Что такое абсолютная система отсчета
Система отсчёта
Математически движение тела (или материальной точки) по отношению к выбранной системе отсчёта описывается уравнениями, которые устанавливают, как изменяются с течением времени t координаты, определяющие положение тела (точки) в этой системе отсчёта. Эти уравнения называются уравнениями движения. Например, в декартовых координатах х, y, z движение точки определяется уравнениями 
, 
, 
.
В современной физике любое движение является относительным, и движение тела следует рассматривать лишь по отношению к какому-либо другому телу (телу отсчёта) или системе тел. Нельзя указать, например, как движется Луна вообще, можно лишь определить её движение, например, по отношению к Земле, Солнцу, звёздам и т. п.
Содержание
Другие определения
Иногда — особенно в механике сплошных сред и общей теории относительности — систему отсчёта связывают не с одним телом, а с континуумом реальных или воображаемых базовых тел отсчёта, которые задают также систему координат. Мировые линии тел отсчёта «заметают» пространство-время и задают в таком случае конгруэнцию, относительно которой можно рассматривать результаты измерений.
Относительность движения
Относительность механического движения – это зависимость траектории движения тела, пройденного пути, перемещения и скорости от выбора системы отсчёта.
Движущиеся тела изменяют своё положение относительно других тел. Положение автомобиля, мчащегося по шоссе, изменяется относительно указателей на километровых столбах, положение корабля, плывущего в море недалеко от берега, меняется относительно береговой линии, а о движении самолёта, летящего над землей, можно судить по изменению его положения относительно поверхности Земли. Механическое движение — это процесс изменения относительного положения тел в пространстве с течением времени. Можно показать, что одно и то же тело может по-разному перемещаться относительно других тел.
Таким образом говорить о том, что какое-то тело движется, можно лишь тогда, когда ясно, относительно какого другого тела — тела отсчета, изменилось его положение.
Абсолютная система отсчёта
Часто в физике какую-то СО считают наиболее удобной (привилегированной) в рамках решения данной задачи — это определяется простотой расчётов либо записи уравнений динамики тел и полей в ней. Обычно такая возможность связана с симметрией задачи.
С другой стороны, ранее считалось, что существует некая «фундаментальная» система отсчёта, простота записи в которой законов природы выделяет её из всех остальных систем. Например, физики XIX в. считали что, система, относительно которой покоится эфир электродинамики Максвелла, является привилегированной, и поэтому она была названа Абсолютной Системой Отсчета (АСО). В современных представлениях никакой системы отсчёта, выделенной именно таким способом, не существует, так как законы природы, выраженные в тензорной форме, имеют один и тот же вид во всех системах отсчёта — то есть во всех точках пространства и во все моменты времени. Это условие — локальная пространственно-временная инвариантность — является одним из проверяемых оснований физики.
Абсолютное и относительное: спор об универсальной точке отсчета
Абсолютно неподвижная система отсчета: это понятие ввел Исаак Ньютон, но впоследствии физики от него отказались. Спустя столько лет все еще нет однозначного ответа, существует ли универсальная точка отсчета. Китайский физик Дональд Чанг предложил новый эксперимент, который сможет разрешить эту проблему.
Все относительно
Любое движение в физике является относительным – мы замечаем, что машина движется, только измеряя ее положение относительно неподвижного фонаря. Самолеты перемещаются относительно Земли, а сама Земля – относительно Солнца. Сказать, что тело движется, можно только если сравнивать его положение с другими – неподвижными (или условно неподвижными) телами.
Чтобы количественно измерять движение, необходимо ввести систему отсчета. Для этого нужно задать точку отсчета, систему координат, которая позволит однозначно определять положение объекта, и обзавестись часами для измерения промежутков времени.
Кто движется – машина или столб?
