Уявлення Ньютона про абсолютний простір на перший погляд здаються дуже переконливими. Справді, що може бути природнішим за припущення, що простір є чимось самостійним, нерухомим, незалежним від розташування й руху в ньому тіл, а будь-який рух розглядається як такий, що відбувається в просторі, який перебуває у спокої. Саме такими є наші безпосередні враження від руху й простору.
Уявлення про абсолютний простір, що перебуває у спокої, виникає в людини через те, що вона розглядає фізичний простір як кімнату, обмежену стінами. Щоправда, ця «кімната» — простір — простягається в нескінченність і стін у неї немає, але, попри це, ми звикли вважати, що фізичний простір має всі ті самі властивості, що й обмежена стінами кімната. Таке уявлення про абсолютний простір виникає в людини, коли вона поширює повсякденний досвід на нескінченний всесвіт.
Однак повсякденних вражень недостатньо для створення наукової теорії, для проникнення в суть явищ природи. Наприклад, люди з давніх-давен знають тепло й холод, але це не дало їм жодних відомостей про теплоту як явище природи. Лише наукове дослідження теплових процесів відкрило людині суть теплоти й дозволило створити парові машини, двигуни внутрішнього згоряння та інші теплові машини. Так само стоїть справа з рухом і простором. І тут кожне наше звичне уявлення необхідно критично проаналізувати. Лише тоді з'ясується, що тут лише здається, а що відповідає дійсності.
Уявімо, що ми перебуваємо в ізольованому приміщенні й спостерігаємо за рухом тіл у ньому. Усі тіла рухаються достеменно за законами Ньютона. Чи можемо ми звідси зробити висновок, що наше приміщення нерухоме відносно абсолютного простору? Ні, не можемо. Адже закони Ньютона мають місце й тоді, коли приміщення рухається в абсолютному просторі рівномірно й прямолінійно. Суб'єктивні відчуття також не дозволяють вирішити, чи рухаємося ми в абсолютному просторі рівномірно й прямолінійно, чи перебуваємо у спокої. Коли човен несе течія, часто виникає ілюзія, ніби човен стоїть на місці, а береги пропливають повз. Неможливо сказати, чи рухається човен, чи рухаються береги, чи рухаються і човен, і береги. Ще різкіше проявляється оманливість суб'єктивних почуттів, якщо стояти на мосту й пильно дивитися на течію ріки. Незабаром починає здаватися, що міст і береги рухаються.
Те, що наші почуття не відрізняють рівномірний прямолінійний рух від стану спокою, було помічено вже давно. У другій частині книги «Дон Кіхот», що з'явилася 1615 р., Сервантес описує їзду відважного лицаря Ламанчського та його зброєносця на чудесному коні Клавілено. Герої сиділи із зав'язаними очима на дерев'яному коні й уявляли себе такими, що мчать швидше за вітер. Насправді кінь стояв, оточений натовпом веселунів, які кепкували з лицаря та його зброєносця. Щоб ефект був повним, на вершників дули з великих ковальських міхів, створюючи тим самим у них відчуття свисту вітру.
Не слід думати, що так нехитро можна було пожартувати лише з простодушного Дон Кіхота. Ніхто з нас із зав'язаними очима не зміг би сказати, наприклад, чи стоїть на місці, чи мчить рівномірно й прямолінійно автомобіль, у якому ми сидимо. Відважний лицар, однак, мав би помітити, що його кінь і не починав рухатися. Адже спочатку рух має бути прискореним, а прискорення ми відчуваємо завжди.
Неможливість відрізнити рівномірний прямолінійний рух від спокою була цілком ясна Галілею. У його творі «Діалог про дві системи світу» (1632 р.) головний герой Сальвіаті каже: «Замкніть себе з яким-небудь приятелем у можливо просторому приміщенні під палубою великого корабля й напустіть туди мух, метеликів та інших подібних маленьких літаючих тварин. Нехай буде там також велика посудина з водою, а в ній рибки. Повісьте також до стелі відро, з якого крапля за краплею витікала б вода в іншу посудину з вузьким отвором, що стоїть унизу під ним. Поки корабель не рухається, спостерігайте, як ці літаючі тварини з однаковою швидкістю літатимуть у всі боки кімнати. Побачите, що риби плаватимуть байдуже в усі боки; краплі, що падають, потраплятимуть усі в підставлену посудину. І ви, кидаючи приятелеві якусь річ, не будете змушені вживати більшої сили, щоб кинути її в один бік, ніж в інший, якщо тільки відстані однакові. Стрибаючи, ви проходитимете однакові простори в усі боки, куди б ви не стрибали. Спостерігайте гарненько за всім цим і накажіть привести корабель у рух з якою завгодно швидкістю. Якщо рух буде рівномірним, ви не помітите ані найменшої зміни в усіх зазначених діях і за жодною з них не зможете судити, чи рухається корабель, чи стоїть на місці. Ви, стрибаючи, проходитимете по підлозі ті самі простори, що й раніше, тобто ви не зробите внаслідок того, що корабель рухається дуже швидко, більших стрибків до корми, ніж до носа корабля, хоча в той час, коли ви перебуваєте в повітрі, підлога під вами біжить до частини, протилежної вашому стрибку. Кидаючи річ товаришеві, вам не потрібно з більшою силою кидати її, якщо він буде біля носа корабля, а ви біля корми, ніж навпаки. Краплі падатимуть, як і раніше, в нижню посудину...»
