|
«Знак вопроса» 5/91 Как устроена машина времени?
ЗИГУНЕНКО Станислав Николаевич Спираль или прямая?
Время Галилея и Ньютона
Натиск инквизиции на много веков приостановил материалистическое познание мира. Лучшие представители человечества, подобно Джордано Бруно, горели за свои идеи на кострах, подобно Галилею, подвергались унизительной процедуре отречения от ереси.
Но истину все же не удалось удержать в темницах. Пожалуй, самое значительное научное достижение эпохи Возрождения — учение Коперника. Начав с попыток усовершенствования геоцентрической системы Птолемея, полагавшего, что в центре Вселенной находится Земля, он в конце концов пришел к идее системы гелиоцентрической: Земля, как и все другие планеты, вращается вокруг Солнца.
Это был поворот от церковной догмы к научным взглядам на природу. Новая система мировоззрения дала толчок к развитию небесной механики Галилея и Ньютона. А это, в свою очередь, послужило отправной точкой к созданию первой научной теории времени.
Глубокие размышления над различными видами движения в окружающем мире привели Галилея к принципу относительности. Например, путешественник, находящийся в каюте плывущего корабля, с полным основанием может считать, что книга, лежащая на его столе, находится в состоянии покоя. В-то же время человек на берегу видит, что корабль плывет, а значит, у него есть все основания считать, что книга движется с той же скоростью, что и корабль.
Так движется ли в самом деле книга или побоится? На этот вопрос нельзя ответить однозначно. Ответ зависит от точки отсчета. Если мы примем точку зрения путешественника, то книга находится в покое. Если будем рассматривать ситуацию с точки зрения стоящего на берегу, то книга, конечно, движется.
Таким образом, из принципа относительности следует, что между покоем и движением — если только оно прямолинейно и равномерно — нет принципиальной разницы. Тот же путешественник, находящийся в закрытой каюте корабля, движущегося по спокойному морю, не замечает никаких признаков этого движения. Мухи свободно летают по всей каюте. А если мячик подбросить вертикально, то он упадет прямо вниз, не стремясь свалиться поближе к корме. Надоедливого же шума мотора во времена Галилея не знали — работали бесшумно...
Таким образом, получается, что мы еще раз возвращаемся к точке зрения Зенона, полагавшего, как помните: движения нет вообще, поскольку в каждый отдельный промежуток времени его нельзя'обнаружить. Очень образно этот парадокс описал А. С. Пушкин:
"Движенья нет, сказал мудрец брадатый. Другой смолчал и стал пред ним ходить. Сильнее бы не мог он возразить; Хвалили все ответ замысловатый. Но, господа, забавный случай сей Другой пример на память мне приводит: Ведь каждый день пред нами Солнце ходит, Однако ж прав упрямый Галилей".
Тот же Галилей определил и силу, которая объединяет тела, находящиеся в абсолютном и относительном покое, — это сила инерции. Она никак не проявляет себя, пока тело действительно покоится или находится в равномерном прямолинейном движении. Но стоит лишь чуть притормозить его или заставить двигаться криволинейно, как тотчас начинает проявлять себя ускорение. Мы по инерции; т. е. за счет ее силы, как бы стараемся восстановить утраченный покой.
С этой отправной точки, пользуясь понятиями скорости и ускорения, введенными его предшественником, и отправился дальше Ньютон, родившийся в год смерти Галилея. В своих работах он установил, что существует связь между силой и ускорением: ускорение прямо пропорционально силе, воздействующей на тело.
Однако чтобы сделать эту связь полностью определенной, чтобы от слов перейти к формулам, Исааку Ньютону пришлось ввести новое понятие — массу. Тогда и родился знаменитый закон:
F=ma
Его называют вторым законом Ньютона. Первым же считается закон инерции, который по справедливости надо бы считать законом Галилея, Ньютон лишь уточнил его формулировку. И наконец, третий закон утверждает равенство действия и противодействия.
Итак, три этих закона навели порядок в нашем представлении об окружающем мире. Однако Ньютон на том не успокоился. Он искал силу, которая бы приводила в движение все небесные тела. И великий физик в конце концов отыскал ее. Такой силой оказалось гравитационное воздействие, производимое введенной им массой тела: два тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Причем закон одинаково эффективно действует по отношению к телам любого размера и в любом месте — камню на Земле или планете во Вселенной.
Так родилась классическая механика Ньютона — Галилея, с помощью которой удалось объяснить до мельчайших деталей движение планет, явление океанских приливов, вызываемое тяготением Луны, движение .камня, брошенного под углом к земному горизонту, и вращение искусственного спутника. Однако, чтобы измерять скорости и ускорения, производимые силами, надо было знать время, в течение которого они действовали. Механика не может существовать без времени точно так же, как геометрия без пространства.
Измерять время, конечно, хотелось бы идеально точными часами, ход которых не зависел бы от происходящих вокруг событий. Такие ритмично идущие часы называют инерциальными, так. как их показания не зависят от того, действительно ли они находятся в покое или все участвуют в движении — прямолинейном и равномерном. Помните, мы говорили о путешественнике, который по опыту, проведенному в закрытой каюте, не может определить, движется он или находится в покое. Так и по инерциальным часам, находящимся в этой каюте, нельзя, выявить какие-либо отклонения по отношению к часам, идущим на берегу. Все инерциальные часы показывают некое абсолютное время, ход которого всегда одинаков для всей Вселенной.
Это понятие абсолютного времени, введенное в механику Галилея — Ньютона в качестве аксиомы, стало краеугольным камнем фундамента, на котором покоится здание классической физики.
"Абсолютное, истинное математическое время, само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью". Такое определение ему Ньютон дает в самом начале своих знаменитых "Начал", отделяя его от того времени, которое показывают реальные часы с и> отнюдь не идеальной точностью. Об этом времени Ньютон говорит легким налетом иронии, наделяя его эпитетом "обыденное".
Оглавление: Абсолют времени и пространства Прошлое и будущее меняются местами |