CC BY
39НЕКОТОРЫЕ ПРОБЛЕМЫ НЕСООТВЕТСТВИЯ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ И ТЕОРИИ РЕЛЯТИВИСТСКОЙ МАССЫ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА КАЧЕСТВО И УРОВЕНЬ ПРОФЕССИОНАЛЬНЫХ ЗНАНИЙ
Васильев Э.Ф.
Васильев Эдуард Федорович - кандидат технических наук, пенсионер, г. Сидней, Австралия
Аннотация: в статье анализируются противоречия между образовательной и теоретической физикой касательно теории относительности и релятивистской механики с примерами учебных пособий высших учебных заведений и негативных последствий. Даются соответствующие предложения.
Ключевые слова: специальная теория относительности, инвариантная масса, релятивистская масса, эквивалентность массы и энергии.
УДК 530.121
Теория относительности Эйнштейна является одним из фундаментов современной физики с твердо установленными и подтвержденными данными эксперимента и опыта - это непреложный факт.
И при этом другой парадоксальный непреложный факт современности - широко распространенное отсутствие единого понимания двух фундаментальных понятий - массы и эквивалентности массы и энергии - не только в массовом сознании, но ив профессиональной технической литературе, учебниках и учебных пособиях средней и высшей школы, научных кругах, преподающих и пропагандирующих теорию относительности, что приводит к неразберихе и путанице в умах людей, изучающих и познающих теорию относительности и наносит большой вред в правильности понимания сути теории относительности и, как следствие, качеству и уровню профессиональных знаний при получении образования.
Классическая механика
Физические определения массы в классической механике Ньютона: количество вещества в теле, мера сопротивления тела изменению скорости (мера инерции), мера способности тела гравитационно притягивать другое тело.
Так как дальнейшие рассуждения касаются Специальной теории относительности (далее - теория относительности), гравитационные свойства тела не рассматриваются.
Понимание единства между количеством вещества в теле и мерой инерции явилось основополагающим шагом в развитии понятия массы в классической механике.
Второй закон Ньютона вводит массу, как меру проявления инертности тела в выбранной системе отсчета -
а=— (1),
т
где: а - ускорение тела, т-масса, F-равнодействующая всех сил, приложенных к телу.
При этом скорость изменения импульса тела равна импульсу действующей на него силы.
-л ар т>
г=—, где Р - импульс тела -
Р=П№ (2).
Масса т, входящая в выражение импульса, есть фундаментальная характеристика тела, не зависящая от выбора инерциальной системы отсчета, а следовательно и от скорости движения.
Поскольку импульс P=mv пропорционален скорости тела, скорость его изменения пропорциональна ускорению, в связи с чем постоянная по модулю и направлению сила F вызывает равноускоренное движение.
Теория относительности
К моменту создания теории относительности было известно, что уравнения классической механики неинвариантны по отношению преобразований Лоренца, связывающих между собой пространственные координаты и моменты времени в двух различных инерциальных системах отсчета, и изложенных в работе Х. Лоренца "Электромагнитные явления в системе, движущейся со скоростью меньшей скорости света". При малых скоростях движения преобразования Лоренца переходят в преобразования классической механики, что определяет принцип соответствия.
Ео=тс2 (5),
Так как должна соблюдаться инвариантность всех законов природы по отношению к переходу от одной инерциальной системы отсчета к другой, уравнения, описывающие законы природы, должны быть инвариантны относительно преобразований Лоренца, в связи с чем теория относительности пересмотрела и уточнила законы механики [1, 2, 3, 4, 5].
В основу такого пересмотра Эйнштейн положил требование выполнимости закона сохранения импульса и закона сохранения энергии во всех инерциальных системах отсчета, что отражено в основных соотношениях теории относительности:
Е2-р2с2=т2с4 (3)
(4),
где Е-полная энергия, Р-релятивистский импульс
При оценке одного и того же события в различных инерциальных системах отсчета значения Е и Р будут разные, а разность Е2-р2с2 будет инвариантной для всех систем отсчета.
Важное отличие теории относительности от классической механики - когда тело покоится, при V=0 и Р=0, его энергия в 0 не обращается(З):
V
где Е0 - энергия покоя
Это уравнение стало символом науки ХХ века, которое не только позволило более глубоко понять но и изменить окружающий мир. Рождение и развитие ядерной энергетики, ядерной военной техники неразрывно связано с этим уравнением.
Уравнение 5 показывает, что масса и энергия неразрывно связаны, а их численные характеристики пропорциональны друг другу, что определяет эквивалентность массы и энергии покоя и объединяет законы сохранения массы и энергии, независимые друг от друга в классической механике, в один закон сохранения в теории относительности. При радиоактивном распаде разность между массой распадающегося ядра и получающейся массой проявляется в виде освобожденной энергии.
