Очевидное? Нет, еще неизведанное… - Вольдемар Смилга

В повседневной жизни каждый из нас несколько раз в день оказывается в «сильно неинерциальной» системе отсчета. Когда троллейбус равномерно и прямолинейно едет по улице, неинерциальность системы отсчета «троллейбус» связана только с неинерциальностью системы «Земля». Мы ее не замечаем. Но стоит водителю внезапно затормозить или резко увеличить скорость, как троллейбус становится «сильно неинерциальной» системой, и сила инерции бросает нас вперед или назад.

Вероятно, и водитель и недовольные пассажиры не очень представляют, что в конечном счете все неудобства ускоренной езды вызваны тем, что троллейбус тормозит относительно неба неподвижных звезд.

Несколько неожиданное замечание, которым автор очень гордится.

В заключение отметим, что если учитывать силы инерции, то формально законы Ньютона сохраняются и в неинерциальных системах отсчета, хотя содержание их несколько иное — к реальным силам приходится добавлять некие силы инерции не совсем понятной природы.

Весьма любопытное место.

А теперь можно поставить тот вопрос, ради которого и был затеян весь разговор о неинерциальных системах: почему, собственно, мир устроен так, что равномерное и прямолинейное движение относительно неба неподвижных звезд не связано ни с какими заметными воздействиями на тело, а неравномерное или непрямолинейное движение требует приложения силы? Другими словами, этот же вопрос можно сформулировать так: можно ли предложить какое-либо разумное обоснование того факта, что существуют неинерциальные системы отсчета?

На первый взгляд может показаться, что подобный вопрос относится к «проблемам» такого рода, как «Почему вода мокрая?» или «Почему в бублике дырка?». Однако это не так.

Законы Ньютона мы «привязываем» к вполне определенной физической системе — системе неподвижных звезд. При этом, как помните, было сделано интуитивно вполне естественное физическое предположение, что все процессы в солнечной системе никак не зависят от остальных звезд. Только тогда можно утверждать, что система неподвижных звезд инерциальна.

Законы механики, как оказывается, таковы, что все системы, равномерно и прямолинейно движущиеся относительно неподвижных звезд, совершенно равноправны. Никакой механический опыт не позволит выделить какую-то одну, особую систему.

Хорошо, мы готовы принять это довольно спокойно. Так устроен мир.

Но стоит перейти к любой из систем, ускоренно движущихся относительно неба неподвижных звезд, положение резко меняется.

Законы механики в таких системах выглядят совершенно по-другому: в таких системах приходится вводить некие особые силы инерции; причем совершенно неясно, чем система отсчета, ускоренно движущаяся относительно звезд, хуже (или лучше, как угодно!) инерциальных систем отсчета. Не видно никаких физических причин, по которым ускоренное движение относительно далеких неподвижных звезд должно отличаться от равномерного и прямолинейного. И то, что такое отличие существует, несколько странно и настораживает.

Интуитивно чувствуется, что мы столкнулись с чем-то очень существенным, с каким-то из тех основных вопросов, которые занимают физика. Но разрешите ограничиться только указанием, что за неравноправием инерциальных и неинерциальных систем скрывается что-то непонятное и удивительное.

Совершенно новую постановку проблема неинерциальных систем получила в общей теории относительности Эйнштейна, но, к сожалению, в нашей беседе мы не в состоянии говорить об этом[28].

Чтобы достойно закончить разговор о законах Ньютона, стоит сделать еще одно замечание о принципе относительности Галилея.

Много раз уже говорилось: законы механики таковы, что все явления одинаково протекают в инерциальных системах отсчета. Все инерциальные системы равноправны.

Довольно существенное уточнение физического содержания принципа относительности.

Однако, казалось бы, простейший пример противоречит этому утверждению. Допустим, наблюдатель на Земле видит отвесно падающий камень. А наблюдатель в окне вагона (равномерно и прямолинейно двигающегося по полотну) скажет, что в его системе отсчета камень двигается по параболе (это очень легко показать). Одно и то же явление в различных инерциальных системах выглядит различно. Как же с принципом относительности?

