"Мы покоряем пространство и время..."
В. Лебедев-Кумач "Марш весёлых ребят".
Вступление
Автор считает необходимым и полезным краткий экскурс в историю вопроса.
Трудно найти слово, более часто употребляемое в каждодневной жизни людей, чем
слово "время". Люди привычно задают друг другу вопрос, не имеющий сам по себе никакого практического смысла - "Сколько времени?". Потому что правильный, хоть и несколько издевательский ответ на него - "Времени столько, сколько будет существовать человечество". Вопрос этот обретает вполне конкретный смысл только потому, что на самом деле он означает "На какие цифры сейчас указывают часовая и минутная стрелки на стрелочных часах" или "Какие цифры сейчас на электронных часах с цифровым табло". А вот что значат эти цифры и что делать, зная их - этому люди учатся с детства. Увы, вся жизнь современного человека происходит в сопровождении этих цифр.
О понятии "Время"
Итак, оставив пока в покое цифры, разберёмся со словом "время". Что это? Что означает это слово само по себе? Имеет ли оно материальное наполнение и существует ли в Природе его физический носитель? На последний вопрос ответ прост и краток - НЕТ! Те, кто в этом усомнятся, попытайтесь найти свидетельство того, что хоть один вменяемый философ или учёный в истории человечества предпринял попытку придумать или описать конкретный материальный источник времени или найти носитель времени, как нашли источники и носители массы и энергии разного рода. Разве что Бог Хронос из греческого паноктикума богов... Поэтому на вопрос "время - что это?" правильный ответ - это всего лишь слово и несомое им ПОНЯТИЕ, созданное и по-разному интерпретируемое самими людьми.
Можно только предположить, что понятие это возникло как продукт развивающегося сознания людей ещё на родоплеменном уровне. Когда их жизнь, как это и есть на самом деле, была осознана ими как последовательность их собственных действий и событий в окружающем их мире. Надо думать, что объединённые общими интересами, группы людей пытались организовать совместные действия. И тогда неизбежно возникал вопрос "когда?" (например, выйдем на охоту). На вопрос "когда" ответ мог быть дан просто глядя на небо. О часах, понятно, речь тогда не шла. Но видимый глазами восход и заход солнца легко позволял сказать "когда появится солнце", "когда солнце будет над головой" или "когда солнце уйдёт". Это было практически вполне возможным ответом, который, по существу, уже нёс в себе и понятие, и количественную оценку временного интервала в масштабе суток.
Избегая любых предположений о долгом процессе формирования обобщённого понятия времени, ибо история об этом умалчивает, можно без потери связности сразу перейти к его достоверной части. Начнём с философов древности, чей интеллект никак не уступал его лучшим сегодняшним образцам. Вот несколько необременительных цитат. Антифон, софист, 5-й век до нашей эры: "Время это не реальность, а концепция, измерение". Время в буддистской философии, как и в Кабалле, трактуется как иллюзия. Двигаясь дальше - Платон идентифицировал время как период движения небесных тел. Аристотель в 4-й книге своей "Физики" определил время, как число движений от состояния "ранее" до "после". Как это близко к часам! Великий Ньютон дал определение времени как части фундаментальной структуры Вселенной в качестве "размерности, в которой события происходят в своей последовательности". Это уже не просто игра ума. На "ньютоновом времени" построена вся физика, прекрасно работающая до наших дней. Лейбниц и Кант утверждали, что "пространство и время не существуют сами по себе, но являются результатом метода, которым мы представляем себе вещи". Разве можно сказать лучше? Современные Бергсон и Хайдеггер, как водится в новое время, наполнили понятие времени сплошным "туманом сизым", но тоже не усмотрели в нём физической реальности. Все и всегда были единодушны в принятии однородности метрики и однонаправленности времени. Прошлое безвозвратно, а размерность последовательности, в которой происходят события, всегда должна быть одинакова. Иначе невозможно было бы даже употреблять слова "одновременно", "раньше" или "позже". Иными словами, все часики должны тикать в одинаковом темпе!
В науке, буквально во всех её областях, было то же самое, что позволяло всем оперировать одинаковой метрикой при оценке интенсивности изменения положения или состояния любых материальных объектов и процессов. Абсолютно всё, что человек сегодня видит вокруг себя, было создано на базе незыблемости этого предположения. С самого начала ещё примитивной человеческой культуры, со времён солнечных часов, наполнение понятия времени "цифровым содержанием" происходило и до сих пор происходит с использованием наблюдаемых стабильных периодических процессов. Все часы показывают не абстрактное время, а оцифрованное значение промежутка времени, которое надо установить. Ведь даже и сегодня показания всех часов привязаны к периоду вращения Земли вокруг своей оси, разделённому на 24 часа и показывают нам промежуток времени от ближайшей полуночи. Развитие науки и техники привело к созданию маятниковых часов, где число весьма стабильных колебаний маятника преобразуется во вращение стрелок на циферблате. Потом появились механические часы с пружиной, балансиром и храповиком. Появление электронного генератора, чьи колебания с высокой точностью стабилизируются кварцевым резонатором, позволило подсчитывать число их стабильных периодов и напрямую показывать цифры прошедшего интервала времени. Наконец появились и атомные часы различных стандартов (различных по природе источников и частоте исходных колебаний) невероятной стабильности, но всё также считающие число периодических процессов - уже в микромире [1]. Вот так по сей день придаётся численное значение Ньютоновской "размерности, в которой события происходят в своей последовательности". Это было бы и всё о "времени", но, воистину, ничто не вечно под Луной!
