Если тело движется не по прямой, то направление его движения изменяется весьма прихотливо, и это отражается в определении скорости. Скорость тела можно считать постоянной только тогда, когда неизменны и ее абсолютная величина и направление движения (равномерное прямолинейное движение). Очевидно, что направление скорости определяется направлением отрезка (ΔS).
А теперь перейдем к самому важному.
Интервал пути ΔS→, как говорилось выше, определяется в данной выбранной нами системе отсчета. При этом и абсолютная величина и направление ΔS→ зависят от выбора системы отсчета. В одной системе отрезок ΔS→ будет один, а в другой — другой. То есть пройденный путь — величина относительная и зависит от выбора системы отсчета.
Это должно быть всем известно из школьного курса физики, поэтому ограничимся только наглядной «железнодорожной» иллюстрацией.
Путь, который проходит экспресс Москва — Ленинград в системе отсчета, жестко связанной с экспрессом, тождественно равен нулю (поезд все время находится в начале координат, и ΔS→ = 0).
Если систему отсчета связать с товарным поездом, который вышел из Москвы в одно время с экспрессом, но, естественно, отставал по дороге и в момент прибытия экспресса в Ленинград находился в Бологом, то путь, пройденный экспрессом, равен расстоянию Бологое — Ленинград (ΔS→ = 325 километрам).
В системе же отсчета, связанной с Землей, экспресс пройдет расстояние Москва — Ленинград, то есть ΔS→ = 650 километрам. Но так как скорость определяется отношением ΔS/Δt, то она также оказывается величиной относительной и зависит от системы отсчета.
А как интервал времени Δt? Он, может быть, тоже зависит от системы отсчета?
Может ли оказаться, что, определяя время движения экспресса Москва — Ленинград, мы получим в системе отсчета, связанной с Землей, один результат, а в системе, связанной с самим экспрессом, — другой? Или нелепа сама постановка такого вопроса? Надеюсь, что такой мысли ни у кого не появилось.
Время — физическое понятие, которое ввели, используя опытные данные. В классической физике мы полагаем, что интервал времени Δt одинаков во всех системах отсчета. И это утверждение сделано как обобщение опытных фактов. Но если, паче чаяния, новые опыты покажут, что в различных системах отсчета интервал времени различен, мы примем это с удивлением, но без ужаса[19].
По этому поводу, пожалуй, уместно вспомнить одного персонажа Марка Твена, твердо уверенного в том, что в деревне время течет существенно медленнее, чем в городе. Полное незнание физики позволило выдвинуть ему эту смелую гипотезу, причем он, конечно, также опирался на свое нелепое, но интуитивное (основанное на «эксперименте») представление о времени.
Однако в классической физике понятие времени таково, что интервал Δt имеет абсолютное значение независимо от системы отсчета.
Следовательно, скорость, так же как и пройденный путь, — относительное понятие и при переходе от одной системы отсчета к другой изменяется точно так же, как и путь.
Ну вот, собственно, все, что стоило напомнить о скорости. Владея понятием скорости, мы совершенно аналогично определяем ускорение:
Ускорение по отношению к скорости — то же, что скорость по отношению к пути.
Подведем итоги. Мы очень подробно и многократно повторяли, по существу, совершенно тривиальную мысль, и тем не менее ее стоит повторить еще раз:
«Только объявив какие-то реальные физические тела неподвижными, указав систему отсчета, можно говорить о механическом движении. Без указания системы отсчета слова „покой“ и „движение“ совершенно бессодержательны».
Как видно из цитированных отрывков «Начал», Ньютон ясно сознавал все значение понятия системы отсчета.
Но он полагал, что есть некая особая, выделенная, замечательная, неповторимая — абсолютная система отсчета, и даже предложил способ определения абсолютных (истинных) движений (опыт с ведром!).
Существует ли такая система отсчета, мы не выяснили. И именно поиски ответа на этот так просто поставленный вопрос приведут к теории относительности.
19
Именно это и пришлось сделать физикам, когда была создана теория относительности. Но пока скорости много меньше световой, можно считать, что интервал Δ