3.11. Динамическая инерция и принцип Маха
Может ли один человек заметно опередить развитие всей науки? И не на год или два, а на целое столетие? А может, даже и больше. Причем речь идет не о древнем мире, когда темп истории был иным, а о нашем времени. На первый взгляд, подобное кажется просто невероятным!
Тем не менее, такие примеры существуют, и сейчас мы собираемся упомянуть один из них. Речь идет об ученом, жившем во второй половине XIX и начале XX века. Его имя – Эрнст Мах. Человек очень неординарный и неоднозначно воспринимаемый как его современниками, так и учеными и философами более поздней эпохи. Однако это человек, оставивший неизгладимый след в истории науки. Этот след в первую очередь связан с критическим анализом господствовавшей в то время классической механики.
Мы не будем сейчас подробно обсуждать все воззрения Маха. Большинство из них очень спорны. Мы обратим внимание только на одну из его идей, известную во многом благодаря Эйнштейну, под названием принципа Маха. Речь идет о следующем.
Мах подверг критике представления Ньютона об абсолютном пространстве и абсолютном движении. В то время это было, в общем-то, вполне естественно – проблема относительности обсуждалась вовсю. Но Мах пошел еще дальше и сделал утверждение, что не только всякое поступательное движение является исключительно относительным, но и любое вращательное движение также может быть только относительным! И никакой принципиальной разницы между этими типами движения быть не должно.
А раз любое движение относительно, то о нем имеет смысл говорить только по отношению к другим объектам, которые выглядят условно неподвижными. Мах предложил использовать в качестве подобного ориентира для всех движений наиболее массивные небесные тела, или так называемую систему неподвижных звезд. Нечто подобное нашему наиболее массивному центру Галактики, который является главным гравитационным источником нашего Мира. В подходе Маха система неподвижных звезд стала альтернативой абсолютному ньютоновскому пространству.
Далее Мах сделал вывод о том, что коль любое движение может быть только относительным, то и закон инерции Галилея должен иметь исключительно относительный характер. При отсутствии сил любое тело будет сохранять состояние равномерного и прямолинейного движения не относительно пространства как такового, а относительно системы неподвижных звезд!
Все эти идеи вполне могли быть применимы к поступательному движению в силу выделенного положения инерциальных систем отсчета в классической механике (как и после в релятивистской механике). Однако использование такого же подхода и к вращательному движению, которое казалось абсолютным, выглядело не совсем понятно.
Мах рассматривал известный пример с вращающимся сосудом, в котором вода начинает разбегаться от центра к стенкам, что является очевидным свидетельством наличия внутри сосуда центробежных сил, а также доказательством его абсолютного вращения. А не вращения всей остальной Вселенной относительно этого сосуда. И здесь Мах сделал гениальный вывод.
Силы инерции при вращении сосуда с водой по отношению к Вселенной действуют именно на воду в сосуде, а не на все прочие тела во Вселенной, потому что Вселенная намного больше сосуда! Она является как бы определяющей системой отсчета. А если бы мы представили себе, что стенки сосуда стали заметно увеличиваться и выросли бы до размеров Вселенной, то при таком относительном вращении силы инерции стали бы действовать уже не на воду внутри сосуда, а на все остальные тела вне него. Другими словами, если бы сосуд можно было поменять местами со Вселенной, то поменялось бы местами и действие сил инерции!
В данном контексте мы изложили несколько вольную трактовку книги Маха. Тем не менее, это изложение передает основную суть его идей. Потому что дальше Мах делает вывод о том, что раз все движения могут быть только относительными, как и закон инерции, то тогда и мера инерции тел – масса – тоже должна быть относительной! То есть масса каждого тела не является его «врожденным» параметром, как в классической механике, а должна определяться взаимодействием этого тела со всеми остальными телами во Вселенной. Телами, относительно которых данное тело движется, и по отношению к которым проявляется свойство инерции! Именно это представление и составляет содержание принципа Маха.
Гениально! В книге XIX века мы находим ряд фундаментальных идей, которые стали понятны нам только благодаря полевой физике лишь в XXI веке! Во-первых, это представления о предпочтительных системах отсчета, примером которой у Маха выступает система неподвижных звезд. Во-вторых, идея о динамической, а не «врожденной» природе массы. В-третьих, определение массы тел посредством взаимодействий со всеми телами во Вселенной, и в первую очередь с массивными звездными системами. Если учесть, что в XIX веке были известны только электромагнитные и гравитационные взаимодействия, то когда речь идет о связи с системой неподвижных звезд, вывод о типе взаимодействия очевиден.
Идеи Маха так сильно повлияли на Эйнштейна, что он грезил ими на протяжении почти всей своей жизни. Справедливости ради следует отметить, что изначально релятивизм, или относительный подход к физическим явлениям, выглядел примерно так, как его понимал Мах. Все уравнения физики должны включать в себя только относительные расстояния, относительные скорости и даже относительную инерцию. По-этому Маха нередко считали основоположником релятивизма. Однако в рамках специальной, а потом и общей теории относительности изначальные идеи изменились до неузнаваемости, составив предмет современного релятивизма.
Эйнштейн настолько высоко ценил принцип Маха, что однажды поставил его наравне с принципом относительности и принципом эквивалентности как составляющий вместе с ними три основных принципа, на которые должна опираться любая теория тяготения и вообще единая теория поля. Стоит ли еще раз упоминать о ключевой роли принципа относительности для специальной, а принципа эквивалентности – для общей теории относительности? И такую же роль Эйнштейн отводил принципу динамической инерции Маха.
Однако, несмотря на титанические усилия, Эйнштейну так и не удалось включить принцип Маха в общую теорию относительности. В этой теории оказалось возможным найти динамическое объяснение только малой доле масс тел, связанной с локальными полями. Что-то вроде проделанного нами в первой главе, когда добавка к массе оказывалась динамической, в то время как основная масса тела по-прежнему оставалась постоянной величиной классической природы.
