I. КИНЕМАТИКА

Все без исключения физические явления происходят в пространстве и во времени. Приступая к изучению простейших физических явлений, объединяемых общим названием «механическое движение», нужно в первую очередь составить представление о содержании этих фундаментальных понятий — пространства и времени.

§ 1. Пространство. Время

«Что такое время, пространство, место и движение, я не объясняю, так как это известно всем», — так пишет создатель классической механики Исаак Ньютон в книге «Математические основы естествознания», более известной в русском переводе под названием «Математические начала натуральной философии». Действительно, у каждого человека с детства на основе личного жизненного опыта вырабатываются определенные интуитивные представления об этих простейших на первый взгляд понятиях. Однако чем больше человек узнает об окружающем мире, тем яснее ему становится, что понятия пространства и времени относятся к числу наиболее глубоких. Фундаментальность этих понятий заключается в том, что их невозможно выразить, объяснить через какие-либо более простые понятия.

Для изучения законов природы важны не формальные определения, что такое пространство и время, а их свойства, познаваемые на опыте. Опыт говорит о том, что физическое пространство трехмерно, однородно и изотропно, а время — одномерно и однородно.

Одномерность времени проявляется в том, что для указания момента наступления какого-либо события или длительности какого-либо процесса достаточно одного числа.

Однородность времени проявляется в неизменности физических законов: какими они были во времена Ньютона, такими остаются в наши дни, такими же будут и завтра. При этом совершенно не важно, что какие-то законы еще не открыты человеком — в природе они действовали, действуют и будут действовать. Опыт, поставленный в одинаковых физических условиях в разные моменты времени, дает одинаковые результаты.

Трехмерность физического пространства проявляется в том, что для указания места, где происходит какое-либо событие,

достаточно трех чисел — трех пространственных координат. Точно так же трех чисел достаточно для указания относительного расположения двух точек: можно, например, задать расстояние между ними (для чего требуется одно число) и направление соединяющей их прямой (для чего нужны еще два числа).

Однородность физического пространства проявляется в независимости физических законов от положения: одни и те же законы действуют во всех уголках Вселенной. Опыт, поставленный в одинаковых физических условиях в разных местах, дает одинаковые результаты.

Изотропность физического пространства проявляется в независимости физических законов от ориентации физической системы в пространстве.

При обсуждении свойств пространства и времени нами использовалось слово «событие», смысл которого интуитивно был ясен. Для описания явлений природы удобно ввести соответствующее физическое понятие: под событием будем понимать нечто, характеризуемое пространственным положением и моментом времени, т. е. тем, где и когда это «нечто» произошло. Таким образом, событие характеризуется указанием четырех чисел: трех пространственных и одной временнбй координат.

Примерами физических событий могут служить мгновенная вспышка света в определенной точке, столкновение двух элементарных частиц и т. д. Любой физический процесс или явление можно рассматривать как некую последовательность или совокупность отдельных событий.

Физическое понятие события подобно геометрическому понятию точки как объекта, не имеющего пространственной протяженности. Аналогично, отдельное физическое событие не имеет ни пространственной, ни временной протяженности.

• В тексте утверждалось, что для указания момента времени требуется только одно число. Как это согласуется с тем, что при ответе на вопрос «когда вы родились?» приходится называть год, месяц и число?

• На пути из Москвы в Санкт-Петербург на автомобиле для определения своего местоположения достаточно указать, на каком километре шоссе вы находитесь. Как это согласовать с тем фактом, что для указания пространственного положения требуются три числа?

Свойства симметрии. Однородность времени, однородность и изотропность пространства отражают определенную симметрию физического мира.

Однородность пространства связана с симметрией по отношению к преобразованию сдвига, т. е. к параллельному переносу. Параллельный перенос физической системы как целого не влияет на характер протекающих в ней процессов. В этом проявляется эквивалентность, т. е. равноправие, всех точек физического пространства.

Изотропность пространства связана с симметрией по отношению к поворотам. Поворот всей системы как целого, как и параллельный перенос, не влияет на характер протекающих в ней процессов. В этом проявляется эквивалентность всех направлений в пространстве.

Однородность времени связана с симметрией по отношению к сдвигу во времени. Такой сдвиг также не влияет на характер процессов в физической системе. В этой симметрии проявляется эквивалентность всех моментов времени.

Отмеченные свойства симметрии физического мира не единственные. Существует также симметрия по отношению к отражению в плоскости, по отношению к преобразованию инверсии относительно точки, по отношению к отражению во времени. С последней из указанных симметрий связана обратимость физических явлений.

Представление об обратимости явлений можно получить из такого примера. Заснимем на кинопленку столкновение двух бильярдных шаров. При просмотре фильма пленку можно пускать в любом направлении. По наблюдаемой на экране картине невозможно определить, движется ли пленка в том же направлении, что и при съемке фильма, или в противоположном. В «обращенном» во времени движении никакие физические законы не нарушаются.

Соображения симметрии играют большую роль при объяснении свойств физического мира.

Если все точки физического пространства эквивалентны, то почему при взвешивании груза показания пружинных весов на полюсе и на экваторе различаются?

Все ли процессы в природе обратимы? Приведите известные вам примеры обратимых процессов.