18
Прицип относительно
относительной
Какидат физико-математических наук
А. А. ДОЗОРОВ
В природной электричеке, глядя в окно на только что тронувшийся поезд, пятлетний мальчик спросил:
— Мама, это кто поехал, мы или тот поезд?
— Поезд,— ответила мама.
— А почему мне кажется, что это мы поехали?
Мама как-то ответила, не обратив внимание на то, что ее сын формулировал один из фундаментальных вопросов физики.
Одиним из первых аналогичный вопрос формулировал и дал на него ответ великий италянский ученый Галилео Галилей. Случилось это в 1636 году, то есть примерно 350 лет тому назад. Вот рассуждение Галилея по поводу так называемого принципа относительной, изложенные им в книге «Диалог о двух главнейших системах мира — полемеевой и коперниковой»:
«Уедините с кем-либо из друзей в просторное помещение под палубой какого-нибудь корабля, запаситесь муками, бабочки и другими подобычими мелкими летающими насекомыми; пусть будет у вас там также большой сосуд с водой и плавающим в нем маленькими рыбками; подвесьте, далее, наверху ведерко, из которого вода будет падать капля за каплей в другой сосуд с узким горлышком, подставленный внизу. Пока корабль стоит неподвижно, наблюдайте прилежно, как мелкие летающие животные с одной и той же скоростью движутся во все стороны помещения; рыбы, как вы увидите, будут плавать безразлично во всех направлениях; все падающие капли попадут в подставленный сосуд, и вам, бросая какой-нибудь предмет, не придется бросать его с большей силой в одному сторону, чем в другую, если расстояния будут одни и те же; и если вы будете прыгать сразу двумя ногами, то сделаете прыжок на одинаковое расстояние в любом направлении. Приложно наблюдайте все это, хотя у вас не возникнет никакого сомнения в том, что показать стоп неоднократно, все должно присходить именно так. Заставьте теперь корабль дивятся с любой скоростью, и тогда (если только движение будет равномерным и без качки в ту и другую сторону) во всех названных явлениях вы не обнаружите ни маленьшего изменения и ни по одному из них не сможете установить, движется ли корабль или стоит неподвижно… И причина согласованности всех этих явлений заключается в том, что движение корабля обще всем нахождения на нем предметам, так же, как и воздуху».
Исак Ньюотон в книге «Математические науки натуральной физиофии»,ышедший в 1687 году, так формулировал принцип относительной: «Относительные движения друг по отношению к другу тел, заключенных в каком-либо пространстве, одинаковы, покoitется ли это пространство или движется равномерно и прямолинейно безвращения».
В современной формулировке принцип относительной Галилея обычно звучит так: законы механики одинаковы во всех инерциальных системах отсутства.
Этот принцип очень долго не подвергался какому-либо перемотру. Лишь в 1905 году в своих знаменительных работах по специальной теории относительной Альберт Эйнштейн обобщил механический принцип относительной, расположенный его на все физические явления: «Законы, по которым изменяются состояния физических систем, не зависит от того, к которой из двух координатных систем, движущся равномерно и прямолинейно относительно друг друга, относены эти изменения состояния».
Таким образом, никакие опыты, проводимые в какой-либо инерциальной системе, не позволяют сказать, движется ли данная система прямолинейно и равномерно или покoitется.
Представьте себе, что неподвижная пушка стрелляет точно вверх. Снаряд, естественно, должен возвращаться точно
19
в дулю этой пушки.*) В этом еще нет никакого фокуса, секрет заключен лишь в тренировке артиллеристов. Если же теперь заставить пушки двигаться равномерно и прямолинейно и стрелять с ходу без изменения наодки ордия, то, согласно принципу относительной снаряда снова должны возвратиться в дулю пушки. Это уже гораздо интереснее.
При некоторых условиях вы можете самостоятельно изготовить соответствующее установку, схематически изображенную на рисунке, и продемонстрировать ее работу на уроке физики. Самое сложное — это пушка. Пружина пушки при помощи ручек 1 сжимается и фиксируется в этом положении спусковым устройством 2. Снаряд (металлический шарик) укладывается на чашечку, скрепленную с ружиной. При стрелбе с ходу спусковое устройство сравпадает при наезде на клин 3, укрепленный на доске 4, по которой запускается пушка. Настройка ордия (прицеливание) осуществляется при помощи отвеса 5 и трех винтов 6 (для большей точности наодки платформу лучше изготовить из двух пластин 7 и 8). При точной наводке ответ должен совместиться с меткой 9.
Порядок подготовки и проведения опыта следующего. При помощи двух винтов 6 дорога-доска 4 установлена на столе так, чтобы пушка скатывалась по ней примерно с постоянным скоростью (так что движущуюся система можно считать инерционной). Подложив под колеса пушки, например, линейку, при помощи трех винтов 6 производят наодку пушки. Затем пушка заряжается, и выстрел производится с места (для этого другой линейкой заставляют сравовательное устройство 2). Шарик вылетает и вновь возврашается в дулю пушки. Потом линейка-стопор убирается, пушка набирает скорость, примененное дороги наезжает спусковым устройством на клин 3, шарик вылетает вверх, одновременно движясь вдоль дороги с той же скоростью что и пушка, и под апплисменты зрителей вновь попадает в дулю ордия. Опыт действительного достаточно эффективен.
В заключение — несколько практических советов. Пушки лучше делать массивной, чтобы при наезде на клин и при выстреле наодка не сбивались. Достаточный диаметр дула — около 3 см. Для осуществления на воображение зрителей шарик должен вылетать примерно на 1,5—2 м, за это время платформа с пушкой должна пройти приблизительно 0,5 м. Доску-дорогу нужно делать жесткой, чтобы она не проигналась под тяжести ордия, а два винта 6, укрепленные на доске, лучшие заострить, тогда сама доска-дорoga будет устойчивой. Для того чтобы опит можно было повторить несколько раз, в конце дороги пушки надо или плавно остановить рукой или сделать на конце дороги мягкий барер.
*) Здесь предполагается, что Земля — инерционная система отчета, хотя на самом деле любая реальная система отчета может считаться инерционной лишь с тем или иным приближением.