Теперь мы понимаем причину неудач Эйнштейна. Все дело в том, что принцип Маха и принцип эквивалентности являются альтернативными и взаимоисключающими способами описания природы инертных свойств тел. Либо инертная масса определяется согласно принципу Маха, и тогда она увеличивается по мере приближения к сильногравитирующим объектам и уменьшается по мере удаления от них. Другими словами, отношение инертной массы к гравитационному заряду является переменным и зависит от той или иной области космоса. Либо инертная масса жестко связана знаком тождества с гравитационным зарядом, и тогда для принципа Маха просто не остается места.
Как бы сильно Эйнштейн ни любил принцип Маха, но пожертвовать принципом эквивалентности он был не готов. Поэтому общая теория относительности стала такой, какой мы ее знаем. Массы тел остались столь же туманными характеристиками, как и в классической физике, а принцип Маха после смерти Эйнштейна канул в Лету и был почти что забыт. За прошедшее столетие современная физика ушла еще дальше от реализации идей Маха. И если бы не появилась полевая физика, то мы говорили бы о том, что Мах опередил всю физическую науку своего времени не на сто, а может быть, на двести или триста лет, а может быть, и навсегда.
Полевая физика не опирается на принцип Маха и не использует его в своих построениях. Изначально представления о динамической инерции возникли во многом именно так, как изложено в этой книге. Важную роль в успехе сыграло неоднократно упомянутое на страницах книги виденье устройства Мира как целостной конструкции, а также представления о существовании глобального взаимодействия и невидимой полевой среды. Принцип Маха попал в поле зрения уже после. И тем не менее, именно полевая физика смогла материализовать те интуитивные догадки, о которых говорил Мах.
В полевой физике динамическая масса, определяемая в первую очередь глобальным взаимодействием, полностью воплотила основную идею Маха. Нашлись даже формулы для выражения этой связи. А также уравнение движения полностью приобрело относительный вид и пропало выделенное положение инерциальных систем отсчета. Даже умозрительное суждение Маха о том, что если бы вращающийся сосуд вырос до размеров Вселенной, то силы инерции стали бы действовать уже не на него, а на все остальные тела, нашло свое воплощение! Мы увидели это, когда в первой главе выводили выражение для силы Лоренца из сил инерции. Тогда, чтобы правильно описать движение, нам пришлось признать, что для электрической компоненты массы не сама маленькая заряженная частица, а вся громадная Вселенная движется неинерциально и подпадает под действие полевых сил инерции!
Мах не конкретизировал свои идеи в виде конечных выводов и не облек их в какую-либо количественную форму. Говоря о том, что массы тел определяются взаимодействием со всеми остальными телами во Вселенной, он не оставил никаких намеков на то, как именно эта связь выглядит. Говоря об относительности любого движения и отнесении его к системе неподвижных звезд, он не оставил никаких советов о том, как для этого следует преобразовать классическое уравнение движения и как проводить конкретные расчеты. Возможно, именно поэтому его идеи и были незаслуженно забыты. Они оказались интересными, но не практичными.
Все это очень напоминает нам рассуждения о Фарадее и Максвелле, которые мы проделали главой ранее. К сожалению, большинство ученых и простых людей оказываются неспособными разделить эстетическое наслаждение гениальными идеями, а также проникнуться новым способом мышления и мировоззрения. И если нет формул и практических результатов, то нет и смысла всем этим заниматься. Какой близорукий и примитивный подход! Подобная прагматичность еще была бы оправданна для коммерсантов, но вряд ли для ученых. Хотя, возможно, наука уже давно превратилась в индустрию, где поиску истины и эстетическому наслаждению красотой устройства Мира уже просто не остается места.
Каждый человек индивидуален, и возможно, в этом состоит проявление одного из важнейших принципов устройства нашего Мира. И вопреки логике мы наблюдаем то, что нередко один человек оказывается способным превзойти целую систему, гигантский механизм, с которым, казалось бы, вообще невозможно соперничать. Мы не будем сейчас говорить о других сферах жизни, где можно найти множество похожих примеров. Поговорим о том, что нам ближе, – о физике.
В свое время Коперник в одиночку преодолел господствующее мировоззрение, на долгое время опередив мышление своего века и оставив нам важнейший исторический пример. Подобное можно сказать и о Галилее и ряде его современников. Мы уже говорили о Фарадее, который вопреки мировоззрению научного мира своей эпохи в одиночку предвосхитил создание концепции полевой среды. И нам пришлось воссоздавать ее снова спустя почти два столетия бурного развития науки. Развития, которое, похоже, происходило не совсем в нужном направлении. А вот теперь пример Маха – и снова гениальное открытие ученого-одиночки, намного опередившее свое время, но снова незаслуженно забытое.
Интересно, что в итоге ждет полевую физику? Быть может, тоже полное забвение еще лет на сто? Или суд ученой инквизиции? Несмотря на широкий размах полевой физики, она создана усилиями всего одного человека. Без какой-либо помощи или содействия со стороны мирового научного сообщества. Просто на основании искреннего желания познать устройство нашего Мира. Полевая физика стала своеобразным хобби, достойным самого глубокого смысла жизни. Возможно, в этом и состоит изощренность Творца нашего Мира, дающего возможность одному человеку постичь гораздо больше, чем это удается всей мировой научной системе. Потому что несмотря на множество примеров, человечество так и не смогло проникнуться основными творческими и духовными принципами, необходимыми для понимания устройства Мира. Быть может, в этом и состоит глубокая логика и педагогическая подоплека, заложенная Творцом в наш Мир.