Физика и Время
Развитие различных отраслей физики и создание соответствующих теорий, описывающих явления и процессы, неизбежно требовало вовлечения времени как параметра этих процессов. Сегодня помимо Ньютоновского определения времени в классической механике, своё определение ему дали в термодинамике, электромагнетизме и в квантовой механике. Вот как было учёным удобно и необходимо, так они и определяли [2]. Никакого общественного резонанса это не вызвало. Широкой публики это вообще не касалось и не касается. Важно только, что на основе их теорий работает вся окружающая нас техника! Но вот одно определение - "релятивистское время", заметно выпадает их общего ряда.
Автору ни к чему обвинения в плагиате. На тему времени, помимо упомянутых имён великих, существует изрядно публикаций и других авторов разного уровня, чей подход к слову "время" автор тем не менее разделяет. Например, вот эта, с широковещательным названием Научных и околонаучных публикаций и даже литературных произведений из области фантастики, где этим словом буквально жонглируют, есть намного больше. Настолько больше, что тема времени уже практически полностью оккупирована стронниками ложно трактуемого релятивистского воззрения. Но в последние десятилетия, после создания невероятно точных атомных часов, когда стали появляться экспериментальные, и потому - "неопровержимые доказательства" зависимости времени от действия релятивистского эффекта, автор потерял заслуженный покой. Тем более что доказательства создаются в профессионально знакомой автору области измерений. Потерпев, сколько сил хватало, автор, по примеру других, наконец завопил - "Не могу молчать!" и бросился к клавиатуре.
Как вообще появилось это понятие "релятивистского" или, попросту, относительного времени? Вот сведения из публикации [3]. Все началось с математических преобразований, которые ранее всех, в 1887г. применил В.Фогт при исследовании эффекта Допплера, а в 1900г. Ламор и независимо от него Лоренц в 1904г. нашли преобразования координат, времени для электромагнитных полей, которые оставляют уравнения Максвелла инвариантными при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой. Эти преобразования отличались от преобразований Галилея классической механики и, с подачи Анри Пуанкаре, стали называться преобразованиями Лоренца. В оригинале, у Лоренца, всего два постулата: все инерциальные системы отсчёта физически эквивалентны, и скорость света в вакууме постоянна, конечна и не зависит от скорости источника движения и наблюдателя. Но в таком случае естественно, что электромагнитные взаимодействия на объекте, движущемся относительно наблюдателя с собственной и учитываемой скоростью, уже не будут описываться теми же уравнениями. Вот если ввести преобразование координат движущегося объекта с учётом их скорости, а заодно и изменить темп течения времени на нём, всё прекрасно сойдётся в части уравнений. Это преобразование, именуемое множитель Лоренца Гамма, для пересчёта координат и времени настолько важно, что стоит его привести. Здесь v - cкорость движущегося обьекта, а C - постоянная скорость света в вакууме:
Гамма = 1/Кв. корень(1-v^2/C^2)
Как легко понять, учёные применили математические методы для сохранения единства фундаментальных уравнений Максвелла при рассмотрении электромагнитных явлений, происходящих на движущихся с постоянной скоростью (инерциальных) объектах. Единство результатов (инвариантность) уравнений теперь сохранялась в обеих случаях рассмотрения их с условно неподвижного или подвижного объекта. В постулатах Лоренца, по существу и заложен весь принцип относительности. То, что происходит на инерциальном обьекте с точки зрения наблюдателя на неподвижном обьекте, совершенно идентично тому, что происходит на неподвижном объекте с точки зрения наблюдателя на подвижном. Полная симметрия. Вот так вообще работает наука. Создатель любой теории похвально стремится распространить её на наиболее широкий круг явлений и условий, сделав её универсальной. Если при этом теория вступает в противоречие с экспериментом или не в состоянии обьяснить некоторые явления, которые относятся к её области - она ограничена , а то и ущербна.
