Вольдемар Смилга - Очевидное? Нет, еще неизведанное…

• Название: Очевидное? Нет, еще неизведанное…
• Автор: Вольдемар Смилга
• Издательство: Молодая гвардия
• Жанр: Физика
• Год: 1966

Эффектное название, возможно, и интригует, но, уж конечно, ничего не объясняет. А в этой книге довольно серьезно рассказывается о том, чего достигла физика со времен Галилея до Эйнштейна, о явлениях древних, как мир, и, по-видимому, всем знакомых, а в конечном счете — о специальной теории относительности.

---

Описывает ли наша геометрия окружающий мир или нет — решает опыт. Если, используя в расчетах геометрию Эвклида, мы получили бы при триангуляции другие результаты, чем при откладывании масштаба вдоль прямой AB, то должны были бы заключить, что в мире осуществляется какая-то другая, неэвклидова геометрия.

Конечно, во всех практических задачах считают, что мир описывается геометрией Эвклида.

Все, что сказано о методе триангуляции, конечно, относится и к любому другому процессу определения длины, опирающемуся на геометрию.

Итак, зная геометрию мира (и сведя к ней вопрос об измерении длины), мы сразу овладеваем бесчисленным числом рецептов измерения длины, ибо геометрические теоремы доказывают, что все они тождественны основному рецепту — «откладыванию масштаба».

Приведем теперь краткое резюме. Вот что сделано.

Дано определение понятия длины, заимствованное у математиков. Из определения вытекает, что для измерения длины необходимо иметь выбранный по соглашению вполне реальный эталон длины — масштабный стержень.

Введен постулат, который мог показаться весьма туманным. Но он был необходим, чтобы в вопросах измерения длины неподвижных относительно измерителя тел полностью опираться на геометрию.

Вскользь отмечено, что только опыт показывает, какая геометрия описывает наш мир.

Было установлено, что все рецепты измерения длины неподвижных тел сводятся благодаря геометрии к основному рецепту — откладыванию масштаба.

И в результате… не получено как будто ничего нового.

Мало того, предложенный рецепт измерения не подходит для измерения длины тел, движущихся относительно наблюдателя. Довольно точно, хотя несколько вульгарно, это можно пояснить так: «К движущемуся предмету масштаб не приложить: измеряемый предмет просто-напросто уедет».

Казалось бы, возможно использовать многочисленные косвенные способы измерения, подобные, например, триангуляции. Однако если детально проанализировать все мысленные возможности, окажется, что все способы определения длины движущегося тела в конечном итоге сводятся к следующему рецепту-определению:

Чтобы измерить длину стержня, двигающегося относительно наблюдателя, необходимо одновременно зафиксировать начальную и конечную точки измеряемого стержня на предмете, неподвижном относительно наблюдателя.

После этого откладыванием масштаба измерить расстояние, которое получилось на нашем «неподвижном предмете». Эта длина и есть длина движущегося стержня.

Важнейшее определение. Длина движущихся тел. К этому месту стоит вернуться тем читателям, которые доберутся до главы XII.

Если выражаться не так учено, то все сводится к следующему.

Вы стоите, скажем, на платформе железнодорожной станции, снабженные всеми мыслимыми измерительными приборами. Мимо вас едет поезд, длину которого необходимо измерить. Тогда вы:

а) отмечаете на платформе две точки, против которых одновременно находились конец и начало поезда;

б) затем измеряете расстояние между этими точками и говорите, что это и есть длина поезда.

Именно такое определение длины движущихся тел бессознательно принималось в классической физике.

Возможно, многие не убеждены в том, что все применяемые физиками способы измерения длины движущихся относительно наблюдателя тел сводятся только к одновременному фиксированию начальной и конечной точек. Но это утверждение придется принять на веру. А сейчас важно отметить другое.

Если поверить, что действительно с принципиальной точки зрения нет другого рецепта измерения длины движущихся относительно наблюдателя тел, кроме указанного, то:

во-первых, необходимо определить, что такое одновременность событий и как вообще измеряют время;

во-вторых, где уверенность, что новый рецепт измерения даст тот же результат, что и старый — откладывание масштаба?

Но прежде чем отвечать на эти вопросы, подчеркнем одно важное обстоятельство, с непониманием которого очень часто связано непринятие теории Эйнштейна.

