Естественнонаучная картина мира - [60]

Проблема изначально заключалась в том, что ньютоновское гравитационное взаимодействие, описанное всем хорошо знакомым уравнением F_т = GMm/R², должно было распространяться мгновенно на любые расстояния и столь же мгновенно изменяться, например, при изменении масс в соответствии с принципом дальнодействия. Однако такого рода взаимодействие противоречит электромагнитной теории с ее близкодействием. Поэтому было предложено – во многом по аналогии, – что тяготеющие тела воздействуют друг на друга не непосредственно через пустое пространство, а через посредство особой физической реальности полевой природы, которую можно назвать полем тяготения. Поскольку сила притяжения обратно пропорциональна расстоянию между взаимодействующими телами, постольку величина и направление поля тяготения должны определяться законом, описывающим пространственные свойства данных полей.

Привести вышеуказанную аналогию гравитационного и электромагнитного полей оказалось гораздо проще, чем дать развернутое теоретическое описание указанного феномена. Попытки построить иные (неньютоновские) теории гравитации предпринимались и ранее, в частности, одну из первых попыток предпринял уже Дж. Максвелл. Однако, в целом, задачу нельзя было считать решенной, и решенной удовлетворительно. СТО в этом смысле подавала неплохие надежды на то, что ее дальнейшее развитие и обобщение даст возможность привести ньютоновскую теорию в соответствие с принципами науки ХХ в. На фоне СТО как ее прямое следствие уже была создана новая концепция четырехмерного псевдоевклидового пространства-времени Г. Минковского, но она, правда, не учитывала гравитационных эффектов.

Прежде чем перейти непосредственно к проблеме гравитации, следует еще раз обратить внимание на уже хорошо знакомые нам инерциальные системы. Мы уже видели, что инерциальные системы отсчета рассматриваются как равноправные в нескольких смыслах. Во-первых, законы движения, наблюдаемые в одной системе, будут наблюдаться и во всех остальных. Выбор системы отсчета не влияет на наблюдаемые явления и не меняет их фундаментального описания. Во-вторых, эти системы движутся относительно друг друга прямолинейно и равномерно. Ни одна система не может здесь считаться абсолютно неподвижной. Тем не менее не все системы могут рассматриваться как равноправные, особенно привязанные к реальным объектам, а не умозрительным конструкциям. Находясь внутри вагона, мы легко впадаем в ошибку по поводу нашего движения относительно полотна, видя в окно движущийся поезд. С точки зрения принципов относительности, здесь нет никакой ошибки или заблуждения, так как наш поезд может рассматриваться как движущийся относительно другого поезда, что, в свою очередь ничуть не мешает нам описывать его покой относительно перрона. Тем не менее у нас есть возможность установить, какая из систем движется на самом деле, то есть к какой именно из систем прилагается ускорение: когда ускоряется наша система, мы ощущаем более-менее явный толчок в направлении движения, который позволяет отбросить все сомнения по поводу нашего движения или покоя.

Теперь представим себе еще один пример. Возьмем уже знакомых нам наблюдателей А и В, находящихся внутри двух лифтов. Представим себе, что на наблюдателя А действует сила тяготения, то есть он помещен в гравитационное поле. Если лифт покоится или движется прямолинейно-равномерно, все находящиеся в нем предметы будут падать вниз под действием силы тяжести, так что наблюдатель не сможет отличить состояние покоя от состояния движения, подобно наблюдателю на галилеевом корабле в закрытом трюме, поскольку все законы механики будут соблюдаться в полном объеме. Лифт наблюдателя В мы, напротив, поместим вдали от любых сил тяготения, но при этом заставим его перемещаться с ускорением вверх. Что же увидит наблюдатель В? Он увидит, что все тела в лифте будут вести себя так же, как если бы на них действовала сила тяжести, – они будут падать на пол с постоянным ускорением. Если же перед ним на веревке подвесить к потолку груз, то он объяснит натяжение веревки все той же силой тяготения. Таким образом, наблюдатели А и В не смогут отличить действие силы тяготения и действие ускорения – для них они будут одинаковы. Даже пол будет давить на подошвы их ботинок одинаково. Одно и то же движение, например падение камня или носового платка на пол, можно будет одинаково хорошо объяснить как действием силы тяжести, так и ускорением, направленным в противоположную данной силе сторону. Система, неподвижная в поле тяготения, и система, ускоренно движущаяся в поле тяготения, по поведению тел никак не отличаются. Однородное гравитационное поле, таким образом, оказывается эквивалентным постоянному ускорению.

Эта связь между ускорением и силой тяжести была известна уже Ньютону и, возможно, в какой-то форме Галилею, утверждавшему, как мы помним, что все тела падают на Землю с одинаковым ускорением. Эта связь присутствует и в классических уравнениях, хорошо знакомых любому школьнику: F_т = GMm/R²; a = F/m = GM/R². Сила прямо пропорциональна массе тела («тяготеющей» или «тяжелой», представляющей собой меру подчинения тела гравитационному полю), ускорение – обратно пропорционально массе («инертной» как мере сопротивления движению), однако, эти массы оказываются эквивалентными друг другу. Как показывает последнее уравнение, ускорение свободно падающего на Землю тела вообще не зависит от его массы. Никакие другие фундаментальные взаимодействия, кроме гравитационного, такую чудесную связь не обнаруживают – так в максвелловских уравнениях электрическое и магнитное поля, не исчезая, преобразуются друг в друга.