Принципиальная и важная особенность - полной эквивалентности массы и энергии не существует, а только эквивалентность массы и энергии покоя. Энергия со скоростью растет, масса и энергия покоя - нет.
Это сущность и основа теории относительности, подтвержденная практическим результатом и являющаяся законом природы.
Из соотношения 3 определяется лоренц-инвариантная масса, которая является инвариантом по отношению к преобразованиям Лоренца при переходе в другую инерциальную систему отсчета.
т2^ - $ (6)
В силу инвариантности масса в теории относительности и классической механике одна и та же и не зависит от системы отсчета и скорости.
Прямые эксперименты определения масс элементарных частиц на ускорителях заряженных частиц подтверждают, что от скорости частицы зависит энергия и импульс частицы, а масса частицы, которая связана с полной энергией Е и импульсом Р уравнением 3, остается неизменной.Каждой элементарной частице соответствует одна масса, не зависящая от скорости. Масса электрона равна 9,109х10"31кг или соответствует энергии покоя 0,511 МэВ, масса протона 1,672х10-27кг...
Соотношения 2 и 4 показывают принципиальное отличие - в теории относительности, в отличие от классической механики, импульс тела связан не с массой, а с его энергией и скоростью, мерой инертности тела является не масса, а полная энергия.
Так как релятивистский импульс тела не пропорционален, в отличие от классической механики, его скорости, скорость его изменения не пропорциональна ускорению, в связи с чем постоянная по модулю и направлению сила не будет вызывать равноускоренное движение.
Релятивистская масса
Кроме теоретической физики существуют физика образовательная и научно-популярная.
Релятивистская масса, которая в отличие от теории относительности эквивалентна полной энергии и зависит от скорости тела, используется только в образовательной и научно-популярной физике.
Е т0 „
трел=— трел=^= , где Е - полная энергия, т0 - масса тела в покое
С V2
В теоретической физике, физике элементарных частиц, ядерной физике не существует физической величины, называемой "релятивистская масса". В них есть только инвариантная масса, определяемая уравнением 6 и эквивалентность массы и энергии покоя уравнением 5.
Если рожденная почти в одно и то же время с теорией относительности в начале ХХ века "релятивистская масса" существовала отдельно от теории относительности, то в настоящее время
образовательная и научно-популярная физика насыщены понятиями "релятивистская масса" и "эквивалентность массы и полной энергии", "исправляющими" теорию относительности и даже "награждая" Эйнштейна автором этих понятий.
Эйнштейн был против внедрения понятия "релятивистская масса": "Нехорошо вводить понятие массы тела М= , для которого нет определения. Лучше не вводить никакой другой массы, кроме
массы покоя. Вместо того, чтобы вводить М, лучше привести выражение для импульса и энергии движущегося тела"(3, 4), [6].
Теория относительности практически полностью была основана на мысленных экспериментах Эйнштейна и только впоследствии она была разработана и подтверждена на практике.
Можно ли, проведя мысленный эксперимент по зависимости массы тела от скорости, впоследствии разработать теорию релятивистской массы и подтвердить на практике? Этот мысленный эксперимент должен дать визуальный ответ, каким образом и за счет чего масса космического корабля (количество и структура вещества), приближающегося к скорости света будет неограниченно расти, стремясь к бесконечности? Ответ может быть только один -релятивистской массы в природе не существует.
Недостатки понятия "релятивистская масса", противоречащие законам природы:
- неинвариантность релятивистской массы относительно преобразований Лоренца, что говорит о несоблюдении законов природы при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой;
- зависимость значения массы от системы отсчета, т.е. зависимость значения массы от положения наблюдателя;
- математика безупречная, но абстрактная, при отсутствии физического смысла, не имеющая экспериментального подтверждения.
Существующее мнение о том, что "релятивистская масса" и все, что с ней связано, приобрело широкую известность среди неспециалистов, не соответствует действительности. Если это можно отнести к массовому распространению научно-популярной литературы, то как относиться к учебникам, учебным пособиям и программам в образовательном процессе?
Некоторые примеры учебников и учебных пособий высших учебных заведений, готовящих специалистов по различным физическим специальностям [7, 8, 9]:
1. Санкт-Петербургский государственный университет. Е.И. Бутиков. Релятивистские представления в курсе обшей физики.
Глава 2.Релятивистская динамика
2.1 .Импульс частицы в релятивистской механике
".. .В классической физике масса т частицы - постоянная величина, не зависящая от состояния ее движения. Импульс определяется, как произведение массы частицы на ее скорость P=mv..."
