Относительность: для старших школьников и младших студентов

Драматическая история открытия закона относительности была описана неоднократно. этих вещей была , открытая обстоятельства начале 17-го века Галилео Галилеем. Положения теории относительности Галилея довольно просты для нас. Их можно выразить, в частности, следующими утверждениями.

На второй – в центре мироздания расположено Солнце, а Земля вращается вокруг своей оси с периодом одни сутки и одновременно движется вокруг Солнца с периодом один год. Луна имеет период обращения – месяц. Система называется «гелиоцентрическая».

Теория правильная – если она соединяется с другими теориями, подобно пазлу в детской игре. Два пазла должны соединиться так, чтобы совпали все выступы и впадины, а также рисунки обеих деталей должны переходить одна в другую. Так же и две теории должны согласовываться друг с другом. Например, кинематика и динамика должны образовывать единую науку. Движение тел должно объясняться действиями сил. Электротехника должна использовать закон Кулона. Например, электрический ток может «пробить» электрическую изоляцию именно благодаря действию закона Кулона, а не какой-то «волей» электрического тока. Пробой происходит, когда сила Кулона, действующая на носители тока, превысит строго определенное значение.

Механика образует пазл-структуру, содержащую отдельные детали – кинематику, динамику, законы сохранения, которые должны в своих выводах согласовываться и дополнять друг друга.

Можно, конечно, рассматривать в форме отдельных казусов движение тела с постоянной скоростью, ускоренное, замедленное, движение по кругу. Но истинная теория должна требовать объяснения этих видов движения с динамикой и другими видами механики.

Теории, основанные на том, что «просто знаю» называются параномальными. Они не привлекают

Конечно, можно знать, что летающие тарелки существуют, но использовать подобные знания при прокладке трасс самолетов – будет себе дороже.

Паранормальные теории – не соединяются с другими теориями-пазлами. Они существуют изолированно, «для красоты».

Вы имеете право опрыскивать святой водой свой самолет пред посадкой на него, но нельзя требовать от авиаконструкторов введения подобного обязательного правила.

Так было не всегда. Например, охотник каменного века знал, что стрела летит сначала прямо в цель, а потом падает на землю. При этом его теория полета стрелы не использовала ни закона всемирного тяготения, ни аэродинамики. Он просто знал, что если сделать так – будет то. А если иначе – другое. В настоящее время при стрельбе из пушки необходимо, чтобы кинематика полета снаряда

Поэтому во времена охотника каменного века можно было считать, что солнце утром встает, а вечером – уходит за горизонт. В наше время, при создании кинематики движения Солнца необходимо учитывать, что существуют другие науки, с которыми необходимо согласовывать теорию движения.

В следующей главе мы представим результаты опытов, которые прямо указывают, что именно Земля вращается, а не Солнце ходит по горизонту.

Вопрос. На рис.1.15 изображены две картины движения планет. Какая из них – более правильная? Как это доказать?

Ответ 1.13. Считается, что с точки зрения математического описания – они обе дают правильные предсказания положений планет и Солнца. За неимением места, переадресуем читателя к другим книгам.

Согласно теории Птолемея, в центре Мира находится Земля, а вокруг нее вращаются Луна, планеты, Солнце и сфера звезд (на рис. не показана). Небесные тела совершают очень сложные движения. Во-первых, вся система совершает оборот вокруг Земли в течении суток. Во-вторых, все они, за исключением звезд, совершают вращение по большим окружностям, которые он назвал деферентам. В-третьих, планеты Венера, Марс и другие двигаются по окружностям меньшего радиуса, называемыми эпициклами. Далее предусматривалось, что и эпициклы вращаются по своим эпициклам. Получался очень сложный механизм со множеством своеобразных шестеренок.

Теория Птолемея оказалась научной, то есть достаточно точной. Она использовалась мореплавателями для ориентации по солнцу и звездам более 1500 лет. Эта «геоцентрическая» модель Вселенной, в которой Земля покоилась, а небесные светила двигались, была закреплена в христианской религии. Особенность любого верования – незыблемость принятых догматов. В отличие от науки, религия не доказывает, а принимает принципы.

