Із часів Коперника добре відомо, що наша рідна планета Земля не стоїть нерухомо в центрі всесвіту, а обертається навколо своєї осі та з великою швидкістю (близько 30 км/с) рухається навколо Сонця. Нам добре відомі також історія цього великого відкриття і та запекла боротьба, що свого часу навколо нього розгорнулася.
Один з аргументів противників Коперника полягав у тому, що ми, мешканці Землі, ніяк не відчуваємо її руху, тоді як варто нам сісти в карету, і ми, навіть заплющивши очі, завжди можемо безпомилково сказати, стоїть карета на місці чи рухається. Читач, звичайно, добре знає ціну цьому аргументу. Земля рухається без найменших поштовхів і прискорень), настільки плавно, що ми справді помітити її руху безпосередньо не можемо — для цього потрібно звернутися до явищ і тіл, які не беруть участі в русі Землі. Лише порівняно недавно шляхом надзвичайно тонких і дотепних експериментів (наприклад, досліду з маятником Фуко) вдалося показати обертання Землі й безпосередньо.
Але маятник Фуко та інші подібні прилади реагують лише на обертальний рух Землі; що ж до руху Землі в ц і л о м у, то виявити його за допомогою дослідів на самій земній поверхні ми не в змозі.
Ця обставина з фізичного погляду означає, що поступальний, рівномірний і прямолінійний рух Землі в цілому не справляє жодного впливу на фізичні процеси, які відбуваються на ній самій. Це твердження має стосуватися не лише Землі, а й будь-якої фізичної системи. Фізичні процеси, що відбуваються всередині такої системи, не залежать від того, чи перебуває ця система як ціле у спокої, чи рухається рівномірно й прямолінійно.
Цей загальний закон природи вперше з усією чіткістю сформулював Галілей, великий учений доби Відродження і попередник Ньютона в механіці. Тому закон нерозрізнюваності спокою та рівномірного прямолінійного руху має нині назву принципу відносності Галілея.
Нам немає потреби зупинятися на численних прикладах та ілюстраціях принципу відносності— читач їх, звичайно, добре знає. Зазначимо лише, що цей принцип ставить певні вимоги до самого формулювання фізичних законів. Саме, фізичні закони мають формулюватися таким чином, щоб до них не входила швидкість фізичної системи в цілому, щоб спокій і рівномірний прямолінійний рух усієї системи були нерозрізнюваними. Наприклад, у першому законі Ньютона — законі інерції— йдеться про спокій або рівномірний прямолінійний рух, які виступають тут на рівних підставах. Отже, закон інерції сформульовано правильно, відповідно до вимог принципу відносності. Те саме стосується й другого закону Ньютона, який можна сформулювати, наприклад, так: «добуток маси тіла на його прискорення дорівнює силі, що діє на тіло». Оскільки рівномірний і прямолінійний рух системи тіл не змінює ні їхніх мас, ні прискорень, ні сил, з якими ці тіла діють одне на одне, то це формулювання також не суперечить принципу відносності.
З принципом відносності тісно пов'язана та обставина, що говорити про швидкість тіла можна лише щодо якогось іншого тіла. Коли ми говоримо, наприклад, що швидкість автомобіля дорівнює 60 км/год, то маємо на увазі, звичайно, швидкість відносно поверхні Землі. Для спостерігача, який перебуває, скажімо, на Місяці, швидкість того самого автомобіля буде зовсім іншою. Так само, якщо людина йде вздовж потяга зі швидкістю 3 км/год, то це — швидкість відносно потяга. Якщо ж сам потяг рухається відносно Землі зі швидкістю 30 км/год, то швидкість тієї самої людини для нерухомого (відносно Землі) спостерігача становитиме 33 або 27 км/год, залежно від того, іде людина до голови чи до хвоста потяга.
