Время и современная физика - Зайцева Г.А.
Скачать (прямая ссылка):
Как выбрать в нашем физическом мире систему отсчета, играющую роль одной из абсолютных систем отсчета, о которых говорит основной закон?
Как определить и измерить время в нашем физическом мире, чтобы его можно было уподобить времени, входящему в формулировку основного закона?
Как измерить массы и силы физического мира, чтобы теория могла быть применима к окружающему нас миру?
Ответив на эти вопросы, можно проверить справедливость предложенной схемы, сравнивая наблюдаемые движения с соответствующими движениями, рассчитанными по законам механики. Таким образом, мы в той или иной степени уточним справедливость построенной модели и выясним, с какой точностью можно предсказывать явления.
В действительности этапы построения теории и ее сравнения с опытом, которые мы для удобства рассматривали отдельно, неразрывно связаны между собой. На подобного рода согласование теории и опыта потребовались многие века напряженного человеческого труда; сейчас слишком часто забывают, как много усилий затратило человечество в труднейших условиях, чтобы получить указанные результаты.
Мы лишь кратко опишем главные этапы пройденного пути. В частности, отметим его диалектический характер, а также то, что развитие механики осуществлялось при помощи последовательных приближений всякий раз, когда речь шла о применении схемы классической механики к движению небесных тел или к движению земных систем. Ограничимся рассмотрением хорошо известного случая движения планет.
В первую очередь уточним вопрос о системе отсчета. Согласно закону сложения ускорений, каждая, система отсчета, равномерно перемещающаяся относительно абсолютной системы отсчета, также может считаться абсолютной. В этом заключается -принцип относительности
60
Галилея. Чтобы в системе отсчета, движущейся произвольно, можно было обобщить основной закон динамики, к силам, действующим на систему, следует прибавить
фиктивные силы - уе(М), характеризующие ускоренное движение плотности массы, и дополнительные фиктивные
—>
силы - ус; последние равны нулю, если система отсчета движется поступательно по отношению к абсолютной системе отсчета.
Если мы применим основной закон ко всей Вселенной, то внешние силы по определению равны нулю, то есть
[<*] = 0.
Таким образом, центр инерции ?/ Вселенной можно считать связанным с абсолютной системой отсчета. При астрономических наблюдениях в качестве абсолютной системы отсчета берется система отсчета, определяемая положением центра и и прямыми, проходящими через и, направление которых связано с так называемыми неподвижными звездами. Определив таким образом универсальную абсолютную систему отсчета, рассмотрим системы отсчета, более доступные для наблюдения движений. Система отсчета с началом координатных осей в центре инерции Солнечной системы, направления осей которой связаны с универсальной системой отсчета, может в достаточно хорошем приближении рассматриваться как абсолютная. Это и есть планетная система отсчета в Солнечной системе. Но в Солнечной системе, где преобладает масса Солнца, можно (конечно, с более грубым приближением) рассматривать в качестве абсолютной также систему отсчета, движущуюся относительно предыдущей, но связ-анную с центром инерции Солнца. Назовем эту систему солнечной системой отсчета. Все наши соображения опираются на несколько расплывчатую, но достаточно очевидную гипотезу: тело А действует на тело В тем сильнее; чем больше масса А и чем меньше расстояние АВ.
В еще более грубом приближении можно рассматривать в качестве абсолютной систему отсчета, начало которой совпадает с центром Земли, а направления осей связаны с неподвижными звездами. Это приближение пригодно для изучения движений вблизи Земли без учета влияния Солнца, Луны, планет и звезд (в частности, если
51
не рассматриваются такие явления, как приливы и отливы). Относительно такой системы отсчета Земля, рассматриваемая как твердое тело со сферической симметрией, вращается равномерно. Мы констатируем периодичность этого суточного движения и находим первый, несовершенный, но часто достаточный способ физического определения абсолютного времени и, что особенно важно, приобретаем первый эталон времени. Ведь для времена нельзя создать статический эталон, который можно было бы поставить под колпак, подобно эталонам длины и массы. Нужно иметь возможность наблюдать в течение достаточно длительного времени строго периодическое явление. Суточное движение Земли и является этим первым эталоном, и установление его периодичности было первым подтверждением принципов классической механики.
Рассмотрим теперь движение какой-нибудь планеты в солнечной системе отсчета, где время определяется с помощью суточного движения Земли. Движение планет происходит по известным законам Кеплера. В теоретическом мире механики, где материальные точки движутся в соответствии с законами Кеплера, результирующая сил, приложенных к каждой точке, прямо пропорциональна ее массе и обратно пропорциональна квадрату расстояния точки от начала системы отсчета. Такова первая часть диалектического пути развития, о котором шла речь: основной закон при учете действующих сил используется для определения наблюдаемого движения. Обобщая полученный результат, мы приходим к закону ньютоновского притяжения, дающему нам возможность познать силы, влияющие на движение планет. Теперь можно более строго рассмотреть эту проблему. Выберем за основу планетную систему отсчета (это законно, если пренебречь влиянием звезд на движение тел Солнечной системы). Применяя основной закон (зная силы, находим движение), мы можем рассмотреть проблему движения планет, используя теорию классической механики и учитывая взаимодействие планет,—это знаменитая проблема п тел. Получаем систему дифференциальных уравнений, решение которых дает возможность предсказывать* положение различных планет в определенные моменты. Но в этой системе некоторые параметры остаются неизвестными: отношения масс различных планет и Солнца и точ-