Работы великих предшественников Эйнштейна стали фундаментом специальной теории относительности (СТО). Заметим, что вначале речь шла только об электромагнитных явлениях. Но Эйнштейн в своей работе "К ЭЛЕКТРОДИНАМИКЕ ДВИЖУЩИХСЯ ТЕЛ" (1905г.), где имя Лоренца один раз упомянуто, но почему-то нет ни единой принятой в таких случаях ссылки, распространил преобразования Лоренца на все физические (а не только электромагнитные) процессы и указал, что все физические законы должны быть инвариантны относительно этих преобразований. Вот именно в этом её коренное и "революционное" отличие. Вот что сделало её столь "лакомой" для всех пропонентов СТО! Поскольку работа эта, несмотря на скромное название, и есть первоисточник СТО, правильное, буквальное понимание её положений крайне важно для всех дальнейших суждений: [https://www.fourmilab.ch/etexts/einstein/specrel/www/]. Далее используется её хороший (по моей оценке) перевод на русский [4], где в начале всё и сказано. Эйнштейн вносит "предположение, что для всех координатных систем, для которых справедливы уравнения механики, справедливы те же самые электродинамические и оптические законы, как это уже доказано для величин первого порядка. Это предположение (содержание которого в дальнейшем будет называться «принципом относительности») мы намерены превратить в предпосылку и сделать, кроме того, добавочное допущение, находящееся с первым лишь в кажущемся противоречии, а именно, что свет в пустоте всегда распространяется с определенной скоростью V, не зависящей от состояния движения излучающего тела". Что-ж, возражать не приходится! Ведь эти предположения уже были сделаны. И главное - наука обязана исходить из того, что законы природы одинаковы для всей наблюдаемой нами Вселенной, иначе их изучение становится пустой забавой. Да и весь земной опыт это подтверждает без всяких исключений. Прошу обратить внимание, что сам Эйнштейн, будучи от природы человеком скромным, называет это не теорией, а именно "принципом". Не он сам превратил его в "специальную теорию относительности" и потому, похоже, упрёки такого рода в его адрес безосновательны.
Но вот далее в тексте начинается нечто интересное! Вводятся разные определения времени. Время в неподвижной системе отмеряется ОДИНАКОВЫМИ часами, находящимися в разных неподвижных точках системы. Но при этом в каждой точке присутствует своё "время"! И делается допущение, что события в такой системе считаются синхронными, то есть происходящими одновременно тогда и потому, что время прохождения луча света с постоянной скоростью между любыми двумя точками неподвижной системы точек будет одинаковым в обе стороны движения луча. Пока, если не считать введения различных "времён", а значит отказа от понятия единого времени, всё в порядке. Но уже во 2-м параграфе рассмотрен движущийся стержень с синхронными, пока он неподвижен, часами на его концах. И вот они, часы, перестают быть синхронными с точки зрения приведенного определения. Заметим, одинаковыми перестают быть не просто промежутки времени прохождения луча света в оба конца движущегося стержня, что совершенно очевидно, а почему-то именно ЧАСЫ! Почему, что с ними происходит - наука умалчивает... Никогда и нигде любопытный читатель не обнаружит причины того, что именно происходит с любыми ЧАСАМИ в релятивистской кинематике. Нигде нет ни намёка. Доказательство одно - они движутся, а потому должны отставать. Аминь! Отныне исходная посылка о том, что речь идёт о времени, как параметре некоего уравнения, написанном для условно подвижной системы, а отнюдь не о техническом приборе часы, куда-то исчезает бесследно.
Третий параграф даёт соотношения для преобразования координат и времени движущейся системы, что впрочем, тоже уже было проделано Лоренцем. И преобразование выведено совершенно то же самое, хоть и с другими буквами обозначений параметров.
В 4-м параграфе "Физический смысл полученных уравнений для движущихся твердых тел и движущихся часов" о "нехорошем" поведении часов уже сказано со всей определённостью: "Если в точках A и B системы K помещены покоящиеся синхронно идущие часы, наблюдаемые в покоящейся системе, и если часы из точки A двигать по линии, соединяющей ее с B, в сторону последней со скоростью v, то по прибытии этих часов в B они уже не будут более идти синхронно с часами в B". Мало того: "Если в точке A находятся двое синхронно идущих часов и мы перемещаем одни из них по замкнутой кривой с постоянной скоростью v до тех пор, пока они не вернутся в A (на что потребуется, скажем, t сек), то эти часы по прибытии в A будут отставать по сравнению с часами, остававшимися неподвижными на t/2 * ( v2/ V2 ) ". Вот из этой фразы и выросли все фантастические романы о времени и поддерживающие их соответствующие научные труды! Её истинность и проверяется во всех последоваших экспериментах.
