ماهیت اصل ماخ از فهم دقیقتر قوانین نیوتن نشات میگیرد. قوانین نیوتن در تمام دستگاه های لخت برقرار و یکسانند. اما در مورد دستگاه های شتابدار ماجرا به گونه ای دیگر رقم میخورد! اگر دستگاه ' S با شتاب a در جهت مثبت محور x نسبت به دستگاه S حرکت کند آنگاه داریم
F - ma = m d2x/dt2
این یعنی در مقایسه با دستگاه S یک کاهش در نیرو احساس میکنیم که آنرا معمولا نیروی لختی یا مجازی می نامند. مانند نیروی گریز از مرکز یا کوریولیس. عده ای معتقدند که این نیرو نتیجه دستگاه و موهومی است. اما براستی اگر خود شما این نیروها را تجربه کنید نظر دیگری دارید و خواهید دید که بسیار هم واقعی هستند! نیوتن برای این سوال جوابی ندارد!
پرسش اساسی دیگری که مطرح میشود این است که اگر قوانین فیزیک نیوتن فقط در دستگاههای لخت اعتبار دارند، پس دستگاهای لخت و غیرلخت چگونه از هم تمییز داده میشوند!؟
نیوتن فضای مطلقی را تعریف میکند که ذات طبیعت است و به هیچ چیز بستگی ندارد و همیشه ثابت و یکسان باقی می ماند. ناظر لخت یعنی ناظری که ساکن است یا با سرعت یکنواخت نسبت به فضای مطلق حرکت میکند (دیدگاه نیوتن) و نیروی لختی فقط وقتی بوجود می آید که ناظر نسبت به فضای مطلق شتابدار باشد. حالا با هم آزمایشی به نام آزمایش سطل را بررسی میکنیم که مشخص میکند آیا یک سیستم نسبت به فضای مطلق شتاب دارد یا نه؟ (دیگه ایندفعه از خجالت دوستانی که به خلاصه نویسی من اعتراض داشتند درمیآم)
آزمایش سطل
در این آزمایش یک سطل آب را با طنابی آویزان میکنند، طناب را می پیچانند و رها میکنندتا سطل بچرخد. آزمایش شامل مراحل زیر است:
1) در ابتدا سطل میچرخد اما آب ساکن است (سطح آب تخت است)
2) اصطکاک بین آب و سطل باعث میشود که آب نیز به سرعت سطل برسد و با هم بچرخند، لبه های آب بالا میآید و سطح آب گودی پیدا میکند، مقدار این گودی به سرعت چرخش بستگی دارد.
3) نهایتا سطل کند میشود و می ایستد اما آب همچنان میچرخد و گود است.
4) و سرانجام آب نیز ساکن و سطح آب تخت میشود.
نیوتن میگوید گودی آب در مراحل 2 و 3 نتیجه نیروهای گریز از مرکز است. و ربطی به حرکت نسبی موضعی ندارد زیرا در مرحله یک سطل و آب نسبت به هم میچرخند اما انحنا وجود ندارد و نیز در مرحله چهار.
بنابراین نیوتن معتقد است که چرخش نسبت به فضای مطلق باعث ایجاد گودی میشود و اینگونه روشی برای تشخیص دستگاههای غیرلخت پیشنهاد میکند، مثلا تمام ناظرها را به یک سطل آب مجهز کنید.
اما ماخ ،که از دیدگاه او فقط حرکت نسبی معنی دارد، مفهومی برای حرکت نمیشناسد. و برای او فضای مطلق وجود ندارد. بنا بر دیدگاه ماخ، برای یک جسم در یک فضای تهی (تک جسم در عالم) حرکت مفهوم ندارد. در دنیای ما اجسام ساکن و بی حرکت (مرجع) ستاره های ثابت خیلی دور هستند. از دیدگاه ماخ دستگاه لخت هم نسبت به ستاره های خیلی دور تعریف میشود. در مورد آزمایش سطل، ماخ معتقد است که انحنای سطح آب بدلیل شتاب نسبی نسبت به ستاره های خیلی دور است. تفاوت بین دو دیدگاه وقتی روشنتر میشود که بپرسیم: چه میشود اگر سطل ثابت بماند و کل عالم بچرخد؟ (ستاره های خیلی دور بچرخند)
دیدگاه نیوتن: نیروهای گریز از مرکز وجود ندارند پس نباید انحنایی دیده شود.
دیدگاه ماخ: چون حرکت نسبی است، پس باز هم سطح آب گود میشود.
بنابراین طبق اصل ماخ تمام اجرام به هم متصل هستند و نیروهای لختی منابع فیزیکی در اجسام دارند. (حرکت نسبی است)
آزمایشی بعنوان آونگ آویزان از قطب شمال نشان میدهد که ستاره های ثابت (که مراجع ماخ هستند) نسبت به فضای مطلق فرضی (که نیوتن مرجعش میداند) ساکن هستند و بنابراینبر هم منطبق میشوند که البته کاملا یک تصادف است و نیوتن چنین چیزی را پیش بینی نکرده بود.
در مورد اصل ماخ قدری روشنتر میتوان بحث کرد: از آنجا که نیروی لختی شامل جرم جسم میباشد و این نیرو نتیجه تمام جرمهای کیهان است، میتوان استدلال کرد که جرم عالم و توزیع جرم در جهان بر روی جرم ذره آزمون اثر میگذارد و جرم هر جسم تابعی از جرمهای دیگر عالم و چگونگی توزیع این اجرام است.
عزت اله رضایی( http://gravity.blogfa.com )
منابع:
Introducing Einstein's Relativity (by Ray d'Inverno)1992
Gravitation (by Misner Wheeler Thorne)1974
خدایا