5.4. О реальном существовании абсолютной системы отсчета

Роль демона выполняет наша уверенность в полной изотропности Вселенной, что подкрепляется точнейшими многолетними результатами независимых измерений температуры этого излучения как функции направления, по которому к нам летят фотоны. Но оказывается, что имеется малая (порядка 10~3) диполъная анизотропия, которая объяснима, если принять, что мы движемся по направлению к созведию Льва со скоростью порядка 400 км/с

В комментарии к русскому переводу книги [Вайнберг, 2000] ее редактор Я.Б. Зельдович писал:

На этом примере выясняется, что в каждой точке Вселенной существует наблюдатель, относительно которого микроволновое излучение изотропно. Этого наблюдателя и связанную с ним систему координат можно назвать выделенными ... Наличие в каждой точке выделенной системы координат напоминает взгляды физиков до создания теории относительности, когда предполагалось, что свет - это колебания особого вещества - эфира, заполняющего всю Вселенную. Предполагалось далее, что система координат, связанная с эфиром, является преимущественной, выделенной, и ставились опыты по обнаружению движения Земли относительно эфира. Мы знаем, что эти опыты (Майкельсона и других) дали отрицательный результат - светоносный эфир не существует. Однако эволюция Вселенной приводит к тому, что в наблюдениях космического микроволнового излучения (но только в этих астрономических наблюдениях!) выделенная система появляется, и ее иногда называют "новый эфир" ... в расширяющейся Вселенной новый эфир в одном месте движется относительно нового эфира в другом месте. Именно новый эфир или, другими словами, микроволновое излучение с наибольшей точностью осуществляет движение по закону Хаббла.

Запущенный 18 августа 1989 года спутник СОВЕ (Cosmic Background Explorer), разработанный Центром космических полетов Годдарда Национального Аэрокосмического Агенства (NASA) , позволил надежно подтвердить этот результат. Спектр космического

Приведенная здесь информация подготовлена Центром космических полетов Годдарда, NASA, США (Goddard Space Flight Center) под руководством СОВЕ Science Working Group и была предоставлена NSSDC.

5. Инерциальное движение

81

микроволнового фонового излучения был измерен с точностью 0.005%; было обнаружено, что этот фон имеет значимую анизотропию на относительном уровне порядка 10" .

Рис. 5.6. Дипольная анизоторопия фонового космического излучения

На рис. 5.6 показана карта отклонений температуры излучений от средней величины (2.728 К) в микроволновой части спектра. Слоистая структура карты соответствует анизотропии диполъного вида, что является проявлением эффекта, связанного с движением Солнца относительно среды, в которой распространяется микроволновое фоновое излучение.

Рис. 5.7. Полный спектр рассеянного фонового излучения, наблюдаемого в спектральной области 10 см > А, > 10" см [Клапдор-Клайнгротхаус, Цюбер, 2000]

Помимо инфракрасной компоненты, было также исследовано космическое фоновое излучение в гораздо более широком спектре. Начиная с 1990 г. с помощью ряда спутников изучается область рентгеновского и гамма-излучения. Наблюдаемая в рентгеновских лучах дипольная анизотропия в пределах погрешностей измерений точно соответствует дипольной анизотропии фонового ЗК-излучения, что подтверждает ее интерпретацию как эффекта Доплера (см. рис. 5.7, заимствованный из [Клапдор-Клайнгротхаус, Цюбер, 2000]).

Итак, согласно предложенной в TTTTPR концепции, в каждой точке Вселенной должно существовать свое уникальное пространственное направление и уникальное значение скорости движения в этом пространственном направлении, определяющее выделенную систему отсчета (фактически это есть 4-мерная "стрела времени"). Этот результат был получен мною

82

5. Инерциальное движение

до того, как я узнал о вышеописанном экспериментальном открытии. Поэтому возник вопрос о дальнейшем экспериментальном подтверждении (или опровержении) новой теории, идея которого и рассматривается далее. Можно надеяться, что осуществление и результаты новых экспериментов представят самостоятельный интерес для физики безотносительно к мотивам их проведения и выдвинутым гипотезам.

Мое объяснение вышеописанного явления анизотропии таково. Любое ускоренное (в том числе вращательное и колебательное) движение в общем случае выделяет абсолютную систему отсчета. Поскольку любое электромагнитное излучение генерируется колеблющимися электрическими зарядами, то тем самым оно принципиально позволяет наблюдателю выделить абсолютную систему отсчета.

Если наблюдатель абсолютно неподвижен ("дрейфует" вдоль нормали к изохронной Вселенной), то относительно него излучение будет идеально изотропным. Если же мировая линия наблюдателя образует ненулевой (хотя и постоянный) угол с осью абсолютного времени, то такой движущийся наблюдатель (и именно с помощью эффекта Доплера) сможет определить абсолютную скорость своего движения, детектируя анизотропию этого излучения, которая обусловлена направлением и скоростью движения измерительного устройства относительно выделенной системы отсчета. Количественно эта анизотропия будет определяться отношением скорости движения к скорости света (v/c) и углом а относительно выделенного направления движения согласно теории эффекта Доплера.