Тому й кажуть, що швидкість — поняття відносне. Природно, що відносними будуть і всі ті фізичні поняття та величини, які залежать від швидкості, наприклад кількість руху чи кінетична енергія. Не можна сказати, яку кінетичну енергію має тіло «саме по собі», можна говорити лише про кінетичну енергію одного тіла щодо іншого. Спостерігаючи рух одного й того самого тіла відносно різних «тіл відліку», з різних «точок зору», ми дістанемо для нього різні значення швидкості, кількості руху, кінетичної енергії.
Але не всі, звичайно, фізичні поняття та величини є відносними. Наприклад, маса тіла є величиною абсолютною — вона не залежить від швидкості тіла. Як би ми не вимірювали масу — у нерухомому стані чи «на льоту», ми дістанемо однаковий результат (якщо, звичайно, відповідні вимірювальні прилади працюють правильно). Так само від стану руху тіла не залежать його довжина, ширина і взагалі геометричні розміри. Якщо тіло не є абсолютно твердим, його розміри в процесі руху можуть змінюватися, але в один і той самий момент часу вони будуть однаковими для всіх спостерігачів, як би швидко відносно один одного ці спостерігачі не рухалися.
Абсолютним є також і час. Він тече однаково на поверхні Землі, в потязі, літаку, на Місяці, Сонці й зорях. Якщо астрономи виявлять, що на небі спалахнули дві зорі, і, виміряв відстані до них та врахувавши швидкість світла, знайдуть, що обидва спалахи відбулися одночасно, то цей факт не має жодного стосунку до руху Землі. Астрономи на Марсі дійдуть такого самого висновку.
Отже, фізичні поняття й величини поділяються на абсолютні та відносні. Вимірюючи відносні величини, ми завжди повинні вказувати, відносно якого тіла вони вимірюються; для величин абсолютних такої вказівки не потрібно. І ми так звикли до цього поділу, що найменше відступлення від нього вважаємо верхом безглуздя. Що б ми, справді, сказали про людину, яка стала б стверджувати, що швидкість абсолютна, а маса відносна? Швидше за все порадили б їй звернутися до лікаря...
Принцип відносності, що підтверджується все новими й новими фактами, увійшов у фізику настільки міцно, що став необхідною складовою частиною наукового світогляду.
Один з аргументів противників Коперника полягав у тому, що ми, мешканці Землі, ніяк не відчуваємо її руху, тоді як варто нам сісти в карету, і ми, навіть заплющивши очі, завжди можемо безпомилково сказати, стоїть карета на місці чи рухається. Читач, звичайно, добре знає ціну цьому аргументу. Земля рухається без найменших поштовхів і прискорень), настільки плавно, що ми справді помітити її руху безпосередньо не можемо — для цього потрібно звернутися до явищ і тіл, які не беруть участі в русі Землі. Лише порівняно недавно шляхом надзвичайно тонких і дотепних експериментів (наприклад, досліду з маятником Фуко) вдалося показати обертання Землі й безпосередньо.
Але маятник Фуко та інші подібні прилади реагують лише на обертальний рух Землі; що ж до руху Землі в ц і л о м у, то виявити його за допомогою дослідів на самій земній поверхні ми не в змозі.
Ця обставина з фізичного погляду означає, що поступальний, рівномірний і прямолінійний рух Землі в цілому не справляє жодного впливу на фізичні процеси, які відбуваються на ній самій. Це твердження має стосуватися не лише Землі, а й будь-якої фізичної системи. Фізичні процеси, що відбуваються всередині такої системи, не залежать від того, чи перебуває ця система як ціле у спокої, чи рухається рівномірно й прямолінійно.
Цей загальний закон природи вперше з усією чіткістю сформулював Галілей, великий учений доби Відродження і попередник Ньютона в механіці. Тому закон нерозрізнюваності спокою та рівномірного прямолінійного руху має нині назву принципу відносності Галілея.
