§ 4.3. Принцип относительности Галилея

Появление в науке принципа относительности связано с при­нятием представления о гелиоцентрической системе мира. При этом возник естественный вопрос: как распределяются, регулиру­ются и осуществляются движения известных планет и Луны? Почему организующим центром всех этих нетривиальных движе­ний является Солнце? К чему можно "привязать" , отнести эти движения, как их описать? Научная мысль взялась найти реше­ние этих непростых вопросов.

Однако задача адекватного описания механических движений и природы в целом оказалась практически непосильной для орто­доксальной науки, круто замешанной на идеалистических предс­тавлениях и связанной с богословскими идеями (вспомним пер­воначальный толчок Ньютона). Это утверждение непосредствен­но следует из основных предпосылок Ньютона, удачно подчеркну­тых в авторитетном издании [98, с.14]: «Основные законы меха- ики Ньютона, изложение которых следует далее, формулируются в предположении, что движение материальной точки и отдельные его элементы (скорость, ускорение и др.) определены по отноше­нию к основной, абсолютно-неподвижной системе отсчета, при­чем при определении кинематических элементов этого абсолют­ного движения использовано "абсолютное" время».

Итак, для того, чтобы "работали" законы, сформулированные Ньютоном, необходима была "абсолютно-неподвижная система отсчета ". Но в природе отыскать такую систему отсчета не уда­лось. В реальном мире движущейся материи "абсолютно-непод­вижной системы отсчета " просто не существует. Вместо нее в физике стали использоваться инерциальные системы отсчета, дви­жущиеся друг относительно друга равномерно и прямолинейно. К чему привела такая невинная, казалось бы, замена системы отсче­та узнаем в дальнейшем. Сама замена осуществлялась постепенно, в ней принимали участие многие ученые, в том числе Галилей.

Галилей был горячим сторонником гелиоцентрических взгля­дов Н. Коперника и применения экспериментальных методов поз­нания природы. Галилея по праву считают зачинателем современ­ной механики. Глубоко изучая различные виды движений, он опи­рался на идею движения по инерции. В своих знаменитых "Бесе­дах" Галилей одним из первых отметил [ 46, с.57], что равно­мерное прямолинейное движение корабля не влияет на протекание физических процессов в каюте под палубой. Таким образом, закон инерции и независимость физических процессов от равномерного прямолинейного движения вплотную подвели Галилея к предс­тавлению об относительности движения по инерции.

Смысл принципа относительности Галилея в современном понимании заключен в словах: "Законы природы не зависят от равномерного прямолинейного движения системы отсчета". Инте­ресен тот факт, что ни Галилей, ни Ньютон не употребляли тер­мина "система отсчета". Это понятие появилось значительно позже, после того, как при описании явлений природы в физике стали широко применяться математические методы исследования. Пер­вопроходцы описания явлений природы пользовались понятием тело или материальная точка, движущиеся в пространстве.

В настоящее время для изучения физических явлений выби­раются, обычно, наиболее простые системы отсчета, движущиеся друг относительно друга равномерно и прямолинейно. Такие сис­темы отсчета называются инерциальными. Уравнения движения в инерциальных системах имеют наиболее простой вид. Теоретичес- тически инерциальных систем отсчета может быть бесконечное множество, причем все они считаются равноправными (эквивален­тными) друг по отношению к другу.

Эквивалентность всех инерциальных систем по своим физи­ческим свойствам обеспечивает одинаковый вид уравнений дви­жения, записываемых в этих системах. Наряду с этим, эквивален­тность инерциальных систем отсчета заставляет считать равномер­ное прямолинейное движение понятием относительным, так как никакого различия между покоем и равномерным движением не делается. И это положение переносится не только на системы от­счета, но и на конкретные вещественные тела.

Распространение представления об относительности равномер­ного прямолинейного движения на конкретные тела обусловле­но тем, что реализация систем отсчета в реальном мире возмож­на только при условии привязки системы отсчета к конкретному вещественному телу. Рассмотрение движения голых систем отсчета (геометрических образов) в физике не имеет смысла.