Основываясь на современных данных по анизотропии космического радиоизлучения, мы можем заключить, что v/c = 0.0015 . Если бы это численное значение и указанная зависимость от угла подтвердились в новых экспериментах, не связанных с приходящим из космоса электромагнитным излучением, мы могли бы сделать вполне определенные выводы об универсальном характере пространственно-временной анизотропии.

Будем исходить из того, что любое (электромагнитное) излучение является идеально изотропным для неподвижного относительно источника наблюдателя лишь в выделенной системе отсчета, которая в каждой точке Вселенной уникальна. Тогда в любой другой системе отсчета возникнет анизотропия, проявляющаяся благодаря эффекту Доплера, который обусловлен направлением и скоростью движения измерительного устройства относительно выделенной системы отсчета.

Одним из потенциально возможных способов проверки указанного эффекта является наблюдение излучения Солнца в различные моменты движения Земли по околосолнечной орбите. Условная схема расположения Земли относительно Солнца и созвездия Льва показана на рисунке 5.8.

22 декабря орбита Земли

созвездие Льва О

23 сентября

21 марта

22иЛЬя

Рис. 5.8. Схема выявления годовой анизотропии излучения Солнца

Из приведенного рисунка очевидно, что предполагаемая анизотропия солнечного излучения, наблюдаемого с Земли, должна проявляться в максимальной степени в августе, когда и излучение Солнца, и фоновое излучение приходят на Землю со стороны созвездия Льва. В феврале эти источники расположены по отношению к Земле взаимно противоположным образом, поэтому и направление анизотропии для солнечного света должно измениться на противоположное. Ожидаемая величина эффекта при этом (с учетом прямого восхождения созвездия Льва и наклона эклиптики) составляет поряда 300 км/с, т.е. около одной

5. Инерциальное движение

83

десятой процента скорости света. В ноябре и мае анизотропия не должна наблюдаться

22

практически совсем .

Возможно, указанная анизотропия может быть обнаружена и при помощи наблюдения отраженного излучения Луны. Положение естественного спутника нашей планеты относительно Земли меняется всего лишь за 27 суток, поэтому результат мог бы быть установлен значительно быстрее.

Наконец, возможно проведение эксперимента с искусственным источником излучения и неподвижным относительно него приемником в земной лаборатории. При этом следует иметь в виду, что вследствие суточного вращения Земли проекция направления на созвездие Льва в общем случае вращается относительно системы координатных осей, жестко связанной с точкой земной поверхности. Поэтому величина мгновенной скорости вдоль каждой из координатных осей по отношению к "выделенной" системе отсчета (движущейся к созвездию Льва) будет изменяться практически по синусоидальному закону с периодом в 24 часа. Расчеты показывают, что амплитуда компоненты скорости, направленной вдоль земного меридиана, достигает максимума (около 400 км/с) у полюсов и минимальна у земного экватора. Наоборот, амплитуда компоненты скорости, направленной в зенит, достигает максимума (около 400 км/с) у земного экватора и минимальна у полюсов. Амплитуда же компоненты скорости, направленной перпендикулярно меридиану, практически неизменна и также составляет около 400 км/с.

Я также думаю, что в принципе возможны и чисто механические эксперименты. Дело в том, что в релятивистской механике сила зависит от угла между векторами ускорения и скорости. В частном случае, когда скорость частицы изменяется только по величине, т.е. сохраняет свое направлению (например, по осих) выражение для силы равно:

dP/dt = mv /(l- v2/c2) -3/2 dv /dt

В другом частном случае, когда скорость меняется только по направлению (v =const), т.е. перпендикулярна силе, имеем

dP/dt = mv /(1- v2/c2) -1/2 dv /dt

Однако в теории относительности скорость системы отсчета может выбираться произвольно, в частности - нулевой, тогда соответствующий множитель в любом случае оказывается равным единице. Напротив, в ТТТГРВ в вышеприведенных формулах фигурирует абсолютная скорость, определяемая углом отклонения мировой линии частицы от нормали к изохроне. Это означает, что если Земля движется с определенной скоростью vafJC относительно абсолютно неподвижной (выделенной) системы отсчета, то измеряя отношение силы к ускорению в направлении указанной скорости и в перпендикулярном ему направлении, можно экспериментально подтвердить наличие этой абсолютной скорости! Если подобная скорость действительно определяется величиной и направлением, следующими из эффекта анизотропии фонового космического излучения (см. следующий раздел), то при одной и той же по (модулю) силе можно рассчитывать на относительное различие продольного и поперечного ускорения порядка 2,25 х 10"6.

