пойдет о часах, то мы ограничимся анализом работы только световых часов. Это оправдывается тем фактом, что любые часы можно в принципе заменить эквивалентными световыми часами и все, что верно для световых часов, верно и для остальных часов.

Мы начнем анализ реальных периодических процессов с самого простого предположения, подтверждаемого обыденным опытом. Введем гипотезу:

Регистрация (отметка) о том, что некоторое простое (элементарное) событие произошло, не может быть сделана за время равное нулю, для этого природа отводит некоторое, минимально возможное время, отличное от нуля. Заметим, что эта гипотеза не противоречит нуль – соглашению (см. Гл. 1). Физик в своих формулах должен учитывать время отводимое природой на регистрацию события. Сам же физик по договоренности с математиком продолжает делать свои отметки за время равное нулю.

В науке часто бывает так, что наличие или отсутствие этой гипотезы пренебрежимо мало влияет на результаты измерений. В этом случае об этой гипотезе не вспоминают. Но когда речь идет об измерении очень больших промежутков времени ее нужно помнить, так как время регистрации событий обладает свойством накапливаться в общем измеренном времени.

Заметим еще, что эта гипотеза гораздо более правдоподобна, нежели гипотеза расширения Вселенной. Она, ни каким образом, не противоречит ни логике, ни принципам относительности, ни экспериментальным фактам, ни другим принципиальным основаниям физики.

3. 4. Идеальные световые часы

Кратко изложим принцип работы световых часов (который можно назвать традиционным). Генератор коротких световых импульсов посылает их в направлении отражающего зеркала, которое расположено от генератора на расстоянии s/2. Первый импульс, отразившись от зеркала, возвращается к генератору и попадает в детектор, расположенный рядом с генератором. Время движения импульса на пути «туда и обратно» равно t = s/c. В свою очередь сигнал из детектора от вернувшегося первого светового импульса, подается на генератор и на счетчик. В результате генератор запускается и посылает на зеркало второй световой импульс, что означает начало второго периода, а на счетчике появляется единица, что означает окончание первого периода. И так далее. Между вернувшимся импульсом и вновь отправляемым импульсом имеется задержка во времени, обусловленная электроникой часов, назовем ее τ_эл (τ – далее, греч. тау). Эта задержка должна быть включена в длительность периода часов. Итак, период часов (далее T_χ) равен T_χ = s/c + τ_эл. Время τ_эл должно быть по возможности минимальным, но не менее важно, чтобы оно было постоянным. На рис. 3. 1 изображен график хода таких часов.

Рис. 3. 1

Здесь по горизонтали отложено время, а по вертикали отложено расстояние s/2 от генератора до зеркала. Чтобы не загромождать рисунок (на оси времени позже мы предполагаем изобразить более важные для нас отрезки времени), время задержки τ_эл мы расположили на зеркале. Это не меняет сути дела.

3. 5. Реальные световые часы

В предыдущем пункте мы не случайно назвали часы идеальными, так как введенная нами гипотеза (см. пункт 3. 3.) не принималась во внимание. Пусть теперь гипотеза имеет место и для регистрации (отметки) одного элементарного события требуется время τ. Чтобы максимально упростить первоначальные рассуждения, мы конкретизируем эту гипотезу дополнительным условием. Мы допустим, что τ не только отлично от нуля, но также оно постоянно для каждых конкретных часов.

Элементарное событие это такое событие, которое не содержит никаких других подсобытий, кроме самого себя и невозможного. Начнем с 1-го периода. После того как 1-й период закончится, часы должны остановиться на время регистрации события: «первый период закончился». Но разве часы не могут работать дальше, не дожидаясь окончания регистрации? Не могут! Для уяснения этого рассмотрим аналогичные измерения длины. Мы откладываем на прямой один за другим отрезки при помощи циркуля, который в нашем случае является измерительным инструментом и эталоном длины. Циркуль не может быть переставлен для откладывания следующего отрезка прежде, чем он не сделает отметку (засечку) на прямой. Но события: «засечка сделана», «данный отрезок отложен», «регистрация закончена» это – эквивалентные события. Точно также все происходит и в часах. Второй период не может начаться потому, что неизвестно откуда он должен начинаться, пока отметки об окончании первого периода еще нет.