Метафизика и физика света

Модераторы: morozov, mike@in-russia, Editor

Ответить
Владимир
Сообщения: 30
Зарегистрирован: Чт июн 01, 2006 2:32

Метафизика и физика света

Номер сообщения:#1   Владимир » Ср окт 17, 2018 10:20

Пространство и время являются основными первичными понятиями физики как классической, так и релятивистской. С точки зрения "взаимоотношений" времени и пространства возможны лишь два взаимоисключающих варианта, которые я формулирую в виде постулатов:

«1. Постулат ньютоновского времени: Время и пространство взаимно независимы»
=> "начало ньютоновской (классической) физики" (классическое начало)
и альтернативный ему
«2. Постулат релятивистского времени: Время и пространство неразрывно связаны»
=> "начало не-ньютоновской (релятивистской) физики" (релятивистское начало).

Ньютон впервые явно постулировал взаимную независимость времени и пространства. Дальнейшее развитие классической физики, вплоть до настоящего времени, шло с явным или неявным условием независимости времени и пространства, что дает нам право назвать постулат ньютоновского времени "началом ньютоновской (классической) физики" (подобно началам термодинамики). В рамках классического начала, где в качестве основания постулируется галилеев принцип относительности, строится ньютоновская (классическая) механика, в которой свет рассматривается (постулируется) как "обычная" классическая частица ("частица света", например, малый элемент сферического фронта, выделенный в направлении луча света или просто ньютоновская корпускула света. В рамках классического начала скорость частицы света определяется как механическая скорость, в частности, допускается сложение механической скорости источника света и скорости света, которая в этом контексте рассматривается как механическая.)

Напротив, постулат релятивистского времени я называю "началом не-ньютоновской (релятивистской) физики". В рамках релятивистского начала для построения Релятивистской Кинематики (без света), в качестве основания, необходим и достаточен эйнштейновский принцип относительности. С добавлением в основания принципа постоянства скорости света Релятивистская Кинематика обобщается до Специальной Теории Относительности.

Далее предполагается, что все рассуждения ведутся в евклидовом пространстве и в вакууме (световой вакуум = физическая среда никак не влияющая на свет) и в рамках "начала не-ньютоновской (релятивистской) физики".

1. Свет (электромагнетизм) — особая субстанция, для которой неприменимы в "обычном" виде понятия классической физики, такие как движение, скорость и др. (свет не движется в пространстве, но заполняет пространство в соответствии с принципом Гюйгенса). Но физика, классическая или иная, немыслима без понятий движения, скорости и т.п., поэтому эти понятия для света следует вводить специальными определениями (Везде далее слова "определение, определить" следует понимать в смысле дать определение, и только после этого, если это необходимо, — в смысле вычислить, найти и т.п.). Кроме того, свет является физическим носителем информации, поэтому все сказанное о свете можно формулировать в терминах информации.

2. Движение света (как таковое) определяется только при определении траектории. Траектория света (луч) определяется как линия, соединяющая источник света с приёмником света (для простоты полагаем их точечными, т.е. траектория определяется как единственная линия в соответствии с принципом наименьшего действия, который для света сводится к принципу Ферма –- принципу наименьшего времени. В однородном пространстве это прямая, в том числе ломаная прямая при наличии зеркал.). Движение света определяем как движение по траектории от источника к приемнику. При этом "источник + траектория света + приемник" рассматривается как единое целое (единый объект) в том смысле, что любую точку траектории можно рассматривать как виртуальный приемник относительно реального источника, а также как виртуальный источник для другого виртуального или реального приемника (принцип Гюйгенса на траектории). Во всех случаях, когда указывается только источник или только приемник (или ни то, ни другое), любые утверждения о движении света не имеют смысла, например, бессмысленно говорить о движении (скорости) света относительно объекта, не являющимся (ни реальным, ни виртуальным) источником света. В частности, бессмысленно говорить о сложении механической скорости источника и скорости света от этого источника (сказанное не относится к рассмотрению "точки" света в рамках классического начала, где допускается сложение механической скорости источника и скорости распространения света).

3. Постулат "Постоянство Скорости Света": При любом расположении в пространстве источника и приемника и при любом их относительном движении предполагается, что существует траектория, их связывающая, и свет движется по этой траектории от источника к приемнику с постоянной скоростью. Эта скорость равна фундаментальной физической константе (скаляр), именуемой "Скорость Света в вакууме" и обозначаемой обычно буквой c . (Обращаю внимание, что константа c — скаляр. В случае необходимости рассмотрения векторного движения света, это делается за счет векторного описания траектории света.)