Возможны опыты, дающие, например, в соответствующем направлении малое отклонение оси гироскопа от традиционно ожидаемого, однако пока такие эффекты не рассчитывались.

Д.П. Скулачев в частном разговоре со мной выразил сомнение в том, что столь значительный эффект, если бы он на самом деле существовал, до сих пор не был бы обнаружен.

84

5. Инерциальное движение

Имеет смысл подчеркнуть, что в отличие от парадигмы "старого эфира" выделенная система отсчета "нового эфира" связана не только с определенным направлением во Вселенной, которое выделялось бы в ходе экспериментов подобно тому, как стрелка компаса указывает на север. Эта выделенная система связана еще и с определенной 3-мерной скоростью движения в этом направлении. В совокупности же таким образом выделяется 4-мерный вектор нормали к сферической гиперповерхности шара - Вселенной.

5.5. Абсолютная система отсчета и парадокс близнецов

В 2009 году в Архиве появилась статья [Abramowicz and Bajtlik, 2009], посвященная парадоксу близнецов. В ней производится сравнение классической версии парадокса близнецов со случаем движения близнецов по общей круговой орбите, но с различной угловой скоростью. Классическую версию (прямолинейное равномерное движение) парадокса авторы описывают следующим образом (перевод мой - МХШ):

Часто утверждается, что решение классического парадокса близнецов заключается в учете ускорения близнеца-"путешественника": он должен ускоряться, чтобы вернуться и встретиться со своим никогда не испытывавшим ускорения братом, причем моложе оказывается близнец, испытавший ускорение.

Далее авторы рассматривают движение близнецов с различными скоростями по общей круговой орбите относительно некоторого центра. Периодически один близнец догоняет другого, так что они встречаются. Общеизвестный анализ ситуации в системе отсчета, жестко связанной с центром вращения, показывает, что медленнее стареет (т.е. окажется моложе) тот из них, кто обладает большей скоростью в данной системе отсчета.

Пусть скорость его вращения равна кеплеровой, т.е. такой, что он благодаря своей скорости совершает свободное падение к центру, бесконечно долго оставаясь на стационарной орбите (при этом его кинетическая энергия равна потенциальной). Тогда жестко связанную с ним систему отсчета можно считать инерциальной, а второй близнец будет описывать относительно него сложную траекторию и, следовательно, обладать ненулевой 3-скоростью и ненулевым 3-ускорением. Таким образом, в этой системе отсчета

... при встрече испытывающий ускорение близнец оказывается старше своего брата, который не испытывает ускорения!

Это различие между прямолинейным и вращательным движением побуждает авторов сделать вывод, что замедление времени зависит в общем случае только от соотношения скоростей, но не от факта ускорения того или иного из близнецов.

Однако здесь возникает вопрос, в какой системе отсчета следует определять эти две скорости - в системе отсчета А, в системе отсчета В или еще в какой-либо иной? Для прямолинейного равномерного движения в пространстве-времени Минковского данный вопрос не имеет реального значения, поскольку в этом случае близнецы пересекаются в одной точке не более одного раза. Между тем, при круговом движении немедленно возникает затруднение, которое на первый взгляд представляется неразрешимым. Кстати, теоретически эти две ситуации не так уж далеки одна от другой, поскольку радиус орбиты можно (во всяком случае -мысленно) увеличить до колоссальных размеров, близких к периметру (замкнутой) Вселенной.

Решение парадокса я вижу только в идее Ньютона о существовании абсолютной системы отсчета. В отношении вращательного движения эта идея имеет многочисленные и хорошо известные экспериментальные доказательства, например - прецессия осей вращения

5. Инерциальное движение

85

гироскопов. Наш пример с круговой орбитой, которая охватывает всю замкнутую Вселенную , показывает, что прямолинейное движение в определенном смысле вообще может рассматриваться только в качестве приближения.

Авторы другой статьи [Gron and Braeck, 2009] из Архива, откликнувшиеся на работу Абрамовича и Байтлика, пишут (перевод мой - МХШ):

... в глобальном пустом пространстве-времени Минковского нет ответа на следующий вопрос: что определяет состояние вращения инерциальных систем отсчета? Мы поэтому предполагаем, что глобально пустое пространство-время Минковского, равно как и асимптотическое пространство-время Минковского вдали от локально распределенных масс, являются неудовлетворительными моделями пространства-времени.

В связи этим авторы указанной работы предлагают дополнить модель пространства-времени Минковского:

Представленный анализ предполагает, что пространство-время Минковского не должно мыслиться глобально пустым. Мы предлагаем обобщенную модель пространства Минковского, т.е. глобально плоского пространства-времени или плоской области асимптотически плоского пространства-времени, где пространство дополнено удаленной космической оболочкой с радиусом, равным его (пространства) радиусу Шварцшильда, представляющей космическую массу.