Із наведеної цитати видно, наскільки глибоко розумів Галілей рух і спокій. У цьому питанні він зумів досягти більшого, ніж Ньютон, що жив століттям пізніше. Галілей вважав рівномірний прямолінійний рух рівноправним стану спокою, оскільки жодне спостереження, проведене в ізольованому приміщенні, не дозволяє виявити рівномірного прямолінійного руху.
Рис. 11. Рух відносно абсолютного простору (а).
Система відліку T і тіло A рухаються в абсолютному просторі в одному напрямку зі швидкістю v тіло B перебуває в абсолютному просторі у спокої. Рух відносно системи відліку T (б).
Система відліку T і тіло A перебувають у спокої, тіло B рухається ліворуч зі швидкістю v. З рівноправності стану спокою і рівномірного прямолінійного руху випливає, що система відліку Г і абсолютний простір рівноправні
При описі руху тіл усі інерціальні системи рівноправні. Немає жодних підстав віддавати перевагу котрійсь із них.
Класичний принцип відносності виражає відносність швидкості. Твердження: «швидкість дорівнює такій-то величині» саме по собі не має сенсу. Швидкість можна вимірювати лише відносно якогось іншого тіла, обраного як тіло відліку. З цього погляду вислови «куля летить рівномірно й прямолінійно відносно тіл, що її оточують» і «куля перебуває у спокої, а тіла, що її оточують, рухаються рівномірно й прямолінійно в протилежному напрямку» рівноправні за змістом. У першому випадку тілом відліку є середовище, що оточує кулю, у другому — куля. Жодна з цих систем відліку не має принципової переваги. Такий стан речей може спочатку здатися читачеві дивним, але з цим доведеться змиритися. Класичний принцип відносності є одним із законів природи. Він стверджує, що фізичний простір має складніші властивості, ніж як завгодно велика «кімната». У «кімнати» завжди є нерухомі стіни, причому байдуже, реальні вони чи уявні. Простору ж такі стіни не можна приписати навіть подумки. У кімнаті система відліку, пов'язана зі стінами, завжди перебуває в привілейованому становищі, у фізичному ж просторі всі можливі інерціальні системи рівноправні.
Уявлення про абсолютний простір, що перебуває у спокої, виникає в людини через те, що вона розглядає фізичний простір як кімнату, обмежену стінами. Щоправда, ця «кімната» — простір — простягається в нескінченність і стін у неї немає, але, попри це, ми звикли вважати, що фізичний простір має всі ті самі властивості, що й обмежена стінами кімната. Таке уявлення про абсолютний простір виникає в людини, коли вона поширює повсякденний досвід на нескінченний всесвіт.
Однак повсякденних вражень недостатньо для створення наукової теорії, для проникнення в суть явищ природи. Наприклад, люди з давніх-давен знають тепло й холод, але це не дало їм жодних відомостей про теплоту як явище природи. Лише наукове дослідження теплових процесів відкрило людині суть теплоти й дозволило створити парові машини, двигуни внутрішнього згоряння та інші теплові машини. Так само стоїть справа з рухом і простором. І тут кожне наше звичне уявлення необхідно критично проаналізувати. Лише тоді з'ясується, що тут лише здається, а що відповідає дійсності.
Уявімо, що ми перебуваємо в ізольованому приміщенні й спостерігаємо за рухом тіл у ньому. Усі тіла рухаються достеменно за законами Ньютона. Чи можемо ми звідси зробити висновок, що наше приміщення нерухоме відносно абсолютного простору? Ні, не можемо. Адже закони Ньютона мають місце й тоді, коли приміщення рухається в абсолютному просторі рівномірно й прямолінійно. Суб'єктивні відчуття також не дозволяють вирішити, чи рухаємося ми в абсолютному просторі рівномірно й прямолінійно, чи перебуваємо у спокої. Коли човен несе течія, часто виникає ілюзія, ніби човен стоїть на місці, а береги пропливають повз. Неможливо сказати, чи рухається човен, чи рухаються береги, чи рухаються і човен, і береги. Ще різкіше проявляється оманливість суб'єктивних почуттів, якщо стояти на мосту й пильно дивитися на течію ріки. Незабаром починає здаватися, що міст і береги рухаються.