Однако никакого противоречия здесь нет.

Принцип относительности не утверждает, что один и тот же физический процесс (в нашем примере — падение камня) выглядит одинаково в разных инерциальных системах.

Пусть в одной инерциальной системе был проделан опыт. (Исследовалось, например, падение камня на Землю.)

Пусть затем в другой инерциальной системе был проделан другой опыт, причем все условия первого опыта были точно сдублированы, но уже относительно новой системы отсчета.

А «сдублировать все условия» означает, в частности, что начальные условия в новой системе отсчета должны быть такими же, как и в старой.

В нашем же примере в момент начала падения в системе отсчета, связанной с Землей, камень не имел скорости в горизонтальном направлении, а в системе отсчета, связанной с вагоном, имел в начальный момент горизонтальную составляющую скорости. Поэтому и не следует думать, что описание опыта в обеих системах должно быть одинаково. Но если опыт с падением камня на Землю точно сдублировать и повторить в вагоне, вот тогда, утверждает принцип относительности, в вагоне поезда все должно произойти точно так же, как и на Земле.

Камень, который в начальный момент не имел горизонтальной составляющей скорости относительно вагона, должен падать отвесно вниз относительно стенок вагона, и закон падения должен быть таким же, как и при падении на Земле. Это, естественно, и наблюдается в действительности.

Вот то обстоятельство, что полная идентичность экспериментов в разных инерциальных системах означает также и одинаковость начальных условий относительно «своей» системы отсчета, иногда упускают из вида и приходят к недоразумениям.

В механике отсутствует одна выделенная система отсчета, все инерциальные системы совершенно равноправны.

Резюме и новые сомнения.

Но, может быть, опыты из какой-либо другой области физики — например, опыты со светом, с электромагнитными волнами — помогут установить существование такой особой, выделенной системы?

Этот вопрос оставался открытым до 1905 года, когда Эйнштейн предложил специальную теорию относительности. И можно сказать, что, по существу, именно решение этой проблемы и привело его к созданию своей теории.

Глава VI,

и, как надеется автор, довольно интереснаяНьютон. Тяготение

Главу о тяготении (гравитации) положено начинать стандартно — эффектно. «Самое загадочное и неисследованное явление природы».

Действительно, Ньютон только установил, что тяготение существует, а Эйнштейн лишь приоткрыл завесу над его природой (общая теория относительности!).

Вступление. Рассуждения и извинения.

Тяготение присуще всем без исключения телам.

Тяготение едино по своим свойствам во всей доступной нашему наблюдению части вселенной.

Тяготение проникает всюду, от него нельзя изолироваться, и его нельзя усилить…

Словом, тяготение есть тяготение.

В наши дни тяготение остается, пожалуй, единственным физическим свойством, на которое мы не можем влиять ни в малейшей степени.

Правда, в последнее время всю мировую печать облетели сообщения, что ведутся работы по управлению гравитацией и будто бы уже достигнуты реальные результаты. Но пока трудно судить, что это: плод богатой фантазии репортеров или искаженные сведения о действительных исследованиях.

Появление этой главы в книге — еще одна небольшая «загадка», связанная с тяготением. Мы не будем, к сожалению, касаться общей теории относительности, и потому все, что относится к гравитации, окажется в стороне от темы нашей беседы.

Впрочем, отчасти оправдание можно найти, учитывая, что тематика этой главы косвенно связана и со специальной теорией относительности.

Это замечание в особенности относится к тем страницам, где обсуждается вопрос: конечна или бесконечна скорость распространения тяготения? Анализ подобной проблемы (как и анализ основных понятий механики) — очень разумная тренировка для того, чтобы спокойно принять в дальнейшем идеи теории относительности.

Потому что, — позвольте еще раз напомнить, — пожалуй главная преграда при знакомстве с теорией Эйнштейна — это бессознательная, но глубокая убежденность, что основные понятия классической механики безусловны и как бы «даны свыше».