Эта статья открывает небольшую серию обсуждений о том, как представления о космосе и теории относительности эволюционировали в научном сообществе.
Что такое пространство?
Казалось бы, простой вопрос, но он ставил в тупик величайшие умы. Исаак Ньютон — один из них. Мы все изучали его законы и формулы, которые до сих пор используются для расчётов движения. Однако для самого Ньютона его уравнения стали не просто инструментом, а подтверждением его глубоких философских взглядов на природу пространства. Некоторые из его возможных наставников, будучи людьми религиозными, полагали, что пространство не может существовать пустым и всегда наполнено неким духом. Ньютон разделял идею о том, что пространство не пусто, но вместо «духа» он постулировал существование абсолютного пространства — невидимой, неподвижной и вездесущей субстанции, служащей универсальной системой отсчёта.
Эксперимент с ведром: простая постановка, сложные выводы
Чтобы понять, что такое абсолютное пространство и как Ньютон пришёл к этой концепции, рассмотрим его знаменитый мысленный эксперимент с ведром. Представьте: ведро, наполненное водой, подвешено на верёвке. Если сильно раскрутить ведро, а затем отпустить, произойдёт следующее. Сначала вода останется неподвижной относительно ведра, и её поверхность будет плоской. Затем вращение передастся воде, и её поверхность станет вогнутой, образуя характерную параболическую форму. Наконец, если резко остановить ведро, вода продолжит вращаться внутри него, и её поверхность останется вогнутой, хотя теперь вода движется относительно стенок ведра.
Этот, казалось бы, простой опыт поставил перед Ньютоном фундаментальный вопрос: относительно чего на самом деле вращается вода, вызывая вогнутую поверхность? Очевидный ответ — «относительно ведра» — не работает, как показывает эксперимент: вогнутость есть и когда вода неподвижна относительно ведра (в начале), и когда движется относительно него (в конце). Центробежная сила возникает не из-за движения относительно самого ведра или окружающих предметов. Ньютон пришёл к выводу, что вода вращается относительно чего-то другого, более фундаментального.
Мысленный эксперимент в пустой Вселенной
Для дальнейших рассуждений Ньютон предложил ещё один мысленный эксперимент. Представьте совершенно пустую Вселенную, где есть только камень, привязанный к верёвке. Если раскрутить эту систему, верёвка натянется. Вопрос: относительно чего происходит это вращение и натяжение? В пустоте нет никаких других тел для сравнения.
Ответ Ньютона был смелым: вращение происходит относительно самого пространства. Он назвал это абсолютным пространством — неподвижной, неосязаемой, но реальной системой отсчёта, которая определяет, находится ли тело в состоянии абсолютного покоя или абсолютного движения (включая вращение и ускорение). Таким образом, в эксперименте с ведром вогнутая поверхность воды — это физическое свидетельство её вращения не относительно ведра, а относительно самого абсолютного пространства.
Наследие и новые вопросы
Концепция абсолютного пространства Ньютона блестяще объяснила парадокс с ведром, но породила новые, ещё более глубокие вопросы. Если абсолютное пространство реально, то как его обнаружить? Каковы его свойства? Эти вопросы волновали многих учёных после Ньютона. Особенно важную критику и альтернативную интерпретацию позже предложил Эрнст Мах, чьи идеи, в свою очередь, оказали значительное влияние на молодого Альберта Эйнштейна и его путь к общей теории относительности, где само пространство стало динамической, искривлённой сущностью.
Источники информации:
Книга Брайана Грина «Строение Вселенной».
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Ньютоновское абсолютное пространство и… ведро?!.