Очевидное? Нет, еще неизведанное… - Вольдемар Смилга

Вначале, когда движение воды в сосуде относительно стенок сосуда было наибольшим, вода не обнаруживала ни малейшего стремления удалиться от оси. Она не стремилась приблизиться к краю, поднимаясь вдоль стенок, а оставалась плоской, и истинное кругообразное движение жидкости еще не начиналось.

Но потом, когда относительное движение воды стало уменьшаться, ее поднятие по стенкам сосуда стало указывать на стремление удалиться от оси.

Это стремление указывало на все возрастающее истинное круговое движение воды. Когда, наконец, это движение стало наибольшим, вода относительно сосуда находилась в состоянии покоя».

Итак, появляется критерий абсолютного движения — центробежные силы. Наличие центробежных сил всегда можно установить либо по форме движущегося тела, либо по внутренним напряжениям, которые возникают в теле, — словом, их легко обнаружить.

Может быть, Ньютон действительно нашел способ определения абсолютного движения, а следовательно, и абсолютного пространства?

Может быть, его определение абсолютного пространства просто не очень удачно сформулировано, но им указан реальный путь для определения абсолютного пространства и движения?

Опыт показывает, что центробежные силы возникают в теле в том случае, если оно вращается относительно неподвижных звезд.

Может быть, имеет смысл говорить, что движение абсолютно, если оно происходит относительно звезд?

Может быть, неподвижные звезды и определяют абсолютное пространство?

Итак, существует ли такое движение, о котором можно говорить, как об абсолютном? Или всякое механическое движение относительно?

Внимание! Это центральный, важнейший вопрос.

Не предрешая ответа, мы перейдем к анализу, «по-видимому, всем знакомого» понятия движения.

Прежде всего — главнейшее. «О движении механическом имеет смысл говорить, только указав систему отсчета или в конечном счете какие-то реальные физические объекты, которые считаются неподвижными. Пока система отсчета („неподвижные тела“) не указана, слова „тело движется“ лишены всякого содержания».

И, как видно из предыдущих страниц, Ньютон это великолепно понимал. Говоря об относительном движении, он, собственно, и вводит понятие системы отсчета. Причем именно Ньютон первый из физиков осознал, какую решающую роль имеет система отсчета. Даже сам Галилей не имел о ней ясного представления, а значит, не имел четкого понятия и о механическом движении. Он обрывает свой анализ как раз тогда, когда надо ответить: «Что же такое движение?»

И снова внимание!

И это не удивительно.

Несмотря на свою кажущуюся очевидность, понятие системы отсчета настолько абстрактно, что могло возникнуть лишь на довольно высокой стадии развития науки.

Этот тезис подтверждает, в частности, хотя бы такое несколько неожиданное обстоятельство. Даже в наши дни многие люди, знакомые с механикой и способные решать задачи, недоступные Ньютону, теряются при вопросе: что же происходит «на самом деле» — паровоз движется относительно Земли или Земля относительно паровоза?

Так чем же определяется выбор системы отсчета? Какие конкретные тела следует считать неподвижными?

Тела, которые надо считать неподвижными — систему отсчета, — мы выбираем по своему произволу. Точнее, выбор системы отсчета определяется соображениями простоты и удобства.

Сегодня, рассматривая полет снаряда, мы выбираем систему отсчета, жестко связанную с Землей. Завтра, рассматривая движение Земли, мы выбираем систему, связанную с Солнцем. А изучая Солнце, мы относим его движение к системе, связанной со звездами.

Поскольку выбор системы отсчета (координатной системы) произволен, пассажир поезда Москва — Ленинград и провожающие его на вокзале родственники имеют равные основания утверждать, что они находятся в состоянии покоя.

Пассажир может ввести систему отсчета, жестко связанную с вагоном, и в этой системе Ленинградский вокзал в Москве (вместе с родственниками, конечно) будет двигаться, удаляясь от начала координат.

