Главная / Мах и принцип относительности

Мах и принцип относительности

Несколько иначе этот же вопрос обсуждается в 21-м выпуске рассылки.

Представление об относительности движения ведет свою историю от Галилея и составляет основу механики со времен Ньютона. Как известно, суть его в том, что нам должно быть совершенно безразлично, движется ли наш поезд относительно перрона или это перрон движется относительно поезда. Все это было бы замечательно, если бы не одна мелочь, которая портит всю картину: когда поезд только трогается, нас почему-то прижимает к спинкам сидений, и это никак невозможно объяснить тем, что трогается перрон. Так что, почесав в затылках, физики были вынуждены признать, что по каким-то неизвестным причинам ускоренное движение не является относительным. Надо заметить, что это относится и к вращательному движению, о чем прекрасно знают все, кто хоть раз в жизни пытался удержаться на вращающейся карусели.

Однако ж Эрнста Маха такое положение вещей никак не могло устроить. Он обратил внимание на факт, от которого физики старательно отворачивались – что ускорение всегда измеряется не само по себе, а относительно чего-то . Поэтому вполне законным является вопрос: «Где же тот идеальный ориентир, относительно которого мы должны измерять все наши ускорения»? Может быть это Земля? Но нет, говорят, она вращается. Да и что такое Земля? Всего лишь песчинка в огромной Вселенной. Кажется очевидным, что в пустом пространстве таких ориентиров нет и быть не может. Отсюда Мах сделал логичный на первый взгляд вывод, что идеальным ориентиром для измерения ускорений являются все тела во Вселенной в целом. По Маху, если мы ускоряемся, то относительно центра масс Вселенной.

Одно только казалось странным – эти замечательные идеи почему-то не нашли никакого отражения в законах физики. Стоит задуматься, каким именно образом огромные массы удаленных звезд и галактик могут повлиять на движение предметов вокруг нас. Физика знает только один вид подобного воздействия – силы всемирного тяготения. Но согласно теории тяготения Ньютона всё, на что они способны – это создать постоянное поле притяжения к центру масс Вселенной, если, конечно, такой центр вообще существует. Объяснить законы инерции они, вроде бы, не могут.

Есть еще одна вещь, вызывающая сомнения. Если что-то резко изменить в движении удаленных звезд, например, заставить их двигаться ускоренно, то согласно принципу Маха все окружающие нас предметы мгновенно должны приобрести такое же ускорение. Конечно, никто этого не заметит, но все же кажется странной сама идея мгновенной передачи воздействия через огромные расстояния. Если же мы будем исходить из того, что воздействия распространяются с ограниченной скоростью, то придется признать, что непосредственная причина инерции окружающих нас предметов находится не на огромных расстояниях, а в той области пространства, где мы находимся сейчас.

И какова же может быть эта непосредственная причина, если вокруг на несколько световых лет – только пустое пространство? Этот вопрос заставляет усомниться в том, что окружающее пространство является пустым. Может быть в нем есть нечто такое, что может послужить тем самым идеальным ориентиром, относительно которого мы должны измерять все наши ускорения?

С точки зрения геометрии, в самом по себе трехмерном евклидовом пространстве нет ничего, кроме составляющих его геометрических точек и заданных между ними расстояний. Если рассмотреть такое пространство в разные моменты времени, то мы увидим как бы несколько совершенно независимых пространств, которые непонятно как связаны между собой. Это похоже на гераклитовское «в одну реку нельзя войти дважды» – как и река, пространство в каждый следующий момент новое. Но мы-то знаем, что настоящее и будущее каким-то образом связаны с прошлым. Это значит, что точкам прошлого пространства нужно поставить в соответствие точки настоящего и будущего пространств. Проблема только в том, что таких соответствий можно построить множество самых разных. Какое же из соответствий «правильное»? С точки зрения физики «правильным» является как раз такое соответствие, которое определяет инерциальную систему отсчета.

Если добавить четвертую координату – время, то множество из прошлых, настоящего и будущих пространств сложится в единый четырехмерный континуум. Если предположить, что в рамках геометрии этого континуума определено понятие параллельного переноса, то этот параллельный перенос как раз и определит то самое «правильное» соответствие между точками прошлых, настоящего и будущих пространств. Все прочие (не параллельные) виды переносов определят ускоренно движущиеся (в частности, вращающиеся) системы отсчета. Такое свойство геометрии континуума – наличие понятия параллельного переноса и прямых линий – иногда называют «связностью».

Получается, что если в пространстве, помимо составляющих его геометрических точек и заданных между ними расстояний, имеется также некая связность с прошлыми и будущими пространствами, то эта связность как раз и является тем самым ориентиром, относительно которого мы должны измерять ускорения, и необходимость в котором была осознана Махом. Математически связность описывается так называемыми «символами Кристоффеля». Но что стоит за этим в реальности? Ответ на этот вопрос дает общая теория относительности. Она сопоставляет символам Кристоффеля компоненты напряженности гравитационного поля. Среди них есть как хорошо известные из классической механики три компоненты ускорения свободного падения, так и другие, не имеющие аналогов в теории тяготения Ньютона. Поэтому можно сказать, что гравитация в некотором смысле является тем «эфиром», относительно которого должны измеряться реальные ускорения и к которому привязываются инерциальные системы отсчета.

Мах, увы, был неправ. Разыскиваемый им ориентир оказался куда ближе, чем удаленные звезды. Им оказалась гравитация, непосредственно пронизывающая все пространство вокруг нас.

Е.Просветов ( e-pros.narod.ru )