Чтение онлайн

Принцип относительности утверждает, что законы движения тел одинаковы во всех лабораториях, движущихся друг относительно друга равномерно и прямолинейно. Какому же закону движения соответствует относительность движения и покоя?

Это закон инерции, тоже установленный Галилеем. Он гласит: тело, на которое не действуют другие тела, движется равномерно и прямолинейно.

Нужно сказать, что в повседневной жизни нам никогда не приходится иметь дела с телами, на которые не действуют другие тела. На Земле на все тела действует Земля — притягивает их к себе. Кроме того, каждое движущееся тело испытывает сопротивление воздуха или еще и трение о дорогу, рельсы и т. п. Мячик может долго катиться по полу, но он обязательно замедляет свое движение и рано или поздно должен остановиться. Это подсказывает, скорее, заключение, противоположное закону инерции, — кажется, для того, чтобы тело продолжало движение и не останавливалось, его нужно подталкивать, воздействовать на него силой со стороны. Такой вывод и сделал в свое время Аристотель. Он утверждал, что движение возможно только тогда, когда на данное тело воздействуют другие тела.

Галилей решительно пошел против авторитета Аристотеля, который в те времена был непререкаем у ученых и к тому же поддерживался всей силой и властью католической церкви. Галилей понял, что движение тел останавливается из-за трения и сопротивления воздуха. Другими словами, тело в действительности испытывает внешние силы — силы трения и сопротивления — и именно из-за них не может продолжать свое движение сколь угодно долго.

Как это можно проверить? Нужно провести эксперимент, в котором можно было бы силы трения и сопротивления уменьшать, сводя их по возможности на нет. Тогда движение должно продолжаться все дольше и дольше. Это и в самом деле показывает опыт. И теперь остается сделать еще один шаг и провести уже не лабораторный, а мысленный опыт, в котором трения и сопротивления вовсе нет. Его результат очевиден: движение будет продолжаться без конца, оставаясь все время равномерным и прямолинейным. Любое тело, однажды приведенное в движение, двигалось бы вечно в отсутствие воздействий на него со стороны.

Когда тело движется равномерно и прямолинейно, всегда можно вообразить лабораторию, которая двигалась бы точно так же, как это тело. Собственно, лабораторию можно поместить на это тело или даже просто взять само тело в качестве лаборатории. И тогда относительно такой лаборатории тело будет, очевидно, покоиться.

Это, конечно, не означает, что между покоем и равномерным движением вообще нет никакой разницы. Но понятия покоя и движения приобретают смысл лишь тогда, когда указана точка зрения — лаборатория, в которой ведется наблюдение.

Содержание принципа относительности Галилея этим отнюдь не исчерпывается, и мы будем еще снова и снова возвращаться к нему. Обратим внимание на то, что у Галилея четко определены лаборатории, в которых «действует» принцип относительности — это лаборатории с равномерным и прямолинейным движением. Согласно установившейся традиции, такие лаборатории называют инерциальными. Часто вместо слова лаборатория говорят система отсчета, вкладывая в это тот же смысл. Все законы механики Галилея — Ньютона формулируются для инерциальных лабораторий, или систем отсчета.

Но что же такое инерция? Это краткое название того, о чем говорит закон Галилея: это сохранение равномерности и прямолинейности движения в отсутствие внешних воздействий.

Исаак Ньютон (1642—1727) родился в год смерти Галилео Галилея.

«Счастливый Ньютон, счастливое детство науки!... Природа была для него открытой книгой, которую он читал без усилий. Концепции, которыми он пользовался для упорядочения

данных опыта, кажутся вытекающими самопроизвольно из самого опыта, из замечательных экспериментов... В одном лице он сочетал экспериментатора, теоретика, мастера... Он предстал перед нами сильным, уверенным и одиноким; его радость созидания и ювелирная точность проявляются в каждом слове и каждом рисунке». Эти слова Эйнштейна из предисловия к одному из изданий книги Ньютона «Оптика», слова, полные восхищения и преклонения перед образом «этого блестящего гения».

В другой статье о Ньютоне Эйнштейн писал: «Цель Ньютона заключалась в том, чтобы дать ответ на вопрос: существует ли простое правило для полного вычисления движения небесных тел нашей планетной системы по заданному состоянию движения всех этих тел в один определённый момент времени?».

Это была грандиозная задача. Ньютон дал положительный ответ на этот вопрос, и, самое главное, он нашел свое «простое правило».

Для этого потребовалось прежде всего выяснить связь между внешним воздействием на тело и тем изменением в состоянии его движения, к которому это воздействие приводит. Чтобы характеризовать различные состояния движения, Ньютон пользуется понятиями скорости и ускорения, четко определенными его предшественником Галилеем.

Если скорость неизменна по своей величине и направлению, то движение равномерно. Если скорость меняется, то возникает ускорение. Ускорение возникает и тогда, когда движение равномерно, но не прямолинейно; например, равномерное вращение по окружности — это движение с ускорением, хотя и при неизменной величине скорости. Сейчас все это кажется нам простым и очевидным. Но нужно помнить, что до Галилея понятия скорости и ускорения оставались еще довольно смутными.

Ньютон установил, что существует связь между силой и ускорением: ускорение прямо пропорционально силе. Но чтобы сделать эту связь полностью определенной, потребовалось ввести новое понятие — понятие массы. Если сила, действующая на тело, и его ускорение известны, то масса тела есть отношение силы к ускорению. Это одна из формулировок закона Ньютона. Его принято называть вторым законом движения, а первым называют закон инерции. Третий закон утверждает равенство действия и противодействия.

Законы механики Галилея — Ньютона мы изучаем с детства; в школе они достаются нам уже в готовом виде, и потому очень трудно представить себе сейчас, какая сила мысли потребовалась, чтобы найти эти законы, извлечь их из экспериментов и наблюдений.

Еще одним замечательным достижением Ньютона было установление закона всемирного тяготения: два тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. И это относится к любым телам — камню на Земле или планете в небе.

На основании открытых им законов механики Ньютону удалось объяснить до мельчайших деталей движения Луны и планет, явление океанских приливов, вызываемых тяготением Луны, и многое, многое другое. Казалось, вся Вселенная охвачена теперь теоретической мыслью, в ней не осталось уже чуть ли ничего, что не поддавалось бы объяснению и самому детальному описанию на основании «простого правила», которым и стала механика Галилея — Ньютона вместе с законом всемирного тяготения.

Механику Галилея — Ньютона принято называть классической — с тем же правом и основанием, с каким это определение прилагается к геометрии Евклида. Двадцать веков отделяют классическую механику от классической геометрии. Но мы воспринимаем одну как прямое продолжение другой. Так, по-видимому, смотрели на свою науку и ее создатели. Геометрия во все века оставалась привлекательной и неотразимой. Самый взгляд на вещи воспитывался ею и питался ее образами. Галилей писал, что мир представлялся ему книгой, «написанной математическим языком в виде треугольников, кругов и других геометрических фигур».