Физика времени

Принцип эквивалентности

Роль массы в физике двояка, как двояк и способ ее измерения. С одной стороны, массу тела можно определить с помощью измерения ускорения, испытываемого телом под действием какой-то известной силы. По второму закону Ньютона масса есть отношение силы к ускорению. Определяемая таким путем физическая характеристика тела служит, как говорят, мерой его инертности и ее называют инертной массой.

Но с другой стороны, массу можно определить и другим способом — путем измерения силы, с которой она притягивается к другому телу, например к Земле. В этом измерении проявляется «гравитационный заряд» тела, и потому определенную таким путем массу называют тяжелой, или гравитационной, массой.

Чтобы все тела падали с одинаковым ускорением, достаточно, очевидно, чтобы для каждого из них инертная масса равнялась гравитационной.

Две роли массы — как меры инертности и как «гравитационного заряда» — и изучал Ньютон в своих экспериментах с маятниками. По его данным, инертная и гравитационная массы совпадают с точностью до десятых долей процента. За все времена от Галилея и Ньютона до наших дней ни при каких обстоятельствах не было замечено никакого различия между инертной и гравитационной массой какого-либо тела.

Изобретательные опыты, поставленные в конце XIX века венгерским физиком Р. Этвешем дали совпадение масс с точностью до миллионной доли процента. В измерениях, проведенных недавно в Московском университете В. Б. Брагинским и его сотрудниками, точность возросла еще в 10 тысяч раз.

Равенство инертной и гравитационной масс возведено Эйнштейном в ранг фундаментального принципа физики. Совпадение, эквивалентность этих масс составляет содержание эйнштейновского принципа эквивалентности. По существу это тот же результат опыта Галилея, который с точки зрения классической физики был просто одним из фактов — в некотором смысле даже случайным; во всяком случае он не играл никакой роли в том, что составляло идейную основу механики Галилея — Ньютона. Теперь же ему придается исключительно важное и самое общее значение — он находит место среди «принципиальных вещей» новейшей физики, становится рядом с принципом относительности.

Лифт Эйнштейна

Излюбленный прием Эйнштейна в его теоретических поисках — мысленный эксперимент. Вслед за Эйнштейном мы тоже наблюдали (см. главы 5, 6) за различными опытами физиков в двух лабораториях, одна из которых находилась в вагоне воображаемого поезда, несущегося с огромной скоростью. Теперь же одну из наших лабораторий поместим в кабину лифта. Представим себе, следуя Эйнштейну, «огромный лифт в башне небоскреба... Внезапно канат, поддерживающий лифт, обрывается, и лифт свободно падает по направлению к земле». В этой свободно падающей лаборатории проделываются опыты. Физик «вынимает из своего кармана платок и часы и выпускает их из рук». Они падают — относительно небоскреба — вместе с кабиной лифта. Но по отношению к этой кабине вещи остаются там же, где они были, когда их выпустили из рук. Физик в кабине лифта видит, что часы и платок спокойно висят между полом и потолком лифта, покоятся относительно него. Физик делает из этого заключение, что на них не действуют никакие силы. Об отсутствии сил мы вместе с нашим физиком судим на том основании, что расстояния между телами, если они в начальный момент покоились, не изменяются со временем. Разумеется, это возможно только потому, что — согласно опыту Галилея и принципу эквивалентности — все тела в поле тяготения движутся с одинаковым ускорением. Движение лифта и всех тел в нем является в одинаковой степени ускоренным относительно небоскреба и потому-то они покоятся друг относительно друга. Тела в свободно падающем лифте не испытывают никаких сил, в том числе и силы притяжения к Земле. Они невесомы. В свободном падении тяготения нет. Оно обнаруживает себя только тогда, когда мы ему сопротивляемся.

Если прибавить к нашему воображаемому эксперименту немного подробностей то можно сказать, что даже и не глядя на какие-то тела наш физик почувствует, что тяготение исчезло. Ведь и он сам окажется в невесомости. Он будет невесом, как невесомы и из-за этого неподвижны относительно кабины его часы и платок.

Невесомость — и притом не воображаемая, а реальная — имеется, как всем известно, в кабине спутника, обращающегося по орбите вокруг Земли. Спутник тоже, можно сказать, свободно падает, подчиняясь без сопротивления притяжению Земли. Движение по отвесной прямой в падающем лифте и движение по стационарной круговой орбите — это два примера свободного движения в поле тяготения. Еще один очевидный пример — 

полет подброшенного вверх мяча — он сначала движется вверх, а затем вниз, но на всем своем пути он осуществляет свободное движение.