Здесь автор должен привести своё, ему вполне очевидное соображение, которое он, в столь простой форме, тем не менее, не встретил ни в одном из многих текстов, прочитанных им по теме. Оно чисто логическое. Во Вселенной нет абсолютно неподвижных обьектов. Стало быть все объекты в любой теории являются лишь условно неподвижными. И уже в постулатах Лоренца условие инвариантности на этом и основано. Но значит если объект движется относительно другого, принятого условно неподвижным, то с равным правом наблюдатели на этом объекте могут полагать именно себя условно неподвижными, а движущимся - как раз первый объект. Теперь, говоря о замедлении часов, наблюдатель-релятивист на каждом из этих объектов может утверждать, что часы отстают не у него, а отстают совершенно одинаковые часы на другом объекте. Ведь воистину всё относительно! Кто же из них прав, настаивая на своём утверждении касательно измерительного прибора под названием "часы"? Раз они равноправны, то ясно, что никто! Вот тут автору и показалось, что переходя от параметра "время" к реальным часам, Эйнштейн несколько погорячился. Каждый волен использовать любые по своему вкусу инвариантные уравнения, содержащие параметр "время", но реальные часы тут не при чём. "Парадокс близнецов", по поводу которого исписаны сотни страниц и выведены сотни формул, не разрешим, потому что не существует. Астронавт, оставивший на Земле своего брата - близнеца и полетевший куда-то и зачем-то на скорости, близкой к световой, будет считать, что вернётся на Землю гораздо старше своего брата. А на Земле релятивисты будут убеждать оставшегося брата, что к нему вернётся ну совсем молодой его близнец. Эта, с позволения сказать, проблема простой логики (и это опять-же нигде не упоминается) предполагает однако, что не только любые физические часы замедлят свой ход, но то же самое произойдёт и с биологическими часами человека. Это как? А между тем, уже вполне серьёзно предполагается сравнить биологический возраст американского астронавта, год или больше отлетавшего на станции "Мир", с возрастом его земного брата-близнеца. Я просто уверен, что биологи, если они при этом убеждённые "релятивисты", непременно обнаружат эту разницу в их возрасте. Мало того, при её величине в секунды, она будет с точностью до наносекунд совпадать с предсказанной по СТО.
Автор может предложить следующую схему событий на предмет постулатов СТО. Пусть от условно неподвижного объекта удаляются стартовавшие от него одновременно не один, а два подвижных объекта, движущиеся с одинаковой скоростью, но в диаметрально противоположных направлениях. С точки зрения СТО и наблюдателя на неподвижном объекте, любое событие на обоих подвижных объектах будет не синхронным и происходить с отставанием по отношению к его событиям. Но вот что важно - так как оба подвижных объекта удаляются с одинаковой и постоянной скоростью, вдоль одной оси и разве что только в противоположных направлениях, что никакой роли в СТО не играет, то с точки зрения неподвижного наблюдателя и отставание времени у них по отношению к нему, главному, будет совершенно одинаковым! Тогда он просто обязан объявить с полным на то правом, что два события, отстающие от него одинаково по времени, между собой происходят одновременно! Против чего, в соответствии с исходными предположениями СТО, резко возразили бы оба движущихся наблюдателя. Автору с отставанием часов всё ясно! Тем не менее продолжим.
Цифры, факты и их обсуждение
Итак, "несомненное" доказательство верности СТО в части замедления времени благодарное человечество получило в результате эксперимента Хафеле-Киттинга [5].
Вот итоговые результаты:
Разность показаний путешествовавших и остававшихся на месте часов, наносекунды
Вычисленная (предсказанная) Измеренная
Гравит.вклад(ОТО) Кинемат.вклад(СТО) ОТО + СТО фактически
При движении
На восток + 144 ± 14 ; 184 ± 18 ; 40 ± 23 ; 59 ± 10
На запад + 179 ± 18 + 96 ± 10 + 275 ± 21 + 273 ± 7
Достаточно прочитать текст описания постановки эксперимента и бегло взглянуть на таблицу результатов, чтобы утверждать, что весь этот эксперимент:
а) не отвечает условиям, декретированным Эйнштейном (см. выше цитаты самого Эйнштейна)
б) его результаты противоречат тому, что предсказывал Эйнштейн в отношении часов.
