В 1851 году в физике произошло значимое событие: Ипполит Физо провел свой знаменитый опыт по исследованию прохождения света сквозь движущуюся воду. Этот опыт и его результаты стали поводом для не утихающих и до сих пор поисков эфира (например, опыт Майкельсона-Морли). Физо в своем опыте получил, что свет частично увлекается движущейся водой, поскольку в формуле по сдвигу интерференционных полос присутствовал член с обратно-квадратичной зависимостью от показателя преломления воды. Этот член формулы очень долгое время никто из физиков не мог получить теоретически. И только с появлением СТО таинственный член в формуле Физо был выведен. Решение задачи Физо при помощи СТО стало жирным крестиком в зачетке новоиспеченной теории. Поражает, что так никто и не смог решить задачу Физо в рамках физики и все лавры достались СТО. Задачка ведь, в принципе, не сложная, но требует определенных допущений при определении скорости распространения света в движущейся воде.
Вначале порассуждаем немного.
Во-первых, при больших скоростях свет с изначальными параметрами попросту не проникнет в воду, поскольку проникнет в воду "свет" с совершенно другими параметрами: вступит в дело эффект Доплера. И при достаточно больших скоростях для этого "света" показатель преломления воды будет совершенно иным.
Во-вторых, в опыте Физо имеем дело с двумя закрытыми для света системами: лаборатория и цилиндр движущейся воды. Цилиндр движущейся воды выполняет роль изолированного от лаборатории световода. Любой желающий может взять пару миллиардов километров волоконного световода, свернуть его в бухту, запустить в световод свет и отправиться с любой скоростью на вокзал. Когда он прилетит на Таити, свет только выйдет из другого конца световода. И время между вводом света и его регистрацией покажет, что в световоде он распространялся со скоростью с/п вне зависимости от того, с какой скоростью человек добирался до Таити. Это потому, что световод - закрытая система, или клетка Фарадея для диапазона электромагнитного излучения в области видимого света.
В-третьих, в опыте Физо вода может бесконечно долго двигаться по кругу, а источник света может бесконечно долго освещать движущуюся воду, но, для правильного понимания явления, нужно рассматривать конкретную задачу. А конкретика такова: имеется единичный квант света нулевой длительности (точка), который можно интерпретировать и бесконечно тонким слоем фронта электромагнитной волны. Свет движется в стоячей воде со скоростью с/п. В опыте Физо свет движется в движущемся цилиндре воды, который он успевает пройти за время своего пролета от одного торца трубки до другого (тем самым мы убираем лишнюю воду). И, напоследок, есть стеклянная трубка, выполняющая роль пространственных границ (ограничитель) проводимых измерений. Часы включаются в момент, когда свет попадает в цилиндр воды, первый торец которого совмещен с первым торцом трубки, а выключаются в тот момент, когда свет выходит из цилиндра воды, другой торец которого совмещен с другим торцом трубки. То есть, рассматриваются начальные и конечные координаты разных торцов цилиндра воды. Плюс, как уже ранее отмечалось, длина цилиндра воды зависит от скорости течения воды и длины стеклянной трубки (при фиксированной v чем длиннее трубка, тем длиннее будет цилиндр воды, поскольку есть еще один процесс - движение света в этом цилиндре).
Чтобы решить задачу, нужно представить ее в виде простейшей физической модели. Аналогия напрашивается сама собой: опыт Физо - это, образно говоря, детская игра по катанию на плавающих льдинах (по крайней мере, любимая игра моего детства). Плавает, например, между двумя берегами (аналог стеклянной трубки) льдина (аналог цилиндра воды) и тебе (аналог света) нужно "гладко" на нее взбежать без прыжков и, не останавливаясь в беге, в едином темпе работы своих мышц так же "гладко" сбежать на другой берег, не падая в воду. Понятно, что для таких условий льдина должна иметь определенную длину и определенную скорость движения. Например, если льдина движется навстречу бегущему человеку, то она, для выполнения условия гладкости бега, должна выполнить роль непрерывного моста между берегами, и, поскольку льдина непрерывно движется, то ее длина должна быть больше расстояния между берегами (лед, как вода в опыте Физо, "выплывает" и "тонет" на границе с берегом). При скорости движения льдины, равной скорости бегуна, человек даже не сможет на нее попасть, поскольку будет соскальзывать с льдины непосредственно на границе раздела берег-лед при первом же шаге. Как результат, возникает неопределенность с длиной льда: при условии равенства скоростей, длина льдины может быть любой, поскольку все, что находится дальше границы раздела берег-лед, не имеет значения.
