§ 5. Принцип относительности (в узком смысле)

Для возможно большей наглядности мы снова будем исходить из нашего примера равномерно движущегося железнодорожного вагона. Назовем его движение равномерной трансляцией («равномерной» — так как оно имеет постоянные скорость и направление, и «трансляцией» — так как вагон, меняя свое положение относительно железнодорожного полотна, не испытывает никаких вращений). Пусть в воздухе летит ворона, прямолинейно и равномерно, если наблюдать с полотна железной дороги. Тогда с точки зрения наблюдателя, находящегося в движущемся вагоне, скорость этой вороны будет иметь другую величину и направление, но движение также будет прямолинейным и равномерным. Или в абстрактной форме: если масса движется прямолинейно и равномерно относительно системы координат К, то она движется прямолинейно и равномерно также и по отношению к другой системе координат К, в случае, если последняя движется равномерно и прямолинейно относительно К. Отсюда, с учетом рассуждений предшествующих параграфов, вытекает следующее.

Если К — галилеева система координат, то и всякая другая система координат К, движущаяся относительно К равномерно и прямолинейно, также является галилеевой системой. В системе К, так же как и в системе К, выполняются законы механики Галилея-Ньютона.

Сделаем еще один шаг в сторону обобщения, высказав следующее утверждение. Если К — система координат, движущаяся равномерно и без вращения относительно системы К, то явления природы протекают относительно системы К по тем же общим законам, что и относительно системы К. Это положение мы называем «принципом относительности» (в узком смысле).

Пока существовало убеждение, что все явления природы могут быть описаны с помощью классической механики, можно было не сомневаться в справедливости этого принципа относительности. Однако с новейшим развитием электродинамики и оптики становилось все более очевидным, что одной классической механики недостаточно для полного описания физических явлений. Тем самым вопрос о справедливости принципа относительности стал весьма спорным, причем не исключалась возможность отрицательного ответа на этот вопрос.

Тем не менее имеются два общих факта, которые говорят в пользу справедливости принципа относительности. Если классическая механика

и не дает достаточно широкой базы для описания всех физических явлений, то в ней все же содержится весьма значительная доля истины; достаточно вспомнить, что она с поразительной отчетливостью описывает реальные движения небесных тел. Поэтому принцип относительности в области механики должен выполняться также с большой точностью. Однако априори маловероятно, чтобы столь общий принцип, выполняющийся с такой точностью в одной области явлений, был неприменим в другой области явлений.

Второй аргумент, к которому мы позднее вернемся, состоит в следующем. Если принцип относительности (в узком смысле) не выполняется, то равномерно движущиеся относительно друг друга галилеевы системы координат К, К, К" и т.д. неравноценны для описания явлений природы. Тогда единственным мыслимым предположением было бы то, что законы природы могут быть особенно просто и естественно сформулированы только тогда, когда из всех галилеевых систем координат выбрана в качестве исходной одна система Ко, имеющая определенное состояние движения. Тогда мы вправе были бы (ввиду преимуществ в описании природы) считать эту систему «абсолютно покоящейся», а другие галилеевы системы — «движущимися». Если бы, например, железнодорожное полотно было системой Ко, то наш вагон был бы системой К, относительно которой были бы справедливы более сложные законы, чем относительно системы Ко? Эта большая сложность объяснялась бы тем, что вагон К («действительно») движется относительно . В этих общих законах природы, сформулированных относительно системы К, должны были бы играть роль величина и направление скорости движения вагона. Можно было бы, например, ожидать, что высота звука органной трубы была бы иной, если бы ось последней была параллельна направлению движения, чем в случае, если бы она была перпендикулярна этому направлению. Но наша Земля, ввиду ее движения по орбите вокруг Солнца, может сравниваться с вагоном, движущимся со скоростью около 30 км/сек. Поэтому, в случае неприменимости принципа относительности, следовало бы ожидать, что в законы природы должно войти направление движения Земли в каждый данный момент, т.е. поведение физических систем должно зависеть от их пространственной ориентации относительно Земли. В самом деле, вследствие изменения в течение года направления скорости орбитального движения Земли, последняя не может в течение всего года оставаться в покое относительно гипотетической системы. Но при всей

тщательности наблюдений до сих пор не удалось обнаружить подобную анизотропию земного физического пространства, т. е. физическую неравноценность различных направлений. Этот аргумент в пользу принципа относительности является особенно веским.