Прежде всего, у Эйнштейна и покоящиеся часы, и подвижные, входят в одну и ту же систему отсчёта с центром в точке неподвижных часов. В эксперименте центром системы отсчета была принята точка центра Земли. Использование условно инерциальной геоцентрической системы координат при расчётах положение дел не меняет. В этом случае сама по себе постоянная линейная скорость самолётов и часов, летящих на них по круговому маршруту вокруг земного шара в любом направлении, в принципе, геометрически не могла быть постоянной относительно образцовых часов на поверхности Земли. А именно эта скорость и используется в расчётах замедления хода часов. Действительно, в §5 СТО [4] выводится формула сложения скоростей движущегося объекта для случая, когда он движется не по прямой вдоль оси, а в одной плоскости с разными линейными скоростями относительно двух осей. И там показано, что при подсчёте результирующей скорости, требуется знание значения угла между неподвижным объектом и подвижным. Для условий эксперимента Хафеле-Киттинга сам это угол является величиной переменной и зависящей от времени. Средняя широта полётной орбиты приведена, но как следует из описания маршрута, сама траектория самолётов была криволинейной и потому не лежала даже в одной плоскости. Также у Эйнштейна нигде не упоминаются слова "восток" и "запад". Речь идёт только о движении по замкнутой кривой в любом направлении. И однозначно заявляется - движущиеся часы могут только отставать от неподвижных. Всё остальное - от лукавого. Но я уважаю людей, потративших своё время на обсуждение погрешности этого некорректного эксперимента и прочие его детали, как в случае добротной и интересной публикации [6]. Измеренные результаты этого эксперимента, конечно-же, отражают какую-то его собственную физическую реальность, но подтверждением СТО быть не могут. И сам этот экперимент, и уверенные выводы на основе его результатов - это просто "реликтовое излучение" мощной вспышки СТО.
Кстати, ещё одно соображение автора. Если бы неподвижные часы находились где-нибудь посредине между Лиссабоном и Владивостоком, а подвижные - на поезде, достаточно долго курсирующем с постоянной скоростью в обоих направлениях между крайними точками, то такая схема экперимента более точно соответствовала бы тому, что написано в СТО. Возможное влияние колебания потенциала гравитации или магнитного поля, ускорений, и даже не упомянутая в СТО разница между движением на запад и восток, как и кривизна земной поверхности - всё это было бы полностью скомпенсировано. Но автору совершенно очевидно, что такой эксперимент никто и никогда не поставит.
Теперь позвольте прокомментировать дословно последнее и запоздалое предложение текста [6], идентичного в русском и английском варианте: "В настоящее время такие релятивистские эффекты входят в расчеты, используемые для спутниковых глобальных систем позиционирования — действующих американской GPS и российской ГЛОНАСС и разрабатываемой европейской системы Galileo".
Запуск навигационных спутников с атомными часами на борту и интерпретация результатов изменения темпа их работы на орбите стал "звёздным часом" релятивистской физики. Итак, они везде и дружно утверждают, что вот теперь прямой эксперимент точно подтвердил все предсказания теории относительности - как СТО в части замедления часов, так и ОТО (Общей Теории Относительности) в части их гравитационного ускорения.
Вот часть отчёта по разработке GPS, первой по времени в ряду других [7] - "INITIAL RESULTS OF THE NAVSTAR GPS NTS-2 SATELLITE James A. Buisson, Roger L. Easton, Thomas B. McCaskill. Naval Research Laboratory (NRL) Washington, D.C. Это начальные результаты испытаний спутника NTS-2 для навигационной технологии, которые оказались столь невероятно успешными и продуктивными, что это позволило начать непосредственно разработку GPS. Вот что включали и позволяли осуществить технологические возможности NTS-2: первый в мире движущийся по орбите цезиевый стандарт часов, никель-водородные батареи, трёх-осевая стабилизация инерционным колесом гравитационного градиента, контроль орбиты спутника, проверка Эйнштейновского релятивистского сдвига (хода) часов, достижение точности измерения интервала времени с точностью 3 наносекунд (3х10-9 сек), (комплектование) мировой сети для сбора данных. Все задачи были успешно решены. Заметим, нашлось время и место для " подтверждения релятивистского эффекта" даже в этом, сугубо практическом мероприятии, финансируемом ВМС и ВВС США. Далее для экономии места можно ограничиться только разделом публикации "Определение Частоты", посвящённым оценке темпа хода цезиевых часов на спутнике, получаемой в сравнении с тоже цезиевыми образцовыми часами на станции слежения на Земле, и его коррекции. Они отражены на графиках 19 и 20, где приведен "theoretical range minus the observed range (T-O) values which are calculated from measurements, collected at a one minute interval from the Panama (PMA) site. These (T-O) values yield a measure of the spacecraft clock offset with respect to the PMA clock. Figure 20 presents a plot of (T-O) values from PMA over a six day span". Итак, графики по оси ординат отражают реально наблюдаемый каждую минуту на станции слежения в Панаме темп ухода спутниковых часов. Сами реально измеренные (О - observed) значения почему-то в этой