В такой модели вращение любого объекта относительно космической оболочки имеет абсолютный характер, а угловая скорость этого вращения вносит совершенно определенный вклад в "кинематическое" замедление времени. Если центральная точка орбиты в ранее рассмотренном примере вращения вокруг нее двух близнецов сама по себе имеет нулевую угловую относительно неподвижного небосвода (космической оболочки), то жестко связанная с ней система отсчета действительно дает истинное описание течения времени для каждого из близнецов.

С абсолютной системой отсчета связаны и хорошо известные идеи Э. Маха. Вот что говорится об этом в работе [Анисович, 1996]:

Эрнст Мах в своей "Механике" обратил внимание на, то обстоятельство, что когда мы имеем дело с инерциальной системой отсчета, она всегда оказывается покоящейся, либо равномерно движущейся без вращения относительно окружающего нас "фона" далеких звезд (и галактик). И наоборот, неинерциальной системой отсчета всякий раз оказывается система, которая неравномерно движется, либо вращается по отношению к этому звездному "фону". В частности, при вращении системы отсчета относительно этого звездного фона в ней будут наблюдаться силы Кориолиса, и другие силы инерции.

Учитывая это, Э. Мах высказал утверждение, что такое совпадение не случайно, и что причиной инерциальности или неинерциальности системы является не характер ее движения относительно "абсолютного пространства", а характер движения ее относительно окружающего "фона" звезд.

При этом вклад в образование "инерциальности" системы от движения окружающих тел должен быть интегральным и при этом таким, чтобы влияние произвольного движения ближайших, даже в нашем представлении и массивных тел на инерциальность системы было бы незначительным, в то время как интегральный вклад от большого числа окружающих далеких масс был бы определяющим.

23

В разделе 3.13 и в работе [Шульман и Раффел, 2008] показано, что за 13.7 млрд лет реликтовые фотоны действительно успевают облететь всю расширяющуюся Вселенную, и это дает реально наблюдающийся пик в начальной области спектра мощности микроволнового космического фонового излучения. 24 Авторы [Gron and Braeck, 2009] называют это "эффектом космического времени".

86

5. Инерциальное движение

Авторы работы [Gron and Braeck, 2009] не дают никаких пояснений относительно физического смысла вышеупомянутой космической оболочки Вселенной. Поддерживая их формулировку, я предлагаю ее физическую интерпретацию на основе ТТТГРВ В этой модели предполагается, что наша Вселенная представляет собой гипермассивную черную дыру в некоторой "материнской" вселенной и отделена от нее соответствующим горизонтом событий. Радиус этой дыры как раз равен ее радиусу Шварцшильда. Внутри дыры естественным образом возникает время, равное ее текущему размеру, деленному на скорость света. Расширение нашей Вселенной получает естественное объяснение как следствие роста такой черной дыры и ее горизонта событий за счет поглощения материи и энергии извне.

В такой модели с необходимостью должны соблюдаться законы сохранения внутреннего импульса и внутреннего углового момента. Эти законы сохранения обычно связывают с однородностью и изотропностью пространства. Вместе с тем механизм действия подобных законов обязательно должен быть связан с некоторым физическим взаимодействием между различными телами. Именно благодаря ему одни тела реагируют на воздействие, которое оказывается на другие тела. Таким образом, инерция представляет собой не что иное, как реакцию среды, окружающей данное тело, на приложенное к нему воздействие.

Если радиус взаимодействия, обусловливающего данный тип инерции, невелик, то данная сила инерции проявляется локально. Например, электрические заряды противоположных знаков эффективно экранируют друг друга, поэтому в электрической цепи, где параметром инерции служит индуктивность, инерционность этого типа в основном локализована в небольшой области пространства. Напротив, гравитация действует на огромных расстояниях, а обусловленная ею кривизна пространства проявляется в каждой точке Вселенной. Поэтому обычная механическая мера инерции тела обусловлена именно его гравитационной массой, т.е. энергией гравитационного взаимодействия. Если бы в пространстве не существовало других тел, кроме данного, то по определению говорить об инерции как о реакции среды было бы бессмысленно.

Напротив, вследствие существования огромного количества других тел, суммарная масса и момент инерции которых неизмеримо больше массы и момента инерции каждого отдельного тела, можно говорить об усредненной реакции глобальной среды, т.е. об абсолютной системе отсчета, линейной скорости (импульсе) и угловой скорости (угловом моменте) для конкретного тела относительно глобального фона космической материи.

Выше, при анализе кругового движения объекта, мы обращали внимание на соотношение между его кинетической и потенциальной энергией. Преобладание кинетической энергии ведет к замедлению времени. Это утверждение строго должно выполняться в абсолютной системе отсчета.

6. Тяготение и неинерциальное движение

87