Физика времени - Чернин Артур Давидович

Всемирное тяготение

Новейшая физика и здесь отталкивается от классической физики, спорит с ней и вместе с тем основывается на ней. Ньютон был первым, кто разгадал всемирную роль тяготения. Он понял, что земное тяготение, наше притяжение к Земле и падение созревшего яблока представляют собой явления той же природы, что и движение Луны вокруг Земли и обращение планет вокруг Солнца.

Все тела природы притягиваются друг к другу. Сила притяжения, действующая между двумя телами, прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Таков закон всемирного тяготения Ньютона. (Вместо слова «тяготение» говорят еще и «гравитация» — оно означает просто то же самое.)

В физике известны и другие примеры сил притяжения. Два разноименных электрических заряда притягиваются друг к другу с силой, которая, как мы знаем, прямо пропорциональна произведению зарядов и — как сила тяготения — обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Это действительно похоже на закон Ньютона. Однако электрические силы могут быть не только силами притяжения, но и силами отталкивания, когда заряды одноименны. Эти силы и вовсе отсутствуют, если у тел нет зарядов.

Силы же тяготения, гравитация — это всегда силы притяжения. И для их действия не требуется никаких особых зарядов, всякое тело имеет массу, и потому оно должно испытывать действие этих сил и создавать их. Можно сказать, что масса тела это и есть его неотъемлемый «гравитационный заряд».

Гравитационное взаимодействие — одно из четырех фундаментальных взаимодействий, к которым сводится все разнообразие взаимных физических воздействий всех тел природы. Три других взаимодействия — это всем знакомое электромагнитное взаимодействие, а также сильное взаимодействие (скрепляющее, например, частицы в атомных ядрах) и слабое взаимодействие (ответственное, например, за радиоактивный распад ядер). Два последних взаимодействия проявляются только в микромире — мире атомных ядер и элементарных частиц. Электромагнетизм известен нам по многим явлениям природы, но разнообразным его применениям в технике, науке, в повседневной жизни. Действие электромагнитных сил проявляется и в мире элементарных частиц; оно заметно в мире звезд и галактик. Свет, столь многое давший теории относительности, — это тоже, конечно, проявление электромагнетизма. Но там, где нет зарядов, электрических и магнитных полей, — там нет и электромагнетизма.

Из четырех взаимодействий природы одна только гравитация обладает свойством неустранимости и всеобщей универсальности. Она действует всюду и везде — от микромира до всей Вселенной. Недаром со времен Ньютона тяготение называют всемирным. Но вся важность этого факта была впервые осознана только Эйнштейном.

Эйнштейн придавал исключительное значение и другому свойству тяготения, тоже давно уже известному. Силы тяготения сообщают разным телам одинаковое ускорение. Все тела в данной точке пространства падают в поле тяготения с одинаковым ускорением. Этот замечательный факт открыл еще Галилей. Согласно легенде, он наблюдал падение различных тел с наклонной Пизанской башни и установил, что все они, независимо от массы, размера, формы и вещества, из которого сделаны, достигали земли за одинаковое время. Историки науки не находят, кажется, подтверждения тому, что это было именно на Пизанской башне; но несомненно, что Галилей первым обратил внимание на эту особенность тяготения и исследовал ее в экспериментах со свойственным ему стремлением к точному знанию, полученному из опыта.

Позднее движение тел в поле тяготения изучал Ньютон с помощью тонких экспериментов, в которых он использовал маятники. В своих «Началах» он писал: «Но другими уже давно наблюдалось, что (с поправкой на слабое сопротивление воздуха) все тела спускаются на одинаковое расстояние за одинаковые промежутки времени, и с помощью маятников это свойство промежутков времени может быть установлено с большой точностью».

Ньютон исследовал «это свойство промежутков времени» в связи с той ролью, которую играет масса тел в их динамике.

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.