Инерциальные системы отсчета и скорость распространения взаимодействий

Для описания динамики тел необходимо иметь систему отсчета, которая понимается как система координат, служащая для указания положения тел в пространстве, вместе со связанными с этой системой «часами» (прибором для измерения времени).

Законы механики формулируются для инерциальных систем отсчета, в которых свободное движение тел (движение тел, не находящихся под действием внешних сил) происходит с постоянной скоростью. При этом имеется сколько угодно инерциальных систем отсчета, движущихся относительно друг друга равномерно и прямолинейно.

Опыт показывает, что справедлив принцип относительности, согласно которому все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Это значит, что уравнения, описывающие некоторый закон природы, будучи выраженными через координаты и время в различных инерциальных системах отсчета, имеют один и тот же вид.

В обычной классической механике взаимодействие материальных частиц описывается посредством потенциальной энергии взаимодействия, которая является функцией от координат взаимодействующих частиц. Такой способ описания взаимодействия подразумевает предположение о мгновенности распространения взаимодействия. В этом случае, силы, действующие на каждую из частиц со стороны остальных частиц в каждый момент времени зависят только от положения частиц в этот же момент времени. Другими словами, изменение положения какой-либо из взаимодействующих частиц отражается на остальных частицах в тот же момент времени.

Однако опыт показывает, что мгновенных взаимодействий в природе не существует. Это означает, что предположение о мгновенности распространения взаимодействий содержит в себе некоторую неточность. В действительности при каком-либо изменении, происходящем с одним из тел, на другом теле это изменение отразится лишь по истечении некоторого промежутка времени. Разделив расстояние между обоими телами на этот промежуток времени, можно найти скорость распространения взаимодействий.

Эту скорость распространения можно было бы назвать максимальной скоростью распространения взаимодействий, которая определяет промежуток времени, после которого изменение, происходящее с одним

50

телом, начинает проявляться на другом. Другими словами, в природе невозможно движение тел со скоростью, большей скорости распространения взаимодействий.

О скорости распространения взаимодействий можно говорить и как о «скорости сигнала», отправляемого от одной частицы к другой с «информацией» об изменениях, которая испытала первая частица. Из принципа относительности следует, что скорость распространения одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Это означает, что скорость распространения взаимодействий является универсальной величиной.

Эта постоянная скорость является одновременно скоростью распространения света в пустоте (скорость света), которая обычно обозначается латинской буквой:

Именно чрезвычайно большой величиной этой скорости объясняется тот факт, что в обычной практике достаточно точной оказывается классическая механика.

Объединение принципа относительности с конечностью скорости распространения взаимодействий называют принципом относительности Эйнштейна в отличие от принципа относительности Галилея, исходящего из бесконечной скорости распространения взаимодействий. Соответственно, механику, основанную на принципе относительности Эйнштейна, принято называть релятивистской. В предельном случае, когда скорости движущихся тел малы по сравнению со скоростью света, можно пренебречь влиянием конечности скорости распространения взаимодействий на движение. Тогда релятивистская механика переходит в обычную механику, основанную на предположении о мгновенности распространения взаимодействий. Эту механику называют ньютоновской или классической. Предельный переход к классической механике может быть формально произведен как переход к пределу в формулах релятивистской механики. Обратим внимание, что переход к пределу следует понимать как, где – некоторая характерная скорость движения тел.

Кроме того, время является в классической механике абсолютным. Другими словами, свойства времени считаются независящими от системы отсчета. Это означает, что если какие-либо два явления происходят одновременно для какого-нибудь наблюдателя, то они являются одновременными и для всякого другого наблюдателя. Аналогично, промежуток времени между двумя событиями должен быть одинаков во всех инерциальных системах отсчета.

51

Однако понятие абсолютного времени находится в противоречии с принципом относительности Эйнштейна. Действительно, в классической механике имеет место закон сложения скоростей, согласно которому скорость сложного движения равна векторной сумме скоростей, составляющих это движение. Это утверждение, будучи универсальным, следует применить и к распространению взаимодействий. Тогда скорость распространения должна быть различной в различных инерциальных системах отсчета в противоречии с принципом относительности Эйнштейна. Однако в ходе эксперимента А.А. Майкельсонf и Э.В. Морли (1887 г.) была обнаружена независимость скорости света от направления его распространения. Между тем согласно классической механике скорость света, например, в направлении движения Земли должна быть отличной от его скорости в противоположном направлении.

Таким образом, принцип относительности Эйнштейна приводит к тому, что время не является абсолютным. Следовательно, утверждение, что между двумя данными событиями прошел определенный промежуток времени, приобретает смысл только тогда, когда указано, к какой системе отсчета это утверждение относится. В частности, события, одновременные в некоторой системе отсчета, будут не одновременными в другой системе.