Физик от СУ: Гаражните гении губят и тази битка

Поместихме писмото на читателя ни г-н Рангел Колесин (Читател на Наука OFFNews: Айнщайн не е прав. Ето защо), привърженик на алтернативни теории, отричащи Теорията на относителността.

За читателите, интересуващи се от историята на Теорията на относителността, както и от по-сериозна интерпретация на фактите, с които спекулират антирелативистите, обяснява докторът на физико-математическите науки Румен Герасимов, работил във Физическия факултет на СУ „Климент Охридски“, доктор на Санкт-Петербургския ИТМО.

Прилагаме отговора на д-р Герасимов без редакция:

Уважаеми господин Колесин,

С интерес прочетох вашия отговор на статията „Гаражните гении срещу Айнщайн” . Макар и до голяма степен вашият коментар да не е свързан с посочената статия, ще си позволя няколко забележки върху него.

Историята на физиката преди и по време на създаването на теорията на относителността вие сте изложили фактологически коректно. И въпреки това правите необосновани изводи: само защото съществуването на етера се е обезсмислило в новия модел, създаден от Айнщайн, вие обвинявате привържениците му в лекомислие, а СТО – че е зачената в грях? И че е нонсенс?

А какви са ви доказателствата? Цитирам ви:

„Целта на СТО е по теоретичен път да се предскаже съществуването на т.н. „релативистични ефекти” – забавяне на времето, нарастване на масата и съкращаване на дължината на телата, движещи се с относителни скорости, сравними със скоростта на светлината. Споровете за състоятелността на СТО обикновено се израждат в спорове за реалното съществуване и за относителния характер на тези „предсказания”. СТО ги тълкува като ефекти на измерването, като свойство на пространството време и следователно те не могат да съществуват реално. Но те, ефектите отдавна са експериментално потвърдени – т.е. те реално съществуват! И започнало едно меле от спорещи, което продължава столетие.”

Моето скромно мнение, а предполагам и на болшинството други учени е, че една научна теория се създава не за да предскаже някакви конкретни предварително зададени резултати, а да даде адекватен модел за обяснение на съществуващите наблюдения и естествено, да предскаже нови проверими резултати. В това отношение, извън всяко съмнение, теорията на относителността се е справила блестящо. Недоумение в горния цитат буди вашето съгласие – да, релативистичните ефекти реално съществуват – и вашето пренебрежително отношение към теорията, която ги е предсказала, при това забележете – освен качествено, и количествено точно. Дали теорията на етера, на която сте привърженик, може да се похвали с подобни резултати? Огледайте се, там нещата се случват наобратно – има дадено явление, и започва да се умува какво да се измисли на етера, за да може той да го обясни. Но за това по-късно.

В конкретния случай вас ви заблуждава тънката разлика и прилика между понятията реален ефект и ефект от измерването. Да, това е реален ефект за системата, която извършва измерването. И не е реален ефект вътре в системата, върху която се извършва измерването. Прост пример: величината скорост е реален параметър в системата, в която едно тяло се движи, и не е реален параметър в системата на това тяло, там нищо не е променено, нищо не се движи. Затова Айнщайн го нарича и ефект на измерването. Затова не е тема за учудване, че реално измеримите ефекти са реални за измерващата ги система (скоростта на тялото) и може да не са реални в измерваната система (там тялото е в покой). Не виждам как това може да омаловажи СТО.

По-нататък вие правите серия заключения, които наричате „порокът на СТО”. Ще ги спомена:

По принцип относителната скорост при всички двойки системи (или тела) е една и съща. От тук следва, че „релативистичните ефекти” във всяка двойка системи трябва да бъдат еднакви, поради което те са ненаблюдаеми и неизмеряеми по принцип! Който не е в състояние да проумее този елементарен логичен извод вероятно има интелектуални проблеми и е по-добре да стане политик.

Не зная, но сред учените би трябвало да намерите много кандидати за политици по този критерий... Така формулираната теза си е направо неразбираема. И това, че сред учените политиците са по-скоро изключение, трябва да ви говори, че нещо объркано има в самата постановка на съждението ви. Да, релативистичните ефекти във всяка двойка системи ще бъдат еднакви, поради взаимозаменяемият избор измерваща/измервана системи. Измерващата система (системата, в която имаме наблюдател в смисъла на Айнщайн, заедно със системата измерващи еталони за време и дължина) винаги ще определи определени ефекти в измерваната система. Това го предсказва самата теория, това го демонстрират и експериментите доказващи релативистичните ефекти (с което сте съгласни според по-горният цитат), и ми е непонятно как това положение изведнъж стана „неизмеряемо” за вас. Изглежда това е цената на емоциите, с които се опитвате да опровергаете теорията...