Те, що наші почуття не відрізняють рівномірний прямолінійний рух від стану спокою, було помічено вже давно. У другій частині книги «Дон Кіхот», що з'явилася 1615 р., Сервантес описує їзду відважного лицаря Ламанчського та його зброєносця на чудесному коні Клавілено. Герої сиділи із зав'язаними очима на дерев'яному коні й уявляли себе такими, що мчать швидше за вітер. Насправді кінь стояв, оточений натовпом веселунів, які кепкували з лицаря та його зброєносця. Щоб ефект був повним, на вершників дули з великих ковальських міхів, створюючи тим самим у них відчуття свисту вітру.
Не слід думати, що так нехитро можна було пожартувати лише з простодушного Дон Кіхота. Ніхто з нас із зав'язаними очима не зміг би сказати, наприклад, чи стоїть на місці, чи мчить рівномірно й прямолінійно автомобіль, у якому ми сидимо. Відважний лицар, однак, мав би помітити, що його кінь і не починав рухатися. Адже спочатку рух має бути прискореним, а прискорення ми відчуваємо завжди.
Неможливість відрізнити рівномірний прямолінійний рух від спокою була цілком ясна Галілею. У його творі «Діалог про дві системи світу» (1632 р.) головний герой Сальвіаті каже: «Замкніть себе з яким-небудь приятелем у можливо просторому приміщенні під палубою великого корабля й напустіть туди мух, метеликів та інших подібних маленьких літаючих тварин. Нехай буде там також велика посудина з водою, а в ній рибки. Повісьте також до стелі відро, з якого крапля за краплею витікала б вода в іншу посудину з вузьким отвором, що стоїть унизу під ним. Поки корабель не рухається, спостерігайте, як ці літаючі тварини з однаковою швидкістю літатимуть у всі боки кімнати. Побачите, що риби плаватимуть байдуже в усі боки; краплі, що падають, потраплятимуть усі в підставлену посудину. І ви, кидаючи приятелеві якусь річ, не будете змушені вживати більшої сили, щоб кинути її в один бік, ніж в інший, якщо тільки відстані однакові. Стрибаючи, ви проходитимете однакові простори в усі боки, куди б ви не стрибали. Спостерігайте гарненько за всім цим і накажіть привести корабель у рух з якою завгодно швидкістю. Якщо рух буде рівномірним, ви не помітите ані найменшої зміни в усіх зазначених діях і за жодною з них не зможете судити, чи рухається корабель, чи стоїть на місці. Ви, стрибаючи, проходитимете по підлозі ті самі простори, що й раніше, тобто ви не зробите внаслідок того, що корабель рухається дуже швидко, більших стрибків до корми, ніж до носа корабля, хоча в той час, коли ви перебуваєте в повітрі, підлога під вами біжить до частини, протилежної вашому стрибку. Кидаючи річ товаришеві, вам не потрібно з більшою силою кидати її, якщо він буде біля носа корабля, а ви біля корми, ніж навпаки. Краплі падатимуть, як і раніше, в нижню посудину...»
Із наведеної цитати видно, наскільки глибоко розумів Галілей рух і спокій. У цьому питанні він зумів досягти більшого, ніж Ньютон, що жив століттям пізніше. Галілей вважав рівномірний прямолінійний рух рівноправним стану спокою, оскільки жодне спостереження, проведене в ізольованому приміщенні, не дозволяє виявити рівномірного прямолінійного руху.
Рис. 11. Рух відносно абсолютного простору (а).Система відліку T і тіло A рухаються в абсолютному просторі в одному напрямку зі швидкістю v тіло B перебуває в абсолютному просторі у спокої. Рух відносно системи відліку T (б).
Система відліку T і тіло A перебувають у спокої, тіло B рухається ліворуч зі швидкістю v. З рівноправності стану спокою і рівномірного прямолінійного руху випливає, що система відліку Г і абсолютний простір рівноправні
При описі руху тіл усі інерціальні системи рівноправні. Немає жодних підстав віддавати перевагу котрійсь із них.
Класичний принцип відносності виражає відносність швидкості. Твердження: «швидкість дорівнює такій-то величині» саме по собі не має сенсу. Швидкість можна вимірювати лише відносно якогось іншого тіла, обраного як тіло відліку. З цього погляду вислови «куля летить рівномірно й прямолінійно відносно тіл, що її оточують» і «куля перебуває у спокої, а тіла, що її оточують, рухаються рівномірно й прямолінійно в протилежному напрямку» рівноправні за змістом. У першому випадку тілом відліку є середовище, що оточує кулю, у другому — куля. Жодна з цих систем відліку не має принципової переваги. Такий стан речей може спочатку здатися читачеві дивним, але з цим доведеться змиритися. Класичний принцип відносності є одним із законів природи. Він стверджує, що фізичний простір має складніші властивості, ніж як завгодно велика «кімната». У «кімнати» завжди є нерухомі стіни, причому байдуже, реальні вони чи уявні. Простору ж такі стіни не можна приписати навіть подумки. У кімнаті система відліку, пов'язана зі стінами, завжди перебуває в привілейованому становищі, у фізичному ж просторі всі можливі інерціальні системи рівноправні.