В физике концепция абсолютного вращения — вращения, независимого от какой-либо внешней ссылки — является темой споров о теории относительности , космологии и природе физических законов .
Чтобы концепция абсолютного вращения имела научное значение, она должна быть измеримой. Другими словами, может ли наблюдатель отличить вращение наблюдаемого объекта от собственного вращения? Ньютон предложил два эксперимента для решения этой проблемы. Одним из них является воздействие центробежной силы на форму поверхности воды, вращающейся в ведре , что эквивалентно явлению вращательной силы тяжести , используемому в предложениях по полету человека в космос . Второй — влияние центробежной силы на натяжение струны, соединяющей две сферы, вращающиеся вокруг своего центра масс.
Ньютон предположил, что форма поверхности воды указывает на наличие или отсутствие абсолютного вращения относительно абсолютного пространства : вращающаяся вода имеет искривленную поверхность, неподвижная вода — плоскую. Поскольку вращающаяся вода имеет вогнутую поверхность, если поверхность, которую вы видите, вогнутая, а вода вам не кажется вращающейся, то вы вращаетесь вместе с водой.
Центробежная сила необходима для объяснения вогнутости воды в системе отсчета, вращающейся вместе с водой (той, которая вращается вместе с водой), поскольку в этой системе вода кажется неподвижной и поэтому должна иметь плоскую поверхность. Таким образом, наблюдателям, наблюдающим за неподвижной водой, нужна центробежная сила, чтобы объяснить, почему поверхность воды вогнутая, а не плоская. Центробежная сила толкает воду к бокам ведра, где она накапливается все глубже и глубже. больший радиус.
Если вам нужна центробежная сила, чтобы объяснить то, что вы видите, тогда вы вращаетесь. Вывод Ньютона заключался в том, что вращение абсолютно. [1]
Другие мыслители предполагают, что чистая логика предполагает, что имеет смысл только относительное вращение. Например, епископ Беркли и Эрнст Мах (среди прочих) предположили, что имеет значение относительное вращение относительно неподвижных звезд , а вращение неподвижных звезд относительно объекта имеет тот же эффект, что и вращение объекта относительно объекта. фиксированные звезды. [2] Аргументы Ньютона не решают этот вопрос; однако его аргументы можно рассматривать как устанавливающие центробежную силу как основу для оперативного определения того, что мы на самом деле подразумеваем под абсолютным вращением. [3]
Ньютон также предложил еще один эксперимент по измерению скорости вращения: использовать натяжение шнура, соединяющего две сферы, вращающиеся вокруг своего центра масс. Ненулевое натяжение струны указывает на вращение сфер независимо от того, думает ли наблюдатель, что они вращаются. Этот эксперимент в принципе проще, чем эксперимент с ведром, потому что он не требует участия гравитации.
Помимо простого ответа «да или нет» на вопрос о вращении, можно фактически вычислить свое вращение. Для этого нужно взять измеренную скорость вращения сфер и вычислить напряжение, соответствующее этой наблюдаемой скорости. Это рассчитанное напряжение затем сравнивается с измеренным напряжением. Если оба согласны, один находится в неподвижной (невращающейся) системе координат. Если они не согласны, то для достижения согласия необходимо включить в расчет натяжения центробежную силу; например, если сферы кажутся неподвижными, но напряжение не равно нулю, все напряжение возникает из-за центробежной силы. По необходимой центробежной силе можно определить скорость вращения; например, если рассчитанное натяжение больше измеренного, значит, человек вращается в направлении, противоположном сферам, и чем больше расхождение, тем быстрее это вращение.
Натяжение проволоки — это центростремительная сила, необходимая для поддержания вращения. Физически вращающийся наблюдатель испытывает центростремительную силу и физический эффект, возникающий из-за его собственной инерции. Эффект, возникающий из-за инерции, называется реактивной центробежной силой .
Приписывать ли эффекты инерции фиктивной центробежной силе или нет — это вопрос выбора.
Французский физик Жорж Саньяк в 1913 году провел эксперимент, аналогичный эксперименту Майкельсона-Морли , который был предназначен для наблюдения эффектов вращения. Саньяк поставил этот эксперимент, чтобы доказать существование светоносного эфира , который была отвергнута специальной теорией относительности Эйнштейна 1905 года .
Эксперимент Саньяка и более поздние аналогичные эксперименты показали, что неподвижный объект на поверхности Земли будет вращаться один раз за каждый оборот Земли при использовании звезд в качестве неподвижной точки отсчета. Таким образом, был сделан вывод, что вращение является абсолютным, а не относительным. [ нужна цитата ]
Принцип Маха — это название, данное Эйнштейном гипотезе, которую часто приписывают физику и философу Эрнсту Маха .
Идея состоит в том, что локальное движение вращающейся системы отсчета определяется крупномасштабным распределением материи во Вселенной. Принцип Маха гласит, что существует физический закон, связывающий движение далеких звезд с местной инерциальной системой отсчета. Если вы видите, как все звезды кружатся вокруг вас, Мах предполагает, что существует некий физический закон, который заставляет вас чувствовать центробежную силу . Этот принцип часто формулируется расплывчато, например, « масса снаружи влияет на инерцию здесь».
Примером, рассмотренным Эйнштейном, была вращающаяся упругая сфера. Подобно вращающейся планете, выпирающей на экваторе, вращающаяся сфера в зависимости от своего вращения деформируется в сплюснутый (сплющенный) сфероид .
В классической механике объяснение этой деформации требует внешних причин в системе отсчета, в которой сфероид не вращается, и эти внешние причины можно рассматривать как «абсолютное вращение» в классической физике и специальной теории относительности. [4] В общей теории относительности не упоминаются никакие внешние причины. Вращение происходит относительно местных геодезических , и поскольку местные геодезические в конечном итоге передают информацию от далеких звезд , по-видимому, существует абсолютное вращение относительно этих звезд. [5]