Те самые скандальные часы

Также как VLBI (сверхдлиннобазовая интерферометрия, так и система GPS имеет нерешенные проблемы, которые указывают, что ход наземных часов является функцией их позиции в направлении орбитального вектора скорости Земли. Подтверждение этого хода уже обсуждалось, и результат подтвержден сравнениями наземных часов с миллисекундными пульсарами. Этот ход часов - точно такой, чтобы скорость света проявилась как величина "c" в инерциальной системе отсчета (ИСО) Земли. Это показывает, что скорость света - не изотропна в ИСО Земли и, что преобразование Лоренца есть только частный случай инерционного преобразования Селлери, учитывающего ход часов.

Поведение часов на поверхности или около Земли, если подойти к этому скрупулёзното, приводит нас к скандальному выводу. Специфическое экспериментальное подтверждение этого выводится из VLBI (сверхдлиннобазовой интерферометрии), из GPS (Глобальная навигационная система) и миллисекундных двойных пульсаров. Подтверждение поведения этих систем преподносит нам две различных, но серьезных проблемы. Стандартные решения в этой проблеме - неприемлемы. В случае VLBI, обычно допускаемое решение зависит от магии. В случае GPS, предлагаемые решения - несомненно не верны. Будет предложено общее механистическое решение этих двух проблем, но это скандальное решение.

Первым делом, для изпользования VLBI надо описать отчасти идеализированную экспериментальную установку - просто, чтобы получить насколько возможное упрощение. В экспериментальной установке, один получатель VLBI располагается на экваторе точно на такой долготе, которая соответствует 6:00 между точками осеннего и весеннего равноденствия. Это делается для того, чтобы направление на эту станцию VLBI из центра Земли было в том же направлении как земной орбитальный вектор скорости. Наша вторая станция VLBI также располагается на экваторе, но на 180 градусов долготы от первой, то есть в 6:00 ПОСЛЕ ПОЛУДНЯ. Обе наблюдают квазар в направлении противоположном по отношению к Солнцу, то есть это ортогональное расположение к вектору скорости. Таким образом, в этой геометрии две станции разделяются расстоянием земного диаметра. Тот факт, что расширенное совместное наблюдение квазара невозможно из-за земного вращения, есть частичная идеализация, однако допустимо, что общее наблюдение возможно для этой геометрии.

Эксперименты с VLBI (с учетом нашей идеализации) хорошо согласуются с результатами, предсказанными Эйнштейном в разделе 7 его классической статьи "К электродинамике движущихся тел" [1]. Это проверяется тем, что обычно используются такие наблюдения, чтобы определить направление на квазар, использовав ИСО Земли или солнечную ИСО. Две ИСО связываются лоренцевским преобразованием координат и времени и электромагнитным преобразованием для полученного света. Результатом является то, что в земной ИСО обнаруживается ожидаемая аберрация переднего фронта волны, то есть свет приходит к ближнему получателю (6:00) на 4.09 микросекунд раньше, нежели к дальнему (6:00 ПОСЛЕ ПОЛУДНЯ). Тем не менее, когда результаты этого обрабатываются с использованием солнечной (барицентрической) ИСО, задержка фронта волны отсутствует. (Пока невозможно идентифицировать конкретные волны в поступающем излучении, но корреляция амплитуды является фундаментальным измерением; и нет причины подозревать наличие значимого расхождения между групповой и фазовой скоростями.)

Эти результаты VLBI поднимают некоторые интересные вопросы. Как например: "Есть ли какая либо причина предпочтения использования солнечной ИСО нежели ИСО Земли для обработки измерений?" Несомненно, объяснение эффекта разницей двух ИСО было бы взаимоисключающим. Наклонение телескопа на Земле для аберрации поступающего луча не зависит от того, какая ИСО использовалась. Но, в земной ИСО, передний фронт волны и приходящий луч - ортогональны друг другу. В солнечной ИСО, передний фронт - не ортогонален приходящему лучу. В солнечной ИСО, эффект аберрации несомненно аналогичен классической аналогии с падением капель дождя. Поворот луча вызывается композицией скоростей. Подобно дождю, падающему слоями, не должно происходить никакого поворота слоев. Передние фронты волн не должны быть ортогональны направлению падения, так чтобы быть видимыми движущемуся наблюдателю. Как могут слои (или передние фронты волн) гнуться в земной ИСО? Ответ на этот вопрос, кажется, в том, что преобразование Лоренца для считывания часов в отдельных позициях VLBI от солнечной ИСО до земной ИСО изменяет считывание часов точно такой суммой, чтобы создать явную аберрацию волнового фронта.

Если аберрация переднего фронта волны реальна, как указано в специальной теории относительности (СТО) Эйнштейна, то возникает другая проблема, которая кажется, ведет к несовместимости в теории. Из наблюдений над годичным интервалом мы знаем, что реальное направление на квазар точно ортогонально вектору скорости Земли в весеннем равноденствии. Если свет в передних фронтах волн движется со скоростью света, то как часть переднего фронта волны может прибыть раньше, а часть волн переднего фронта прибывает позднее? Это противоречит претензии СТО, на то что скорость света всегда дается константой, "c." Единственное решение этой проблемы, соответствующее СТО, должно опираться на объявление Минковского, что время и позиция в направлении скорости можно смешивать. Но такое объявление несомненно относится к магии.

