Принцип относительности Галилея: дверь в новую научную реальность

История науки человечества представляет собой неуклонное движение по восходящей линии, в котором, тем не менее, можно выделить целый ряд скачкообразных моментов. Эти узловые пункты соответствуют трудам и открытиям тех ученых, которые открывали в той или иной дисциплине новые страницы. Одной из таких страниц стал принцип относительности Галилея и связанное с ним начало формирования механистической картины мира.

Галилей и круг его научных интересов

Имя одного из величайших ученых последнего тысячелетия Галилео Галилея известно большинству современных людей главным образом в свете его конфликта с католической церковью из-за попытки обоснования гелиоцентрической системы. Между тем это был всесторонне развитый ученый. Опыты Галилея по астрономии подарили человечеству открытия спутников Юпитера, планету Нептун и наличие на Луне кратеров и впадин. С точки зрения философии Галилей научно обосновал ошибочность взглядов Аристотеля на Вселенную как совокупность идеальных сфер, в центре которых располагается Земля. Именно с исследований этого ученого берет свое начало научный метод, основную роль в котором играет сбор и обработка информации для подтверждения или опровержения тех или иных гипотез. Однако главное место в трудах Галилея отводилось все же физике.

Принцип относительности Галилея: предыстория

Вплоть до середины XVI века господствующей системой в построении мира была система Птолемея, основным постулатом которой считалось статическое положение Земли в центре Вселенной и динамическое движение вокруг нее всех остальных небесных тел. Эта система дополнялась натурфилософскими положениями Аристотеля, одним из важнейших среди которых считается то, что скорость тела в свободном падении пропорциональна его массе. Коперник внимательно изучил труды практически всех предшествующих ему исследователей, провел разнообразные эксперименты, чтобы обосновать принципиально иную, гелиоцентрическую модель. При этом деятели католической церкви, которые не хотели упускать идеологического и научного первенства, настаивали на том, что эта система находится в противоречии с окружающей действительностью. Например, они утверждали, что если бы Земля действительно двигалась, то тяжелые предметы никогда не падали бы строго по вертикали. Все по своим местам расставил принцип относительности Галилея.

Системы отсчета для механического движения

Чтобы понять принцип относительности Галилея, необходимо иметь ввиду, что в тот период времени (как, впрочем, еще более трехсот лет спустя), ученые стремились к тому, чтобы все физические изменения свести к понятной всем механике. Особую роль при этом играли системы координат, первенство в исследовании которых принадлежало французскому философу Р. Декарту. Здесь наиболее важным моментом является то, что положение какого-то конкретного тела в определенный период времени определяется либо двумя (на плоскости), либо тремя координатами. Однако для того, чтобы создать эту виртуальную систему координат, необходима неподвижная точка отсчета, то есть другая система. Именно в этой плоскости и стал рассматривать Галилей механическое движение.

Инерциальные системы

В своих исследованиях Галилей обращал внимание в первую очередь на так называемые инерциальные системы. Сегодня даже обычный школьник может без запинки сказать, что такими системами называются те, которые находятся друг относительно друга либо в состоянии полного покоя, либо в процессе равномерного прямолинейного движения. Инерциальные системы играют в классической физике роль того столпа, отталкиваясь от которого, можно двигаться к осознанию истины в отношении всех происходящих в окружающем мире процессах.

Сущность принципа относительности Галлилея

В своей самой известной работе, в которой с разных сторон сравниваются системы Птолемея и Коперника, Галилей особое внимание уделяет формулированию понятия относительности. Для того чтобы его положения стали понятны и обычному обывателю, ученый действует через примеры. Так он предлагает читателю визуально представить каюту корабля, который стоит неподвижно. В помещении бабочки и мухи летают в разные стороны, вода по капле сочится из одного сосуда в другой. В тот момент, когда корабль начнет равномерно двигаться, в каюте ничего не изменится: и мухи будут двигаться с той же скоростью, и вода будет так же попадать из верхнего сосуда в нижний. Отсюда следует знаменитый принцип Галилея: все инерциальные системы подобны друг другу, то есть при переходе из одной такой системы в другую уравнения классической механики не претерпевают никаких изменений.

Принцип Галилея и неинерциальные системы

Относительно инерциальных систем принцип относительности был понятен и никем особо не оспаривался. Но будет ли он также действовать в неинерциальных системах отсчета, то есть в тех, где одна система движется относительно другой (которая, в свою очередь, является инерциальной) с некоторым ускорением? Галилей в силу ограниченности своих знаний и несовершенства приборов исследования, ответить на этот вопрос так и не смог. Впоследствии Эйнштейн убедительно доказал, что в неинерциальных системах ускорение самым прямым образом оказывает влияние на происходящие внутри системы процессы. Это стало одним из доказательств ограниченности принципа относительности Галилея.

Недостатки и ограниченность принципа Галилея

Итальянский ученый произвел своими исследованиями настоящую революцию в научном мире. Однако со временем целый ряд его положений, включая и пресловутый принцип относительности, проявили свою ограниченность и были в большей или меньшей степени пересмотрены. Один из подобных примеров был показан выше. Также можно указать на то, что во всех исследованиях Галилея время бралось чрезвычайно малыми промежутками, при этом эти промежутки считались равными для обеих систем. Однако тот же Эйнштейн стал рассматривать время как еще одну координату для систем отсчета, причем он доказал возможность неравномерности протекания его, если речь идет о скоростях, приближающихся к скорости света. В то же время, если рассматривать непродолжительные события, то принцип относительности Галилея себя вполне подтверждает.

Развитие принципа относительности Галилея

Учение Галилея за прошедшие пятьсот лет прошло долгий и тернистый путь. Если в начале основными его противниками были теологи, то впоследствии принцип относительности Галилея неоднократно ставился под сомнение видными учеными. Многие предполагали, что, имея совершенные приборы, можно обнаружить движение, находясь внутри инерциальной системы. В конечном итоге американский физик А. Майкельсон в конце XIX столетия провел эксперимент с помощью изобретенного им интерферометра. Этот прибор позволял обнаружить даже мельчайшее отклонение, однако и здесь полученный результат оказался отрицательным. Используя данный опыт, Эйнштейн окончательно сформулировал принцип относительности Галилея для всех инерциальных систем: никакими физическими приборами и методами невозможно обнаружить движение внутри данной системы. Этот принцип стал одним из краеугольных камней для его специальной теории относительности.