Что такое абсолютная и относительная величина в физическом понимании? Мы будем говорить, что некоторая физическая величина относительна, если её можно обратить в нуль (хотя бы локально) с помощью каких-либо преобразований, имеющих физический смысл. Соответственно, если этого сделать нельзя, то физическая величина является абсолютной. Наблюдая, как Солнце восходит на Востоке и заходит на Западе, Аристотель и Птолемей пришли к выводу, что Земля находится в абсолютном покое, а Солнце и звезды вращаются вокруг неё. Однако более точные исследования астрономов показали, что Земля движется вокруг Солнца, а Солнце, в свою очередь, движется относительно звезд. Оказалось, что абсолютно покоящихся систем отсчета в природе не существует. Все находится в относительном движении.
Рис. 2. Система отсчета S связана с массой m. Система отсчета S* связана с массой m*. Масса m* движется относительно массы m с постоянной скоростью v.
Выберем две
системы отсчета, одна из которых S
связана с массой m, а другая S* с
массой m*. Предположим, что физик
расположен в системе отсчета S и
измеряет координаты до системы S*. Пусть
система отсчета S* движется
относительно системы S с постоянной
скоростью v без вращения. По
определению такая система отсчета является
инерциальной. Понятно, что скорость тела отсчета m*,
с которым связана система S*, также
постоянна и равна v. В результате
измерений физик получит множество относительных
координат систем отсчета S и S* .
Исследуя это множество он обнаружит, что:
а) трехмерная геометрия
этого множества евклидова;
б) траектории тел отсчета
представляют собой прямые линии;
в) кинетическая энергия тел
отсчета является величиной относительной.
Действительно, кинетическая энергия массы m*,
записанная в координатах системы S
равна половине произведения этой массы на
квадрат скорости v. Перейдем теперь
из системы S в систему S*, где
масса m*, покоится (v = 0). В
механике Ньютона такие переходы, совершаются с
помощью координатных преобразований
Галилея-Ньютона. В результате исследователь
обнаружит, что кинетическая энергия тела m*
в системе S* равна нулю. Этот результат
как раз и доказывает, что кинетическая энергия
инерциально движущихся тел относительна.
В геометрии существует
понятие геодезической линии. Это линия
соответствует кратчайшему расстоянию между
двумя точками в данной геометрии. В геометрии
Евклида геодезической (в дальнейшем слово линия
мы будем опускать) является прямая. Поэтому
уравнения движения тел отсчета надо записать в
таком виде, чтобы их решения приводили к
прямолинейным траекториям тел. Из механики
Ньютона нам известно, что уравнения движения в
этом случае запишутся в виде равенства нулю
произведения массы тела на его ускорение. Это
уравнения движения свободных тел. Но такого в
природе не бывает! Все тела отсчета обладают
массой и, следовательно, гравитационным
взаимодействием. Конечно, это взаимодействие
очень мало и в большинстве случаев им можно
пренебречь (так обычно и поступают физики).
Следовательно, понятие инерциальной системы
отсчета является идеализированным. Исследуя
пространство событий этих систем, мы получаем
тривиальные уравнения движения и никаких
уравнений поля. В этом смысле плоское
пространство Евклида, образованное множеством
относительных координат инерциальных систем
отсчета, соответствует «абсолютной пустоте»,
так, как будто массы (и другие физические
характеристики) тел отсчета устремились к нулю.