публикации отсутствуют. Тут они, (О), для чего-то вычтены (сказано - minus!) из предсказанного теоретического (Т- theoretical) значения, которое тоже не приведено. Даже при беглом взгляде видно, что установленная разница близка к 38 мкрсек в день (38х10-6 с/день). На этих-же графиках приведены теоретические рассчитанные и фактические измеренные отклонения частот. О каких частотах речь - в тексте не сказано ни слова. На 215-й день полёта и наблюдений эта разница частот была скорректирована. Как можно понять, на 295-й день было вторжение и в работу самих атомных часов (С-field correction), но оно внесло поправку на 3 порядка меньшую в сравнении с частотной (Фиг.27). Тогда каким образом достигнута основная коррекция? Как сказано, изменением с помощью частотного синтезатора частоты радиосигнала (output signal), передающего на землю с интервалом в 1.5 сек коды, несущие информацию о показании часов (the NTS-2 PRO-5 output signal was offset (Fig. 21) through the use of a frequency synthesizer). То есть этим изменили фазовые сдвиги приходящих на Землю отметок времени спутниковых часов. Как легко видеть на графике 21, уже после введения частотной коррекции, значение наблюдаемого ухода часов спутника практически сравнялось с предсказанным теоретически, линия стала горизонтальной, а значит их разница стала нулевой. Что и требовалось ! Однако остаётся беспокоящий вопрос. Если наблюдаемый уход часов стал равен теоретически предсказанному, то это отнюдь не значит, что достигнута необходимая для цели навигации синхронизация земных и спутниковых часов. Из графиков можно понять так, что теперь темп ухода спутниковых часов лишь сравнялся с теоретически предсказанным. Как в будущем компенсировать эту остающуюся разницу темпа хода по сравнению с земными часами? И об этом в этом тексте тоже не сказано ни слова и пришлось обратиться к другим публикациям [8] и [9]. Чрезвычайно информативны обе. Первая "RELATIVISTIC EFFECTS ON SATELLITE NAVIGATION", т.е. "Релятивистские эффекты при спутниковой навигации", написана релятивистом и для релятивистов. Достаточно перевести и процитировать краткое вступление к разделу 7.
"Главные релятивистские эффекты при спутниковой навигации:
- релятивистское отставание времени
- релятивистская разница во времени, обусловленная гравитацией
- влияние релятивистского эффекта на частоту
- релятивисткское влияние на диапазон расстояния
- релятивистский эффект связанный с вращением Земли
- релятивистский эффекты, вызванные эксценриситетом орбиты
- ускорение спутника в теории относительности
Присутствует больше релятивистских эффектов, но их влияние на спутниковую навигацию незначительно".
Итак, что бы там в небе ни происходило, практически всё оно имеет релятивистскую природу. Это сама по себе хорошая иллюстрация широты релятивистского охвата всего происходящего в окружающем нас мире. Для каждого, непременно "релятивистского" эффекта, в тексте приведены свои расчётные формулы. И это прекрасно!
Рассмотрим только один, весьма конкретный раздел 8: "Relativistic effects on GPS". Здесь автор ссылается на официальную спецификацию GPS - программы (ссылка 25 из 53-х) в сотни страниц, итог всей разработки, а потому написанное заслуживает доверия и полностью раскрывает суть временных и частотных отклонений, приведенных в [7]. И тут выясняется, что помимо несущих частот L1 и L2 1575,42 MHz и 1227,6 MHz соответственно, имеется и "номинальная", или в другом источнике (ссылка 51) - "фундаментальная" частота 10,23 MHz, "принимаемая наблюдателем на Земле". Вот именно она, создаваемая прецизионными часами на спутнике, как и обе несущие, синхронизирована с кодом, который несёт всю информацию со спутника. А фазовые отклонения в приходе двух последовательных кодовых сообщений - это и есть наблюдаемая разница во времени между спутниковыми и земными часами. Эта разница включает как нужную для целей навигации информативную часть - время прохождения сигнала от спутника до Земли, так, к сожалению, и погрешность во времени, вызванную всей совокупностью влияющих факторов. Так вот, измеренный уход фундаментальной частоты составил ;f/f = – 4,4647;10;10 . Далее: "GPS frequency, which would be measured at the satellite, is modified for this amount in the way (1 – 4,4647;10;10) ; 10,23 = 10,229.999.995.432.6 MHz". То есть частота, будучи созданной на спутнике, модифицируется до данной сосчитанной величины. Как? С помощью упомянутого в [7] и [8] частотного синтезатора. Тогда поступив на земной приёмник она будет точно равна номинальной. Скорректирована была именно частота, а эффект ухода времени, вызванный уходом частоты при прохождении дистанции от спутника до Земли, также при этом автоматически скорректировался в точном математическом соответствии и составил (расчёт приведен) "38 575 нсек/day" или 38, 575 мкрсек/день, как примерно и видно на графиках в [7]. Для теоретического расчёта этой коррекции частоты в [8] дана ссылка на формулу 7 в разделе 7.3 "Релятивистский эффект частоты". Мало того, в разделах 7.1 и 7.2 приведенны формулы для подсчёта СТО- отставания и ОТО- гравитационного ускорения именно хода часов. НО ЭТО СОВСЕМ ДРУГИЕ ФОРМУЛЫ! А вот и резюме по коррекции частоты: " In this way a major part of the relativistic effects is removed". Таким образом удалена главная составляющая релятивистских эффектов.
