Глеб Анфилов - Бегство от удивлений

В частности, объявить систему отсчета инерциальной мы вправе лишь тогда, когда уверены, что она покоится либо движется равномерно в равномерно текущем времени. А есть у нас такая уверенность?

Заданы серьезные вопросы. Искать ответы будем постепенно. И, обещаю, придем к новым удивлениям, новым поразительным выводам о физике нашего мира.

В аквариуме плавает рыбка. Где бы она ни находилась, ее положение я могу определить тремя отсчетами (координатами) — расстоянием до дна и двух смежных стенок. Я повесил на аквариум свои часы — и отсчеты пространства дополнились отсчетами времени. Теперь я сумею описать четырьмя числами любое событие из рыбьей жизни. Три числа отметят точку пространства, а четвертое — момент события. Вместе они дадут полную классическую пространственно-временную систему отсчета.

Вот, к примеру, пространственно-временной протокол двух секунд рыбьего поведения.

Отсчет № 1. Ровно в пять часов утра рыбка позавтракала — проглотила циклопа. Это произошло в 18 сантиметрах от дна, в 20 сантиметрах от левой боковой и в 8 сантиметрах от задней стенок аквариума.

Отсчет № 2. В пять часов одну секунду рыбка вильнула хвостом в 16 сантиметрах от дна, 5 и 15 сантиметрах от тех же стенок.

Отсчет № 3. В пять часов две секунды рыбка пустила пузырь в 21 сантиметре от дна и т. д.

Этим протоколом описано движение рыбки в пространстве и времени.

Но в каком пространстве и в каком времени? То ли это пространство, в котором кружит Луна или плывет по своей далекой орбите Юпитер?

К аквариуму «привязана» собственная маленькая система отсчета. Она, как правило, неинерциальна. Путь рыбки в своем протоколе отнесен только к аквариуму, к его стенкам и дну. Такое пространство Ньютон назвал бы местным.

То же самое — со временем. Время в протоколе зафиксировано не какое-то всеобщее, а «мое», отсчитываемое моими часами.

Как «в действительности» движется рыбка, из протокола заключить невозможно. Ибо аквариум сам движется: он стоит на Земле, а Земля вращается вокруг своей оси, да еще обегает вокруг Солнца, да еще вместе с Солнцем летит в направлении к созвездию Гончих Псов (это установили астрономы). К тому же наш аквариум может находиться в вагоне идущего поезда, или на плывущем корабле, или в летящем самолете. Сколько тут складывается движений, совмещается сил инерции! Попробуй-ка учти их все вместе!

Словом, запротоколированные нами движения — явления сугубо местные, частные. Ньютон называл их обыденными.

Приложить их ко всему мирозданию практически невозможно.

Разумеется, такое положение дел не устраивало великого физика. Он хотел найти «настоящие» движения, безотносительные к какому-то заведомо не неподвижному предмету.

Такие «подлинные» движения ученый назвал абсолютными. И пространство, относительно которого они происходят, тоже получило имя «абсолютного пространства».

Это и есть ньютоновская «сцена» Вселенной.

Еще раз. В домашнем аквариуме его местное пространство прыгает, летает, кружит в бесчисленных движениях и поэтому совсем не годится для небесной механики. Как же превратить его в абсолютное пространство?

Испробуем такой способ: увеличим аквариум до бесконечно огромной величины, поставим его на «неподвижные» звезды и вместо рыб впустим в него Землю, Луну, Солнце со всеми остальными планетами, а также астероиды, кометы, метеориты и прочие движущиеся небесные тела.

Вообразим еще, что этот бесконечно большой аквариум бесконечно прочен, неизменен и неподвижен. И крепко-накрепко «привяжем» к нему систему отсчета расстояний (от дна и двух смежных стенок, помните?). Вот и готова основа самой главной инерциальной системы отсчета — ньютоновское абсолютное пространство. Согласно определению Ньютона, оно «по самой своей сущности безотносительно к чему бы то ни было внешнему остается всегда одинаковым и неподвижным».

Абсолютное пространство — костяк ньютоновского мира. Сверхжесткий вселенский остов, который не ведает никаких перемен, никаких потрясений. Пусть в нем хоть звезды взрываются — он этого не чувствует. Абсолютное пространство никогда не шелохнется, не даст ни складочки, ни трещинки. Оно такое идеальное, что в нем, по существу, нет ничего физического — сплошная математика, голая геометрия, причем наиболее простая — геометрия прямых линий, плоскостей и объемов, та самая, что от Евклида и Пифагора перекочевала в современные школьные программы.

