2.11. Как определить абсолютное движение или принцип относительности Галилея

Мы затронули тему относительности как раз вовремя, потому что наличие гравимагнитных сил в корне меняет базовые классические представления. А чрезвычайная малость этих сил и невозможность их регистрации в повседневной жизни сыграли злую шутку с классической механикой.

Речь идет вот о чем. В свое время мы говорили, что классическая механика подчиняется принципу относительности Галилея, а электродинамика – нет. Мы имели ввиду то обстоятельство, что согласно Галилею никакими механическими опытами нельзя отличить состояние абсолютного покоя от состояния равномерного прямолинейного движения. Хорошо известен пример с каютой корабля, в которой все происходит одинаково, независимо от того, покоится ли корабль относительно Земли или плывет равномерно и прямолинейно (по спокойной воде, разумеется). Галилей утверждал, что пока не выглянешь в окно каюты – не поймешь, плывет корабль или стоит. И никакие эксперименты внутри каюты не позволят это определить.

Электромагнетизм сильно изменил ситуацию. Как известно, есть магнитная сила, которая зависит от абсолютной скорости движения тел. Так, например, в каюте корабля можно было бы взять прямой кусок металлической проволоки и замерить разность потенциалов на ее концах. Если она есть, значит, корабль движется. Более того, ориентация проволоки с максимальной разностью потенциалов на концах соответствует направлению, перпендикулярному скорости движения корабля.

Это, разумеется, не абсолютное движение – оно суть абстракция. Это движение относительно магнитного поля Земли или просто относительно самой Земли. Поэтому, если корабль движется по ее поверхности, то проволока в каюте испытывает движение в магнитном поле, а это, как известно, вызывает появление разности потенциалов на ее концах. И величина этой разности потенциалов пропорциональна скорости движения корабля вместе с проволокой.

Мы уже много говорили об электродинамике, механике и искусственном спасении принципа относительности путем преобразований Лоренца. Сейчас нам интересно иное. А именно то обстоятельство, что магнитная сила, позволяющая определить факт движения относительно источника поля, есть не только в электродинамике. Она есть и в механике. Это – гравимагнитная сила.

В каюте корабля Галилей мог измерить силу, действующую на подвешенный маятник. Когда корабль стоит, отклонение маятника отсутствует. А когда движется – оно появляется, причем величина этого отклонения пропорциональна скорости движения корабля. Если бы имелись достаточно чувствительные приборы, то они позволили бы замерить этот эффект. И определить скорость движения корабля, не выглядывая из окна каюты!

Более того, зная скорость движения корабля относительно Земли, можно определить скорость движения самой Земли относительно центра нашей Галактики! Это подобно тому, как известная величина тока, создаваемая магнитным полем, позволяет определить величину самого магнитного поля. А в нашем случае величиной гравимагнитного поля является статическое гравитационное поле Галактики, определяющее массы всех тел на Земле, умноженное на отношение произведения двух скоростей к квадрату скорости света. Точно так же, как мы считали в предыдущем разделе смещение перигелия Меркурия. Одной скоростью является скорость движущегося объекта относительно Земли – в нашем случае корабля, а второй – скорость движения Земли относительно центра нашей Галактики.

Все величины здесь являются известными. Статическое гравитационное поле Галактики нам известно благодаря тому, что оно определяет все классические массы тел. И просто сокращается в расчетах! Поэтому, зная скорость объекта относительно Земли, мы можем найти ее скорость относительно центра Галактики или так называемой системы неподвижных звезд! Логика этой задачи является обратной по отношению к решенной выше проблеме смещения перигелия Меркурия. Мы могли бы оттолкнуться от известной величины смещения перигелия планеты и на ее основании, а также с помощью известной скорости Меркурия в Солнечной системе найти скорость движения самой Солнечной системы относительно центра Галактики! Проще говоря, в этом контексте Меркурий является своеобразным мегамаятником, благодаря которому ничтожные гравимагнитные силы все же можно измерить!

Не это ли и есть определение скорости абсолютного движения в понимании классической физики? В полевой физике, конечно же, нет вообще никаких абсолютных движений. Но если вспомнить наш вывод о том, что гравитационное поле нашей Галактики определяет все классические массы тел и является для всех механических явлений предпочтительной (инерциальной) системой отсчета, то именно систему неподвижных звезд, связанную с центром нашей Галактики, следовало бы считать в классической физике той самой абсолютной системой отсчета, тем самым ньютоновским пространством.

Впрочем, гравимагнитная сила, действующая со стороны центра нашей Галактики, оказывается для подвешенного маятника далеко не самой главной поправкой. Есть более банальные вещи, такие как, скажем, вращение Земли вокруг собственной оси или вокруг Солнца, что приводит к более заметным отклонениям нити подвеса маятника от вертикали, или вращению «коромысла» Кавендиша. И выделение каждой из составляющих этих поправок позволило бы нам, в свою очередь, определить еще и скорость вращения Земли вокруг своей оси и скорость ее вращения вокруг Солнца. Даже не выходя из каюты корабля! Вот сколько полезной информации могли бы нам дать гравимагнитные силы! Если бы они не были столь исчезающе малы.

В экспериментальном аспекте измерение гравимагнитных сил имеет еще одну характерную сложность. В отличие от магнитных сил, которые действуют только на заряженные тела и приводят к их движению относительно нейтральных тел, гравимагнитные силы, как и гравитация в целом, действуют на все объекты. Это означает, что под действием гравимагнитных сил, обусловленных, например, центром нашей Галактики, отклонение испытывает не только наш маятник в каюте корабля, но и сам корабль вместе с Землей и всеми объектами на ее поверхности. Это создает дополнительные сложности для экспериментального измерения всех подобных эффектов. И многолетняя эпопея с попытками зарегистрировать гравитационные волны, имеющие схожий порядок малости, служит тому подтверждением.

Хотя в физике даже очень малый эффект может в корне изменить все представления. И подводя итог сказанному выше, мы констатируем, что механика, также как и электродинамика, не подчиняется классическому принципу относительности Галилея! Процесс движения приводит к появлению пусть и очень малых, но реально существующих дополнительных сил – гравимагнитных сил, позволяющих определить скорость движения системы отсчета относительно источника этих сил.

А значит, существует разница между любыми двумя инерциальными системами отсчета, движущимися равномерно и прямолинейно друг относительно друга. Эта разница состоит в различной скорости их движения относительно источников гравитационного поля, и она может быть определена экспериментально. Не только с помощью электромагнитных, но и с помощью чисто механических явлений! И хотя мы здесь немного лукавим, подразумевая под чисто механическими явлениями, в том числе, и силу тяжести, а значит, гравитационное поле, основную суть вопроса сделанные выводы передают верно.

Благодаря гравимагнитным силам (и другим динамическим добавкам к закону всемирного тяготения, связанным с движением источников гравитационного поля) классическая механика, также как и электродинамика, не подчиняется классическому принципу относительности Галилея. Состояние покоя относительно источников поля можно экспериментально отличить от состояния равномерного прямолинейного движения относительно них.