В каждой конкретной ситуации необходимо найти неподвижный предмет, который станет точкой отсчета – и не всегда этот объект действительно покоится. Представим себе такую ситуацию: два человека, один из которых находится в движущемся автомобиле, другой – стоит у обочины, и оба хотят измерить скорость транспортного средства. Это сделать несложно, поскольку вдоль автомагистралей обычно установлены километровые столбы: достаточно засечь время прохождения машины между двумя ближайшими «метками».
Однако, для первого экспериментатора, сидящего в автомобиле, находиться в движении будут столбы, плавно проезжающие мимо окон. В то время как для второго, несомненно, перемещаться будет транспортное средство. Нельзя однозначно ответить, какое тело движется, а какое – покоится, это один из фундаментальных принципов современной физики. Тела, которое было бы действительно покоящимся, не существует. Но физики думали так не всегда.
Абсолютное пространство Ньютона
Сэр Исаак Ньютон, родоначальник современной динамики, в своей знаменитой работе «Математические начала натуральной философии» писал:
«Абсолютное пространство по самой своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным. Относительное есть его мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по положению его относительно некоторых тел, и которое в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное».
Фактически введенное им понятие абсолютного пространства означало наличие некой универсальной, «прибитой гвоздями», системы отсчета, которая покоится при любых обстоятельствах. Правда, человек по его мнению не в состоянии каким-то образом ощущать абсолютное пространство, и все, что ему доступно – наблюдать изменение положения тел относительно друг друга.
Всепроникающий эфир
Абсолютное пространство в физике Ньютона было необходимо, чтобы ввести ключевое понятие – понятие силы. Но это понятие в его работах так и оставалось абстрактным и не конкретизированным.
В то же время, как Ньютон разрабатывал основные законы динамики, развивалась теория света, получившая начало в работах Рене Декарта и Христиана Гюйгенса. Они предполагали, что все пространство заполнено некой гипотетической всепроникающей средой, эфиром. Свет рассматривался как волны в эфире, и такая концепция действительно помогла объяснить многие наблюдаемые явления.
«Второе рождение» концепция эфира получила с развитием Джеймсом Клерком Максвеллом теории электромагнетизма. В своих работах Максвелл проводил множество аналогий с уравнениями движения сплошных сред, в которых эфир, как раз таки сплошная среда, был хорошим подспорьем. Фактически он и являлся той самой абсолютной системой отсчета Ньютона, неподвижной и неосязаемой.
Схема опыта Майкельсона и Морли
Опыт Майкельсона-Морли
Но сам Максвелл в дальнейшем отказался от понятия эфира, и физики вели споры, существует все же загадочное вещество или нет. В 1868 году он предложил эксперимент, который бы смог окончательно ответить на этот вопрос.
Описанный Максвеллом опыт удалось провести в 1887 году физикам Альберту Майкельсону и Эдварду Морли. В нем измерялась скорость света в двух перпендикулярных друг другу направлениях. Если бы эфир существовал, то две скорости бы отличались друг от друга – таково было требование к эфиру, как среде, которая может распространять волны. Опыт, однако, этого не показал – существование эфира не было подтверждено.
Новый эфир
Результаты этого опыта, в том числе, были использованы Альбертом Эйнштейном для постулирования основных принципов специальной теории относительности: в мире не существует абсолютной, неподвижной системы отсчета. Любое движение относительно, и нельзя однозначно сказать, какой предмет движется, а какой – покоится, как и было показано в начале статьи в примере с автомобилем. Все зависит от выбора системы отсчета.
Место эфира в физике занял вакуум. В рамках теории относительности он является истинно пустым пространством и из-за этого не может использоваться в качестве точки отсчета. Нам просто не за что будет «зацепить» свою линейку.
Бесконечный потенциал вакуума
Но такое определение вакуума находится в конфликте с понятием пустого пространства во многих других областях физики. В физике элементарных частиц в вакууме постоянно происходит рождение пар частица-античастица. Многие космологические модели предполагают, что энергия во Вселенной происходит именно из квантовых флуктуаций. В квантовой электродинамике вакуум даже обладает собственной энергией. Совершенно не похоже на поведение «абсолютно пустого пространства».