2.1.1. Принцип соответствия и релятивистский импульс
".В релятивистской механике импульс частицы также определяется ее скоростью. Релятивистское выражение для импульса должно иметь вид Р=т^, где величина ту может зависеть только от абсолютной величины скорости частицы...
I1--
2.2.Релятивистская энергия
2.2.2.Масса покоя и энергия покоя
".Отсюда можно сделать фундаментальное заключение о том, что полная энергия тела пропорциональна его массе независимо от того из каких видов она состоит."
2.2.3.Пропорциональность массы и энергии
".Поэтому можно говорить об эквивалентности массы и энергии. Всякое изменение энергии системы сопровождается эквивалентным изменением ее массы. Экспериментальное подтверждение релятивистского закона пропорциональности энергии и массы следует искать в ядерной физике и физике элементарных частиц. "
2.3.Преобразование энергии-импульса
Е2
"...— - р2 = т2с2 Это одна из важнейших формул релятивистской физики. Обратим внимание на то, что в правой части формулы стоит величина, не зависящая от выбора системы отсчета."
Получив такие представления, будущий специалист по физике получает знания:
- существует две массы - одна в классической механике, не зависящая от скорости, другая в релятивистской механике, зависящая от скорости. Фундаментальное понятие "инвариантная масса", экспериментально подтвержденное в ядерной физике и физике элементарных частиц замещено научной абстракцией, не имеющей ничего общего с физическими процессами, происходящими в природе.
14
Шг,
т.е
- мерой инертности тела в релятивистской механике, как и в классической механике, остается масса. Подтвержденные теоретической физикой и физикой элементарных частиц зависимость
„ уЕ
импульса частицы от полной энергии "=— и то, что мерой инертности частицы является полная энергия, а не масса, игнорируется.
- предложение искать подтверждение эквивалентности полной энергии и массы в ядерной физике и физике элементарных частиц - "шедевр научной мысли". Экспериментальное и практическое подтверждение эквивалентности массы и энергии покоя, признанного во всем мире знаменитого уравнения Эйнштейна Е 0 = тс 2, открывшего грандиозный резервуар энергии в природе, считается неубедительным с предложением искать то, что в природе не существует.
- заключение о зависимости массы тела от скорости п.2.1.1 находится в противоречии с
Е2
приведением и подтверждением в п.2.3 "важнейшей формулы релятивистской физики — - р2 = т2 с2" - уравнение теории относительности (3) - и величины "правой части формулы не зависящей от системы отсчета". Подтверждение независимости массы от системы отсчета автоматически подтверждает и независимость массы от скорости, т.е. инвариантность массы т , доказанной теорией относительности и подтвержденной на практике. И у тупиков есть свои первооткрыватели...
Сколько времени и где потребуется, чтобы переучить такого специалиста по физике в правильном понимании физических процессов, происходящих в природе?
2. Национальный исследовательский Томский политехнический университет
3. Казанский (Приволжский) федеральный университет
Основная литература, учебное пособие. С.И. Кузнецов, Г.Н. Дудкин, В.Н. Забаев
Ускорители заряженных частиц.
-".Циклотрон-циклический резонансный ускоритель тяжелых частиц. Циклотрон позволяет ускорять протоны до энергии примерно 20 МэВ.
Дальнейшее их ускорение в циклотроне ограничивается релятивистским возрастанием массы со скоростью, что приводит к увеличению периода обращения (он пропорционален массе) и синхронизм нарушается."
-".Синхрофазотрон. Это наиболее современный циклический ускоритель протонов, позволяющий получить энергии в несколько ГэВ.
В фазотронах, микротронах, синхротронах и синхрофазотронах частицы ускоряются до релятивистских скоростей.
Масса частицы зависит от скорости т=-=="
-".Большой адронный коллайдер.
Протонный синхротрон-протоны разгоняются до 99,6% скорости света. В результате такого воздействия увеличивается масса протонов, если говорить кратко, то протоны не могут ускоряться, а становятся тяжелее. На этой стадии энергия каждой частицы равняется 25 млрд. электронвольт, при этом протоны становятся в 25 раз тяжелее, чем в состоянии покоя.
.Затем пучки протонов перемещаются в большой адронный коллайдер. масса протона становится в 7000 раз больше нормальной."
Физический процесс ускорения частиц на большом адронном коллайдере, самой современной экспериментальной установке в мире, и др. ускорителях объясняется с использованием релятивистской массы.