4. В теоретических рассуждениях, где собственно свет не является объектом изучения, и имея в виду т.н. дуализм волна/частица, свет обычно рассматривается как монохроматическая волна с фиксированными длиной волны и частотой, или же как точечная частица, именуемая фотон с двумя параметрами, имеющими размерность длины и частоты ("размер" и "энергия") фотона. Имея в виду одинаковость параметров волны и фотона, можно не конкретизировать объект волна/частица и говорить просто о свете с этими параметрами. Фиксация частоты v (и волны, и фотона) фиксирует энергию света E=hv , что и сводит принцип наименьшего действия к принципу Ферма min(Et)=Emin(t) .

5. Если определено расстояние \Delta x между источником и приемником (длина траектории), то определение скорости света c позволяет определить (в смысле — дать определение и в смысле — вычислить) время прохождения света от источника до приемника \Delta x/c и тогда, если в точке источника некоторым образом определен момент времени t ("кинетическое" время), то в точке приемника (глядя из точки источника как точки отсчета), то же определение времени дает момент T=t+\Delta x/c ("потенциальное" время). Точно так же определяется время в любой точке траектории x' , отстоящей от источника на расстоянии \delta x' (по траектории): t'=t+\delta x'/c . И поскольку "источник + траектория + приемник" рассматривается как единый объект, события: "источник в момент времени t ", "приемник в момент времени T=t+\Delta x/c" и "любая точка траектории x' в момент времени t'=t+\delta x'/c", определяются как одновременные.

6. Имея в виду связь света и информации, можно распространить определение одновременности для света на любые события без явного упоминания света (даже в названии константы: c -– универсальная физическая константа, являющаяся точной верхней границей (Supremum) физических скоростей во Вселенной, а "скорость света в вакууме" — лишь одна из интерпретаций константы). Событием я называю точку, в которой определено (задано) время: x(t) -– точка x в момент времени t , t(x) -– время t в точке x , ct+x -– точка в пространстве-время и т.п.. Событие x_2(t_2) одновременно событию x_1(t_1) , если c(t_2-t_1)=x_2-x_1 , c\Delta t=\Delta x или t(x_2)=t(x_1)+\Delta x/c . Для простоты будем также точки x_1 и x_2 называть одновременными, если предполагается "по умолчанию", что в них определены моменты времени t_1 и t_2 такие, что события x_1(t_1) и x_2(t_2) одновременны. Обращаю внимание, что разность x_2-x_1 имеет смысл длины (расстояния между точками x_1 и x_2 ), если и только если x_1 и x_2 одновременны. (Напомню, что в рамках классического начала события x_1(t_1) и x_2(t_2) одновременны, если t_1=t_2, или — t(x_1)=t(x_2) ).

7. Движение приемника или источника относительно, т.е. понятие расстояния между ними не зависит от того, что из них (или оба) движется, поэтому, для определенности, полагаем источник неподвижным, а приемник движется относительно источника с постоянной скоростью V, причем V>0, если приемник удаляется и V<0, если приближается. Зафиксируем момент времени t_0 в источнике. В этот момент L_0=\Delta x — расстояние от источника до "неподвижного" (т.е. если бы приемник не двигался) приемника и \frac{\Delta x}{c} — время прохождения этого расстояния светом. Но приемник движется и за это время длина траектории увеличится на величину V\cdot\frac{\Delta x}{c} и станет L=\Delta x+V\cdot\frac{\Delta x}{c} . Перепишем последнюю формулу в виде \frac{L}{c}=\frac{\Delta x}{c}\cdot(1+\frac{V}{c}) и в виде \frac{L}{V+c}=\frac{\Delta x}{c}. Первая формула показывает, что свет, распространяясь со скоростью c , определяет момент времени в подвижном приемнике более поздний, чем в неподвижном \frac{L}{c} >\frac{\Delta x}{c} , что и должно быть в рамках релятивистского начала. Вторая формула показывет, что момент времени в подвижном и неподвижном приемнике один и тот же, но при этом скорость распространения света V+c , что возможно только в рамках классического начала. Иначе говоря, движение приемника относительно источника допускает корректное описание света как в рамках релятивистского начала, так и рамках классического начала. Ниже это иллюстрируется на примере эффекта Доплера.

