Главная >> Введение в теорию относительности

§ 2. Принцип относительности

Со времен Коперника Хорошо известно, что наша родная планета Земля не стоит неподвижно в центре вселенной, а вращается вокруг своей оси и с большой скоростью (около 30 км/сек) движется вокруг Солнца. Нам хорошо известны также история этого великого открытия и та ожесточенная борьба, которая в свое время вокруг него развернулась.
 
Один из аргументов противников Коперника состоял в том, что мы, жители Земли, никак не ощущаем ее движения, тогда как стоит нам сесть в карету, и мы, даже закрыв глаза, всегда можем безошибочно сказать, стоит карета на месте или движется. Читатель хорошо знает, конечно, цену этому аргументу. Земля движется без малейших толчков и ускорений), настолько плавно, что мы действительно заметить ее движения непосредственно не можем — для этого нужно обратиться к явлениям и телам, не участвующим в движении Земли. Лишь сравнительно недавно путем чрезвычайно тонких и остроумных экспериментов (например, опыта с маятником Фуко) удалось показать вращение Земли и непосредственно.
 
Но маятник Фуко и другие подобные приборы реагируют лишь на вращательное движение Земли; что же касается движения Земли в ц е л о м, то обнаружить его посредством опытов на самой земной поверхности мы не в состоянии.
 
Это обстоятельство с физической точки зрения означает, что поступательное, равномерное и прямолинейное движение Земли в целом не оказывает никакого влияния на физические процессы, происходящие на ней самой. Это утверждение должно относиться не только к Земле, но и к любой физической системе. Физические процессы, происходящие внутри такой системы, не зависят от того, покоится ли эта система как целое, или движется равномерно и прямолинейно.
 
Этот общий закон природы впервые со всей отчетливостью сформулировал Галилей, великий ученый эпохи Возрождения и предшественник Ньютона в механике. Поэтому закон неразличимости покоя и равномерного прямолинейного движения носит ныне название принципа относительности Галилея.

Нам нет нужды останавливаться на многочисленных примерах и иллюстрациях принципа относительности— читатель их, конечно, хорошо знает. Заметим лишь, что этот принцип предъявляет определенные требования к самой формулировке физических законов. Именно, физические законы должны формулироваться таким образом, чтобы в них не входила скорость физической системы в целом, чтобы покой и равномерное прямолинейное движение всей системы были неразличимы. Например, в первом законе Ньютона — законе инерции— речь идет о покое или равномерном прямолинейном движении, которые выступают здесь на равных основаниях. Следовательно, закон инерции сформулирован правильно, в соответствии с требованиями принципа относительности. То же самое относится и ко второму закону Ньютона, который можно сформулировать, например, так: «произведение массы тела на его ускорение равно действующей на тело силе». Так как равномерное и прямолинейное движение системы тел не меняет ни их масс, ни ускорений, ни сил, с которыми эти тела друг на друга действуют, то эта формулировка также не противоречит принципу относительности.
 
С принципом относительности тесно связано то обстоятельство, что говорить о скорости тела можно лишь по отношению к какому-либо другому телу. Когда мы говорим, например,  что  скорость   автомобиля    равна 60 км/час, то имеем в виду, конечно, скорость по отношению к поверхности Земли. Для наблюдателя, находящегося, скажем, на Луне, скорость того же автомобиля будет совершенно иной. Точно так же, если человек идет вдоль поезда со скоростью 3 км/час, то это — скорость относительно поезда. Если же сам поезд движется относительно Земли со скоростью 30 км/час, то скорость того же человека для неподвижного (относительно Земли) наблюдателя будет составлять 33 или 27 км/час, в зависимости от того, идет человек к голове или к хвосту поезда.
 
Говорят поэтому, что скорость — понятие относительное. Естественно, что относительными будут и все те физические понятия и величины, которые зависят от скорости, например количество движения или кинетическая энергия. Нельзя сказать, какой кинетической энергией обладает тело «само по себе», можно говорить лишь о кинетической энергии одного тела по отношению к другому. Наблюдая движение одного и того же тела по отношению к различным «телам отсчета», с различных «точек зрения», мы получим для него различные значения скорости, количества движения, кинетической энергии.
 
Но не все, конечно, физические понятия и величины являются относительными. Например, масса тела есть величина абсолютная — она не зависит от скорости тела. Как бы мы ни измеряли массу — в неподвижном состоянии или «на лету», мы получим одинаковый результат (если, разумеется, соответствующие измерительные приборы работают правильно). Точно так же не зависят от состояния движения тела его длина, ширина и вообще геометрические размеры. Если тело не является абсолютно твердым, его размеры в процессе движения могут меняться, но в один и тот же момент времени они будут одинаковы для всех наблюдателей, как бы быстро друг относительно друга эти наблюдатели ни двигались.
 
Абсолютно также и время. Оно течет одинаково на поверхности Земли, в поезде, самолете, на Луне, Солнце и звездах. Если астрономы обнаружат, что на небе вспыхнули две звезды, и, измерив расстояния до них и учтя скорость света, найдут, что обе вспышки произошли одновременно, то этот факт не имеет никакого отношения к движению Земли. Астрономы на Марсе придут к такому же выводу.
 
Итак, физические понятия и величины делятся на абсолютные и относительные. Измеряя относительные величины, мы всегда должны указывать, по отношению к какому телу они измеряются; для величии абсолютных такого указания не требуется. И мы так привыкли к этому делению, что малейшее отступление от него считаем верхом бессмыслицы. Что бы мы, в самом деле, сказали о человеке, который стал бы утверждать, что скорость абсолютна, а масса относительна? Скорее всего посоветовали бы ему обратиться к врачу...
 
Принцип относительности, подтверждаемый все новыми и новыми фактами, вошел в физику столь прочно, что стал необходимой составной частью научного мировоззрения.

СМОТРИТЕ ТАКЖЕ: