Система отсчета
Для описания любых процессов в природе прежде всего необходимо иметь систему отсчета. Это система координат плюс связанные с ней часы. Система координат «размечается» эталоном длины, неподвижным в данной координатной сетке. Часы, связанные с системой отсчета,— эталон времени, покоящийся в данной системе координат.
Среди систем отсчета существуют инерциальные системы. В них тела, на которые не действуют внешние силы, движутся с постоянной скоростью (и, в частности, покоятся). Если найти одну инерциальную систему отсчета, то ясно, что любая другая система, движущаяся равномерно и прямолинейно относительно данной, также окажется инерциальной. И таких систем бесконечное множество. Очень просто можно доказать: если скорость системы 2 относительно системы 1 (т. е. скорость, измеренная приборами системы 1) есть v, то скорость системы 1 относительно системы 2 (она измеряется приборами в системе 2) есть — v. Этот результат справедлив и в классической механике, и в теории относительности.
Однако если серьезно задуматься над понятием инерциальной системы отсчета, то возникает много вопросов. Так, определение этой системы логически явно неудовлетворительно. Действительно, мы говорим, что в инерциальной системе тело, на которое не действуют силы, движется равномерно и прямолинейно. Но откуда известно, что на тело не действуют силы? К сожалению, нет лучшего ответа, чем следующий: силы не действуют на тело, если оно покоится или движется равномерно и прямолинейно в инерциальной системе. Очевидно, что здесь мы встретились с известной в логике ситуацией «порочного круга». Приходится, махнув рукой на логику, прибегнуть к малоубедительной интуиции. Ну разве не очевидно, что сумма сил, действующих на покоящееся тело, равна нулю!
Другой путь состоит в том, что эталон инерциальной системы отсчета выбирают, отказываясь от попыток ее логически строгого определения. Но в этом случае нет никакой уверенности в том, что более точные эксперименты не обнаружат неинерциальность данной системы.
Например, Г. Галилей считал, что система отсчета, жестко связанная с Землей, инерциальна. Позже опыт Фуко показал, что система отсчета «Земля» неинерциальна.
И. Ньютон предполагал, что есть некая данная свыше абсолютная система отсчета. В частности, ее связывали с «эфиром» — реальной субстанцией, будто бы заполняющей все пространство. После работ А. Эйнштейна выяснилось, что абсолютной системы отсчета просто не существует.
За эталон была выбрана система, связанная с «неподвижными звездами». Но затем обнаружилось, что и звезды смещаются относительно друг друга.
Когда говорят, что «наша Галактика вращается», то следует четко указать, в какой системе она вращается. Без системы отсчета слова о движении вообще и о вращении в частности никакого смысла не имеют.
Итак, говоря об эталоне системы отсчета, необходимо указать на реальные физические объекты, с которыми она связана. Сейчас за эталон принята инерциальная система отсчета, в которой изотропно реликтовое излучение (см. Космология). Однако неизвестно, не появятся ли в будущем другие эталоны инерциальной системы отсчета.