Это находится в противоречии с истинным процессом ускорения частиц в ускорителях, при котором в процессе ускорения увеличивается не масса элементарных частиц, а полная энергия и при
„ уЕ
этом изменение импульса частицы "=— , не зависящего от массы, становится тем труднее, чем больше ее энергия. С увеличением энергии происходит увеличение периода обращения частиц, нарушение синхронизма между частотой обращения частиц и ускоряющего поля и, в конечном итоге, частицы, при их неизменной массе, перестают получать дополнительную энергию от электрического поля и выпадают из режима ускорения. Мерой инертности частицы в ускорителе является ее полная энергия, а не масса.
Объяснение истинного процесса ускорения элементарных частиц в ускорителях на основе теории относительности замещено объяснением зависимости массы частицы от скорости, создавая тем самым иллюзию, ложное понимание сути происходящего процесса.
Теоретическая физика - это раздел физики по изучению явлений природы и построению физических теорий с открытием общих законов для большого круга явлений и выявлению общих закономерностей, которые управляют природными явлениями.
Такими примерами физических теорий являются классическая механика и теория относительности. А "релятивистская масса" это абстрактный термин, не связанный с природными физическими явлениями, не имеющий физического смысла, не подтвержденный экспериментально и который не имеет никакого отношения и никаких последствий для теоретической физики.
Но он имеет серьезные последствия и наносит большой вред в образовании[10]. Внедряя, в процессе образования, в сознание виртуальную модель реальности зависимости массы от скорости и эквивалентности массы и полной энергии, субъективная модель реальности принимается за саму реальность. Что может быть более губительное для такого образования? Воспитание потребителей научно-технической информации, научившимися пользоваться формулами, не понимая их физического смысла и сути науки, которую они представляют.
Как остановить эти противоречия между образовательной и теоретической физикой и начать восстановление статус-кво с физики высшей школы? Требуется решение на Государственном уровне:
- утверждение Постановлением Правительства Российской Федерации, по представлению Академии Наук Российской Федерации, состава Государственной Комиссии по научному и мировоззренческому анализу учебников, учебных пособий и образовательных программ по теории относительности и релятивистской механике.
-утверждение Постановлением Правительства Российской Федерации результатов работы Комиссии по систематизации, пересмотру и корректировке учебников, учебных пособий и, в целом, образовательной программы по теории относительности и релятивистской механике.
Какой из институтов теоретической физики, кто из физиков-теоретиков, в память о коллеге, выдающемся российском физике-теоретике с мировой известностью Л.Б. Окуне, посвятившему многие годы разъяснительной работе и борьбе с этими противоречиями [3, 11, 12, 13], возьмет на себя инициативу?
Список литературы
1. Эйнштейн А. К электродинамике движущихся тел, 1905. Annalen der Physik.
2. Эйнштейн А. Физика и реальность М.: Наука, 1965.
3. Окунь Л.Б. Понятие массы (Масса. Энергия. Относительность). Журнал "Успехи физических наук". Т. 158, вып. 3, 1989.
4. Matt Strassler Theoretical physicist. The Harvard University.Mass and Energy. Электронный ресурс. Profmattstrassler.com/
5. Эйнштейн А. Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии? Annalen der Physik 18, 639 1905.
6. Adler C. Am. J. Phys., 1987. V. 55. P. 739.
7. Санкт-Петербургский государственный университет. Физический факультет. Е.И. Бутиков. Релятивистские представления в курсе общей физики. Учебное пособие. С-Пб., 2006. С. 47, 48, 54, 56, 58. Электронный ресурс.
8. Национальный исследовательский Томский политехнический университет. С.И. Кузнецов, Г.Н. Дудкин, В.Н. Забаев Ускорители заряженных частиц. Курс физики. Рекомендовано в качестве учебного пособия. Томск, 2011. С. 13, 14, 18, 25. Электронный ресурс.
9. Казанский (Приволжский) федеральный университет. Институт физики. Программа дисциплины Введение в теорию ускорителей. С.И. Кузнецов, Г.Н. Дудкин, В.Н. Забаев. Ускорители заряженных частиц. С. 13, 14, 18, 25. Электронный ресурс.
10. Oas Gary. On the abuse and use of relativistic mass. Education Program for Gifted Youth. Stanford University, 2008.
11. Окунь Л.Б. Формула Эйнштейна: E=mc 2. Не смеется ли Господь Бог? Журнал "Успехи физических наук", 178(5) 541-555, 2008
12. Окунь Л.Б. О движении материи. Глава "Релятивистская кружка". Издательство «Физматлит», 2012.
13. Окунь Л.Б. Энергия и масса в теории относительности и вокруг нее. Доклад на заседании ОФП РАН 06.06.2007.
