Естественнонаучная картина мира - [61]

Именно Эйнштейн предположил, что все эти феномены указывают нам на уже описанную выше эквивалентность понятий гравитационной силы и ускорения. В этом смысле фундаментальный закон инерции о прямолинейном и равномерном движении тела без воздействия каких-либо сил можно переписать в том духе, что все тела, не испытывающие никаких внешних воздействий, свободно падают с ускорением. Таким образом, при помощи тяготения мы легко можем перейти от ускоренно движущихся систем к неподвижным и обратно, правда, при условии однородности гравитационного поля. Ускоренно движущийся лифт может быть рассмотрен наблюдателем В как покоящийся в гравитационном поле. Это, как замечает Эйнштейн, и дает нам право распространить принцип относительности на системы отсчета, движущиеся ускоренно относительно друг друга.

§ 9. Эквивалентность систем отсчета

Принцип относительности Эйнштейн формулирует так: все системы отсчета эквивалентны в отношении описания общих законов природы, вне зависимости от состояния их движения. Для всех инерциальных систем этот принцип был изначально справедлив: среди них привилегированных систем отсчета нет, все системы равноправны, а законы природы в них действуют одинаково. Но для неинерциальных систем ситуация складывается иная – поведение объектов в них описывается иным образом. Следовательно, инерциальные и неинерциальные системы не выступают в качестве эквивалентных и равноправных. Поэтому необходимо ликвидировать это неравноправие в соответствии с принципом относительности, а для этого выяснить, в чем именно заключена причина такого неравноправия.

Итак, ускорение свободно падающего тела никак не зависит от его массы и вообще от каких-либо его свойств. Точно так же от массы не будет зависеть и траектория движения тела. Но если движение тела не зависит от самого тела, то от чего оно зависит? Уже в физике Галилея и Ньютона встречается следующая догадка: от взаиморасположения и взаимодействия других тел, то есть исключительно от внешнего фактора. Но ускорение, полученное телом в той или иной точке, не зависит и от наличия или отсутствия других тел (кроме Земли как источника гравитации). Отсюда можно сделать вывод: дело не в телах и их качествах, а в особых свойствах пространства, определяющих их движение.

Теперь представим себе, что в неподвижную кабину лифта В сквозь одну из стен (точка α) проникает луч света, движется перпендикулярно стене и падает на противоположную стену (точка ω). Затем тот же самый случай представим для лифта, двигающегося с ускорением вверх. Наблюдатель В фиксирует траекторию луча в первом и втором случае и с удивлением обнаруживает, что во втором случае свет распространяется не перпендикулярно стене, то есть не по прямой, а по кривой, смещаясь в направлении пола (и проходит не через точку ω, а, например, через точку ξ). Наблюдатель сможет описать это искривление как отклонение луча в гравитационном поле, как смещение луча относительно движущегося объекта, как притяжение света тяготеющим телом – все эти описания будут эквивалентны. Из этого факта искривления траектории светового луча следует, в частности, и то, что принцип постоянства скорости света не может претендовать на априорную применимость в неинерциальных системах. В качестве определяющего фактора нам здесь остается признать ускоренное движение системы отсчета или воздействие на нее гравитационного поля.

В чем же проявляется эффект воздействия последнего, помимо появления зависимости скорости света от системы координат? Эйнштейн показывает, что наиболее очевидным проявлением этого будут проблемы, связанные с определением точного времени, а также невозможность соблюдения положений всем хорошо нам знакомой геометрии Евклида для определения координат тех или иных событий. Напомним, что именно точность измерения времени и его связь с принципом постоянства скорости света были в рамках СТО теми опорными пунктами, которые позволяли производить описание происходящих процессов с высокой эффективностью и объяснительной силой.

В рамках СТО мы уже познакомились с эффектом сжатия и растяжения пространства-времени – когда свет проходит от точки к точке для внешнего (неподвижного) наблюдателя быстрее, чем для наблюдателя внутри системы, вследствие чего расстояние между точками для внешнего наблюдателя окажется меньшим, чем для внутреннего. Проблема в том, что нет такой универсальной линейки, которая позволила бы измерить это сокращение в абсолютном выражении, тогда как внутренний наблюдатель всегда может сказать внешнему: внутри моей системы 5 см равны твоим 5 см, но если эти 5 см будешь измерять ты, то эти 5 см окажутся для тебя короче – пропорционально вездесущему лоренцовскому множителю. Такое «сжатие-растяжение» не нарушало положений евклидовской геометрии, поскольку фиксировалось наблюдателями в инерциальных системах отсчета, то есть движущихся прямолинейно и равномерно. Теперь же мы можем сказать: пространство-время не только растягивается или сживается, оно еще и искривляется. При этом нельзя сказать, что это происходит под действием какой-либо силы – мы лишь фиксируем соответствующие физические явления. Итак, если мы начинаем чертить прямые, углы и фигуры на сферах и вогнутых поверхностях, то есть поверхностях криволинейных, то это значит, что нам нужно попрощаться со знакомыми и привычными декартовыми координатами и геометрией Евклида, а значит, с еще одной частью привычной знакомой реальности.