Переход:
.....Назад.....Содержание.....Вперед6. ПРЕОБРАЗОВАНИЯ КООРДИНАТ И ВРЕМЕНИ ПРИ НЕИНВАРИАНТНОЙ СКОРОСТИ СВЕТА
Если квадратичная зависимость скорости света от скорости источника вида
cu = co(1 + u2/co2)1/2 существует в реальной действительности, то известные преобразования Лоренца окажутся не строгими, а лишь приближенными преобразованиями координат и времени событий от одной инерциальной системы отсчета к другой, справедливыми только для не слишком больших скоростей относительного движения инерциальных систем отсчета, при которых зависимость скорости света от скорости источника можно пренебречь. Тогда сразу же возникает вопрос, а каковы точные преобразования координат и времени событий от одной инерциальной системы отсчета к другой, согласующиеся с законом распространения света от движущегося источника cu = co(1 + u2/co2)1/2.Ответ на этот вопрос проще всего удается получить при выводе преобразований координат и времени методом А. А. Логунова ([
[6]. Логунов А. А. Лекции по теории относительности и гравитации. Современный анализ проблемы. 3-в изд., доп., - М.: Изд-во МГУ, 1985], стр. 27 - 29).Рассмотрим те же две движущиеся друг относительно друга инерциальные системы отсчета А и B, которые мы рассматривали в
разделе 3. Пусть в инерциальной системе отсчета B, которая движется со скоростью u в положительном направлении оси X инерциальной системы отсчета А, покоится какой-нибудь объект.Тогда при выводе преобразований координат и времени событий, происходящих с этим объектом, следует учесть, что при бесконечно малом изменении состояния этого объекта, вызванном происходящим с ним событием, изменяется положение или состояние движения зарядов, из которых этот объект состоит, в результате чего в окружающем этот объект вакууме образуется и распространяется электромагнитная волна (которую мы для краткости в дальнейшем будем называть "свет"). Свет этот в инерциальной системе отсчета B, в которой покоится объект, с которым происходит рассматриваемое событие, естественно, имеет скорость co, а в инерциальной системе отсчета А, относительно которой этот объект движется вместе с системой B со скоростью u, свет этот распространяется со скоростью, определяемой выражением (2.1). Вследствие этого выражение для интервала в галилеевых координатах инерциальной системы отсчета А имеет вид
ds2 = cu2dt2- dx2 - dy2 - dz2, (6.1)
где cu определяется выражением (2.1).
Совершим над выражением (6.1) преобразования Галилея
x'' = x - u t, t'' = t, y'' = y, z'' = z . (6.2)
Для этого запишем преобразования, обратные (6.2)
x = x'' + u t'', t = t'', y = y'', z = z'' . (6.3)
где x, y, z, t - галилеевы координаты события в инерциальной системе отсчета А.
Взяв дифференциалы от обеих частей равенств (6.3) и подставив dx, dy, dz, dt в выражение для интервала (6.1), получим
ds2 = cu2(dt'')2(1 - u2/cu2) - 2 u dx'' dt'' - (dx'')2 - (dy'')2 - (dz'')2. (6.4)
От возникшего в выражении (6.4) перекрестного члена dx'' dt'' можно избавиться. Для этого выделим в выражении (6.4) полный квадрат. В результате интервал (6.4) примет вид
ds2 = co2[y(u) dt''(1 - u2/cu2)1/2 - u dx''(1 - u2/cu2)-1/2(cocu)-1]2 - (dx'')2/(1 - u2/cu2) - (dy'')2 - (dz'')2, (6.5)
где y(u) = (1 + u2/co2)1/2, т. е. определяется выражением (3.13).
Теперь введем новое время
t' = y(u) t'' (1 - u2/cu2)1/2 - u x''(1 - u2/cu2)-1/2(cocu)-1 (6.6)
и новые координаты
x' = x'' (1 - u2/cu2)-1/2, y' = y'' , z' = z''. (6.7)
Тогда выражение (6.5) принимает вид
ds2 = co2(dt')2- (dx')2 - (dy')2 - (dz')2. (6.8)
Но выражение (6.8) есть выражение для интервала в галилеевых координатах инерциальной системы отсчета B.
Следовательно, применив последовательно преобразования (6.2) и преобразования (6.6) - (6.7), мы от интервала (6.1) в инерциальной системе отсчета А перешли к интервалу (6.8) в инерциальной системе отсчета B. Это означает, что, подставляя выражения (6. 2) в выражения (6.6) и (6.7), мы получим преобразования координат и времени событий от инерциальной системы отсчета А к инерциальной системе отсчета B
cot' = Г (cut - b x) , x' = Г (x - b cut ) , y' = y , z' = z , (6.9)
где b = u/cu , Г = (1 - b 2)-1/2.
Обратные преобразования имеют вид
cut = Г (cot' + b x'), x = Г (x' + b cot' ), y = y', z = z', (6.10)
где b = u/cu; Г = (1 - b 2)-1/2; cu = co(1 + u2/co2)1/2 .
Выражения (6.9) и (6.10) являются прямыми и обратными преобразованиями координат и времени событий от одной инерциальной системы отсчета к другой для того частного случая, когда события происходят с объектом, покоящимся в инерциальной системе отсчета B.
