Беседа 1. Системы отсчёта и их выбор

Коллега, как Вы думаете, с чего начинается познание Природы?

Вы, мой друг, задали очень важный и, очевидно, самый главный вопрос.

Думаю, что всё начинается с информации. Это значит, что познание законов и явлений Природы связано с нашими ощущениями и зависит от результатов наблюдений, которые, в свою очередь, зависят от правильного выбора системы отсчета (далее – СО).

Неужели это так важно? Ведь известно, что все инерциальные СО равноправны.

Выбор правильной СО, как раз, очень важен и это доходчиво показано на примере выбора СО Птолемеем (?-168) и Коперником (1473-1543).

В механике любое движение является относительным, ибо СО всегда связана с точкой отсчета, по отношению к которой изучается движение (или равновесие) каких-нибудь других материальных точек или тел. Нельзя указать, например, как движется Луна вообще, можно лишь определить её движение по отношению к Земле, Солнцу или звёздам.

Уже во времена античной древности философы сомневались в абсолютности движения. В 5-ом веке до нашей эры Зенон Элейский задался вопросом: почему мы считаем, что Земля неподвижна, а стрела, которая представляется нам летящей, движется? Почему бы не остановить стрелу и двинуть Землю?

Аристотель (384 – 322 до н. э.) отверг такую манипуляцию с системой отсчета. В соответствии с его философским учением, абсолютной считалась СО, связанная с Землёй. И это было правильно, ибо нельзя остановить стрелу и двинуть Землю, хотя бы потому, что импульсы (произведение массы на скорость) летящей стрелы и «движущейся с такой же скоростью» Земли различаются на много порядков.

Но СО, связанную с Землёй, Аристотель распространил и на солнечную систему. Доводы перипатетиков (последователей школы Аристотеля) были основаны на том, что все механические явления, происходящие на поверхности Земли, происходят так, будто Земля неподвижна. Так была создана геоцентрическая система мира, в которой Солнце и все планеты вращались вокруг неподвижной Земли.

Однако не все были согласны с Аристотелем. К примеру, Гераклит считал, что Меркурий и Венера вращаются вокруг Солнца. А, его ученик Аристарх Самосский (3-й век до н. э.) предложил гелиоцентрическую систему мира, в которой он остановил Солнце и заставил все планеты двигаться вокруг него. И, всё же, тогда победил авторитет Аристотеля. К сожалению и теперь бывает такое, когда прав не тот, кто действительно прав, а тот, у которого «авторитет» (иногда «дутый»).

Чтобы доказать недоказуемое, будто всё вертится вокруг Земли, Птолемею пришлось прибегнуть к математике (наука, способная оправдывать буквально всё). Он предположил, что каждая планета солнечной системы (Венера, Марс…) движется равномерно по вспомогательной окружности (эпициклу), в то время как центр этой окружности перемещается по другой окружности с центром в Земле.

Связав СО с Землёй, Птолемей создал весьма точную, хотя и неимоверно сложную математическую модель, которая, конечно же, физического смысла не имела.

Лишь спустя почти полторы тысячи лет Коперник поправил Птолемея, «перебив» СО от Земли к Солнцу. В результате мы получили простые и понятные законы Кеплера, описывающие орбитальное движение не только в Солнечной системе, но и в микромире (к примеру, в потенциальном поле атома).

Вывод: систему отсчёта для любого явления нельзя принимать произвольно. Её нужно связывать с центром того поля, в котором это явление рассматривается.

Однако и теперь многие продолжают считать, что любая СО (правда, уже с оговоркой – инерциальная – ИСО) математически приемлема. Приставка «инерциальная» (в современной трактовке) связана с прямолинейным и одновременно равномерным движением. И всякая другая СО, движущаяся по отношению к данной ИСО равномерно и прямолинейно, считается также ИСО.

Но, «беда» в том, что ИСО является всего лишь математической абстракцией, ибо в Природе прямолинейное и одновременно равномерное движение по инерции невозможно. Мы с Вами об этом ещё поговорим. Поэтому, мнение о существовании множества равноправных инерциальных (повторяю – в современной трактовке) СО ошибочно и любая реальная СО может рассматриваться как ИСО лишь приближенно.

Итак, коллега, вы утверждаете, что движение в поле Земли следует рассматривать в СО, связанной только с центром этого поля, а движение в Солнечной системе – с центром поля Солнца. Это можно понять.
Однако, с какой СО следует связывать движение светового луча, идущего от небесного светила из далёкого Космоса (к примеру, из другой галактики)? Ведь, вследствие конечности скорости света и движения наблюдателя относительно этого светила происходит изменение направления светового луча, называемое аберрацией света.

Это хороший вопрос. Аберрация света действительно вызывает смещение видимого положения светила на небесной сфере, связанное с годичным движением Земли вокруг Солнца. Она была открыта и объяснена Дж. Брадлеем в 1728 году.

При перемещении наблюдателя вместе с приёмником света (например, с астрономической трубой), лучу света, вошедшему в эту трубу, требуется некоторое время, чтобы пройти расстояние от объектива до его фокальной плоскости. За это время инструмент вместе с Землёй переместится (ведь Земля движется по орбите вокруг Солнца) и изображение светила окажется смещенным относительно оси трубы. Чтобы изображение светила совместить с этой осью, необходимо повернуть трубу в сторону движения наблюдателя на некоторый угол, определяемый отношением скорости движения наблюдателя к скорости света.

Теперь давайте выясним, какие СО сопутствуют данному лучу света при наблюдении за далёкой Галактикой. Сначала этот луч движется в поле Метагалактики (видимая нами часть Вселенной), центр которой совпадает с источником света (с наблюдаемой Галактикой). Это и есть центр первой СО для движущегося к нам луча света. Этот центр настолько далеко, что его движение для нас практически незаметно и мы считаем его неподвижным.

В этой же СО (в поле Метагалактики) движется и наша Галактика. Однако радиус её «орбиты», следовательно, амплитуда и период её колебаний настолько огромны (нами не определены), что и здесь направление луча (на далёкую Галактику) для нас остаётся без видимого изменения.

Аналогичную ситуацию мы имеем и в СО, связанной с центром нашей Галактики. Период колебаний Солнечной системы относительно этого центра теоретически нам известен, но и он настолько огромен (примерно на восемь порядков больше периода колебаний Земли), что проверить экспериментально угол наклона приходящего к нам луча в этой СО мы тоже не можем.

И только следующая СО, связанная с центром поля Солнца, даёт нам возможность экспериментально определить угол наклона астрономической трубы. Здесь в течение года (год для эксперимента является уже реальным периодом полного цикла колебаний) наблюдаемая нами Галактика описывает на небесной сфере небольшой эллипс, параметры которого связаны только с орбитальным движением Земли в потенциальном поле Солнца.

Как видите, аберрация света подтверждает тот факт, что в Природе нет равноправных СО.