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.

---

Возможно, подобная оценка творчества Галилея излишне сдержанна, однако детальный анализ его работ, к сожалению, увел бы нас слишком далеко в сторону, и потому… Пойдем далее.

Если следовать Галилею, между покоящимся и равномерно движущимся телом в известном смысле устанавливается равноправие. Равномерно двигающийся по поверхности моря корабль и корабль, мирно стоящий на якоре, в равной степени не подвержены «воздействию внешних причин, вызывающих ускорение или замедление». Более того, наша Земля может покоиться в пространстве или равномерно двигаться — в обоих случаях отсутствуют «внешние причины».

Но если это так, то, может быть (может быть!), все физические процессы, протекающие на равномерно движущемся теле, в частности на Земле (если она равномерно двигается, конечно), должны протекать так же, как на покоящемся?

И (внимание!) Галилей высказывает эту мысль.

Да, он полагает, что с точки зрения механики совершенно равноправны тело, находящееся в покое, и тело, которое равномерно движется.

Любой механической опыт, поставленный на равномерно и прямолинейно движущемся теле, будет протекать точно так же, как если бы оно покоилось.

Вот он — принцип относительности Галилея!

Это положение — принцип относительности Галилея — один из самых замечательных и удивительных законов природы.

Однако уже сейчас необходимо сделать несколько замечаний.

Во-первых, внимательный читатель, вероятно, обратил внимание, что мы еще не объяснили, что такое движение, а следовательно, наши рассуждения о движущихся и покоящихся телах пока, строго говоря, бессодержательны. В дальнейших главах подробно разбирается понятие движения в механике — вопрос не такой простой и очевидный, как может казаться. Пока же мы следуем за Галилеем, а у него (как ни странно!) не было четкого представления о понятии механического движения.

Во-вторых, позже, когда будут сформулированы законы Ньютона, мы увидим, как принцип относительности Галилея можно вывести из этих законов. Сейчас же заметим, что одного закона инерции еще недостаточно, чтобы утвердить принцип относительности. И хотя несколько выше мы как бы связывали в сознании Галилея закон инерции и принцип относительности, следует признаться, что это не более чем литературная вольность.

Между законом инерции и принципом относительности действительно очень тесная связь, но Галилей скорее всего просто гениально угадал свой принцип, «подглядел» его в природе, не связывая с законом инерции. В это можно поверить, прочитав те страницы «Диалога о двух главнейших системах мира», где, по существу, утверждается принцип относительности. (Вероятно, излишне пояснять, что в современном виде сам Галилей никогда не формулировал «принцип относительности Галилея».)

«Диалог» Галилея — работа, окончательно уничтожившая систему Птолемея, — замечателен не только содержанием, но и формой. Прямо проповедовать учение Коперника нельзя — это запрещено. Но при обширных связях Галилея можно добиться появления книги, где всего лишь обсуждается эта «еретическая» система. Такая книга и написана. Он не защищает Коперника. Нет! С внешней стороны абсолютно беспристрастно анализируется спор «Птолемей — Коперник». Автор со своим отношением к предмету как будто отсутствует. Никаких выводов вроде бы не сделано. Два ученых — сторонник Коперника и защитник Птолемея — спорят между собой, а он, Галилео Галилей, просто пересказывает их дискуссию. Читатель же волен судить, чьи доводы убедительней. И вот, как беспристрастный судья, Галилей разбирает попытки опровергнуть Коперника, использовав законы аристотелевой механики.

Ведь если какие-либо механические опыты, произведенные на Земле, дали бы возможность установить, что Земля не движется вокруг Солнца, а находится в покое, то спор бы был разрешен.

И Галилей в «Диалоге» прямо приводит, казалось бы, очень веские возражения против Коперника.

Если Земля движется, то камень, падающий с башни, должен отклониться в сторону, поскольку он стремится двигаться только к центру Земли, а за время падения камня Земля «проезжает» под ним. Снаряд, выпущенный из орудия вертикально вверх, по той же причине должен упасть далеко в стороне от жерла пушки. Ядро, пущенное на запад, пролетит значительно дальше, чем на восток, так как суточное движение Земли, если оно существует, увлекает орудие к востоку, и в первом случае пушка «уезжает» от ядра, а во втором «догоняет» его. Облака и птицы должны отставать от Земли и т. д. Но повседневный опыт убеждает нас в обратном. Следовательно, Земля покоится?!

