Одно и то же место или нет?
Нередко мы говорим, что, дескать, такие-то два события произошли в одном и том же месте, и так привыкли к этому, что склонны приписывать своему утверждению абсолютный смысл. А на самом деле оно ровно ничего не значит! Это все равно что сказать: сейчас пять часов, не указав, где, собственно, пять часов — в Москве или в Чикаго.
Чтобы уяснить себе это, представим, что две путешественницы сговорились встречаться каждый день в одном и том же месте вагона экспресса Москва — Владивосток и писать своим мужьям письма. Мужья, однако, вряд ли согласятся с тем, что их жены встречаются в одном и том же месте пространства. Напротив, они имеют все основания утверждать, что места эти отдалены друг от друга на сотни километров. Они получали письма из Ярославля и Перми, Свердловска и Тюмени, Омска и Хабаровска.
Таким образом, эти два события — писание писем в первый и второй день путешествия — с точки зрения путешественниц, происходили в одном и том же месте, а с точки зрения их мужей, были разделены сотнями километров.
Кто же прав — путешественницы или мужья? У нас нет причин отдать предпочтение кому-либо из них. Мы ясно видим, что понятие «в одном и том же месте пространства» имеет лишь относительный смысл.
Подобно этому утверждение, что две звезды на небесном своде совпадают, имеет смысл лишь постольку, поскольку указывается, что наблюдение производится с Земли. Говорить, что два события совпадают в пространстве, можно лишь тогда, когда указываются тела, по отношению к которым определяется местоположение этих событий.
Таким образом, понятие положения в пространстве также относительно. Когда мы говорим о положении тела в пространстве, мы всегда подразумеваем его положение относительно тел других. Если же потребовать, чтобы на вопрос о том, где находится данное тело, мы в ответ не упоминали о других телах, то такой вопрос мы должны признать лишенным смысла.
Как движется тело в действительности?
Из сказанного следует, что относительным является также понятие «перемещение тела в пространстве». Если мы говорим, что тело переместилось, то это означает лишь, что оно изменило свое положение относительно других тел.
Если наблюдать за движением тела из разных перемещающихся друг относительно друга лабораторий, то движение это выглядит совершенно различно.
Летит самолет. С него сбрасывается камень. Относительно самолета камень падает по прямой, относительно Земли он опишет кривую, называемую параболой.
А все же как движется камень в действительности?
Этот вопрос имеет столь же мало смысла, как вопрос: под каким углом видна Луна в действительности? Под которым она наблюдалась бы с Солнца или под которым мы видим ее с Земли?
Геометрическая форма кривой, по которой перемещается тело, имеет такой же относительный характер, как фотоснимок здания. Подобно тому как, фотографируя дом спереди и сзади, мы получим неодинаковые снимки, так и наблюдая за движением тела из разных лабораторий, мы получим различные кривые его движения.
Все ли точки зрения равноценны?
Если бы наш интерес при наблюдении за движением тела в пространстве ограничивался изучением формы траектории (так называется кривая, по которой движется тело), то вопрос о выборе места наблюдения решался бы соображениями об удобстве и простоте получаемой картины.
Хороший фотограф, выбирая положение для съемки, заботится, кроме того, о красоте будущего снимка, о композиции.
Но при изучении перемещения тел в пространстве нас интересует нечто большее. Мы хотим не только знать траекторию, но и уметь предсказывать, по какой траектории будет двигаться тело в данных условиях. Другими словами, мы хотим знать законы, управляющие движением, заставляющие тело двигаться так, а не иначе.
Рассмотрим с этой точки зрения вопрос об относительности движения — и выяснится, что не все положения в пространстве равноценны.
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 тел оказывают влияние внешние воздействия. Мы называем их силами. Изучение влияния этих воздействий может позволить нам совершенно по-новому подойти к вопросу о движении.
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 толчок вперед, во втором — назад и ясно ощутим отличие от покоя.
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.
Разгадка заключается в том, что на все тела, наблюдаемые нами, действуют некоторые внешние силы — силы трения. Поэтому условие, необходимое для наблюдения закона инерции — отсутствие внешних сил, действующих на тело, — не выполняется. Но, улучшая условия опыта, уменьшая силы трения, можно приблизиться к идеальным условиям, необходимым для наблюдения закона инерции, доказав, таким образом, правильность этого закона и для движений, наблюдаемых в повседневной жизни.
Открытие принципа относительности движения является одним из величайших открытий. Без него развитие физики было бы невозможно. Этим открытием мы обязаны гению Галилео Галилея, смело выступившего против господствовавшего в те времена и поддерживаемого авторитетом католической церкви учения Аристотеля, согласно которому движение возможно только при наличии силы и без нее должно неминуемо прекратиться. Рядом блестящих опытов Галилей показал, что причиной остановки движущихся тел, наоборот, является сила трения и в отсутствие этой силы приведенное раз в движение тело двигалось бы вечно.
И скорость относительна!
Из принципа относительности движения следует, что говорить о прямолинейном и равномерном движении тела с некоторой скоростью, не указывая, относительно какой из покоящихся лабораторий измерена скорость, имеет столь же мало смысла, как говорить о географической долготе, не условившись заранее, от какого меридиана ее отсчитывать.
Скорость оказывается тоже относительным понятием. Определяя скорость одного и того же тела относительно разных покоящихся лабораторий, мы будем получать разные результаты. Но вместе с тем всякое изменение скорости, будь то ускорение, замедление или изменение ее направления, имеет абсолютный смысл и не зависит от того, в какой покоящейся лаборатории мы наблюдаем движение.