Так как старое определение длины (откладывание масштаба) не годится для движущихся тел, мы вынуждены были заново определять, что такое «длина стержня, движущегося относительно масштабного отрезка», вводя тем самым новое физическое понятие.

Это понятие определяется новым процессом измерения. И очень важно уяснить, что мы не можем, не имеем права считать, что длина движущегося тела обязательно совпадет с длиной неподвижного тела, которую мы уже определили ранее. И только опыт скажет, будут ли эти длины совпадать или нет[10].

Но определение длины движущихся тел таково, что никакими логическими доводами не докажешь: «Длина движущегося тела — то же самое, что длина неподвижного тела». По существу, это два различных физических понятия.

Конечно, в классической физике (физике малых скоростей) длину движущихся тел определяли (точнее, бессознательно определили) так, чтобы она совпадала с длиной неподвижного тела. Опыты показывали, что совпадение было. Но когда добрались до скоростей, близких к световой, те же опыты показали уже другое. Оказалось, что на самом деле совпадения нет. Это было очень непривычно, но и не более…

Чтобы разобраться в понятии «длина движущегося тела», необходимо выяснить:

1. Что такое время?

2. Что такое одновременность?

Но перед этим полезно уделить немного внимания эталонам.

Эталоны. Их значение и чуть-чуть истории.

Вероятно, все слышали, что в каждом солидном государстве существует Палата мер и весов, где исключительно бережно хранятся эталоны длины, веса, времени и всех прочих физических величин.

Но, возможно, далеко не все задавались вопросом: имеют ли эти палаты какой-либо практический смысл, или они просто являют собой торжество чистой науки?

Любопытно, что иногда по этому поводу можно услышать, что точные часы в Палате мер и весов, безусловно, необходимы, а вот эталон метра спокойно можно выкинуть. Все равно никто его не использует.

Опять поучения.

Подобные замечания прекрасно иллюстрируют, как мы склонны, сознательно или несознательно, обобщать свой личный опыт, создавать правила, используя привычные, обыденные факты (в данном случае ежедневную проверку своих часов по сигналам точного времени).

Однако поскольку довольно ясно, как практически важны эталоны длины (так же, конечно, как и эталоны других физических величин), вряд ли стоит тратить время на опровержение подобных взглядов.

Наш современный эталон длины — метр — и, соответственно, вся метрическая система измерения введены в годы Великой французской революции. Метр был определен несколько необычно — как «одна сорокамиллионная (1/40 000 000) часть земного меридиана». Иными словами, за основной реальный объект, который предъявляет физик при измерении длины, был взят довольно неудобный предмет — Земля.

С таким странным выбором эталона связана любопытная история.

Председателю комиссии по введению метрической системы и автору этой системы замечательному французскому математику Лапласу для своих работ необходимо было точно измерить земной меридиан. Но в те годы Франция вела непрестанные тяжелые войны, и никто, конечно, не дал бы ему средств на организацию экспедиции, посвященной столь абстрактной проблеме.

Иное дело — решение такой практически важной задачи, как введение новой удобной и простой системы мер. До введения метрической системы во Франции, да и во всем мире, с измерениями царила жуткая неразбериха: чуть ли не в каждой провинции была своя система, причем все они были исключительно неудобны.

Лаплас (который, кстати, был недурным политиком, хотя, мягко говоря, не очень щепетильным и принципиальным государственным деятелем) запросто убедил всех, что измерение земного меридиана необходимо для введения новой системы мер.

Меридиан (точнее, дуга меридиана) был измерен. Наука получила очень важные данные, а человечество — очень удобную систему мер, быстро распространившуюся по всей Европе, исключая Британскую империю.

Англичане, как известно, весьма уважают традиции и старину и остались верны футам, дюймам и ярдам (хотя Кельвин как-то ехидно заметил, что английская система мер была бы самой нелепой в мире, если бы не существовало английской денежной системы).

Различные сведения об эталонах длины. Рассуждения.

После измерения меридиана был изготовлен металлический стержень — метр. Он и есть наш масштабный стержень — эталон.

Представители многих стран договорились расстояние между штрихами на этом стержне считать единицей длины. Все линейки, все шкалы измерительных приборов в конечном итоге скопированы с этого метра.