Нам немає потреби зупинятися на численних прикладах та ілюстраціях принципу відносності— читач їх, звичайно, добре знає. Зазначимо лише, що цей принцип ставить певні вимоги до самого формулювання фізичних законів. Саме, фізичні закони мають формулюватися таким чином, щоб до них не входила швидкість фізичної системи в цілому, щоб спокій і рівномірний прямолінійний рух усієї системи були нерозрізнюваними. Наприклад, у першому законі Ньютона — законі інерції— йдеться про спокій або рівномірний прямолінійний рух, які виступають тут на рівних підставах. Отже, закон інерції сформульовано правильно, відповідно до вимог принципу відносності. Те саме стосується й другого закону Ньютона, який можна сформулювати, наприклад, так: «добуток маси тіла на його прискорення дорівнює силі, що діє на тіло». Оскільки рівномірний і прямолінійний рух системи тіл не змінює ні їхніх мас, ні прискорень, ні сил, з якими ці тіла діють одне на одне, то це формулювання також не суперечить принципу відносності.
З принципом відносності тісно пов'язана та обставина, що говорити про швидкість тіла можна лише щодо якогось іншого тіла. Коли ми говоримо, наприклад, що швидкість автомобіля дорівнює 60 км/год, то маємо на увазі, звичайно, швидкість відносно поверхні Землі. Для спостерігача, який перебуває, скажімо, на Місяці, швидкість того самого автомобіля буде зовсім іншою. Так само, якщо людина йде вздовж потяга зі швидкістю 3 км/год, то це — швидкість відносно потяга. Якщо ж сам потяг рухається відносно Землі зі швидкістю 30 км/год, то швидкість тієї самої людини для нерухомого (відносно Землі) спостерігача становитиме 33 або 27 км/год, залежно від того, іде людина до голови чи до хвоста потяга.
Тому й кажуть, що швидкість — поняття відносне. Природно, що відносними будуть і всі ті фізичні поняття та величини, які залежать від швидкості, наприклад кількість руху чи кінетична енергія. Не можна сказати, яку кінетичну енергію має тіло «саме по собі», можна говорити лише про кінетичну енергію одного тіла щодо іншого. Спостерігаючи рух одного й того самого тіла відносно різних «тіл відліку», з різних «точок зору», ми дістанемо для нього різні значення швидкості, кількості руху, кінетичної енергії.
Але не всі, звичайно, фізичні поняття та величини є відносними. Наприклад, маса тіла є величиною абсолютною — вона не залежить від швидкості тіла. Як би ми не вимірювали масу — у нерухомому стані чи «на льоту», ми дістанемо однаковий результат (якщо, звичайно, відповідні вимірювальні прилади працюють правильно). Так само від стану руху тіла не залежать його довжина, ширина і взагалі геометричні розміри. Якщо тіло не є абсолютно твердим, його розміри в процесі руху можуть змінюватися, але в один і той самий момент часу вони будуть однаковими для всіх спостерігачів, як би швидко відносно один одного ці спостерігачі не рухалися.
Абсолютним є також і час. Він тече однаково на поверхні Землі, в потязі, літаку, на Місяці, Сонці й зорях. Якщо астрономи виявлять, що на небі спалахнули дві зорі, і, виміряв відстані до них та врахувавши швидкість світла, знайдуть, що обидва спалахи відбулися одночасно, то цей факт не має жодного стосунку до руху Землі. Астрономи на Марсі дійдуть такого самого висновку.
Отже, фізичні поняття й величини поділяються на абсолютні та відносні. Вимірюючи відносні величини, ми завжди повинні вказувати, відносно якого тіла вони вимірюються; для величин абсолютних такої вказівки не потрібно. І ми так звикли до цього поділу, що найменше відступлення від нього вважаємо верхом безглуздя. Що б ми, справді, сказали про людину, яка стала б стверджувати, що швидкість абсолютна, а маса відносна? Швидше за все порадили б їй звернутися до лікаря...
Принцип відносності, що підтверджується все новими й новими фактами, увійшов у фізику настільки міцно, що став необхідною складовою частиною наукового світогляду.