Классический принцип относительности

Представления Ньютона об абсолютном пространстве на первый взгляд кажутся очень убедительными. Действи­тельно, что может быть естественнее предположения, что пространство является чем-то самостоятельным, непод­вижным, зависящим от расположения и движения в нем тел, а любое движение рассматривается как происходящее в покоящемся пространстве. Именно таковы наши непос­редственные впечатления от движения и пространства.
Представление о покоящемся абсолютном простран­стве у человека возникает вследствие того, что он рассмат­ривает физическое пространство как комнату, ограничен­ную стенами. Правда, эта «комната» — пространство простирается в бесконечность и стен у нее нет, но, несмот­ря на это, мы привыкли считать, что физическое прост­ранство обладает всеми теми свойствами, что и ограничен­ная стенами комната. Таково представление об абсолют­ном пространстве, которое возникает у человека при рас­пространении повседневного опыта на бесконечную все­ленную.

Представления Ньютона об абсолютном пространстве на первый взгляд кажутся очень убедительными. Действи­тельно, что может быть естественнее предположения, что пространство является чем-то самостоятельным, непод­вижным, зависящим от расположения и движения в нем тел, а любое движение рассматривается как происходящее в покоящемся пространстве. Именно таковы наши непос­редственные впечатления от движения и пространства.
Представление о покоящемся абсолютном простран­стве у человека возникает вследствие того, что он рассмат­ривает физическое пространство как комнату, ограничен­ную стенами. Правда, эта «комната» — пространство простирается в бесконечность и стен у нее нет, но, несмот­ря на это, мы привыкли считать, что физическое прост­ранство обладает всеми теми свойствами, что и ограничен­ная стенами комната. Таково представление об абсолют­ном пространстве, которое возникает у человека при рас­пространении повседневного опыта на бесконечную все­ленную.
Однако повседневных впечатлений недостаточно для создания научной теории, для проникновения в сущность явлений природы. Например, уже с давних времен люди
знают тепло и холод, но это не дало им никаких сведении о теплоте как явлении природы. Только научное исследо­вание тепловых процессов открыло человеку сущность те­плоты и позволило создать паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и другие тепловые машины. Точно так же обстоит дело с движением и пространством. И здесь каждое наше привычное представление необходимо кри­тически! проанализировать. Только тогда выяснится, что здесь видимость и что соответствует действительности.
Вообразим, что мы находимся в изолированном поме­щении и наблюдаем за движением тел в нем. Все тела движутся в точности по законам Ньютона. Можем ли мы отсюда заключить, что наше помещение неподвижно отно­сительно абсолютного пространства? Нет, не можем. Ведь законы Ньютона имеют место и тогда, когда помещение движется в абсолютном пространстве равномерно и пря­молинейно. Субъективные ощущения также не позволяют решить, движемся ли мы в абсолютном пространстве рав­номерно и прямолинейно или находимся в покое. Когда лодку несет течение, часто возникает иллюзия, будто лод­ка стоит на месте, а берега проплывают мимо. Невозможно сказать, движется ли лодка или движутся берега, или же движутся и лодка, и берега. Еще резче проявляется обманчивость субъективных чувств, если стоять на мосту
и пристально смотреть на текущую реку. Вскоре начинает казаться, что мост и берега движутся.
То, что наши чувства не отличают равномерное прямо­линейное движение от состояния покоя, было замечено уже давно. Во второй части книги «Дон Кихот», появив­шейся в 1615 г., Сервантес описывает езду отважного ры­царя Ламанчского и его оруженосца на чудесном коне Клавилено. Герои сидели с завязанными глазами на де­ревянном коне и представляли себя мчащимися быстрее ветра. На самом деле конь стоял окруженный толпой ве­сельчаков, которые потешались над рыцарем и его ору­женосцем. Чтобы эффект был полным, на всадников дули из больших кузнечных мехов, создавая тем самым у них ощущение свистящего ветра.
Не следует думать, что так бесхитростно можно было подшутить только над простодушным Дон Кихотом. Ник­то из нас с завязанными глазами не мог бы сказать, на­пример, стоит ли на месте или мчится равноверно и пря­молинейно автомашина, в которой мы сидим. Отважный рыцарь, однако, должен был бы заметить, что его конь и не начинал двигаться. Ведь вначале движение должно быть ускоренным, а ускорение мы всегда ощущаем.
Неразличимость равномерного прямолинейного движе­ния и покоя была полностью ясна Галилею. В его произ­ведении «Диалог о двух системах мира» (1632 г.) главный герой Сальвиатти говорит: «Заключите себя с каким-ни­будь приятелем в возможно просторном помещении под палубою большого корабля и пустите туда мух, бабочек и других подобных маленьких летающих животных. Пусть будет там также большой сосуд с водой и в нем рыбки. Повесьте также на потолок ведро, из которого капля за каплей вытекала бы вода в другой сосуд с узким отвер­стием, находящийся внизу под ним. Пока не движется корабль, наблюдайте, как эти летающие животные с рав­ною быстротой будут летать во все стороны комнаты. Уви­дите, что рыбы будут плавать безразлично во все стороны; падающие капли будут попадать все в подставленный со­суд. И вы, бросая приятелю какую-нибудь вещь, не будете принуждены употреблять большую силу для того, чтобы бросить ее в одну сторону, чем в другую, если только рас­стояния одинаковы. Прыгая, вы будете проходить одина­ковые пространства во все стороны, куда бы вы ни прыга­ли. Наблюдайте хорошенько за всем этим и заставьте привести в движение корабль с какою угодно быстротой. Если движение будет равномерно, вы не заметите ни малейшей перемены во всех указанных действиях и ни по одному из них не в состоянии будете судить, движется ли корабль или стоит на месте. Вы, прыгая, будете проходить по полу те же самые пространства, как и прежде, т. е. вы не сде­лаете вследствие того, что корабль движется весьма быст­ро, больших прыжков к корме, чем к носу корабля, хотя в то время, когда вы находитесь в воздухе, пол, находя­щийся под вами, бежит к части, противоположной вашему прыжку. Бросая вещь товарищу, вам не нужно с большей силой бросать ее, если он будет около носа корабля, вы же около кормы, чем наоборот. Капли будут падать, как преж­де, в нижний сосуд…»
Из приведенной цитаты видно, насколько глубоко по­нимал Галилей движение и покой. В этом вопросе он сумел достигнуть большего, чем живший столетием позже Нью­тон. Галилей считал равномерное прямолинейное движе­ние равноправным состоянию покоя, так как ни одно на­блюдение, проведенное в изолированном помещении, ни позволяет обнаружить равномерного прямолинейного дви­жения.
Если тело движется в абсолютной системе отсчета рав­номерно и прямолинейно со скоростью то оно будет по­коиться в некоторой другой инерциальной системе, кото­рая движется относительно абсолютного пространства с той же скоростью ѵ в том же самом направлении. С другой стороны, если тело движется в какой-либо инерциальной системе, то оно может быть в покое в абсолютном прост­ранстве (рис. 11). Из эквивалентности состояний покоя и равномерного прямолинейного движения следует, что абсолютное пространство есть не что иное, как одна из инерциальных систем, что мы уже отмечали. Изучая дви­жение, невозможно выделить абсолютное пространство из числа других инерциальных систем. Все инерциальные системы равноправны, и нет никакой причины одну из них называть абсолютной системой. Этот факт отражается в классическом принципе относительности.
 