В этом «всемирном аквариуме» пути движений будут запротоколированы уже не сугубо местные, а «истинные»— абсолютные. Луна в нем станет двигаться не относительно Земли или Солнца, а относительно абсолютного ньютоновского пространства. В нем, «настоящем», незыблемом, полетит и падающий камень, и тележка с русской горки. И именно в нем будут безоговорочно справедливы формулы небесной механики: все три динамических закона Ньютона, закон тяготения и их бесчисленные следствия. Там, в абсолютном пространстве,механика будет действовать в чистом виде, без всяких досадных, до конца практически не исполнимых поправок на местные движения, на силы инерции.

Очень хорошо. Некоторое сомнение вносится, правда, тем, что столь важное понятие, как абсолютное пространство, у нас введено каким-то шутовским трюком — с помощью фантастически огромного всемирного аквариума.

Нельзя ли привязать это пространство к чему-нибудь более реальному, действительно существующему?

Подождите. Ради обоснования мира Ньютона надо придумать еще что-то небывалое, потому что и в полной мировой системе отсчета пространственные измерения должны сочетаться с измерениями времени.

Вешая свои часы на комнатный аквариум (чтобы составить протокол поведения золотой рыбки), я нисколько не заботился обо всех остальных часах Вселенной. Мне было решительно все равно, годятся или не годятся мои скромные потертые часики, скажем, для составления расписания восходов и заходов спутников Марса.

Но вот аквариум увеличен до сверхкосмических размеров. Он стал почтенной фигурой — остовом абсолютного ньютоновского пространства. А как же часы, которые на нем висели, когда он был маленький? Неужели они не изменились?

Изменились.

Раньше они показывали наше московское или, иначе говоря, местное, обыденное время; оно было воспроизведено колебанием маятников или пружинок, текло в ритме вращения Земли, поставлено по московскому поясу. Оно отсчитывало земные годы, сутки, минуты, секунды, не имевшие, вообще говоря, никакого отношения к суткам Сатурна и годам Нептуна.

Теперь же часы, висящие на «всемирном аквариуме», показывают, как того требует ньютоновское определение, «абсолютное, истинное, математическое время», которое «само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно».

Как видите, все сказанное Ньютоном об абсолютном пространстве относится и к абсолютному времени. Оно объявлено «математическим» и обязано течь «само по себе». Это значит, оно никак не зависит от моих или ваших часов, от колебания маятников, пружин и от прочих физических явлений. Колебания маятников, или пружинок, или даже самих атомов для всемирных часов — события «внешние», не затрагивающие их безукоризненно равномерного хода.

Понятно, почему Ньютон выставил столь жесткое требование: если бы на всемирное время влияли физические процессы, то оно не было бы всюду одинаковым, повсеместно равномерным, и его не удалось бы так просто вставлять в уравнения механики. Где-то усилилась тяжесть (хотя бы над кладом золота) — маятник колеблется чаще, маятниковые часы спешат. Это, понятно, можно учесть, можно поправить ход или использовать пружинные часы, на которые тяжесть не действует. Но и пружинные часы не без греха. Чуть ослабла пружина — меняют ход. Не спасают положения и тщательно оберегаемые эталоны времени — скажем, маятники строго выверенной длины, раскачивающиеся под стеклянным колпаком над определенным местом, или даже колебания молекул и атомов: никто не может поручиться, что всюду в мире они останутся неизменными. Для проверки ведь надо сверять показания часов сигналами, а сигналы— тоже явление физическое, подверженное бесчисленным физическим же влияниям.

От всех этих осложнений Ньютон освободился единым махом, объявив всемирное абсолютное время не физическим, а математическим.

Но только я вот не знаю, какую бы метаморфозу совершить со своими часиками, чтобы они стали независимы от физики. Их надо сделать бестелесными, нематериальными. Единственный выход — послать их в загробный мир, а оттуда вернуть и повесить на всемирный аквариум. Тогда будет все в порядке: несуществующий идеально незыблемый остов мира украсится извлеченными из небытия нематериальными часами, показывающими очищенное от физики абсолютное математическое время.