И снова откроем «Физику» Аристотеля. В этот раз для того чтобы попытаться понять природу явления инерции и выяснить возможное происхождение свойства инертности тел. Об инерции и инертности слышали, наверное, почти все, но даже специалисты не могут уверенно ответить на вопрос, а что же, на самом деле, представляют собой упомянутые выше явление инерции и свойство инертности.
Со времен античности, главной задачей механики всегда был поиск ответа на, казалось бы, простой вопрос, почему одни тела движутся с разными скоростями, совершая перемещение в пространстве, а другие остаются в покое. Поскольку непосредственные наблюдения показывали, что любое движущееся тело, за исключением небесных светил, в конце концов, останавливается, постольку Аристотель высказал предположение о существовании двух типов движения: естественного или «природного» и насильственного («Физика» Книга Четвертая, Глава Восьмая). Первое не требовало никакого объяснения своего «вечного» существования, тогда как второе всегда имело внешнюю («противоприродную») по отношению к движущемуся телу причину, названную Аристотелем силой. То есть, согласно Аристотелю, причиной продолжающегося движения тела с данной постоянной скоростью оказывалась некоторая постоянно действующая сила, которая непрерывно передавалась телу из окружающей его среды, например, из воздуха. Подобные представления господствовали в течение долгих двух тысяч с лишним лет. И только в XVIIвеке Г. Галилей, опираясь на труды средневековых ученых, а также работы своих непосредственных предшественников, пришел к выводу о том, что в объяснении нуждается не сохранение движущимся телом своей скорости, как полагал Аристотель, а ее изменение. То есть внешняя сила необходима совсем не для продления равномерного движения тела - напротив, она вызывает ускорение этого тела.
Стремление тел к сохранению скорости своего перемещения было названо инерцией или движением по инерции, получившим, благодаря
И. Ньютону, статус постулата, который можно сформулировать следующим образом: состояние равномерного прямолинейного движения, в отсутствие действия на данное тело внешних сил, является для него естественным, и может длиться бесконечно. Тело стремится к сохранению этого состояния совершенно беспричинно. С другой стороны, было не менее хорошо известно, что тела, могут приобрести ускорение и в том случае, когда они предоставлены самим себе. Такие, свободные от взаимодействий, тела, тем не менее, ускоряются, если их движение рассматривается относительно системы отсчета, которая сама движется с ускорением. То есть, такая система не принадлежит к выделенному среди всевозможных систем отсчета классу инерциальных систем.
В инерциальных системах отсчета, неподвижное тело остается неподвижным. Предоставленное самому себе равномерно движущееся тело продолжает свое движение с неизменной скоростью. Находясь под действием внешней силы, тело движется с ускорением, пропорциональным приложенной силе. Но в системах отсчета, движущихся с ускорением (неинерциальных системах), «нормальный» ход механических процессов нарушается: невзаимодействующие тела ведут себя так, как будто к ним приложены силы, то есть ускоряются. Эти особые силы, не имеющие в качестве своего источника какие-либо конкретные тела, получили название сил инерции, хотя, вообще говоря, в классической механике обычные силы обязаны своим существованием исключительно взаимодействию тел. Так что использовать термин «сила» при рассмотрении инерции следует с некоторой осторожностью. Силы инерции не связаны с взаимодействием тел непосредственно. Их порождает ускорение системы отсчета, в которой рассматривается движение, то есть силы инерции действуют не напрямую, а через посредство ускорения, вызванного обычными силами, приложенными к телу отсчета.
Наблюдение появления сил инерции по ходу ускорения системы отсчета позволило Ньютону утверждать, что данное тело движется с ускорением не только по отношению к другим телам, но и по отношению к чему-то абсолютно неподвижному, к некой привилегированной системе отсчета. Это «нечто абсолютно неподвижное», вызывающее силы инерции в случае ускоренного движения, представляло собой, по мнению Ньютона, пустое, лишенное материальных тел, абсолютное пространство. На стыке XIX-XX веков против этого тезиса Ньютона, объяснявшего возникновение силы инерции не взаимодействием тел, а изменением скорости тела, отнесенной к самому пространству, то есть взаимодействием тела с самим пространством как самостоятельной физической реальностью, выступил австрийский физик, механик и философ-позитивист Э. Мах. В своей критике Мах исходил из вполне справедливого убеждения в том, что пустого пространства попросту не существует. Исчезновение всех материальных тел равносильно исчезновению самого пространства.
Главное содержание «принципа Маха», противопоставляемого представлениям Ньютона об инерции, образовало утверждение о том, что все, что происходит в мире, включая инерцию, объясняется взаимодействием материальных тел. Фактически Мах тем самым попытался избавить классическую физику от весьма сомнительного и совершенно произвольного допущения существования абсолютного пустого пространства как причины возникновения сил инерции.
Необходимо отметить, что взгляды Маха на инерцию в известной степени подготовили создание Эйнштейном общей теории относительности (ОТО). Опираясь на идеи Маха, Эйнштейн обобщил требование принципа относительности на неравномерное движение, предположив эквивалентность ускорения действию поля: «… с помощью эксперимента мы не можем отличить, обусловлено ли падение тела относительно некоторой системы отсчета наличием какого-то гравитационного поля или ускорением системы отсчета». И как бы удивительно это не выглядело, но сам Мах, в известном смысле, продвинулся дальше Эйнштейна в отношении признания эквивалентности разных типов движения. Фактически он распространил статус «естественного» с равномерного движения на ускоренное движение. Вместо эйнштейновской эквивалентности ускорения и действия поля, своим принципом Мах утверждал равноправие всех видов движения без исключения, причем без привлечения, еще не до конца осмысленного в то время и довольно расплывчатого, понятия поля.