Читатель - вот это и есть момент истины!
Теперь остаётся оценить результаты теоретических предсказаний обоих эффектов именно для ЧАСОВ на спутнике. Работа [9] называется "Что глобальная навигационная система GPS говорит нам об относительности" и написана серьёзным учёным Томом Ван Фландерном, работавшим непосредственно для Американской Морской Обсерватории, одной из баз всего проекта GPS. В тексте приведены несомненно достоверные значения теоретически предсказанных величин отставания хода часов на спутнике (СТО) и гравитационного воздействия на их опережение (ОТО). Сказано: "ОТО предсказывает для спутников системы GPS, что атомные часы на орбитальных высотах спутников GPS идут быстрее примерно на 45900 нс/день, потому что они находятся в более слабом поле тяготения, чем атомные часы на земной поверхности. Специальная теория относительности (СТО) предсказывает, что атомные часы, перемещающиеся с орбитальной скоростью спутников системы GPS, идут медленнее примерно на 7200нс/день, чем неподвижные наземные часы". Что-ж, разница этих чисел в 38.7 мкрсек/день численно примерно совпадает с приведенной на графиках испытаний NTS-2 величиной (Т-О), хотя и не имеет к ней никакого отношения.
Принятое в науке точное значение скорости света составляет 299792458 м/c, а орбитальная (по касательной к его круговой орбите) скорость спутника- 3874 м/с. Автор, в соответствии с формулой (4) из [8], подсчитал теоретическое замедление времени за сутки, использовав как указано в (4) просто множитель Лоренца - Эйнштейна (формула приведена выше). Получилось суточное отставание скорости, равное 7213.7 нс/день, что достаточно точно совпадает с приведенной выше округлённой теоретической. Это значит, что при теоретическом расчёте использовалась не скорость удаления подвижного "объекта от неподвижного", как декретируется в СТО, а просто собственная скорость спутника. Вот это изумляет! Если часы отстают, то значит они отстают от каких-то других. По Эйнштейну для вычисления этого отставания должна использоваться именно величина скорости одних часов относительно других. Так неужели можно заменить истинную относительную скорость земных часов, вращающихся вместе с Землёй на их широте, и часов спутника, вращающихся на 20000 км выше по круговой орбите под углом 55град. к плоскости экватора, одной единственной, и притом скалярной скоростью самого спутника? Это никак не возможно! Так что и теоретическая цифра замедления никак не отвечает реальности, так как параметры для её оценки - условиям СТО. А значит недостоверна и она, и вся теоретическая разность в 38 микросекунд в день.
Теперь нужно обсудить влияние гравитационного эффекта на ускорение хода часов. В [8] не только приведены соответствующие формулы (5) и (6), но и дан пример расчёта для случая, когда часы находятся на высоте 2 км. Автор проверил этот расчёт и убедился в его верности. Часы на горе должны идти быстрее на 2,1;10–13 сек/сек. Автору осталось только увеличить высоту часов до высоты орбиты спутника в 20000 км и пересчитать. Получилось, что часы на спутнике должны из-за уменьшения влияния гравитации идти быстрее на 45 616 нсек/день. Опять совпадение, убеждающее автора в том, что именно эти формулы (5) и (6) из [8] были использованы для теоретических расчётов влияния релятивистских эффектов именно на часы.
И, как и в случае с замедлением хода, автор обратил внимание на разницу условий действия гравитационного эффекта на ускорение хода в теоретическом случае, когда часы по аналогии с примером, рассматриваются лежащими на горе, но только высотой в не в 2 км, а 20000 км - и в реальной ситуации, когда часы вращаются вместе во спутником по круговой орбите. А разница в том, что как и сам спутник, часы на нём пребывают в состоянии невесомости! И эта самая невесомость - это состояние обязательно достигаемое любым спутником Земли, иначе не быть ему спутником. Естественно, что на орбите любого спутника на него действует гравитационный потенциал Земли, хоть и меньший, чем на её поверхности. Потому спутник постоянно пребывает в состоянии свободного падения на Землю. Но в силу его скорости, соответствующей высоте его орбиты, он по ней и движется и никак на Землю не падает. Это означает полную компенсацию действия на него силы притяжения Земли и объясняет его невесомость. Для справки - автор также подсчитал по тем же формулам, что будет с часами в глубоком космосе, на расстоянии в сотни миллионов километров от ближайшего источника гравитации, в состоянии полной невесомости. Они должны будут опережать земные на 60145 нс/день. Именно эта цифра и соответствует состоянию невесомости. Вот тут автор задал себе задачу - найти хоть одну публикацию по теме контроля часов навигационных спутников, где бы упоминалось о возможном влиянии состояния невесомости на работу атомных часов или хотя-бы о присутствии самой невесомости. И не нашёл!
