Чем мир держится? - [23]

Но к нему ведь был еще прибавлен принцип предельности скорости света, и от соединения этих двух принципов рухнуло старое привычное мироздание, или, говоря точнее, не рухнуло, а стало одним из нижних этажей нового мироздания.

Вся наука является не чем иным, как усовершенствованием повседневного мышления.

Альберт Эйнштейн

Специальная теория относительности была использована как инструмент для углубленного исследования многих физических явлений. Были предприняты попытки применить ее и к тяготению. Но сам Эйнштейн довольно быстро пришел к выводу, что без коренных изменений теорию тяготения не создашь. Он много размышлял над тем, как развить специальный (точнее сказать— частный; французские ученые иногда применяют здесь еще более, пожалуй, удачный термин — ограниченный) принцип относительности в то, что он называл общим принципом относительности. Вспомним, ранее уже говорилось, что главным для Эйнштейна в его частном принципе относительности было сохранение действия всех законов природы в инерциальных системах отсчета. Теперь он хотел найти способ распространить принцип относительности на все системы отсчета, в том числе и на неинерциальные, способ установить, что все законы природы действуют всюду, при условии введения заранее установленных поправок на характер самих систем отсчета. Ему удалось решить и такую задачу.

Для этого понадобилось положить в основание новой, общей теории относительности, кроме двух главных принципов ее предшественницы, еще и третий принцип — принцип эквивалентности.

Ничто не удается без предвзятой идеи. Надо только настолько обладать благоразумием, чтобы не делать из нее выводов, не подтвержденных опытом. Предвзятые идеи, подвергнутые строгому контролю опыта, представляют собой оживляющее пламя наблюдательных наук.

Луи Пастер

Пусть, для разнообразия, представит нам принцип эквивалентности американский фантаст Реймонд Ф. Джоунс. В его рассказе «Уровень шума» физик растолковывает психологу: «Его (принцип эквивалентности. — Р. П.) выдвинул Эйнштейн в одной из своих первых работ, кажется, в 1907 году. Он утверждал, что сила инерции эквивалентна силе тяжести. То есть в системе, которая движется с ускорением, человек будет испытывать действие силы, ничем не отличающееся от действия силы тяжести. С другой стороны, человек внутри свободно падающего лифта не замечает действия земного притяжения. Если бы он встал на весы, то увидел бы, что ничего не весит. Жидкость не выливалась бы из стакана. Согласно принципу эквивалентности, никакой физический эксперимент не может обнаружить земное притяжение внутри любой системы, свободно движущейся в гравитационном поле».

Физики, выступающие не в ролях героев фантастики, но в качестве авторов статей, формулируют ту же мысль точнее, но сложнее: «Согласно принципу эквивалентности, никакими физическими экспериментами нельзя отличить движение тел под действием гравитации от движения в соответствующим образом подобранной неинерциальной системе отсчета, то есть в системе, движущейся с ускорением относительно инерциальной системы отсчета».

Это — цитата из однотомной энциклопедии «Физика космоса». И дальше энциклопедия разъясняет: «В самом деле, ускорение всех тел в данном гравитационном поле одинаково, ускорение всех тел, свободно движущихся в неинерциальной системе отсчета, также одинаково…»

Вот представьте себе космолет, движущийся где-нибудь в межзвездном пространстве с ускорением, точно равным ускорению земного тяготения, то есть примерно 9,8 метра на секунду в квадрате.

Положим, что космолет имеет форму того пушечного снаряда, в котором Жюль Верн отправлял своих героев на окололунную орбиту, и пассажиры корабля ходят по его «дну». Им никогда не удастся установить только по поведению внутри кабины любых физических тел (в том числе их собственных тел), летит ли корабль, прибавляя в скорости почти по десять метров каждую секунду, или спокойно стоит на космодроме. В корабле приземлившемся проявляет себя гравитационное поле. Корабль, летящий с ускорением земного тяготения, — та самая «соответствующим образом подобранная» неинерциальная система отсчета. Космонавт, направляющийся к звездам, подбросит шарик, а тот поведет себя так же, как шарик, подброшенный пастушком где-нибудь на зеленом лугу. Здесь можно, при желании, повторить опыт, описанный Галилеем, с рыбками, бабочками и прыжками в каюте корабля — и так же, как внутри галилеевского корабля ничто не изменялось при движении сравнительно с состоянием относительного покоя, как и здесь нельзя отличить покой в гравитационном поле от неинерциального (то есть с ускорением) движения…

Ускорение и тяготение проявляют себя одинаково, а общая теория относительности — «всего лишь» теория гравитации.

Экспериментальной основой принципа эквивалентности является равенство тяжелой и инертной масс.

Масса каждого читателя этой книги по принятой системе единиц точнехонько равна весу на поверхности Земли. Впрочем, говоря точнее, — каждая масса. Что значит — каждая? Да ведь у каждого из нас не одна масса, а две (точь-в точь, как у Эйнштейна есть две теории относительности). Впрочем, столь же богат и каждый предмет на Земле и каждое тело Вселенной. Все на свете обладает двумя массами — тяжелой, она же гравитационная, и инертной. Гравитационная масса проявляет себя во взаимодействии тела с другими тяготеющими телами. Попросту на Земле — в том, что яблоки падают, льет дождь, лежать легче, чем стоять, и так далее. Другая — инертная — проявляет себя в механике, когда на тело действует сила, любая сила, и оно получает ускорение. Чем больше инертная масса, тем труднее вывести тело из состояния равновесия, тем меньше ускорение, которое способна ему придать сила определенной величины.