Правильность теории

Как известно, практика – критерий истины. Правильной можно считать такую теорию, которая

Парадокс относительности движения. Можно считать, что звезды и Солнце двигаются по небу.

Ответ. Согласно принципу относительности, оба утверждения правильны. Правда, имеется оговорка, обсуждаемая в следующей главе. Это возможно, если считать Землю инерциальной системой отсчета. Обратимся в следующей главе к рассмотрению эффектов, связанных с действием закон инерции и к его нарушениям.

Необъяснимое вечное движение нашего светила стало основой множества религий. Солнце называли Гелиосом – у греков, Аполлоном – у римлян, Ра – в древнем Египте. Фараон Египта был Сыном Солнца. Появление первой кинематики в Египте было вызвано необходимостью предсказать движение Солнца и звезд по небосклону. Зачем это оказалось нужным?

Оказывается, движение бога Солнца Ра по небу было очень важно для древних египтян. Жрецы открыли, что именно по воле бога Ра происходили разливы Нила, приходила засуха, менялись времена года. Поэтому первые ученые на земле, жрецы, создали первую кинематику – науку о движении Солнца и звезд по небосклону. Теперь грамотные люди говорили земледельцу, как поступать, чтобы не засохла взошедшая пшеница. Или не погибла при наводнении.

Рассмотрим проблему описания движения светил.

Рис. 1.12. Движение солнца по небосклону – реальность, или иллюзия?

Жрецы Египта объясняли смену дня и ночи тем, что бог Амон-Ра движется по небу на колеснице , рис.1.13. Днем она плывет по небесной реке с востока на запад, и солнце освещает землю. Обратный путь – с запада на восток – Ладья проделывает ночью: она плывет под землей через Загробный Мир, и солнце согревает своими лучами мумии, лежащие в саркофагах. На рассвете Ладья через пещеру в восточных скалах вновь выплывает на небосвод, и все повторяется сызнова.

Рис.1.13. Ладья Ра; виньетка из папируса; http://www.wands.ru/txt/lnk_002r.html

Для описания движения Солнца и его положений в небе зимой и летом, жрецы создали Календарь – одно из первых научных учений. Эту теорию можно считать научной, потому что она правильно предсказывала времена года. Календарь дал тогдашним ученым людям невиданное могущество. Они могли сказать, когда нужно бросить семя в землю, чтобы не умереть с голоду!

В этом и состояло одно из главных достижений египетской науки. Жрецы определили, что год длится 365 дней. Каждый год они разделили на три сезона. Первый, равный нашим четырем месяцам, назывался «ахет» (что в переводе с языка древних египтян означает «наводнение»). Он совпадал с разливом Нила. В то время, которое теперь протекает с июля по октябрь, река затопляла берега. Следующий сезон, длившийся тоже около четырёх наших месяцев, назывался «перет» (появление суши). Вода спадала, увлажнив землю и удобрив её илом; сезон начинался севом и заканчивался сбором урожая. С марта со стороны Сахары начинал дуть иссушающий ветер, и наступал последний сезон года, «шему» (отсутствие воды). Таким образом был создан КАЛЕНДАРЬ – одно из великих открытий человечества.

Следует отметить, что создание этого Календаря было делом очень сложным, потребовало сотен лет. При этом жрецы догадались, что звезды вращаются вокруг Земли с периодом 365 дней, а Солнце, в свою очередь, перемещается относительно этой Звездной сферы. И хотя звезд днем не было видно, но жрецы знали, в каком созвездии «гостит» Солнце, в созвездии Козерога, Водолея или других. Таким образом, течение года означало движение Солнца мимо невидимых в этот момент созвездий, рис. 1.14.

Кроме астрономии и Календаря, жрецы предложили и еще одну науку, астрологию. Они сделали вывод, что поскольку движение Солнца и звезд так сильно влияет на великую реку Нил, то уж на жизнь ничтожных отдельных людей – подавно должно влиять. Жизнь людей запутана и противоречива. Хорошее и плохое – перемешано. Удача и неудача столь же относительны, как явление движения. Поэтому астрология и сохранила свое влияние до наших дней.