Следващият ваш аргумент е също много странен, ще го цитирам и него, той е продължение на предишния:

А както споменахме по-горе, ефектите са и наблюдавани и измервани. От тук следват два възможни логични изхода:

1. Да се отрече реалното съществуване на „ефектите” и с това да се обезсмисли СТО, защото отсъствието на ефекти прави невъзможно обяснението на липсващ ефирен вятър.

2. Да се приеме, че ефектите съществуват реално, но те не зависят от относителната скорост. Това означава, че ефектите трябва да зависят само и единствено от абсолютната скорост на движение! Това значи, че съществува абсолютна система за отчитане на скоростта – Ефир! - това което е необходимо на уравненията на Максвел! Това значи, че не е имало нужда от преобразованията на Лоренц и от теорията на относителността.

Следователно, и в двата случая СТО е излишна!

Не ви ли се струва, че така изброени тези възможности не изчерпват всичко и заключението ви накрая е силно прибързано? Че има и трета възможност, а именно, че: 3) ефектите съществуват реално и зависят само от относителната скорост? Като под реалност имам пред вид уточнението което правя по-горе – реално за измерващата ефекта система. Само искам да добавя – точка 2) от вашия цитат още по времето на Лоренц вече не е актуална – Майкелсън и Морли доказаха, че етерът не играе ролята на абсолютна система – ако той съществува, той е увлекаем. Да, етерът на Хюйгенс и Френел би бил такава система, но реалният етер – ако съществува – не е. Предполагам, тук също емоциите ви са натежали над логиката.

Ще си позволя да коментирам още една извадка от вашето писмо:

Но реалното съществуване на „ефектите” дава основание да се твърди с увереност, че съществува качествена разлика между покоящата се и движещата се материи. Само движещата се материя притежава кинетична енергия, инерция и де Бройлеви вълни. Става ясно, че отрицанието на реалното съществуване на де Бройлевите вълни е некоректен акт, целящ запазването на СТО!

Що за аргумент са де Бройлевите вълни по отношение на СТО? Вие ги изброявате като задължителна характеристика на движещата се материя, за да използвате после тяхната липса в по-нататъшната теория като аргумент срещу СТО? Нека да оставим квантовата механика сама да се оправя с тези вълни, още повече че те са въведени само като патерица в началото към съвременният корпускулярно-вълнов дуализъм. Ама разбира се, че само движещата се материя ще притежава кинетична енергия, както само тя притежава и скорост. Какво за учудване има тук, което може да разтърси основите на СТО?

Ще се въздържа да коментирам изказванията ви за ОТО. Но в тях също може да се види цената, платена от емоциите за сметка на коректността на изводите. Не е сериозен такъв подход, господин Колесин...

Бих искал да се върна към етера и към основният участник в коментираната от нас статия – ефектът на Саняк.

Под етер обикновено се разбират няколко различни хипотетични същности – светоносен етер (средата нужна за разпространението на светлината), електрически етер (обясняващ светът чрез електромагнетизма, причина за електрическите заряди и взаимодействие), гравитационен (етерът който предлага Айнщайн като възможен носител на метриката), други. Аз ще се съсредоточа на светоносния етер, защото появата на СТО е свързана с неговият залез.

Вие ни обосновавате нуждата от съществуването на етера като необходимост за уравненията на Максуел. Вярно, самият Максуел в книгата си “A Treatise on Electricity and Magnetism” (1873 г.) споменава, че е използувал въображаема среда, за да илюстрира своите уравнения. Но тази илюстрация е била само с цел да се демонстрират по-лесно определени математически теореми (да не забравяме, тогава векторното смятане не е било развито в сегашната си форма), отколкото да се покаже необходимост от такава среда за електрическите явления. И след средата на 1860-те години Максуел не споменава повече за такава среда. Може би все пак Максуел е разбирал по-добре какво прави и е добре да вярваме на него?

Нека идем малко по-далеко във времето – всеизвестният експеримент на Майкелсън и Морли. Интерпретиран в светлината на съществуването на етера, той звучи така: етерът се увлича напълно от движещите се тела. Не би имало нищо лошо за статута на етера – просто едно негово ново свойство, за сметка от загубата на друго свойство - като абсолютна отправна система. Физиката лесно би преживяла това, ако не беше един друг факт – същата теория на етера изисква той да не се увлича от телата, за да може да се обясни ефекта на светлинната аберация. Защото ако етерът се увлича, аберацията ще се компенсира и няма да бъде наблюдавана, докато тя е факт. Няма да намесвам резултатът от опитът на Физо, който пък твърди, че етерът може да се увлича, но само частично, от телата... Исторически опитът на Майкелсън и Морли е важен с това, че открива противоречиво качество на етера – той хем не може да е увлекаем (поради аберацията), хем трябва да е увлекаем (резултат от самия опит). Айнщайн просто е прозрял, че няма смисъл да се решава нерешим проблем, затова е предложил друг път.