Кроме того, физикам доподлинно известно, что Вселенную заполняет обыкновенное, «видимое» вещество и невидимое – темная материя и темная энергия. Почему бы им не сыграть роль покоящейся системы отсчета?
Схема эксперимента Д. Чанга
Новый эксперимент
Китайский физик Дональд Чанг предложил эксперимент, который сможет однозначно ответить на вопрос, существует ли покоящаяся система отсчета во Вселенной. В его основе лежит один из эффектов специальной теории относительности: масса движущегося объекта увеличивается. Чем больше скорость – тем больше будет и его масса.
В эксперименте предполагается измерять массы двух одинаковых частиц (например, электронов), движущихся в разных направлениях. Если наша система отсчета, связанная с Землей, движется относительно некоей абсолютной системы отсчета, согласно законам специальной теории относительности, массы двух электронов окажутся разными – и этот эффект можно будет зарегистрировать.
Более того, поскольку Земля вращается вокруг Солнца, и, следовательно, относительно гипотетической покоящейся системы отсчета, разница масс двух частиц будет меняться в зависимости от времени суток и года.
Эффект зависимости разницы масс электронов от времени суток и года.
Как взвесить электрон?
Ждем энтузиастов, готовых потрудиться над созданием невероятно точных «весов» для электронов. И будем надеяться, что тогда ученые смогут ответить хотя бы на один из фундаментальных вопросов современной физики.
Абсолютная система отсчета: Pro et Contra.
Абсолютная система отсчета: Pro et Contra.
Абсолютная система отсчёта (википедия)
С древних времен, XIII век до н. э. Моисеем, в Библии, а также в других священных книгах была сформулирована «Концепция геоцентризма Аристотеля (Платона, Моисея)-Птолемея»(википедия), которая являлась «Концепцией абсолютной системы отсчёта (Земля)», которую отменил не Пуанкаре и Эйнштейн, а Коперник.
Позиция Коперника было противоречивой:
С одной стороны, Коперник, в отличие от предыдущих мыслителей, считал вселенную бесконечной. Соответственно вопрос о центре, центризме отпал. (Бесконечность не имеет центра.). Однако, в тоже самое время, отменив геоцентризм, был провозглашен гелиоцентризм т. е была признана «Концепция абсолютной системы отсчёта (Солнце)»
Майкельсон в своем опыте исходил именно из гелиоцентризма (Земля движется вокруг Солнца со скоростью 30 км./сек.) т. е. признавал «Концепцию абсолютной системы отсчёта (Солнце)»
(То, что Солнце (и Земля) движется со скоростью 220 км/сек вокруг центра Галактики Майкельсон не знал. Астрономы определили это в XX веке.)
Уиттекер, Эдмунд Тейлор История теории эфира и электричества. Том 2. Москва. 2004 г. стр. 70
Абсолютная Системой Отсчета (АСО), после Коперника, была отвергнута в 1905 г. Альбертом Эйнштейном первым принципом относительности Эйнштейна Специальной теории относительности:
В современных представлениях никакой системы отсчёта, выделенной именно таким способом, не существует, так как законы природы, выраженные в тензорной форме, имеют один и тот же вид во всех системах отсчёта — то есть во всех точках пространства и во все моменты времени. Это условие — локальная пространственно-временная инвариантность — является одним из проверяемых оснований физики.
Иногда абсолютной системой отсчета называют систему, связанную с реликтовым излучением, то есть инерциальную систему отсчета, в которой реликтовое излучение не имеет дипольной анизотропии.
Птицы, ориентирующиеся в пространстве, чувствуют АСО?
Компас, маятник Фуко чувствует АСО?
1. Абсолютная и относительные системы отсчета
1. Системы отсчета.
