О принципе относительности

Свой принцип относительности Галилей пояснял наблюдениями в трюме равномерно и прямолинейно движущегося корабля. Там все происходило так же, как если бы корабль покоился. Отсюда и обобщение: внутри объекта, покоящегося или движущегося равномерно и прямолинейно, это движение или покой нельзя  обнаружить никакими физическими экспериментами. Иначе говоря, если не выглядывать наружу, у нас нет иных средств узнать, движется ли корабль равномерно и прямолинейно, или же он стоит на месте.
Вслед за Галилеем рассмотрим и мы корабль, равномерно и прямолинейно плывущий вдоль берега. Для упрощения анализа и большей наглядности допустим, что береговая черта прямая, а корабль плывёт впритирку к ней. Эксперимент внутри корабля совершенно прост: он заключается в наблюдении за пулей, выстреливаемой перпендикулярно курсу в сторону берега.

Наблюдатель внутри корабля заметит, что направление полёта пули от момента выcтрела до борта всё время остаётся неизменным, а именно перпендикулярным килю (курсу) корабля. При этом не важно, с какой постоянной скоростью V2 движется корабль, нулевой или ненулевой. Так должно быть, если принцип относительности Галилея верен. В реальных условиях возможны отклонения траектории пули от перпендикуляра, обычно небольшие, которые списываются на счёт некоторой всё-таки криволинейности и неравномерности движения корабля. Однако чтобы выявить некий принцип, необходимо пренебречь деталями. Наблюдатель на корабле может измерить расстояние S1 и время t1 полета пули до борта.  Эти величины связаны со скоростью V1 пули известным соотношением t1=S1/V1, если допустить, что пуля движется равномерно и прямолинейно. Мы примем это допущение.

Теперь перейдём к наблюдателю на берегу. Он не видит, что делается внутри корабля, но зафиксирует вылет из него пули, которая тут же врежется в берег (напомню, что корабль плывёт сколь угодно близко к береговой черте). Добавим береговому наблюдателю ещё и возможность зафиксировать момент выстрела (начала полёта), а также знание, откуда на корабле стреляли. В конце концов, береговой и корабельный наблюдатели могли заранее договориться, когда и где будет произведён выстрел. Тогда время t2 между выстрелом и вылетом пули из борта корабля, расстояние S2 между точкой на берегу, когда выстрел прозвучал, и точкой, в которую попала пуля, а также скорость V2 корабля связаны простым равенством t2=S2/V2.

Итак, наблюдателю на корабле доступны величины t1, S1 и V1, а наблюдателю на берегу — t2, S2 и V2. Это совершенно различные наборы экспериментальных данных, полученных различными наблюдателями. Однако они должны быть как-то согласованы между собой, поскольку относятся к одному и тому же явлению — стрельбе из движущегося корабля. Совсем не трудно согласиться с тем, что должно выполняться равенство t1=t2, или S1/V1=S2/V2, то есть время полёта пули внутри корабля равно времени между выстрелом и вылетом пули наружу. Данное равенство принимается в классической механике.

Особенность рассмотренной ситуации в том, что с берега видно, как движется корабль, но не видно, как движется пуля, а в трюме корабля, наоборот, не видно, как  движется (и движется  ли вообще) корабль, но зато виден полёт пули. Пришло время одному наблюдателю вылезти на верхнюю палубу, а другому, наоборот, заглянуть внутрь корабля. Впрочем, они могут, оставаясь на своих местах,  просто рассказать друг другу, что у них происходит, чтобы затем из двух субъективных впечатлений сложить одну объективную картину. Таким образом, возникает новая ситуация, которую мы рассматриваем как развитие предыдущей.

В новой ситуации как будто получается, что пуля летит одновременно в двух направлениях: перпендикулярно и параллельно курсу   корабля со скоростями соответственно V1 и V2. Если угодно, можете считать, что пуля летит перпендикулярно курсу корабля и одновременно сносится параллельно и в сторону этого курса. Так или иначе, но результирующее движение — по гипотенузе прямоугольного треугольника с катетами S1 и S2 со скоростью, равной векторной сумме векторов V1 и V2. Причём на пролёт пули по этой  гипотенузе с суммарной скоростью затрачивается такое же время, что и на преодоление пулей расстояния S1 до борта со скоростью V1, или же на перемещение S2 корабля  вдоль берега со скоростью V2. Другими словами, согласованность наблюдений теперь приобретает вид равенств, показанных на рисунке.