Принцип относительности Галилея носит название классичес­кого принципа отностельности. Этим названием подчеркиватся принадлежность галилеевского принципа к классической физике, созданной в XVII ^ XIX веках и завершенной в основных чертах к началу XX в. В XX в. берет свое начало Новая физика, в ко­торой место принципа относительности Галилея заняли релятивис­тские принципы относительности, необоснованно усилившие идею относительности движения.

При анализе принципа относительности Галилея и релятивист­ских принципов нельзя не отметить факт исключительной важнос­ти: инерциальную систему ортодоксальной физики реализовать в природе невозможно. Это положение неизбежно следует из того неопровержимого положения, что реальное пространство заполне­но неоднородными гравитационными полями, поэтому любая сис­тема отсчета, связанная с вещественным телом, при длительном движении неизбежно будет отклоняться этими полями от прямо­линейного движения. Невозможность реализации инерциальных систем отсчета в реальном мире, делает описание природных яв­лений приближенным. Приближенной является и вся классичес­кая (ортодоксальная) физика.

О приближенности наших знаний, касающихся природы, необ­ходимо помнить всегда. Законы Ньютона, составляющие основу классической механики, в принципе не могут адекватно описы­вать физические явления. Точно так же нам необходимо помнить о том, что приближенность наших знаний о природе однозначно следует из положений диалектического материализма.

Из общей оценки достоверности описания событий в орто­доксальной науке следует неизбежная приближенность операций, выполняемых в рамках законов Ньютона и принципа относитель­ности Галилея. Это относится и к известным операциям пере­хода от одной инерциальной системы отсчета к другой. Чтобы осуществить переход от инерциальной системы отсчета К, свя­занной с телом М, к системе К *, обозначим через r радиус- вектор, определяющий положение тела М в системе К в неко­торый момент времени t. Радиус-вектор и время для того же со­бытия в системе отсчета К * обозначим через r * и t *

Скорость тела М в системе К обозначим через v _o . Тогда формулы преобразования координат и времени приобретут вид

r = r * + v_o t                           (4.3)

t = t *                               (4.4)

Если продифференцировать по времени выражение (4.3), то получим закон сложения скоростей в системах отсчета К и К*

V = v_r + v o .                    (4.5)

Согласно принципу относительности Галилея "абсолютных" избранных систем отсчета не существует. Если тело покоится в одной инерциальной системе отсчета, то относительно всех дру­гих оно движется с различающимися постоянными скоростями, поэтому не существует причин отдавать предпочтение какой-либо одной инерциальной системы отсчета перед другими. Все они теоретически считаются равноправными.

Что касается ускорений, то в сравниваемых инерциальных си­стемах отсчета они записываются одинаково. Действительно, взяв производные от обеих частей равенства (4.4), получим равные величины ускорения в обеих системах отсчета К и К *.

dv dv*

----  = ----                                (4.6)

dt dt

Выполняя преобразования координат, следует иметь в виду, что выбор системы отсчета и переход от одной системы к дру­гой по своей сущности является операциями субъективными, ко­торые осуществляется вне времени. Это означает, что принцип относительности Галилея функционирует в согласии с принципом дальнодействия. Действительно, если бы действие распространя­лось с конечной скоростью, то из закона сложения скоростей (4.4) неизбежно следует, что эта скорость для различных систем отс­чета была бы разной.

Сосуществование принципа дальнодействия и принципа отно­сительности Галилея отметил [61, с.21] Б.П. Иванов: "Из галиле- евского принципа относительности непосредственно следует, что взаимодействие тел распространяется в пространстве мгновенно, т. е. если изменить состояние одного тела, то уже вслед за этим можно обнаружить хотя бы очень слабое изменение во взаимо­действующих с ним телах, как бы далеко они не находились".

В связи с принципом относительности Галилея возникает па­радоксальная ситуация: в предыдущем § 4.2 принцип дальнодей­ствия был охарактеризован как некорректный, не соответствую­щий реальности и подлежащий исключению из физических пред­ставлений. Мы пытались выдворить его в дверь, а он снова лезет к нам в открытое окно. В этой связи нам ничего не остается делать, как признать, что в ньютоновской (ортодоксальной) фи­зике функционирует принцип действия на расстоянии, некоррек- ный по своей природе.