Физика пространства - времени

Чтобы разобраться в сущности понятия «силы», попытайтесь представить себе, как можно было бы обойтись без него! Наиболее очевидное применение «силы» состоит в том, чтобы объяснить, почему частица ускоряет или замедляет своё движение. Пробная частица в отсутствие действующих на неё сил просто по определению не ускоряется и не замедляется. По отношению к инерциальной системе отсчёта она сохраняет своё состояние покоя или движения с постоянной скоростью. Она «прочерчивает» прямую мировую линию. На рис. 79 такая мировая линия изображена для частного случая частицы, движущейся в направлении оси 𝑥. Напротив, на рис. 80 дана мировая линия частицы, которая, очевидно, изменяет свою скорость и поэтому должна быть подвержена действию силы. Никто и никогда не наблюдал, чтобы изменение скорости происходило без определённой причины, и обычно это — столкновение с соседними частицами либо сила, обусловленная удалённой частицей. Поэтому силу можно охарактеризовать как форму взаимодействия (рис. 81). Эта мысль подкрепляется ещё более следующими двумя соображениями: 1) Если присутствие 𝐴 вызывает изменение скорости 𝐵, то присутствие 𝐵 также вызывает изменение скорости 𝐴. 2) Когда взаимодействие прекращается, а частицы удаляются друг от друга, происшедшее изменение импульса одной из них равно по модулю и противоположно по направлению изменению импульса другой. Поэтому вместо того, чтобы говорить о силах, действующих между частицами, мы можем говорить об изменении их импульсов. И уж явно усложнённым подходом был бы учёт сразу и импульса, и силы в рамках теории относительности. Поэтому мы будем говорить лишь об одном импульсе.

Рис. 79. Мировая линия частицы, на которую не действует никаких сил.

Рис. 80. Мировая линия частицы, на которую действует сила.

Рис. 81. Мировые линии двух взаимодействующих частиц.

Как следует определить импульс? Первые исследователи, развивавшие ньютоновскую механику, определяли импульс как произведение массы частицы на её скорость. Определённый таким образом импульс хорош тем, что сохраняется при соударениях частиц малой энергии. Однако опыт показал, что импульс, определённый по ньютоновскому рецепту как произведение массы на скорость, не сохраняется, когда сталкивающиеся частицы обладают большими скоростями. Итак, перед нами стоит выбор — отказаться либо от ньютоновского определения импульса, либо от закона сохранения этой величины. Закон сохранения импульса стал для нас настолько существенным, что мы примем за фундаментальный именно его. Мы будем исходить из закона сохранения импульса, а уж отсюда выводить выражение для импульса, определённого как векторная величина, сохраняющаяся во всех системах отсчёта.

Импульс определяется так, чтобы он сохранялся