Ефектът на Саняк остава един от малкото ефекти, които подхранват надеждата в привържениците на етера, че все пак имат в ръцете си очевидно доказателство за неговото съществуване. Толкова нагледно е било обяснението на този ефект чрез етера, че тези привърженици отхвърлят всякакви други обяснения дори без да ги осмислят. Затова не трябва да ги виним, че са пропуснали и факта, че теорията на относителността също обяснява този ефект. А след като има няколко кандидати за обяснение, нещата не са толкова прости...

Обяснението на ефекта на Саняк чрез етера е просто. Светлината се разпространява в неподвижният етер с постоянна скорост. В системата на самия интерферометър на Саняк (неподвижно с огледалата на интерферометъра) скоростта на светлината ще се сумира или изважда със скоростта на самите огледала в различните посоки (огледалата се движат спрямо етера), по тази причина двата срещуположно движещи се лъча ще се движат с различни скорости (ще имаме анизотропия на скоростта на светлината), и изминавайки един и същи път до срещата си, ще го изминат за различно време, от където ще се появи съответната фазова разлика която уредът отчита. Толкова просто и интуитивно, че направо заслепява за всякакви други обяснения. От където идва и трагедията...

През 1925 г. е направен тъй нареченият експеримент на Майкелсън, Гейл, Пирсън. Те са направили голям, с обиколка почти 2 километра, интерферометър на Саняк, разположен неподвижно на земната повърхност. Резултатът, който те са получили – земята се върти  Или казано в светлината на теорията на етера – земната повърхност се движи спрямо етера.

Простете ме за рутинното споменаване на тези факти, но то е свързано с едно много важно заключение, до което ще достигнем сега. А то е: ако ние повишим точността на някой уред, с който можем да измерваме скоростта на светлината (или нейната разлика в две противоположни посоки, т.н. анизотропията на скоростта на светлината), то ние трябва да можем да регистрираме тази разлика дори върху земната повърхност – нали интерферометърът на Саняк работи точно с нея? Вследствие на въртенето си всяка точка на земята има линейна скорост по екватора към 500 м/с спрямо съпътстваща инерциална система, два светлинни лъча движещи се в противоположни посоки в тази точка ще имат разлика в скоростта към 1 км/с (на географските ширини на които повечето учени си правят опитите малко по-малка, но пак значима). Това не би трябвало да е проблем да се измери, особено след като още в далечната 1983 г. скоростта на светлината е била определена за стандарт, измерена с 1.5 м/с точност. Тук обясненията привлечени при опитът на Майкелсън, че при движение през етера се скъсявали метрите и забавяли часовниците (хипотезата на Фитцджералд и Лоренц) и за това няма да можем да измерим нищо, не работят – ние вече измерваме нещо в интерферометъра на Саняк. В противен случай той нямаше да работи.

И действително, в периодът 1990-2015 г. има голямо количество такива експерименти. Аз бих споменал само два. Първият е на Валерий Рагульский (Physics Letters A, 235, issue 2, October 1997, Pages 125–128), който определя, че в земни условия анизотропността в скоростта на светлината е под потресаващите 15 см/с. Вторият е последният експеримент в тази област, който вдига още многократно точността на това измерване (Nature Communications 6, Article number: 8174 doi:10.1038/ncomms9174) със заглавие „Direct terrestrial test of Lorentz symmetry in electrodynamics to 10−18 ”. Това е най-точното измерване в областта на електромагнетизма, правено някога. Втората статия е със свободен достъп и всеки може да я прочете.

И двете (и всички нецитирани подобни също) измервания ни показват, че етер, създаващ възможност да бъде обяснен ефекта на Саняк чрез анизотропия на скоростта на светлината върху земната повърхност, няма. Както уточних, става дума за светоносният етер. Нещото, без което теорията на относителността се справя блестящо. Липса, която просто обяснява провала на други подобни теории на също именити учени – Лоренц, Понкаре... Изключително прозорлив е бил Поанкаре, когато е предположил: етерът вероятно е неоткриваем... А неоткриваемите същности нямат способността да съществуват. Интерпретацията на опита на Саняк от позициите на релативизма на днешният ден е единствената която издържа бремето на проверките. Гаражните гении губят и тази битка. 

С уважение: Румен Герасимов.

Още по темата

26/02/2016

Физика

Читател на Наука OFFNews: Айнщайн не е прав. Ето защо

08/11/2015

Физика

Гаражните гении срещу Айнщайн или ефектът на Саняк

07/03/2015

Физика

Обща теория на относителността

17/01/2015

Физика

Специалната теория на относителността