Величину \frac{L}{L_0}=1+\frac{V}{с} называют эффектом Доплера, а величину \frac{L-L_0}{L_0}=\frac{V}{c}=Z — красным смещением (спектральных линий), если V>0 или — фиолетовым, если V<0 . В рамках релятивистского начала эта формула приближенная (точная выводится в СТО), а в рамках классического начала её можно считать точной, т.е. 1+\frac{V}{c}=\frac{c+V}{c} (классическое начало допускает сложение c+V ) и интерпретировать как число, указывающее во сколько раз скорость света от движущегося источника больше (меньше при V<0 ) скорости от неподвижного и использовать в устройствах типа "радар" и во многих других устройствах и задачах, где связью времени и пространства можно пренебречь.

8. Пусть объект "источник+свет+приемник" находится в некой системе отсчета (СО). Рассмотрим в этой СО интервал времени [t_0,t_1] . Обозначим T(x_0)=t_0 — начальное время в источнике, T(x_1)=t_1+\frac{\Delta x}{c} — конечное время в приемнике, где \Delta x=x_1-x_0 и \Delta T=T(x_1)-T(x_0)=t_1+\frac{\Delta x}{c}-t_0=\Delta t+\frac{\Delta x}{c} или при \Delta x=dx и \Delta t=dtdT=dt+\frac{dx}{c}. И так же, как при определении одновременности (см. 6.), определение приращения времени для света, распространяем на время, как таковое, в рамках релятивистского начала.

9. Релятивистскую (назовем так пока только для удобства речи) скорость формально определяем как в классике
V=\frac{dx}{dT}=\frac{dx}{dt+\frac{dx}{c}}=\frac{dx}{dt(1+\frac{dx/dt}{c})}=\frac{dx/dt}{1+\frac{dx/dt}{c}}=\frac{v}{1+\frac{v}{c}} ,
где v=dx/dt — "(псевдо)классическая" скорость, соответствующая релятивистской скорости V.

Последнюю формулу можно переписать в виде v=\frac{V}{1-V/c}, т.е. V=\frac{v}{1+v/c} \Leftrightarrow v=\frac{V}{1-V/c} .

Обращаю внимание что релятивистская скорость V ограничена фундаментальной константой c при неограниченной классической скорости v и наоборот — ограничение релятивистской скорости требует неограниченности классической.

10. Релятивистское ускорение
W=\frac{dV}{dT}=\frac{d(\frac{v}{1+v/c})}{dt(1+v/c)}=\frac{\frac{dv/dt}{1+v/c}-\frac{v}{(1+v/c)^2}.\frac{dv/dt}{c}}{1+v/c}=\frac{w}{(1+v/c)^3} ,
где w=\frac{dv}{dt}=\frac{d^2 x}{dt^2} -– "(псевдо)классическое" ускорение. Учитывая 1+v/c=\frac{1}{1-V/c} , имеем W=w(1-V/c)^3 или
W=\frac{w}{(1+v/c)^3} \Leftrightarrow w=\frac{W}{(1-V/c)^3} ,
т.е. релятивистское ускорение зависит от скорости и стремится к нулю при V \rightarrow c .

Замечу, что пока речь не идет о Теории Относительности, хотя и в рамках релятивистского начала.

С уважением, Владимир

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30896
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Метафизика и физика света

Номер сообщения:#2   morozov » Ср окт 17, 2018 12:43

свет не движется в пространстве, но заполняет...
Свет переносит энергию и импульс. В отличие от звуковой волны который в классике переносит только энергию. Но с точкки зрения теории относительности перенос энергии = переносу импульса (по-простому энергия имеет массу).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
Rishi
Сообщения: 525
Зарегистрирован: Пн апр 16, 2007 1:06
Откуда: Sankt-Petersburg

Re: Метафизика и физика света

Номер сообщения:#3   Rishi » Вт окт 30, 2018 15:22

Владимир писал(а):
Ср окт 17, 2018 10:20
Пространство и время являются основными первичными понятиями физики как классической, так и релятивистской.
да, но в классической физике П и В никак не влияли на сами физические процессы, а в релятивистской пространство таки заставляет планеты двигаться по своим геодезическим. Поэтому чтобы понять о чём речь дайте пожалуйста определение Пространству и Времени.

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30896
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Метафизика и физика света

Номер сообщения:#4   morozov » Вт окт 30, 2018 18:12

Пространство - набор часов и линеек.

В ОТО пространство имеет энергию, импульс и натяжения. Эйнштейн предложил желающим называть это "эфиром". Конечно это не очень серьезная идея, поскольку термин прилагался к электромагнитным явлениям. Но модели ничего не дали, слишком громоздко и бесполезно. Поэтому выжил термин "поле".
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Ответить

Вернуться в «Дискуссионный клуб / Debating-Society»