Иное дело, когда льдина движется в одном направлении с бегущим человеком. Ее длина будет тем меньше, чем больше будет скорость движения к противоположному берегу. При скорости движения льдины, равной скорости бегуна по льду, длина льдины будет равна нулю.
Теперь разберемся со скоростями. Пусть с - это скорость бега по берегу. Тогда скорость бегуна по неподвижной льдине - с/п, что означает проскальзывание подошв. Но, когда льдина в момент перехода бегуна с берега на лед еще и убегает у него из под ног (движется), то проскальзывание станет другим. Пусть это даже будет происходить на начальном этапе перехода бегуна с берега на лед и будет продолжаться не долго, пока у него не установится устойчивое движение по скользкому льду со скоростью с/п, но, тем не менее, факт остается фактом: дополнительное проскальзывание подошв будет происходить и оно скажется на общей длине льдины. Это значит, что в движущейся воде опыта Физо суммарная скорость распространения света не будет равна с/п, как в стоячей воде, а будет равна с/п1, где п1 - уже другой показатель преломления. Отсюда возникает вопрос: можно ли дополнительное проскальзывание подошв по льду назвать увлечением человека льдом?
Задачу можно решить, как минимум, тремя способами, включая СТО, релятивистский эффект Доплера (задействуем дисперсию) и способ с применением векторного поля скоростей. Последний способ - чисто физический, который демонстрирует отсутствие в природе пространственно-временных деформаций, проповедуемых СТО (и, соответственно, ОТО).
Итак, наблюдатель в лаборатории может записать два уравнения:
1) t=L/W
2) t=(L-р)/V
где L - ширина реки (длина стеклянной трубки)
р - длина льдины (длина цилиндра движущейся в трубке воды)
Наблюдатель в водяной струе может написать уравнение:
3) t=р/(c/n1)
Решая совместно три эти уравнения (исключаем L и р), получаем:
W=c/n1 + V
где c/n1 = c/n + дельта(c/n)
Чтобы найти дельта(c/n), вычислим дифференциал от скорости света в движущейся воде:
d(c/n)=(dc)/n+c[d(1/n)]=0-c(dn)/n^2=-c(dn)/n^2
где d - знак дифференциала
с - скорость света в вакууме.
Поскольку в требуемом для данной задачи приближении dn=(дельта n), то
c/n1= c/n - с(дельта n)/n^2
При с(дельта n)=V получаем
W=c/n + V(1 - 1/n^2)
Тем самым, теоретически подтверждаем результат Физо без применения СТО. К векторному полю скоростей нужно обратиться для того, чтобы доказать равенство с(дельта n)=V.
А теперь обратим внимание на формулы 1) и 3). Для наблюдателя в СО лаборатории свет распространяется на отрезке L (между берегами речки), а для наблюдателя в СО движущейся воды - на отрезке р (на льдине). Невооруженным взглядом видно, что, вместо пресловутого расширения-сжатия пространства-времени, мы изначально имеем дело с двумя разными отрезками: длина льдины и ширина речки - это не одно и то же.
Но тогда как же была решена задача Физо при помощи СТО? Ответ элементарно простой: в рамках СТО задача решается благодаря фальсификации. Да-да, именно так. Дело в том, что для решения задачи Физо применяется формула релятивистского сложения скоростей, в которой в знаменателе скорость света стоит без показателя преломления. Именно благодаря отсутствию показателя преломления п в знаменателе получается искомая формула W=c/n + V(1 - 1/n^2). Подлог доказывается элементарно просто: и преобразования Лоренца, и формулу релятивистского сложения скоростей нужно выводить всякий раз по ходу решения любой задачи на относительность применительно к среде, в которой происходит исследуемый процесс. В этом случае и в преобразованиях Лоренца, и в формуле релятивистского сложения скоростей будет стоять скорость света для данной среды, т.е. c/n. Но тогда задача Физо не будет решена в рамках СТО: показатель преломления в знаменателе не позволит этого.
Таким образом, получается, что СТО - это один из множества других ИНСТРУМЕНТОВ решения физических задач определенной специфики (процессы в закрытых системах, движущихся относительно друг друга), который дает не всегда правильный конечный результат, поскольку, не вникая в подробности физики явления ("длина льдины и ширина речки - это не одно и то же"), нельзя слепо применять формулы, как некую догму ("в знаменателе скорость света стоит без показателя преломления"). К тому же, есть области релятивизма, где СТО вовсе не работает, поскольку не выполняются базовые его постулаты. Отсюда напрашивается закономерный вывод: один из множества инструментов, применяемых в физике, не может быть царем и богом во всей физике. А если еще вспомнить, что СТО является предельным случаем ОТО, то...