Обратите внимание, мы начали с рассмотрения двух простых движений разных объектов — 1) пули внутри и относительно корабля и 2) корабля относительно берега, а пришли к сложному движению, составленному из двух простых, но приписываемых уже одному и тому же объекту — пуле. Сначала мы рассматривали вполне реальные движения, потому что каждое из них было наблюдаемо в отдельности разными наблюдателями. Затем мы ввели в дело требование согласованности наблюдений в силу, так сказать, общности ”темы”. В самом деле, выстрел произошёл в поле зрения одного наблюдателя, но на корабле, находящемся в поле зрения другого наблюдателя. Оба наблюдателя знали, в каком месте корабля (на юте, полубаке или баке) и когда произошёл "бабах". Им оставалось только согласовать результаты своих наблюдений. А как это сделать? Обычно строят некую теорию, в которой такое согласование предусмотрено. Применительно к рассматриваемому  случаю согласование возникает при построении результирующего движения как некоей суперпозиции исходных простых. Заметьте, что создать или принять некое результирующее движение — исключительно ментальный импульс, стремление нашего разума согласовать воображаемое с изображаемым (умственное с чувственным, теоретическое с экспериментальным). Результирующее движение (в нашем случае — по гипотенузе) возникает в умах различных наблюдателей как результат согласования отдельно ими наблюдаемых движений. Чтобы сейчас было отчётливо понятно, о чём идёт речь, я и модифицировал классический галилеевский эксперимент, расположив корабль впритирку к береговой линии,  чтобы исключить возможность наблюдения одного и того же (полёта пули), одновременно разными наблюдателями. Напомню: один — на берегу, не видит, что происходит в трюме корабля, однако фиксирует, что пуля вылетела из борта корабля в стороне от того места, где начался её полёт; другой — в трюме корабля, не видит, что происходит снаружи, но фиксирует, что пуля заканчивает свой полёт, вылетев наружу сквозь борт корабля.

А наблюдаемо ли результирующее движение пули по гипотенузе с суммарной скоростью? Так и хочется утвердительно ответить на данный вопрос. В самом деле, сделаем корпус корабля прозрачным, или представим себя в некоторой третьей позиции, не в трюме и не на берегу, а где-то над ними. Однако это не возможно принципиально. Разве я, пишущий эти строки, не пытался сделать это? Мы обречены метаться туда-сюда между системами отсчета (берегом и кораблём), пытаясь встать над одним и другим, занять третью позицию, так и не достигнув желаемого.

Результирующее движение является не наблюдаемым, а только умом реконструируемым фактом. Именно поэтому принцип относительности не является законом природы, а выражает некоторое условное соглашение, принимаемое сообществом наблюдателей для удобного согласования их измерений и представлений. Системы отсчёта являются лишь инструментами последних, подобно микроскопам, скальпелям, весам и так далее, а не частями наблюдаемых объектов. Принцип относительности нельзя ни доказать, ни опровергнуть. Его можно лишь принять, либо отвергнуть.

Уже четыреста лет предпринимаются попытки экспериментального опровержения принципа относительности Галилея. Идея этих предприятий сводится к тому, чтобы в замкнутой системе обнаружить её инерциальное движение, зафиксировав в ней нарушение какого-нибудь закона физики, который выполняется в неподвижной системе. Но ведь в соответствии с принципом относительности, если такое нарушение и обнаружится, то его причина либо в неинерциальности системы, либо в том, что рассматриваемый закон не является законом физики. Так что, принцип относительности экспериментально неуязвим. Он принципиально неверифицируем, а потому сам является не законом физики, а лишь соглашением (конвенцией).

Теория относительности Эйнштейна выражает попытку ввести в обиход другой принцип относительности, в соответствии с которым во всех инерциальных системах выполняются соотношения Максвелла для его теории электромагнитного поля. Напомню, что они не согласуются с принципом относительности Галилея, то есть изменяются при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к дугой. Можно было не признавать модель Максвелла законом физики, а можно было изменить сам принцип относительности как соглашение. Часть физиков пошла по второму пути, но зашла слишком далеко: сочла результаты модификации не новым соглашением, а новым законом физики, а именно пространства-времени. Как и галилеевский, новый принцип принципиально неверифицируем, но к тому же он, в отличие от галилеевского, утратил важнейшую для физической теории функцию объективности. Заметьте, что принцип Галилея и был принят ради того, чтобы иметь возможность объективизировать, пусть только на ментальном уровне, движение, наблюдаемое по-разному в различных системах отсчёта. А принцип относительности Эйнштейна был введён, похоже, для того, чтобы изгнать идею объективности из физики. Здесь невольно напрашивается аналогия с объяснением морали, созданным в начале 20-го века: она была объявлена понятием относительным и, как следствие, заменена понятием сначала политической, а затем и просто обывательской целесообразности.