Решим попутно задачу, описывающую невидимое движение Солнца.

Вопрос 1.12. В какое время года, зимой или летом, можно увидеть на небе созвездие Льва?

Ответ. Период времени «Лев» относится к лету. В это время Солнце проходит по этому созвездию. Следовательно, лишь зимой Солнце достаточно удалится от этого созвездия, и «Лев» можно увидеть ночью.

Рис.1.14. Годовое движение Солнца через созвездия

Прав ли был Галилей? Крутится ли она?

Календарь был первой, но примитивной моделью движения Солнца. Более научная же теория была создана через две тысячи лет после создания пирамид египетским ученым Птолемеем.

Вопрос. На рис.1.15 изображены две картины движения планет. Какая из них – более правильная? Как это доказать?

Ответ 1.13. Считается, что с точки зрения математического описания – они обе дают правильные предсказания положений планет и Солнца. За неимением места, переадресуем читателя к другим книгам.

Согласно теории Птолемея, в центре Мира находится Земля, а вокруг нее вращаются Луна, планеты, Солнце и сфера звезд (на рис. не показана). Небесные тела совершают очень сложные движения. Во-первых, вся система совершает оборот вокруг Земли в течении суток. Во-вторых, все они, за исключением звезд, совершают вращение по большим окружностям, которые он назвал деферентам. В-третьих, планеты Венера, Марс и другие двигаются по окружностям меньшего радиуса, называемыми эпициклами. Далее предусматривалось, что и эпициклы вращаются по своим эпициклам. Получался очень сложный механизм со множеством своеобразных шестеренок.

Рис.1.15.

Системы Мира Птолемея (а) и Коперника (б)

Теория Птолемея оказалась научной, то есть достаточно точной. Она использовалась мореплавателями для ориентации по солнцу и звездам более 1500 лет. Эта «геоцентрическая» модель Вселенной, в которой Земля покоилась, а небесные светила двигались, была закреплена в христианской религии. Особенность любого верования – незыблемость принятых догматов. В отличие от науки, религия не доказывает, а принимает принципы.

Однако еще до Птолемея, в древней Греции, Элладе, существовала альтернативная теория гелиоцентризма, по которой Земля движется вокруг Солнца и одновременно вращается вокруг своей оси.

Рис. 1.16. Николай Коперник, польско-немецкий ученый; портрет создан учеными путем реконструкции по черепу

И вот, в конце 16-го века, в Европе возник конфликт между рядом свободолюбивых философов и консервативной церковью. В начале 17-го века Николаем Коперником была создана теория, по которой в центре Мироздания не Земля, а Солнце. Все планеты, включая Землю, совершают движение по идеальным окружностям вокруг Солнца.

Николай Коперник был одним из государственных деятелей Германии. Не зря Коперник опасался публиковать свою теорию. Она сразу же была запрещена церковью, потому что свободолюбивые философы Европы воспользовались ею, чтобы ослабить влияние Церкви. Дело в том, что принцип «Земля – центр Вселенной», утвержденный учениками Аристотеля, подрывала основу христианского Мироздания. Ее активный защитник Джордано Бруно – сожжен на костре.

Галилео Галилей, защищавший теорию Коперника, был репрессирован церковной инквизицией. За оскорбление его должны были сжечь на костре, как Джордано Бруно. Он спасся тем, что принял покаяние и поклялся более нигде и никогда не упоминать кощунственную теорию о движении Земли. Согласно легенде, после этой процедуры он бодро топнул ногой и заявил. «А все-таки она вертится!» Но это, конечно, вряд ли

Теперь во всех учебниках астрономии говорится, что движение Солнца по небу – кажущееся, относительное. На самом деле – это Земля крутится! Но все же, можно ли убедиться, основываясь на реальных фактах, а не с помощью запутанной теории, что это так? Об этом – следующий раздел, посвященный неинерциальным системам отсчета.

Рис. 1.17. Джордано Бруно, 1548-1600 гг, итальянский монах-доминиканец, поэт, философ. Пропагандировал гелиоцентрическую теорию Н. Коперника. Объявил о множественности Миров. Обвинен римской инквизицией в ереси, сожжен на костре