Возвращение чародея

В физике второе проявление инерции заключается в том, что тело, предоставленное самому себе и не подверженное влиянию сил, продолжает движение с постоянной скоростью и по прямой линии. Свободно катящаяся вагонетка, автомобиль с выключенным двигателем, футбольный мяч, скользящий по траве, и т. п. — все эти предметы на Земле останавливаются, ибо на них действуют задерживающие силы трения колес, покрышек и т. д. о поверхность качения; действует также и сопротивление воздуха, а у механизмов еще и внутреннее трение деталей.

Учитывая два проявления инерции, Ньютон примерно в следующих выражениях сформулировал чрезвычайно важный закон, которому подчиняются все материальные тела:

Если тело находится в покое, оно в покое и останется, а если оно движется, то оно будет продолжать движение с постоянной скоростью и по прямой линии до тех пор, пока на него не подействует какая-то внешняя сила, не уравновешенная другими силами.

Это утверждение известно как первый закон Ньютона, или закон инерции.

У человека, задумывающегося над глубоким, философским смыслом закона инерции, может возникнуть вопрос: если с точки зрения закона инерции, так сказать, все равно, покоится ли тело или движется прямолинейно и равномерно, — не является ли это свидетельством того, что между двумя названными состояниями тела и в самом деле нет никакой разницы (во всяком случае, в каком-то определенном смысле)?

Дальше мы увидим, что на поставленный вопрос нужно ответить положительно. Но сначала следует обсудить другой вопрос, без чего не только нельзя ответить на предыдущий, но даже сама его формулировка становится столь же бессмысленной, как, скажем, фраза: «Какого цвета португальские секунды?»

Вот он: когда мы говорим о покое и о движении, по отношению к чему мы их подразумеваем?

Вопрос может показаться странным. В самом деле, вот на столе лежит карандаш, — ведь он же покоится. А за окном проехал велосипедист, — ведь движется же он. Как будто никаких «по отношению к чему» не нужно, все видно сразу.

Но подумаем внимательнее. Карандаш покоится по отношению к столу и сидящему за столом Пете Иванову, это верно, но ведь по отношению к проезжающему велосипедисту он ведет себя иначе. Тот человек бросит взгляд в окно и скажет: «По отношению ко мне и моему велосипеду карандаш (вместе со столом, комнатой и всем домом) движется назад, я вижу это вполне отчетливо».

Конечно, многие его поправят: «Вам только кажется, что карандаш и дом движутся назад. Так кажется и пассажирам поезда, что телеграфные столбы бегут, а поезд стоит на месте; однако же это не так: столбы врыты в землю, они не могут двигаться».

Трудно придумать более неверные и даже вредные (как закрепляющие в сознании предрассудки) слова! С точки зрения физики, истина в том, что карандаш на самом деле покоится по отношению к столу и в то же время тот же карандаш на самом деле движется по отношению к велосипеду.

Физика утверждает, что движение относительно по самой своей природе. Сказать просто: «Тело движется так-то» — это значит произнести слова, не имеющие содержания. Если быть точным, нужно говорить: «Тело движется так-то по отношению к такому-то другому телу», или, как принято в физике, «по отношению к такой-то системе отсчета», или просто — «в такой-то системе отсчета».

Всякое движение есть движение в какой-то системе отсчета, оно относительно. Заметим кстати, что нередко считается, будто бы установление этой относительности движения — достижение теории относительности Эйнштейна. Это совершенно неправильно. В теории относительности речь идет совсем о других вещах.

Вот теперь вернемся к тому первому вопросу, на который пока не получили ответа, к вопросу об «одинаковости» или «неодинаковости» покоя и равномерного прямолинейного движения.

Согласно закону инерции тело, на которое ничто не действует или же воздействия на которое уравновешивают друг друга, движется с постоянной скоростью, прямолинейно и равномерно (в частности, это может быть покоящееся тело, то есть тело, скорость которого равна нулю). Спрашивается: к каким системам отсчета относится это утверждение? Очевидно, что не ко всем.

Пусть на верхней полке вагона, движущегося с постоянной скоростью относительно железнодорожного полотна, лежит в покое (относительно вагона) чемодан. Если машинист внезапно затормозит поезд, чемодан может свалиться с полки. Очевидно, что в период торможения чемодан находился в иной системе отсчета, чем до торможения.

Подлинное содержание закона инерции заключается в том, что существуют системы отсчета, по отношению к которым тело, не подверженное неуравновешивающим друг друга воздействиям, сохраняет свою скорость. Такие системы отсчета называются инерциальными.

Ясно, что если какая-нибудь система отсчета является инерциальной, то инерциальной будет и любая другая система отсчета, движущаяся относительно первой с постоянной скоростью, в частности покоящаяся относительно ее.

Это и есть «одинаковость» покоя и равномерного прямолинейного движения, о которой шла речь.

Где же в природе находятся инерциальные системы?

Опыт показывает, что с очень большой точностью инерциальной является система отсчета, связанная со звездами центральной части нашей Галактики — звездным скоплением, насчитывающим около ста миллиардов объектов.

Ну, а обыкновенная комнатная лаборатория, поле под открытым небом — инерциальные это системы или нет? Строго говоря, нет, отдельные участки земной поверхности с расположенными на них физическими приборами — неинерциальные системы. Ведь Земля вращается вокруг своей оси, а система, движение которой относительно инерциальной системы (в данном случае Галактики) имеет вращательную часть, уже не является инерциальной. Эта неинерциальность характеризуется появлением центробежных сил, зависящих от скорости вращения.

Тем не менее для очень многих опытов можно неинерциальностью Земли пренебречь: за одну секунду наша планета поворачивается всего на ¹/₂₄₀ долю градуса, или на 0,00007 радиана, а это не так много.

Иногда, однако, требуется точность более высокая, чем можно этого добиться в условиях земной системы отсчета, считая ее инерциальной. В таких случаях ищут более подходящую, более инерциальную систему. Коперник пользовался системой, центром которой была не Земля, а Солнце. Все же и она не является вполне идеальной. Ведь наше Солнце всего лишь одна из ста миллиардов звезд Галактики, а это звездное скопление вращается относительно своей центральной части со скоростью один оборот в 180 миллионов лет. Солнечная система находится сравнительно далеко от центра вращения Галактики (примерно в двух третях радиуса Галактики). Однако она тоже вращается вокруг оси, проходящей через этот центр, с окружной скоростью 250 км/сек. Значит, Солнечная система неинерциальна. Только в данном случае неинерциальность, конечно, совсем ничтожна. Можно высчитать, что система «Солнце» инерциальнее системы «Земля» в 100 миллиардов раз. Куда уж точнее!

Впрочем, бывает, что и инерциальность галактической системы не удовлетворяет астрономов. Тогда они принимают инерциальную систему: «несколько галактик». В этом случае они ориентируются не на одну нашу, пишущуюся с большой буквы, Галактику, но и на окружающие ее другие звездные острова.

Более инерциальных систем мы не знаем.