Между прочим, в «Диалоге» используется очень изящный прием спора. Все эти доводы против гипотезы о движении Земли высказывает и убедительно развивает Сальвиати — убежденный сторонник Коперника, а Симпличио — защитник Аристотеля — восхищенно слушает и поддакивает. И вот, продемонстрировав более глубокое понимание Аристотеля, чем его поклонники, использовав, казалось бы, неопровержимые аргументы в его пользу, Сальвиати — Галилей резко меняет фронт.

Провозглашая принцип относительности, он проводит аналогию между Землей и равномерно плывущим кораблем. Все тела на корабле ведут себя так, как будто он покоится: камень, падающий с мачты, всегда опускается у ее подножия; мяч, брошенный по движению или против движения корабля, полетит одинаково далеко. Ни один опыт на равномерно движущемся корабле не дает возможности установить: плывет корабль или покоится. А следовательно, ни один опыт на Земле не может сказать нам, покоится она или мчится в пространстве с колоссальной скоростью, вращаясь при этом вокруг оси.

Это утверждение Галилея, конечно, ошибочно.

Возможно, многие из вас с трудом сдерживают возмущение или, в лучшем случае, недоумение — ведь хорошо известны десятки опытов, проделанных на Земле и позволяющих установить ее суточное движение. Достаточно вспомнить о маятнике Фуко, о том, что камень, брошенный с вершины башни, отклонится к востоку[4] и т. д. В наши дни проявлять подобную безграмотность, безусловно, неловко — эти факты известны любому десятикласснику. Эти факты известны и автору. Но Галилею они известны не были.

Ирония судьбы. Предлагая принцип относительности, Галилей не понимает, что он верен только для равномерного прямолинейного движения, и использует его для равномерного вращательного движения.

О принципе относительности подробно рассказывается в V главе.

Мы-то знаем, что механические явления на вращающемся теле будут протекать по-другому, чем на неподвижном или равномерно и прямолинейно движущемся.

Равномерное движение по окружности можно обнаружить благодаря центробежным силам и легко отличить от состояния покоя или равномерного прямолинейного движения. Но все эти азбучные для нас истины Галилею неведомы. Однако и в своих ошибках он значительно ближе к истине, чем Аристотель.

Уже сейчас уместно спросить, что означают слова: «тело равномерно движется»? Что значит: «тело вращается»? Ответ можно найти в IV и V главах.

Человек со средним образованием может легко увидеть ошибки и путаные места в его трудах. Но чтобы получить новые результаты такого же масштаба, необходим такой же «необыкновенный гений».

Вот и все о Галилее. В дальнейшем, вооруженные законами Ньютона, мы вернемся ко всем вопросам, которые нами разбирались. Мы четко сформулируем основные принципы механики, достигнем как будто предельной ясности и… особо остановимся на тех местах, которые остались неясными и Ньютону, — на его ошибках.

И далее мы увидим, как исследование, казалось бы, совсем другой области физики — учения об электромагнитных волнах — привело к необходимости полностью изменить все наши представления о пространстве и времени или, говоря точнее, заставить физиков задуматься над вопросом: «Что же такое время и пространство?»

Вероятно, через некоторое время произойдут новые революции в физике. Возможно, через несколько поколений взгляды нашего поколения будут казаться такими же наивными, какими представляются нам некоторые идеи Галилея, но физик любой эпохи будет с преклонением вспоминать Галилея — первого, который понял во всей глубине, что новые идеи надо искать в «великой книге — природе», опираясь только на факты.

В заключение стоит привести один пример, очень четко характеризующий строгий и честный стиль научного мышления Галилея. Многие слыхали, конечно, что гипотеза о бесконечности вселенной впервые выдвинута Джордано Бруно. Но это не совсем точно. Эта проблема, видимо, очень занимала Галилея, он неоднократно к ней возвращался. И пожалуй, пошел дальше Бруно.