Х Зона

Прежде чем отправиться в наше путешествие, поясним, что вообще понимают в физике под словом «сила». Силой называют причину изменения состояния движения физических тел. Движение тела характеризуют быстротой перемещения и направлением, в котором тело движется, то есть скоростью движения. Поэтому сила является причиной изменения скорости тел. Такое определение тесно связано с эмпирически установленным законом, по которому тело движется в одном и том же направлении с неизменной быстротой, если на него не действует сила. В частности, если но покоящееся тело не действует сила, то тело сколь угодно долго пребывает в состоянии покоя. Сказанное относится ко всем без исключения телам во Вселенной. Свойство тел сохранять состояние своего движения в отсутствие сил называют инертностью, а об утверждении, набранном курсивом, говорят, что это — закон инерции, или первый закон Ньютона.

Хотя закон инерции и называют законом природы, но это очень необычный закон: нередки случаи, когда он просто не верен. Чтобы разобраться в вопросе, рассмотрим пример. Представим себе покоящийся на поверхности Земли дом. Для объяснения его неподвижности естественно принять, что, хотя он и притягивается Землей, притяжение уравновешивается направленной вверх силой давления почвы на фундамент, которая не позволяет дому погружаться вниз. Таким образом, действующие на дом внешние силы взаимно компенсируются и в целом равны нулю.

Присевший отдохнуть путник, взглянув на дом, скажет, что дом покоится; наблюдение путника согласуется с законом инерции. Но если путник бредет заплетающимся шагом, качаясь из стороны в сторону, то он увидит, что дом тоже качается, — для идущего так путника закон инерции не верен!

При наблюдении природных явлений, например регистрации положений и скоростей движущихся тел, во избежание разнобоя надо заранее условиться, от какого стандартного состояния производить отсчет. Так, например, значения высот какой-нибудь горы будут разные при отсчете от поверхности степи в предгорье и от уровня моря. Точно так же неподвижный наблюдатель и наблюдатель, сидящий в проносящемся мимо экспрессе, припишут разные значения скорости одному и тому же физическому телу.

Допустим, что все наблюдения выполнены на приборах, установленных внутри сарайчика на даче. Физик назовет сарайчик вместе с оборудованием системой отсчета. Пользуясь этим термином, мы можем сказать, что наблюдение дома из системы отсчета, покоящейся относительно Земли, подтверждает закон инерции, а наблюдение того же дома из системы отсчета, расположенной на петляющем из стороны в сторону автомобиле, показывает, что закон инерции не действует. Те системы отсчета, в которых закон инерции справедлив, называют инерциальными; пример инерциальной системы — система отсчета, покоящаяся относительно Земли. А система отсчета, укрепленная на автомобиле, управляемом нетвердой рукой, неинерциальна.

Итак, ясно, что закон инерции «усеян исключениями», это чрезвычайно «разболтанный» закон: каждый раз приходится решать, верен ли в данном случае закон инерции или нет.

Иначе говоря, закон инерции следует понимать как принципиальное утверждение о существовании в нашем мире инерциальных систем отсчета, то есть таких счастливых наблюдателей, которым удается своими глазами увидеть явления, описываемые при формулировке этого закона. Данное выше определение силы пригодно только для наблюдателей в инерциальных системах. Очень важно также заметить, что и второй закон Ньютона, о котором мы еще будем говорить, тоже верен лишь в инерциальных системах отсчета.

Возможно, некоторым покажется, что существование инерциальных систем отсчета самоочевидно, но если как следует вдуматься, каждый поймет, что не так-то просто решить, действительно ли инерциальна система отсчета, избранная им самим для наблюдений. Таким образом, закон инерции далеко не тривиален. Чтобы выразить его, надо было логически осмыслить огромный эмпирический материал и прийти к идеализированному абстрактному понятию об инерциальной системе отсчета.

Поначалу я намеревался ограничиться приведенным объяснением закона инерции, но потом понял, что оно недостаточно, и решил добавить еще одно, может быть, немного утомительное пояснение.

Я сказал, что сила есть причина изменения скорости движения тела. Попробуем, пользуясь этим определением и не выходя за рамки механики, по изменению скорости решить, равна ли нулю действующая на тело сила. Согласно сказанному нам придется понаблюдать за движением этого тела в инерциальной системе отсчета. А для проверки инерциальности надо посмотреть, покоится ли специальное пробное тело, про которое мы знаем, что на него не действует никакая сила. Но как убедиться в равенстве нулю силы, приложенной к пробному телу? В рамках чистой механики при решении последнего вопроса мы возвращаемся к исходному пункту рассуждения, то есть попадаем в порочный круг.

Тем самым я хочу подчеркнуть, что в узких рамках так называемых механических физических явлений невозможно построить логически замкнутую, окончательную теорию сил и инерции. Для выхода из порочного круга при решении вопроса о равенстве нулю приложенной к пробному телу силы надо привлечь знания из других, немеханических, областей физики. Например, можно сказать, что пробное тело достаточно удалено от источников всевозможных помех: заряженных или намагниченных тел, сильных источников излучений и т. п.; но тогда исчезновение прилагаемой к пробному телу внешней силы обосновывается нашим знанием законов электромагнетизма. Этим пояснением я и закончу рассмотрение определения силы и закона инерции в механике.