Что такое теория относительности. 3-е, дополненное издание
Шрифт:
Если мы идем к фотографу и просим сделать снимок для служебного удостоверения, то, естественно, хотим быть заснятыми с лица, а не с затылка. Этим желанием определяется и точка пространства, из которой фотограф должен нас фотографировать. Всякое другое положение мы признали бы не отвечающим поставленному условию.
Покой найден!
На движение
Предположим, что в нашем распоряжении имеется тело, на которое не действуют никакие силы. В зависимости от того, откуда мы за ним наблюдаем, это тело будет двигаться различным, более или менее причудливым образом. Однако нельзя не признать, что наиболее естественным будет положение наблюдателя, при котором тело окажется просто покоящимся.
Таким образом, мы можем дать теперь совершенно новое определение покоя, не зависящее от перемещения данного тела относительно других тел. Итак: тело, на которое не действует никакая внешняя сила, находится в состоянии покоя.
Покоящаяся лаборатория
Как же осуществить состояние покоя? Когда можно быть уверенным, что на тело не действуют никакие силы?
Для этого, очевидно, необходимо увести наше тело подальше от всех других тел, которые могли бы оказать на него воздействие.
Из таких покоящихся тел мы можем, хотя бы мысленно, построить целую лабораторию и говорить теперь уже о свойствах движения, наблюдаемых из этой лаборатории, которую мы и назовем покоящейся.
Если свойства движения, наблюдаемого в какой-то другой лаборатории, отличаются от свойств движения в покоящейся лаборатории, то мы имеем полное право утверждать, что первая лаборатория движется.
Движется ли поезд?
После того как мы установили, что в движущихся лабораториях движение протекает по другим законам, нежели в покоящейся, понятие движения, казалось бы, потеряло свой относительный характер: в дальнейшем, говоря о движении, мы должны лишь подразумевать движение относительного покоя и называть такое движение абсолютным.
Но при всяком ли перемещении лаборатории мы будем наблюдать в ней отклонения от законов движения тел, имеющих место в покоящейся?
Сядем в поезд, идущий с постоянной скоростью по прямому пути. Начнем наблюдать за движением тел в вагоне и сравнивать это с тем, что происходит в неподвижном поезде.
Повседневный опыт подсказывает, что в таком поезде, движущемся прямолинейно и равномерно, мы не заметим никаких отклонений, никаких отличий от движения в неподвижном поезде. Каждый знает, что в движущемся вагоне брошенный вертикально вверх мячик упадет обратно нам в руки, а не опишет кривую, подобную изображенной на стр. 21.
Если отвлечься от неизбежной в силу технических условий тряски, в равномерно движущемся вагоне все происходит как в неподвижном.
Иное дело, если вагон замедлит или ускорит свое движение. В первом случае мы испытаем
Если вагон, двигаясь равномерно, будет менять направление движения, мы также почувствуем это: на крутых поворотах вправо нас будет откидывать к левой стороне вагона, а при поворотах влево нас будет откидывать вправо.
Обобщая эти наблюдения, мы приходим к выводу: пока какая-то лаборатория движется прямолинейно и равномерно относительно лаборатории покоящейся, в ней невозможно обнаружить отклонения от поведения тел в покоящейся лаборатории. Но как только скорость движущейся лаборатории изменяется по величине (ускорение или замедление) или по направлению (поворот), это тотчас же отражается на поведении находящихся в ней тел.
Покой окончательно потерян
Удивительное свойство прямолинейного и равномерного движения лаборатории не влиять на поведение находящихся в ней тел заставляет нас пересмотреть понятие покоя. Оказывается, что состояние покоя и состояние прямолинейного и равномерного движения ничем не отличаются друг от друга. Лаборатория, которая движется прямолинейно и равномерно относительно покоящейся лаборатории, сама может считаться покоящейся. Это значит, что существует не один — абсолютный — покой, а бесчисленное множество различных «покоев». Существует не одна «покоящаяся» лаборатория, а бесчисленное множество «покоящихся» лабораторий, движущихся относительно друг друга равномерно и прямолинейно с различными скоростями.
Поскольку покой оказывается не абсолютным, а относительным, приходится всегда указывать, относительно какой из бесчисленных движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга лабораторий мы наблюдаем движение.
Таким образом, нам все-таки не удалось сделать понятие движения абсолютным.
Всегда остается открытым вопрос: относительно какого «покоя» мы наблюдаем движение?
Мы пришли, таким образом, к важнейшему закону природы, обычно называемому принципом относительности движения.
Он гласит: во всех лабораториях, которые движутся друг относительно друга прямолинейно и равномерно, движение тел происходит по одинаковым законам.
Закон инерции
Из принципа относительности движения вытекает, что тело, на которое не действует никакая внешняя сила, может находиться не только в состоянии покоя, но и в состоянии прямолинейного равномерного движения. Это положение в физике называется законом инерции.
Однако в повседневной жизни он как бы завуалирован и непосредственно не проявляется. Ведь по закону инерции тело, находящееся в состоянии прямолинейного равномерного движения, должно — и без воздействия внешних сил — продолжать свое движение без конца. Однако из наблюдений нам известно, что тела, к которым мы силы не прилагаем, останавливаются.