А в системе отсчета, жестко связанной с Землей, естественно, движется поезд.

Если в обыденной жизни любой человек скажет, что «на самом деле», конечно, двигается поезд, то объясняется это очень просто. Интуитивно, используя повседневный опыт, мы всегда выбираем систему отсчета, связанную с Землей.

Пример геоцентрической[18] системы Птолемея лучше всего показывает, как может подвести такая интуиция.

Но, может быть, среди всех бесчисленных возможных систем есть одна (одна!) особая и неповторимая, такая, физические свойства которой столь резко отличаются от свойств любой из бесчисленного множества возможных систем отсчета, что есть основания считать ее абсолютной?

Стоит напомнить, что вопрос о существовании абсолютной системы и абсолютного движения пока по-прежнему остается открытым.

А если есть абсолютная система, то можно говорить и об истинном (абсолютном) движении, можно говорить об абсолютном пространстве.

Мы вернулись к вопросу, поставленному выше. Ньютон, как помните, предложил способ определения абсолютных движений (центробежные силы!), но мы пока еще не можем судить, прав ли он. А определение абсолютной системы по Ньютону нас не устраивает; в нем навязывается загадочное понятие абсолютного пространства.

Поэтому, отложив на время решение этого вопроса, сформулируем совершенно общее определение процесса движения.

Приводится определение понятия движения, которое, как видно, соответствует ньютоновскому «относительному движению».

Движение данного физического тела относительно других физических тел есть изменение его положения относительно этих тел.

Как видите, не сказано ничего нового. Просто подведен итог. Для полного удовлетворения необходимо точно объяснить, что означают слова «изменяет свое положение относительно других тел». Ответ сравнительно прост.

К тому телу (или телам), которые мы считаем неподвижными, мы жестко «привязываем» систему координат. Затем измеряем координаты изучаемого тела и определяем его «положение».

Из школьного курса геометрии хорошо известна только одна координатная система — Декартова. В этой системе положение точки в пространстве однозначно определяется ее кратчайшими расстояниями до трех взаимно перпендикулярных плоскостей.

В математике и в физике часто пользуются другими координатными системами, но, чтобы однозначно определить положение точки в пространстве, всегда необходимо знать три числа, три координаты.

Это, между прочим, и означает, что пространство имеет три измерения!

Не будем очень углубляться в математику и потому не будем особенно расшифровывать наш «саперный» жаргон — «жестко привязать» к физическому телу координатную систему. Просто в случае, когда координатные оси направлены в строго определенные неизменные точки твердого тела, мы говорим, что координатная система «привязана жестко». Лучше всего пояснить это примером.

«Привяжем» Декартову координатную систему к Земле. Начало координат — центр Земли. Ось z направлена от центра к Северному полюсу. Ось x — от центра к точке пересечения Гринвичского меридиана с экватором (0° широты и 0° долготы). Ось y — от центра к точке 0° широты и 90° восточной долготы.

«Привязать» можно, конечно, и по-иному. Взять за центр другую точку, по-другому расположить оси и т. п.

После небольшого экскурса в математику можно более четко перефразировать определение движения.

Тело относительно данной координатной системы движется, если с течением времени изменяется хотя бы одна из его координат.

Как именно меняются координаты, показывает важнейшая характеристика движения — скорость.

Если не стремиться к строгим формулировкам (это потребовало бы несколько больше математики, чем разрешают каноны популярной литературы), то понятие скорости можно ввести так.

Пусть мы хотим определить скорость тела в какой-то момент времени t0. Тогда нужно сделать следующее:

определить в выбранной нами системе отсчета положение тела в момент t0. Иначе говоря, определить его координаты;

посмотреть, где окажется наше тело в какой-то следующий момент t1 (найти координаты в момент t1);

определить длину прямолинейного отрезка, соединяющего первую и вторую точки. Эту длину обозначим ΔS(t1 · t0);