Физика времени

В свободно падающей лаборатории все тела либо покоятся, либо, если их подтолкнуть, движутся равномерно и прямолинейно относительно лаборатории. Значит, такая лаборатория представляет собой инерциальную систему отсчета — в ней справедливы законы классической механики и специальной теории относительности.

Правда, все это до тех пор, пока движущиеся тела не столкнутся со стенками лаборатории и пока сама она не столкнется с землей. Такая оговорка не слишком принципиальна, но нужно все же учитывать, что инерциальность осуществляется в данном случае в ограниченном объеме и в течение ограниченного времени.

А теперь другой мысленный эксперимент. Пусть имеется кабина лифта вдали от всяких тяготеющих масс. Можно считать, что никаких сил нет и кабина представляет собой инерциальную систему отсчета. И вот, как говорит Эйнштейн, «кто-то извне привязал к лифту канат и тянет его с постоянной силой» вверх. Лифт придет в движение и будет двигаться с постоянным ускорением в направлении действия силы. При этом все тела в лифте тоже приходят, очевидно, в движение. Если какое-то тело покоилось в середине лифта, то оно начинает двигаться вниз, к полу лифта, так как пол движется теперь вверх по направлению к этому телу. Тело движется с ускорением, равным по величине и противоположным по направлению ускорению, испытываемому лифтом. Пусть для определенности ускорение равно ускорению свободного падения на поверхности Земли (9,8 м/с²). Поскольку ускорение это постоянно, все происходит так, как если бы тело испытывало действие силы тяжести, направленной вниз, к полу лифта. Силу тяжести испытывает и сам физик — его прижимает к полу кабины точно так же, как это было бы в земном поле тяготения.

Выходит, что, заставив лифт двигаться ускоренно, мы создали в нем искусственное тяготение. И если наш физик не вы- выглянет из своей кабины наружу, он никогда не сможет отличить это искусственное тяготение от естественного. Он не узнает, что происходит: то ли кабина покоится и в ней действует сила тяжести, то ли тяготения нет, но кабина не покоится, а движется вверх с ускорением. Эти две возможности неразличимы для нашего физика, они для него эквивалентны.

Итак, из двух наших мысленных экспериментов мы установили, что, во-первых, тяготение можно уничтожить, если свободно двигаться в поле тяжести; и, во-вторых, тяготение можно создать, если вызвать извне ускоренное движение. Ускорение и тяготение неразличимы, они выступают перед нами равноправно и оказываются, так сказать, взаимозаменяемыми. Но это означает, по существу что они представляют собой явления одной природы.

Вот к какому сильному выводу приводит простое, казалось бы, развитие идей Галилея и Ньютона. Оно дает разгадку природы тяготения.

Тяготение и свет

Из эквивалентности ускорения и тяготения вытекают далеко идущие следствия, которые и составляют, по существу, содержание общей теории относительности. Примем принцип эквивалентности и проделаем еще один мысленный эксперимент. Пусть имеется лаборатория — лифт вдали от каких бы то ни было тел, в которой силы тяготения и любые другие силы отсутствуют. Эксперимент состоит в следующем. Будем посылать световые сигналы с пола лаборатории и принимать, регистрировать их на потолке с помощью какого-либо устройства — приемника света. В момент испускания сигнала приведем лифт извне в ускоренное движение снизу вверх. Это означает, что свету придется догонять приемник который вместе с потолком тафта начнет набирать скорость благодаря приложенному к лифту ускорению. Когда свет достигнет приемника, тот будет иметь уже вполне определенную скорость. Эта скорость равна произведению ускорения на время распространения света от пола до потолка.

Но тогда должен действовать эффект Доплера, о котором мы говорили в главе 6. Раз свет догонял удаляющийся приемник, значит, период и длина волны зарегистрированною света должны быть больше, чем период и длина волны, которые свет имел в момент выхода из источника. Свет испытывает красное смещение — таков результат нашего опыта.

Представим себе, что с этом мысленном эксперименте лифт двигался вверх с ускорением, равным земному ускорению свободного падения, так что в лифте имитировалось земное тяготение. Тогда ясно, что в лаборатории, покоящейся на Земле, подобный эксперимент приведет — согласно принципу эквивалентности — к тому же результату: свет, распространяясь снизу вверх, испытает красное смещение. Никакого движения приемника в этом случае нет, пол и потолок покоятся относительно друг друга, отсутствует относительное движение источника и приемника, а красное смещение все же есть. В этом случае говорят о гравитационном красном смещении.

Замедление времени

Для физики безразлично, было ли тяготение естественным или искусственным, все физические явления происходят в обоих рассмотренных нами случаях одинаково. Но проще всего было найти интересующий нас эффект в опыте с искусственной гравитацией: мы смогли применить там сведения, с которыми уже познакомились ранее по совсем другим примерам.