Принцип відносності Галілея: двері в нову наукову реальність

Історія науки людства являє собою невпинний рух по висхідній лінії, у якому, тим не менш, можна виділити цілий ряд стрибкоподібних моментів. Ці вузлові пункти відповідають праць і відкриттів тих вчених, які відкривали в тій або іншій дисципліні нові сторінки. Однією з таких сторінок став принцип відносності Галілея і пов'язане з ним початок формування механістичної картини світу.

Галілей і коло його наукових інтересів

Ім'я одного з найвидатніших учених останнього тисячоліття Галілео Галілея відомо більшості сучасних людей головним чином у світлі його конфлікту з католицькою церквою через спроби обґрунтування геліоцентричної системи. Між тим це був всебічно розвинений вчений. Досліди Галілея з астрономії подарували людству відкриття супутників Юпітера, планету Нептун і наявність на Місяці кратерів і западин. З точки зору філософії Галілей науково обґрунтував помилковість поглядів Аристотеля на Всесвіт як сукупність ідеальних сфер, в центрі яких розташовується Земля. Саме з досліджень цього вченого бере свій початок науковий метод, основну роль у якому відіграє збір і обробка інформації для підтвердження або спростування тих чи інших гіпотез. Однак головне місце у працях Галілея відводилося все ж фізики.

Принцип відносності Галілея: передісторія

Аж до середини XVI століття панівною системою в побудові світу була система Птолемея, основним постулатом якої вважалося статичне положення Землі в центрі Всесвіту і динамічний рух навколо неї всіх інших небесних тел. Ця система доповнювалася натурфілософськими положеннями Аристотеля, одним з найважливіших серед яких вважається те, що швидкість тіла у вільному падінні пропорційна його масі. Коперник уважно вивчив праці практично всіх попередніх дослідників, провів різноманітні експерименти, щоб обґрунтувати принципово іншу, геліоцентричну модель. При цьому діячі католицької церкви, які не хотіли втрачати ідеологічного і наукового першості, наполягали на тому, що ця система знаходиться в протиріччі з навколишньою дійсністю. Наприклад, вони затверджували, що якби Земля дійсно рухалася, то важкі предмети ніколи не падали б строго по вертикалі. Все по своїх місцях розставив принцип відносності Галілея.

Системи відліку для механічного руху

Щоб зрозуміти принцип відносності Галілея, необхідно мати на увазі, що в той період часу (як, утім, ще більш трьохсот років тому), вчені прагнули до того, щоб всі фізичні зміни звести до зрозумілою всім механіці. Особливу роль при цьому відігравали системи координат, першість у дослідженні яких належало французькому філософу Р. Декарту. Тут найбільш важливим моментом є те, що положення якогось конкретного тіла в певний період часу визначається або двома (на площині), або трьома координатами. Однак для того, щоб створити цю віртуальну систему координат, необхідна нерухома точка відліку, то є інша система. Саме в цій площині і став розглядати Галілей механічний рух.

Інерціальні системи

У своїх дослідженнях Галілей звертав увагу в першу чергу на так звані інерціальні системи. Сьогодні навіть звичайний школяр може без запинки сказати, що такими системами називаються ті, які знаходяться один щодо одного або в стані повного спокою, або в процесі рівномірного прямолінійного руху. Інерціальні системи відіграють у класичній фізиці роль того стовпа, відштовхуючись від якого можна рухатися до усвідомлення істини щодо всіх відбуваються в навколишньому світі процесах.

Сутність принципу відносності Галлілея

У своїй найвідомішій роботі, у якої з різних сторін порівнюються системи Птолемея і Коперника, Галілея особливу увагу приділяє формулювання поняття відносності. Для того щоб його положення стали зрозумілі і звичайному обивателю, учений діє через приклади. Так він пропонує читачеві візуально представити каюту корабля, який стоїть нерухомо. У приміщенні метелики і мухи літають в різні боки, вода по краплі сочиться з однієї посудини в іншу. В той момент, коли корабель почне рухатися рівномірно, в каюті нічого не зміниться: і мухи будуть рухатися з тією ж швидкістю, і вода буде так само потрапляти з верхньої посудини в нижній. Звідси випливає знаменитий принцип Галілея: всі інерціальні системи подібні один одному, тобто при переході з однієї системи в іншу рівняння класичної механіки не зазнають жодних змін.

Принцип Галілея та неінерціальні системи

Відносно інерційних систем принцип відносності був зрозумілий і ніким особливо не оспорювався. Але чи буде він діяти в неинерциальних системах відліку, тобто в тих, де одна система рухається відносно іншої (яка, в свою чергу, є інерціальній) з деяким прискоренням? Галілей у силу обмеженості своїх знань і недосконалість приладів дослідження, відповісти на це питання так і не зміг. Згодом Ейнштейн переконливо довів, що в неинерциальних системах прискорення самим прямим чином впливає на ті, що відбуваються всередині системи процеси. Це стало одним з доказів обмеженості принципу відносності Галілея.

Недоліки та обмеженість принципу Галілея

Італійський вчений зробив своїми дослідженнями справжню революцію в науковому світі. Проте з часом цілий ряд його положень, включаючи і горезвісний принцип відносності, виявили свою обмеженість і були більшою чи меншою мірою переглянуті. Один з таких прикладів був показаний вище. Також можна вказати на те, що у всіх дослідженнях Галілея час бралося надзвичайно малими проміжками, при цьому ці проміжки вважалися рівними для обох систем. Однак той же Ейнштейн став розглядати час як ще одну координату для систем відліку, причому він довів можливість нерівномірність протікання його, якщо мова йде про швидкостях, що наближаються до швидкості світла. У той же час, якщо розглядати нетривалі події, то принцип відносності Галілея себе цілком підтверджує.

Розвиток принципу відносності Галілея

Вчення Галілея за останні п'ятсот років пройшло довгий і тернистий шлях. Якщо на початку основними його супротивниками були теологи, то згодом принцип відносності Галілея неодноразово ставилося під сумнів видатними вченими. Багато хто припускав, що, маючи досконалі прилади, можна виявити рух, перебуваючи всередині інерціальної системи. В кінцевому підсумку американський фізик А.с Майкельсон в кінці XIX століття провів експеримент з допомогою винайденого ним інтерферометра. Цей прилад дозволяв виявити навіть найдрібніші відхилення, однак і тут отриманий результат виявився негативним. Використовуючи цей досвід, Ейнштейн остаточно сформулював принцип відносності Галілея для всіх інерціальних систем: ніякими фізичними приладами і методами неможливо виявити рух всередині даної системи. Цей принцип став одним із наріжних каменів для його спеціальної теорії відносності.