Никаких прямых линий и никаких систем отсчета в объективной действительности нет. Они являются всего лишь научными моделями объективной действительности, которые используются учеными для выполнения расчетов без ущерба для их качества. Объективно существует не система отсчета, а пространство, в котором мы мысленно устанавливаем соответствующую систему отсчета.
Системы отсчета могут быть ортогональными и неортогональными, то есть прямоугольными и непрямоугольными. Существуют также полярные системы координат. Наибольшее распространение получили прямоугольные (декартовы) системы координат, которые мы рассмотрим далее в этой главе. Напомним читателю, что обобщенными мы называем независимые координаты, которые полностью определяют положение и состояние объекта в многомерном пространстве.
2. Абсолютная система отсчета.
Абсолютная система координат как абсолютная категория, должна быть прежде всего связана с абсолютным пространством.
Главным атрибутом абсолютной ситемы отсчета является абсолютная точность вычислений всех параметров любого объекта (материального или идеального). Без такого рода абсолютно точных и абсолютно исчерпывающих вычислений абсолютная система отсчета перестает быть абсолютной.
Начало абсолютной системы отсчета должно быть мысленно установлено в «абсолютном центре мира», потому что только лишь в этой единственной неподвижной точке мира нет никаких движений и изменений.
Из этого начала отсчета мы также мысленно проведем сколь угодно большое количество ортонормированных координатных осей – прямых линий, уходящих в бесконечные просторы всего мира (абсолютного и относительного). Чтобы исчерпать всю полноту абсолютной истины, количество таких координатных осей должно быть равно абсолютной бесконечности.
Напомним читателю, что из одной точки на плоскости можно провести всего лишь две взаимно-перпендикулярные линии. Из одной точки в трехмерном пространстве можно провести не более трех взаимно-перпендикулярных (ортогональных) координатных осей. Совершенно аналогично: из одной и той же точки в к-мерном пространстве мы можем мысленно провести к ортогональных (взаимно перпендикулярных) обобщенных координатных осей, где к может быть сколь угодно большим целым числом.
Таким образом, в многомерном пространстве можно провести сколь угодно большое количество взаимно-перпендикулярных координатных осей, хотя мы (трехмерные живые существа) не можем этого даже вообразить. Доказательство этого положнения можно найти в таких разделах высшей математики, как «ортонормированные обобщенные координаты», см., например: ([73]стр. 163 и 167).
И если теперь мы мысленно устраним весь мир (абсолютный и относительный) и все его пространство, то останется абсолютная ортонормированная система обобщенных координат с центром в абсолютно неподвижной точке Абсолютного Мира. Тогда мы мысленно «увидим», что между абсолютным центром мира и центром нашей физической Вселенной простирается колоссальная протяженность идеального пространства и времени. Поэтому идеальная точка, в которой родилась и от которой стала расширяться Вселенная, не есть «абсолютный центр мира».
Если же мы мысленно устраним и все остальные координатные оси, кроме координатных осей нашей физической Вселенной, то останется система трех взаимно-перпендикулярных координатных осей, предназначенных для абсолютно точного определения трех физических величин: длины, ширины и высоты любого объекта.
Центр такой координатной системы окажется в той идеальной точке, из которой родилась и от которой стала расширяться Вселенная. Эта воображаемая идеальная точка может совпадать с абсолютным центром мира только лишь вледствие мысленного удаления идеального расстояния между ними, хотя практически мы этого делать не можем.
Абсолютная точность вычислений требует бесконечно больших скоростей передачи и приема информации. В самом деле, согласно законам диалектики любой объект находится в состоянии непрерывного движения изменения или развития. Через сколь угодно малый промежуток времени любой объект перестает быть там, где он был, и тем, чем он был. Он меняет свои размеры и качество. Не зря существует крылатое выражение: «пока расчет производился, объект расчета в норку скрылся».
Это значит, что замеры и расчеты должны производиться за промежуток времени, равный абсолютному нулю, а это возможно только лишь в том случае, если скорость объекта v равна абсолютному нулю или же если скорость распространения и приема информации «с» равна абсолютной бесконечности.