Автор утверждает, что если бы кто-нибудь действительно захотел проверить реальный темп релятивистского, и потому систематического ухода именно самих спутниковых часов, исключив все привходящие влияния, то сделать это можно было сразу и это возможно всегда самым простым образом. Для этого достаточно точно сутки по наземным часам регистрировать на спутнике число реальных колебаний излучения цезиевого источника и передавать на землю это число по команде с Земли. Повторять это с интервалом точно в сутки, передавая на Землю итоги именно в форме числа в кодах, исключающих действие помех. Такие коды есть и используются для передачи числовой информации со спутниковых часов. Это возможно, потому что отставание командного сигнала с Земли на считывание и перезапуск счётчика всегда будет практически одинаковым даже и без коорекции его частоты. Разница двух чисел, полученных через сутки, делённая на точно известную физическую частоту переходов в атоме цезия (цезиевый стандарт), и будет точным уходом именно этих часов за сутки. Отсчёты можно повторять как угодно долго для повышения достоверности и точности оценки. Автору известен и другой, менее наглядный, но более простой технически алгоритм. Излагать его бессмысленно, так как этого не будет делать никто и никогда.
Краткие выводы
Тому, кто дочитает до выводов, автор считает необходимым сообщить свое мнение, сформировавшееся в процессе долгой и кропотливой работы над этим текстом:
- Понятие времени, давно сформированное человечеством - неколебимо, и пока остаётся действенным и плодотворным. Одновременные, синхронные события в любых двух точках Вселенной возможны и происходят сами по себе, безотносительно установления их синхронности по движению луча света между ними. Природе вообще ни к чему понятие времени и синхронности событий, в ней происходящих. Занимаются этим в своих целях люди, и не только, как правило, учёные.
- Метрика, конечно не времени вообще, а его конечных интервалов между событиями, введена и осуществляется подсчётом числа периодических природных колебаний, любезно созданных для человека самой Природой. В виде от периода суточного вращения Земли до периода изменения энергетических уровней электронов в атомах. Чем стабильней и меньше период колебаний - тем точнее часы. Независимо от физического принципа работы, невозможно достичь абсолютной точности никаких часов, однако всё время повышающаяся их точность и стабильность происходит благодаря и одновременнно с прогрессом науки, техники и технологии.
- Применение теории для оценки изменения темпа хода любых часов, не учитывающей физической природы работы данных конкретных часов и влияющих на их работу, опять же, физических факторов - вообще неправомерно и с общенаучной точки зрения и просто некорректно.
- СТО, декларирующая отставание любых часов только в силу их равномерного и прямолинейного движения, не опирается и не ссылается ни на какие законы физики, реально определяющие работу часов. Тогда речь может идти только об их воображаемом отставании с точки зрения неподвижного наблюдателя. Также обоснованно вводить изменения в само понятие времени в инерциальных системах, рассуждая о "разных временах", если твёрдо не именовать их условными.
- Сила гравитации Земли несомненно влияет на физические процессы, происходящие в любых часах, разве что кроме солнечных. Так, самими создателями часов - от маятниковых до атомных, физически показано, почему и как с изменением гравитационного потенциала при удалении часов от Земли должен меняться темп регистрируемых в них колебаний. Из их формул, в частности следует, что маятниковые часы в принципе не могут работать в условиях невесомости, а вот кварцевые и атомные могут и работают. Физические принципы работы часов и их конструкции настолько различны, что в даже принципе не может быть совершенно одинакового изменения темпа хода любых часов при одинаковом изменении гравитационного потенциала. Как же можно применять одну и ту же формулу ОТО, не содержащую никаких параметров конкретных часов сразу для всех их одновременно? По мнению автора - нельзя.
- Учёные имеют право и даже обязаны выдвигать любые теории и настаивать на их верности. Наука без свободы разума невозможна. Но с точки зрения философии познания, любая научная теория может быть признана верной в отношении любого феномена, если она включает в себя и описывает данный феномен и выводы этого описания подтверждаются корректной проверкой при точной воспроизводимости результатов. Иначе теория эта должна именоваться гипотезой, или в худшем случае - новой религией.
Ссылки:
1. https://ru.wikipedia.org/wiki/Атомные_часы
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Time_in_physics.
3. https://ru.wikipedia.org/wiki/Преобразования_Лоренца
4. http://path-2.narod.ru/02/03/kedt.pdf
5. https://en.wikipedia.org/wiki/Hafele
6. http://www.proza.ru/2011/03/04/589
7. http://www.leapsecond.com/history/1978-PTTI-v9-NTS-2.pdf
8. file:///C:/Users/OWNER/Downloads/tv_20_2013_1_195_203.pdf
9. http://acmephysics.narod.ru/b_r/gps.htm