Физика времени

В 1610 году Галилей направил на небо изобретенный им новый инструмент — телескоп, и открытия немедленно последовали одно за другим. Галилей обратил телескоп к Млечному пути и установил, что это не сплошная белесоватая полоса света, а совокупность множества звезд. Так была открыта наша Галактика — звездная система, насчитывающая сотни миллиардов звезд, одной из которых является наше Солнце.

Наблюдая в телескоп Юпитер, Галилей открыл четыре его больших спутника. Это были луны Юпитера, и наша Луна оказалась, таким образом, уже не единственным спутником в Солнечной системе.

Настоящим триумфом Гелиоцентрической системы Коперника стало открытие Галилеем фаз Венеры. С этого времени сомнения в системе Коперника окончательно отпали, ибо смена

фаз Венеры с полной очевидностью указывала на ее вращение вокруг Солнца.

Хорошо известны физические эксперименты, которые производил Галилей. Мы уже говорили об экспериментах с маятниками, из которых родилась идея маятниковых часов. Эксперименты со свободным падением тел дали представление о важнейших свойствах земного притяжения, о законах движения под действием притяжения. Галилей установил, что вертикальная скорость любого свободно падающего тела возрастает в поле тяжести пропорционально времени. Все тела, независимо от их массы, размеров, формы, падают с одинаковым ускорением*).

*) Три столетия спустя Эйнштейн увидел в этом один из самых фундаментальных принципов физики (см. главу 8).

Глубокие размышления над различными видами движений в окружающем нас мире привели Галилея к принципу относительности. В современной формулировке его можно кратко выразить следующим образом:

Во всех лабораториях, которые движутся друг относительно друга равномерно и прямолинейно, движение тел происходит по одинаковым законам.

Относительность

Галилей разъяснял это положение различными наглядными примерами. Вот путешественник в закрытой каюте спокойно плывущего корабля. Он не замечает никаких признаков движения. Если в каюте летают мухи, они отнюдь не скапливаются у задней ее стенки, а свободно летают по всему объему. Если подбросить мячик прямо вверх, он упадет прямо вниз, а не отстанет от корабля, не упадет ближе к корме.

Из принципа относительности следует, что между покоем и движением — если оно равномерно и прямолинейно — нет никакой принципиальной разницы. Разница только в точке зрения.

Например, путешественник в каюте корабля с полным основанием считает, что книга, лежащая на его столе, покоится. Но человек на берегу видит, как корабль плывет, и он имеет все основания считать, что книга движется и при том с той же скоростью, что и корабль. Так движется ли на самом деле книга или покоится?

На этот вопрос нельзя, очевидно, ответить просто «да» или «нет». Спор между путешественником и человеком на берегу был бы пустой тратой времени и слов, если каждый из них настаивал бы только на своей правоте и отрицал точку зрения партнера. Они оба правы, и чтобы согласовать позиции, им нужно только признать, что книга покоится относительно корабля и движется вместе с кораблем относительно берега.

Этот вывод полностью согласуется со здравым смыслом и с любым экспериментом, который мы пожелали бы провести, чтобы это проверить.

Каюта корабля — это одна из лабораторий, о которых идет речь в нашей формулировке принципа относительности, а берег — другая. Лабораторией можно считать любое место, любое помещение, в котором мы находимся, когда производим наблюдения или эксперименты. Лаборатория — это то, относительно чего наблюдается у нас движение или покой, с чем мы связываем свою точку зрения. И слово относительность в названии принципа Галилея не скрывает в себе ничего, так сказать, особенного; оно не имеет никакого иного смысла, кроме того, который мы вкладываем в утверждение о том, что движение или покой — это всегда движение или покой относительно чего-то, что служит нам лабораторией.

Рассуждая о книге, путешественнике, корабле, мы взяли для определенности конкретную ситуацию и произвели то, что Эйнштейн называл мысленным экспериментом. Это воображаемый опыт, который мы можем производить «в уме», не прибегая ни к каким приборам, оборудованию или инструментам. От этого сила и убедительность наших выводов ничуть не страдают. Напротив, мы можем получать таким путем надежные и к тому же довольно общие выводы, которые сами по себе, очевидно, не зависят от конкретных (и в этом смысле случайных) условий мысленного эксперимента. И вот вывод Галилея: движение и покой относительны.

Инерция

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.