3.1.1. Система отсчета

Мельников В.И.

Понятие «система отсчета» (СО) в узком смысле этого определения обычно применяется при рассмотрении механического движения. При этом за СО в динамике принимаются инерциальные системы отсчета, а в кинематике – в принципе любые, но с очевидным условием кратчайшего и простейшего решения задачи и, соответственно, простейших форм записи применяемых при решении законов.

В самом общем смысле СО является одним из средств количественного описания объекта исследования, в частности, его измерения. От правильности ее выбора и от ее совершенства зависят результаты исследования и правильность принимаемых решений.

Произвольным (подгоночным) изменением СО можно получать любые желаемые результаты, но в этом случае, на первый взгляд, исчезает сам смысл измерения как источника получения объективной информации. Обратным отсчетом эта произвольность устраняется, и измерение приобретает объективный характер, подтверждаемый экспериментально. Но произвольность СО искажает и усложняет как сам процесс решения, так и систему участвующих в решении задачи величин и их взаимозависимостей.

В настоящее время не существует общего критерия оптимальности выбора СО для произвольной задачи. В то же время существует множество практически отработанных СО с соответствующими единицами измерения. При их выборе не последнее место занимают доступность, удобство использования и только потом точность и оптимальность.

ТЗС позволяет наметить пути для установления СО, оптимальной для решения любых задач. Единственными критериями при этом принимаются точность решения задачи и кратчайший путь решения с самой простой формой записи используемых зависимостей.

Поскольку наиболее простая форма сравнения величин и решения задачи означает использование минимального количества всех действующих факторов, то можно сделать вывод, что оптимальность решения проблемы СО зависит от решения проблемы необходимого и достаточного. Как будет показано в разд. 4.1, это усло-вие выполняется в рамках одной ЗС, соответствующей данному процессу взаимодействия.

Требование простоты записи законов природы в инерциальных системах говорит о том, что они должны являться ЗС (с точки зрения процессов механического движения). В свою очередь, условие простоты записи напрямую связано с известным утверждением, что механические и электромагнитные законы природы в инерциальных системах протекают одинаково. Следовательно, все законы в этих системах будут иметь одну форму записи. Поэтому можно утверждать, что инерциальная система является ЗС для указанных процессов и соответственно является оптимальной СО.

В неинерциальных системах появляются принципиально новые действующие факторы – силы инерции. Это говорит о размыкании инерциальной системы и появлении нового процесса. В ОТО это учитывается с помощью изменения СО [19, 73, 113]. Таким образом, СО сообщаются несвойственные ей активные функции или, иначе говоря, ЗС сообщается способность действия внешних факторов на происходящий в ней процесс, что противоречит определению ЗС.

Таким образом, для описания процессов в неинерциальных системах необходимо искать новые действующие факторы. Более подробно механизм появления инерционных сил с позиций ТЗС показан в разд. 3.3. Новым процессом, вызывающим появление инерционных сил, является неуравновешенное «массовое» взаимодействие, или, иначе говоря, пространственно неуравновешенное взаимодействие массы с окружающим ее физическим вакуумом.

Понятие СО и критерии ее оптимальности могут быть распространены помимо механического движения на другие виды и формы изменений. Физические процессы описываются, как известно, с помощью системы единиц измерения физических величин. Поскольку единицы этих величин предполагаются постоянными, то каждая из них является некоторой моделью ЗС для своего физического процесса. Соответственно, для других форм и видов изменения наука и практика выработали другие единицы и соответствующие СО, в частности, для химических, биологических, финансовых, медицинских и других форм.

Но во всех случаях оптимальной СО будет соответствующая ЗС, как эталон постоянства и независимости, и она должна удовлетворять следующим условиям:

– СО – это средство сравнения показателей состояний различных объектов (своего рода «посредник»);

– процесс измерения – информационный процесс, т.е. не вызывающий реальных изменений;

– независимость (и неизменность) СО от измеряемых величин и протекающих между ними процессов;

– УЗС – оптимальная СО, АЗС – абсолютная СО;

– доступность и удобство применения.

Современные СО и системы измерения не привязаны к конкретным, индивидуальным ЗС, они унифицируются по большим группам и целым областям однотипных процессов: механические, электрические, оптические и т.д. Понятия энергии, времени и единицы их измерения распространяются на все физические процессы и на многие другие формы изменения, включая химические, биологические, геологические, климатические и другие. Но значимость энергетических показателей в последних случаях намного меньше, чем других, специфических и более значимых для данного вида изменения. Соответственно, будет изменяться и оптимальная система отсчета. Так, в биологической системе основными «системообразующими» понятиями являются «организм – среда», популяция; в химических системах – вещество, молекулы, ионы, валентность; в финансах – деньги, дебит, кредит, курс валют, акции и т.д. И в каждой из этих групповых систем есть своя СО, соответствующая собственной ЗС: система «организм – среда», финансовый баланс, химическое уравнение и т.д.

Таким образом, самой общей формой СО, обязательной для любого вида измерений по критерию точности, является своя УЗС, а единой и общей для всех видов изменений является АЗС.

По комплексномукритерию точности, объективности и целесообразности практического применения такого единого оптимального решения нет. Например, по этому критерию в системе человек – среда по показателю температуры за ноль должен быть выбран показатель температуры тела здорового человека. Отклонение в любую сторону – показатель нарушения равновесия системы человек – среда (т.е. болезнь). Но на практике за СО взята шкала Цельсия, унифицированная по большой группе видов и форм изменений (технических, физических, климатических и т.д.), т.е. УЗС искусственно расширена и обобщена в ущерб точности. В то же время абсолютной по показателю температуры для всех систем любой природы является шкала Кельвина (своего рода «температурная АЗС»).

Аналогично выбраны унифицированные СО и по другим показателям: атмосферному и абсолютному давлению, абсолютной и относительной влажности, времени (по Гринвичу и местному) и т.д. Вместе с тем локальная (в рамках данной ЗС) СО позволит описать процессы и законы данной ЗС самым простым образом.

Таким образом, принятые СО должны учитывать ряд условий, но основным во всех случаях является применение в каждой из форм изменений «своей» ЗС, в абсолютном пределе – АЗС как единой СО для всех форм изменений.

На основании вышеизложенного можно сформулировать следующее общее определение идеальной (абсолютной) системы отсчета: СО – это внешняя граница ЗС, в которой протекает данный процесс или расположен данный объект служащий для сравнения (определения) конкретных показателей этих процессов и объектов.

Такая СО обеспечивает ее полную независимость от данной и других ЗС, постоянство и объективность описания. Оптимальный вариант – абсолютно замкнутая система (АЗС). Приближенные результаты получаются при использовании в качестве СО условно замкнутой системы (УЗС). Практическим критерием определения ЗС является отсутствие ее взаимодействия с какими-либо внешними объектами, включая измеряемый.