И в самом деле, согласно Маху, ускоренное движение в отсутствие действия обычных сил, должно быть не менее «естественным», чем равномерное движение в тех же условиях. Это обстоятельство наталкивает на мысль о том, что равномерное движение и ускоренное движение по отношению друг к другу находятся в положении, отчасти напоминающем то, в котором пребывают покой и равномерное движение.
То есть равномерное движение в отсутствие действия обычных сил вовсе не означает, что оно не поддерживается силами другого рода, являющимися производными от сил обычного взаимодействия между телами. Этими вторичными по своему происхождению силами как раз и являются силы инерции, таким образом, действительно, не имеющие в качестве непосредственных источников воздействия на ускоряющееся тело каких-либо других тел.
Вообще, необходимо отметить, что явление инерции допускает более широкое, чем это обычно принято полагать, толкование, на что еще в XVII веке обратил внимание нидерландский философ Б. Спиноза. По существу, он связал инерцию не только с сохранением механического состояния тела, то есть с неизменностью скорости его перемещения или с постоянством радиус-вектора. Спиноза распространил принцип инерции и на бытие этого тела в целом, связывая инертность с сохранением (неизменностью) его внутренних свойств, например, такого свойства тела, как его масса, и с тождественностью тела самому себе во всех изменениях, которые оно претерпевает с течением времени: «Всякая вещь, поскольку [это] от нее [самой] зависит, стремится [всегда оставаться собой] пребывать в своем существовании (бытии)» (Спиноза «Этика» ч. III, Теорема 6). Вопреки тому, что материальные объекты, помимо способности к перемещению в пространстве, обладают также и способностью к превращению во времени, что они успешно и демонстрируют, постоянно покидая данное мгновение настоящего времени, чтобы в следующее его мгновение вернуться в своем прежнем облике, фактически, в очередной раз «превратившись» в себя самих. Более того, элементарные частицы способны к истинному превращению, становясь, пусть и на очень короткое время, одна другой, чтобы затем возвратиться к своему исходному состоянию бытия.
Поэтому более продуктивным, чем использование понятий скорости перемещения тела и идентифицирующей его массы, взятых порознь, является описание состояния тела с помощью комбинированного понятия его импульса или количества движения, которое обычно определяется как произведение массы тела и скорости его перемещения. Тогда математическое выражение второго закона Ньютона приобретает следующую (дифференциальную) форму записи:
и читается так: изменение количества движения данного тела (импульса тела) за бесконечно малый промежуток времени равно импульсу внешней силы (произведению силы на время), которая действовала на тело в течение этого промежутка времени. Предложенная формулировка и ряд соображений, изложенных в предыдущей публикации касательно переменности величины массы, делают возможным то обычно игнорируемое обстоятельство, что действие внешней силы вызывает изменение не только скорости перемещения тела, но и изменение его массы:
Итак, если на данное тело действует какая-либо внешняя сила (F), то оно совершает ускоренное перемещение в пространстве и его радиус-вектор изменяется по параболическому закону. При этом наблюдаемое тело все время продолжает оставаться в настоящем, то есть во времени не перемещается. Однако, согласно импульсной формулировке второго закона Ньютона, это тело, помимо ускоренного перемещения в пространстве, обязано ускоренно изменять и свое «положение» во времени, которое, в рамках рассматриваемой концепции, свяжем теперь с величиной его массы.
Разрешить наметившееся противоречие, когда одно и то же тело должно сразу и покоиться во времени и ускоренно «перемещаться» в нем, позволяет следующее предположение. Внешняя сила не изменяет положение тела во времени, как целого (величины этой силы оказывается недостаточно для изменения равновесного значения массы тела). Зато ее вполне хватает на то чтобы упруго «деформировать» массу тела, вызывая, в ответ, его стремление к восстановлению первоначального значения массы, за счет возникновения некоторой силы внутренней природы, пропорциональной изменению массы тела, вызванному внешней силой:
Подчеркнем, что внешняя сила вызывает изменение скорости изменения массы тела не напрямую, как это происходит с изменением скорости его перемещения, а предварительно трансформировавшись во внутреннюю силу (f), препятствующую «деформации» массы тела. Опосредованность действия внешней силы на массу тела внутренней силой «упругости» массы напоминает подобные отличительные черты сил инерции, по мнению
Э. Маха, вторичных по своему происхождению в сравнении с обычными силами, имеющими в качестве непосредственных источников воздействия на ускоряющееся тело какие-либо другие тела. И, скорее всего, эта порождаемая какой-либо внешней силой, внутренняя сила «упругости» массы и есть сила инерции. Здесь не будет лишним упомянуть, что еще в XV веке выдающийся немецкий философ и теолог Н. Кузанский в трактате «Игра в шар» («De ludo globi», 1463) предполагал нечто подобное. Он считал, что сила передается телу извне от других тел сразу же в момент броска (толчка или удара). Затем сила все время «находится» в брошенном теле, поддерживая его дальнейшее движение, как бы, изнутри.
К сожалению, Г. Галилей, в свое время, не обратил должного внимания на эту очень продуктивную мысль, и своим авторитетом «убедил» И. Ньютона в неизбежности признания закона инерции незыблемым постулатом, согласно которому равномерное движение свободных тел (движение по инерции) не имеет причины.
Ясное дело – с такой «глыбой» не поспоришь, хотя последнее утверждение является довольно сильной идеализацией. Тем не менее, правы и Аристотель, и, в известном смысле, Мах: равномерное движение тоже имеет свою причину, что, в меру своих возможностей, я постараюсь продемонстрировать и обосновать, но сделаю это немного позже.