Скорость движения информации вдоль любой координатной оси самой абсолютной системы отсчета равна абсолютной бесконечности. Любая другая скорость для нее неприемлема. Любая точка на каждой координатной оси определяет местонахождение информации в абсолютном пространстве. В абсолютной системе отсчета время всегда равно абсолютному нулю. Любое другое значение времени для нее неприемлемо. Такого рода отсутствие времени в абсолютной системе отсчета выражает абсолютную вечность Абсолютного Мира.
При этом нельзя ни в коем случае путать «скорость движения информации об объекте» со «скоростью движения самого объекта», «местонахождение информации об объекте» с «местонахождением самого объекта» или «время распространения информации о движении объекта» со «временем движения самого объекта» и т. д.
Абсолютной системой прямоугольных (декартовых) координат мы называем абсолютно неподвижную систему бесконечного множества обобщенных, независимых, прямолинейных и взаимно-перпендикулярных координатных осей, в которых распространяется абсолютная информация об объективной действительности всего мира. Эта информация распространяется на основании «замеров» различных характеристик объективной реальности, которые могут быть определены Абсолютным Богом мгновенно, полностью, абсолютно точно и совершенно независимо от скорости движения объекта.
Абсолютной такую систему отсчета мы называем потому, что в ней могут быть абсолютно точно определены время, все размеры и другие характеристики любого объекта, независимо от скорости его движения относительно субъекта. В абсолютной системе отсчета могут быть определены абсолютно точно промежутки времени между любыми событиями и расстояния между любыми пунктами Относительного Мира (Материального и Идеального).
Абсолютная информация передается и принимается Богом в начале абсолютной системы отсчета (в «абсолютном центре мира», все размеры которого равны нулю). Эта же информация принимается и передается Относительным Миром в системе координатных осей, которые простираются в бесконечные просторы идеального пространства.
Пространственно-временной континуум Относительного Мира (как Материального, так и Идеального) является внешним продуктом творческой деятельности Бога, а не внутренней составной частью Абсолютного Мира, хотя в самом Абсолютном Мире имеются абсолютно точные сведения, знания и понятия о всех категориях Относительного Мира, таких, как «раньше» или «позже», «ближе» или «дальше», «лучше» или «хуже» и т. д. И в этом нет ничего удивительного, ведь не удивляют же вас ваши представления о телевизоре, хотя вы сами не содержите в себе самом никакого телевизора.
Согласно закону всеобщего движения неподвижной материи в мире нет и не может быть. Следовательно, скорость движения объекта не может быть равна нулю. В то же время в нашем распоряжении нет сигналов, которые могли бы распространяться быстрее света. О сигналах или информации, скорость распространения которых была бы равна абсолютной бесконечности, не может быть и речи. Это значит, что абсолютная система отсчета не может быть исползована нами практически. Она имеет только лишь теоретическое значение. Поэтому нам приходится пользоваться относительными системами отсчета
3. Относительные системы отсчета.
Сотворение Материального Мира было бы невозможным без движения и развития творческой идеи. Движение и развитие творческой идеи невозможно без пространственно-временных измерений, для которых существуют относительные категории, такие, как «раньше» и «позже», «ближе» и «дальше», «лучше» и «хуже» и т. д. А такого рода идеальный пространственно-временной континуум является уже относительным, а не абсолютным. Поэтому координатные оси относительной системы отсчета должны простираться в бесконечные просторы Относительного Мира, хотя ее начало устанавливается в «абсолютном центре мира». Это значит, что идеальное пространство Относительного Мира в относительной системе отсчета имеет свое начало, но не имеет своего конца.