Альтернативное объяснение заключается в том, что поворот переднего фронта волны не реален и, ход часов на Земле проще представить как функцию их позиции на пути распространения луча. Это дает ясный механизм для этой точки зрения. Механизм состоит просто в том, что перемещающиеся часы работают медленнее. Синхронизация часов в земной ИСО, использующая или двойную технику Эйнштейна, или замедление хода часов, несомненно приводит к тому, что часы уходят относительно аналогичных часов в той же позиции, которые синхронизированы использованием скорости измеряемой в солнечной ИСО. Согласно этому последнему взгляду телескопы также должны быть наклоненными, чтобы принять во внимание аберрацию, вызванную скоростью земного вращения, но это вращение не влияет на аберрацию передних фронтов VLBI.

GPS преподносит нам другую проблему. Хорошо известно, что спутниковая система GPS разрабатывалась в США. Минобороны обеспечивает наивысшую точность средств определения как позиции, так и времени везде на поверхности Земли и ее окрестностях. Но часы GPS (и даже наземные часы) преподносят нам такую проблему, которая не очень хорошо известна, что допускаемые в ней решения этой проблемы - несомненно неправильны с точки зрения СТО.

Часы GPS показывают, как и ожидается, что перемещающиеся часы идут медленней и, что часы идут медленней при более низком гравитационном потенциале.

Часы GPS корректируются за ожидаемое замедление хода перед запуском на орбиту, принимая во внимание то, что земной гравитационный потенциал на высоте номинальной орбиты заставляет их работать быстрее. Этот более быстрый ход часов является частичной компенсацией эффекта номинальной циклической орбитальной скорости спутников.

Есть два интересных взаимодействия между эффектами гравитационного потенциала и эффектами скорости в показаниях часов. Сначала, на уровне моря все часы на Земле идут с одной и той же скоростью. Это связано с тем, что вращение Земли вызывает ее раздувание на экваторе, так как гравитационный потенциал там выше. (Часы на экваторе дальше от центра Земли.) Эффект в показаниях часов от этого большого потенциала в экваторе и эффект в показаниях часов от скорости вращения точно компенсируют друг друга. Так что показания часов на экваторе равно показанию часов на полюсах.

Второе взаимодействие гравитационного потенциала и скорости в показаниях часов происходит из-за эксцентричности орбит GPS. В перигее, более низкий гравитационный потенциал приводит к тому, что часы GPS идут медленнее, чем номинально. Также в перигее, спутники перемещаются быстрее чем в среднем и это также заставляет часы GPS работать медленнее - точно с той же суммой. Так что кажется, что энергия – вот что заставляет часы идти с другим темпом. Возрастающая гравитационная потенциальная энергия заставляет часы работать быстрее. Возрастающая кинетическая энергия (скорость) заставляет часы работать медленнее.

Ну и в чем же проблема часов? Проблема проявляется, вопреки ожиданиям, с часами на Земле, которые как кажется, не подвержены влиянию солнечного гравитационного потенциала. Почему так? Для часов, приязанных к Земле, проблема была описана как проблема "полдень-полночь". В полдень часы ближе к Солнцу на диаметр Земли, нежели часы в полночь. Таким образом, ожидается, что в полдень часы должны идти медленнее, чем в полночь из-за солнечного гравитационного потенциала, однако это не наблюдается.

Сначала предлагаемое решение проблемы "полдень-полночь" было выдвинуто Банешем Гофманом (Banesh Hoffmann) [2] в статье, называвшейся "Полуденно-полуночное красное смещение". В статье заявляется, что потенциальный гравитационный эффект не имеет места, поскольку он компенсируется релятивистским Доплер-эффектом. Таким образом, автор говорит, что, подобно часам на уровне моря, имеет место взаимоуничтожение скоростного и потенциального эффектов. В двух словах, Гофман заявляет, что, поскольку точка на Земле, ближайшая к Солнцу, и точку на Земле дальняя относительно движения вокруг Солнца имеют разные скорости, они будут иметь эффекты хода часов, отличающиеся от тех, что наблюдаются при орбитальном движении вокруг Земли.

Это верно, что часы, которые облетают Солнце за год по радиусу земного полдня должны иметь тот же ход, что часы, которые облетают Солнце за год по радиусу земной полночи, то есть потенциальное гравитационное различие должно компенсироваться скоростным различием. Но объяснение Гофмана не может быть принято. Это противоречит поведению часов GPS. Различие в солнечном гравитационном потенциале для GPS синхронизируемых в точке, ближайшей к Солнцу и дальней от Солнца ( различие в расстоянии приблизительно в четыре раза превосходит земного диаметр) кажется, не оказывает никакого влияния на часы GPS. Несомненно, эти точки на орбите облетают Солнце с другими скоростями. Плоскости спутниковых орбит GPS не вращаются так, как земная орбита вокруг Солнца. Однако, они движутся вокруг Солнца в той же скорости. То, что ось вращения земли не изменяется, как земная орбита вокруг Солнца должно быть достаточным, чтобы отрицать объяснение Гофмана. Вращение точки полдень-полночь Земли не подразумевает, что земная ИСО подвергается годовому вращению. Для отсутствующего эффекта необходимо иное объяснение.

Альтернативная попытка в объяснении может быть найдна в литературе. Статья Эшби и Бертотти (Ashby, Bertotti) [3], названная "Релятивистские эффекты в локальной ИСО", требует, чтобы ускорение свободного падения порождало фиктивное гравитационное поле, которое нейтрализует реальное поле. Легче всего прочесть версию того же самого аргумента в исчерпывающей книге о GPS [4].

Проблема аргументации Эшби и др. в использовании принципа эквивалентности. Приводим цитату со страницы 686 источника [4].