Движение относи­тельно абсолютного простран­ства
рис. 11. Движение относи­тельно абсолютного простран­ства (а).
Система отсчета Т и тело A дви­жутся в абсолютном пространстве водном направлении со скоростью ѵ, тело В пребывает в абсолютном пространстве в покое.
Движение относительно системы отсчета Т (б).
Система отсчета Т и тело A по­коятся, тело В движется налево со скоростью ѵ.   Из равноправности состояния   покоя и равномерного прямолинейного движения следует что система отсчета Т и абсолютное пространство равноправны

При описании движения тел все инерциальные систе­мы равноправны. Нет никаких оснований отдавать пред­почтение какой-нибудь из них.
Классический принцип относительности выражает от­носительность скорости. Утверждение: «скорость равна такой-то величине» само по себе не имеет смысла. Ско­рость можно измерять только относительно некоторого другого тела, выбранного в качестве тела отсчета. С этой точки зрения выражения «пуля летит равномерно и пря­молинейно относительно окружающих ее тел» и «пуля по­коится, а окружающие ее тела движутся равномерно и прямолинейно в противоположном направлении» равноправны по содержанию. В первом случае телом отсчета является окружающая пулю среда, во втором — пуля. Hи одна из этих систем отсчета не обладает принципиальным преимуществом. Такое положение вещей может поначалу показаться читателю странным, но с этим придется примириться. Классический принцип относительности является одним из законов природы. Он утверждает, что физическое пространство обладает более сложными свойствами чем сколь угодно большая «комната». У «комнаты» всегда имеются неподвижные стены, причем безразлично, реальные они или воображаемые. Пространству же такие стены нельзя приписать даже мысленно. В комнате система отсчета, связанная со стенами, всегда находится в предпочтительном положении, в физическом же пространстве все возможные инерциальные системы равноправны.