Аналогичным образом можно показать, что если события происходят с объектами, покоящимися в инерциальной системе отсчета А, то прямые и обратные преобразования координат и времени этих событий от одной инерциальной системы отсчета к другой имеют вид
cot = Г (cut' + b x'), x = Г (x' + b cut' ), y = y', z = z', (6.11)
cut' = Г (cot - b x), x' = Г (x - b cot ), y' = y, z' = z , (6.12)
где, по-прежнему, b = u/cu , Г = (1 - b 2)-1/2, cu = co(1 + u2/co2)1/2.
Нетрудно заметить, что если зависимостью скорости света от скорости источника можно пренебречь (при малых скоростях движения источника по сравнению с константой co), то преобразования (6.9), (6.10), (6.11) и (6.12) превращаются в преобразования Лоренца из специальной теории относительности
cot' = Г (cot - b x), x' = Г (x - b cot ), y' = y, z' = z , (6.13)
cot = Г (cot' + b x'), x = Г (x' + b cot' ), y = y', z = z', (6.14)
где Г = (1 - b 2)-1/2; b = V/co ; V - скорость движения одной из инерциальных систем отсчета относительно другой, которая не может быть больше co.
Преобразования (6.9)...(6.12) справедливы для того частного случая взаимного расположения и движения инерциальных систем отсчета А и B, при котором одноименные оси координат этих двух инерциальных систем отсчета параллельны друг другу, оси x и x' совпадают друг с другом и система отсчета B движется в положительном направлении оси x системы отсчета А. Найдем теперь методом Логунова [ [6]. Логунов А. А. Лекции по теории относительности и гравитации. Современный анализ проблемы. 3-в изд., доп., - М.: Изд-во МГУ, 1985] формулы преобразования координат и времени событий от одной инерциальной системы отсчета к другой при произвольном направлении движения одной системы отсчета относительно другой с постоянной скоростью, если события происходят с объектом, покоящимся в инерциальной системе отсчета B.
Обозначим через x, y, z компоненты вектора в инерциальной системе отсчета А. Тогда выражение для интервала (6.1) в этой системе отсчета А будет иметь вид
(6.15)
Совершим над выражением (6.15) преобразования Галилея
(6.16)
Для этого запишем преобразования, обратные преобразованиям (6.16)
(6.17)
Взяв дифференциалы от обеих частей равенств (6.17) и подставив и d t в выражение (6.15), получим
или
, (6.18)
где
.
Наша цель - найти такие новые переменные t' и , в которых выражение (6.18) можно записать в виде
(6.19)
Поэтому сначала введем в выражении (6.18) обозначение
(6.20)
или
(6.21)
Подставляя в правую часть выражения (6.21) преобразования Галилея (6.16), получим
или
(6.22)
Отрицательную часть интервала (6.18) также выразим через переменные t и
. (6.23)
Первые два члена из правой части выражения (6.23) можно записать в виде квадрата некоторого вектора, т. е.
(6.24)
Тогда выражение (6.23) можно переписать в виде
(6.25)
Но правая часть выражения (6.25) есть квадрат вектора. Поэтому выражение (6.25) можно переписать в виде
(6.26)
Теперь введем обозначение
(6.27)
Тогда пространственно-подобная часть интервала (6.18) принимают вид
(6.28)
Следовательно, мы из выражения (6.18) получили выражение (6.19) и одновременно с этим мы также получили формулы преобразования координат и времени событий, которые происходят с объектом, покоящимся в инерциальной системе отсчета B, для общего случая движения системы отсчета B с постоянной скоростью в произвольном направлении (см. выражения (6.22) и (6.27))
(6. 29)
Аналогичными рассуждениями можно показать, что если события происходят с объектом, покоящимся в инерциальной системе отсчета А, то вместо преобразований (6.29) получим преобразования
(6.30)
Итак, если в природе существует квадратичная зависимость физической скорости света от скорости движения источника вида (2.1), то вместо прямых и обратных преобразований Лоренца (6.13) и (6.14) из специальной теории относительности в новой теории пространства-времени необходимо использовать:
а) прямые и обратные преобразования (6.11) и (6.12) - если события происходят с объектами, покоящимися в инерциальной системе отсчета А;
б) прямые и обратные преобразования (6.9) и (6.10) - если события происходят с объектами, покоящимися в инерциальной системе отсчета B.
Преобразования (6.9) получены впервые (с точностью до обозначений) Котельниковым Г. А. [ [52]. Котельников Г.А. Об инвариантности скорости света в специальной теории относительности // Вестник Моск. ун-та. Физ., астрон. – М.: Изд-во МГУ, 1970. - № 4. - с. 371 - 374.]. Однако подлинный физический смысл полученных им преобразований (см. формулы (2) из [52]) Котельникову Г. А. найти не удалось. Отличие этих преобразований от преобразований Лоренца из специальной теории относительности Котельников Г. А. объяснил отсутствием синхронизации хронометров, покоящихся в движущихся друг относительно друга инерциальных системах отсчета. На этом основании Котельников сделал ошибочный вывод о том, что полученные им преобразования сохраняют все кинематические и динамические эффекты специальной теории относительности.
Переход:
.....Назад.....Содержание.....Вперед