Астрофизика, кванты и теория относительности - Каррелли А.
Скачать (прямая ссылка):
P' = P - та = тГ9 (1.2)
где f'— ускорение частицы относительно ЗГ', a P' — сила, изме-
ряемая в ST'. Таким образом, сила меняется от P до P — та. Дополнительный член —та, который должен быть добавлен к Р, зависит от массы частицы и поэтому называется силой инерции. Системы отсчета, в которых уравнение (1.1) справедливо без такой модификации, называются инерциальными. Все эти си*
J) J. V. Narlikar, Тата-институт фундаментальных исследовланий, Бомбей,
Индия»
10. Инерция и космология в теории относительности
499
стемы отсчета (включая $Г) движутся относительно друг друга без ускорения.
Чем же отличаются инерциальные системы отсчета от не-инерциальных? Ньютон априори не мог иметь физических оснований для проведения такого различия. То, что такое различие существует в природе, можно увидеть или продемонстрировать многими путями. Ньютон обсуждал так называемый эксперимент с ведром. Вращение ведра имеет относительный характер. Если один наблюдатель видит ведро вращающимся, то другой (например, сидящий на ведре) может утверждать, что оно не вращается. В экспериментах Ньютона это различие может быть сделано абсолютным. Если ведро подвешено на струне и струна закручена, то после того, как мы отпустим ведро, оно начнет вращаться, поскольку закрученная струна будет раскручиваться. Если ведро содержит немного воды, то ее поверхность будет искривляться и понижаться в центре. Этот абсолютный эффект доказывает наличие сил инерции и позволяет различать инерциальные и неинерциальные системы отсчета.
Ho почему должно существовать такое различие, Ньютон понять не мог. Однако он использовал его для постулирования так называемого абсолютного пространства. Фактически мы здесь имеем дело с особой инерциальной системой отсчета, в которой справедливо уравнение (1.1). Все ускорения относительно этой системы могут быть обнаружены благодаря наличию сил инерции.
Создание специальной теории относительности не изменило логического статуса второго закона движения. В самом деле, Эйнштейн устранил понятие абсолютного пространства, но особая роль инерциальных систем отсчета сохранилась. Сам Эйнштейн хорошо осознавал эту особую роль. Действительно, он привел аналогию [8] с кажущейся особой ролью вертикального направления в любой точке Земли. Человек с весьма ограниченным опытом познания окружающего мира может подумать, что Земля плоская и что вертикальное направление абсолютным образом отличается от горизонтальных. Более полное знание окружающего мира могло бы изменить это впечатление и прояснить истинный смысл вертикали. Нельзя ли аналогично, посредством лучшего понимания структуры Вселенной, выяснить тайну особой роли инерциальных систем отсчета?
Мах в прошлом веке отметил, что Вселенная действительно предоставляет ключ к разгадке — ключ, которого не было в распоряжении Ньютона. Астрономические наблюдения показали, что система отсчета локального наблюдателя, в которой удаленные участки Вселенной представляются невращающимися, есть инерциальная система отсчета. Это замечательный результат! Наблюдатель может измерить вращение Земли относительно
600
Дж. В. Hapjtmap
ньютоновского абсолютного пространства, наблюдая за маятником Фуко, который приводится в движение силами инерции. Или же он может измерить вращение относительно удаленных галактик1). В любом случае он получает один и тот же ответ! Другими словами, космология, по-видимому, дает ответ на вопрос, почему определенные системы отсчета играют особую роль.
Это обстоятельство подчеркнул Мах в своей критике ньютоновской механики. Как ученый, считающий надежными все научные выводы, основанные на непосредственно наблюдаемых величинах (а не на абстрактных теориях), Мах активно выступил против понятия абсолютного пространства и попытался заменить его фоновым пространством удаленных областей Вселенной. Он пошел даже дальше. Ньютоновское понятие инерции и ее измерение с помощью массы не удовлетворяли его. Если масса есть количество вещества в теле, то как ее следует измерять? Для Маха масса и инерция были не присущими телу свойствами, а следствием существования тела во Вселенной, содержащей и другую материю. Чтобы измерить массу, необходимо использовать уравнение (1.1): измерить силу и разделить ее на вызванное ею ускорение. Ho уравнение (1.1) само зависит от использования абсолютного пространства, которое идентифицировалось с фоновым пространством удаленной материи. Поэтому, согласно рассуждениям Маха, масса каким-то образом определяется удаленной материей.
Каким же образом? Ответа на этот вопрос Мах не дал. Его рассуждение, приведенное выше, известно как принцип Маха. Даже не будучи строго сформулированным, он тем не менее представляет определенную интеллектуальную привлекательность. Как реагировал на него Эйнштейн? Появившийся в годы создания теории относительности, принцип Маха был призван сыграть важную роль в подходе Эйнштейна к пространству-времени и тяготению.
Эйнштейн выразил свое несогласие с абсолютным пространством таким образом [8]:
«В качестве такого определяющего обстоятельства Ньютон ввел «абсолютное пространство» как некоего вездесущего активного участника всех механических процессов. Под «абсолютным» Ньютон, очевидно, разумеет не подверженное влиянию масс и их движений. Положение усугубляется тем, что предполагается существование бесконечного