В абсолютном пространстве нет и не может быть никаких относительных категорий, таких, как «раньше» и «позже», «ближе» и «дальше», «лучше» и «хуже» и т. д. Поэтому мы не можем подвергать исчерпывающему научному анализу весь Абсолютный Мир. Однако мы можем подвергать такому анализу весь Относителный Мир, если будем использовать аналогичную (но относительную!) систему отсчета, где существуют относительные категории, такие, как «раньше» и «позже», «ближе» и «дальше», «лучше» и «хуже» и т. д. Для этого прежде всего надо строго отличать абсолютную бесконечность от бесконечно большой (непрерывно возрастающей) переменной величины.
Абсолютная и относительная бесконечность
Бесконечно большой может быть только лишь переменная (неограниченно возрастающая!) величина, а не постоянное и зафиксированное число ([53], стр. 77). В свою очередь, сколь угодно возрастающая величина является всего лишь относительной категорией Идеального Мира, а не Материального. В самом деле, какое большое число мы бы ни взяли, мысленно мы всегда можем выбрать еще большее число. Абсолютная бесконечность есть недосягаемый предел, к которому бесконечно большая (непрерывно возрастающая) переменная величина всегда стремится, но которого она никогда не достигнет.
Абсолютная бесконечность количества координатных осей абсолютной системы отсчета есть недосягаемый предел, к которому стремится сколь угодно большое число координатных осей относительной системы отсчета, но которого оно никогда не достигнет.
Скорость распространения абсолютной информации в абсолютной системе отсчета, равная абсолютной бесконечности, есть недосягаемый предел, к которому стремится сколь угодно большая скорость относительной системы отсчета, но которого она никогда не достигнет.
Бесконечно большая скорость абсолютной информации, которую Абсолютный Бог распространяет во всем мире, всегда больше любого (сколь угодно большого!) наперед заданного числа. Эта скорость настолько большая, что абсолютная информация, распространяемая Богом, достигает любую бесконечно удаленную точку мира за нулевой промежуток времени.
Идеальное пространство (как неограниченная сфера творческой деятельности Абсолютного Бога) имеет бесконечно большую протяженность и бесчисленное множество измерений. В то же время протяженность идеального пространства для Абсолютного Бога равна нулю постольку, поскольку он проникает в любую его точку за нулевой промежуток времени.
Какой большой промежуток времени мы бы ни вообразили, вечность Абсолютного Мира всегда окажется больше него. Бесконечно большая протяженность абсолютного пространства (как неограниченная сфера творческой деятельности Абсолютного Бога) всегда больше, чем любое (сколь угодно большое!) наперед заданное число.
В этом и заключается суть абсолютной категории, которая является абсолютной противоположностью относительной материи. Если в конечном Материальном Мире нет никаких бесконечных величин, то в Абсолютном Мире нуль сливается с бесконечностью. Поэтому в Абсолютном Мире нет никаких конечных чисел (промежуточных между нулем и бесконечностью), никаких «ближе» и «дальше», никаких «раньше» и «позже» и т. д.
Итак, относительной системой отсчета мы называем любую не абсолютную систему отсчета, в которой всегда существуют относительные категории, такие, как «раньше» и «позже», «ближе» и «дальше», «лучше» и «хуже» и т. д.
4. Инерциальные системы отсчета.
В специальной теории относительности используются простейшие системы отсчета, которые принято называть инерциальными. В инерциальных системах отсчета сделаны следующие допущения:
1. Начало одной прямолинейной оси координат устанавливается в пункте, где находится субъект (познаватель, обозреватель).
2. Начало другой прямолинейной оси координат устанавливается в пункте, где находится объект.
3. Координатные оси устанавливаются перпендикулярно расстоянию между субъектом и объектом.
4. Субъект находится в состоянии относительного покоя, а объект движется относительно него прямолинейно и равномерно с постоянной скоростью вдоль своей координатной оси.
5. Для «замера» искомых величин (длины, времени, массы или энергии) субъект может использовать сигналы, скорость которых равна скорости света.
Поэтому инерциальной системой отсчета мы называем простейшую форму относительной системы отсчета, в которой скорость параллельного движения объекта и субъекта предполагается прямолинейной и равномерной.