65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё - Кирилл Викторович Половников
Но с точки зрения СТО никакой сигнал не может распространяться быстрее скорости света. Следовательно, все эти 8 минут Земля должна продолжать вращаться вокруг пустого места и только после этого оторваться от своей орбиты и улететь в космос. При этом более далекие планеты все еще будут крутиться вокруг того места, где раньше находилось Солнце, и «отваливаться» постепенно. Так, Марс должен «отвалиться» еще через 5 минут, Юпитер – через 35 минут, Сатурн – примерно через 1 час 10 минут и т. д.[89]
Это противоречие не давало покоя Эйнштейну на протяжении нескольких лет. Ведь если его не разрешить, то теория относительности не может претендовать на статус фундаментальной. Однако для решения этой проблемы пришлось пересмотреть даже те революционные представления о пространстве-времени, которые следовали из СТО.
Вопрос 49. Как Эйнштейн понял, что пространство искривляется?
Для понимания основной идеи общей теории относительности нам нужно более подробно рассмотреть одно очень важное и тонкое различение. Дело в том, что в физике существует две разные массы. Первая – инертная масса – характеризует меру инертности тела, т. е. его способность ускоряться или тормозить под действием приложенных к нему сил. Именно эта масса входит во второй закон Ньютона[90]. Чем больше инертная масса тела, тем большую силу нужно приложить, чтобы его разогнать или затормозить.
Но есть в физике и другая масса – гравитационная. Она характеризует меру гравитационного притяжения: чем больше гравитационная масса, тем сильнее будет гравитационное взаимодействие с этим телом. Например, если гравитационную массу нашей Земли увеличить в два раза, то она будет притягивать к себе все предметы в два раза сильнее. Так что эту массу можно назвать гравитационным зарядом, чем-то наподобие электрического заряда в законе Кулона. И, вообще говоря, совершенно необязательно, чтобы мера гравитационного взаимодействия и мера инертности тела совпадали. Ведь мы же не требуем, чтобы величина электрического заряда совпадала с его массой. Это две совершенно разные физические величины.
Однако чрезвычайно точные измерения, проведенные многими группами исследователей, выявили абсолютно точное совпадение инертной и гравитационной масс. Т. е. та же самая физическая величина, которая характеризует меру инертности тела (то, насколько тяжело его разогнать), также отвечает и за гравитационное взаимодействие с другими телами. Именно этим обусловлен тот факт, что все тела падают на Землю с одним и тем же ускорением – ускорением свободного падения, равным 9,8 м/с2. Что, вообще говоря, не так уж очевидно. Ведь более тяжелые тела должны притягиваться к Земле сильнее и, соответственно, падать должны быстрее. Однако из-за того, что тело обладает большей массой, его тяжелее разогнать. Причем во сколько раз тело сильнее притягивается к Земле, во столько же раз его тяжелее разгонять. Вот и получается, что все тела в гравитационном поле разгоняются одинаково, независимо от их массы[91].
Принцип эквивалентности инертной и гравитационной масс также проявляется, когда вы едете в лифте. Помните, вы входите в лифт на первом этаже, нажимаете кнопку нужного вам этажа, двери закрываются, и, как только лифт начинает подниматься, вы чувствуете, что вас начало прижимать к полу чуть сильнее обычного? Потом, когда лифт наберет нужную скорость и прекратит ускоряться, ваш вес вернется к прежнему значению. Но пока лифт ускорялся, ваш вес был чуточку больше обычного. И чем больше будет ускорение лифта, тем сильнее увеличится ваш вес. Ровно то же самое происходит, когда лифт поднимается до нужного этажа и начинает тормозить – ускорение теперь направлено в противоположную сторону, и, следовательно, ваш вес станет чуточку меньше обычного, и вы почувствуете легкость во всем теле и испытаете небольшую долю невесомости.
Давайте продолжим экспериментировать с лифтами и рассмотрим следующие две ситуации. Представим, что одна кабина лифта стоит на поверхности Земли. Человек, находящийся в этой кабине, чувствует, что его тянет вниз (ведь закон всемирного тяготения никто не отменял). Так что он твердо стоит на полу, и если он что-то подбросит, например, книгу, то она точно упадет вниз.
Вторую точно такую же кабину лифта запустим в открытый космос, подальше от всех планет и звезд (представим, что она достаточно герметична, чтобы можно было в ней безопасно находиться и проводить любые эксперименты). Поскольку человека внутри кабины к полу ничто не притягивает, то он будет находиться в состоянии невесомости и свободно парить вместе со своей книгой от одной стенки к другой и обратно. А теперь давайте включим ракетные двигатели (какой же лифт в космосе может быть без ракетных двигателей?) и начнем разгоняться. Если его ускорение будет равно ускорению свободного падения на поверхности Земли, примерно 9,8 м/с2, то наш испытуемый почувствует, что его прижимает к полу. Точно так же, как прижимает к полу вас, когда вы начинаете подниматься в обычном лифте. Только эта сила будет намного больше, ведь ускорение обычных земных лифтов не такое большое. Так что, находясь внутри ускоряющегося космического лифта, наш испытуемый, как и первый, оставшийся на Земле, будет твердо стоять на полу. И если он теперь что-то подбросит, например, книгу, то она так же упадет вниз, как и в кабине лифта, стоящего на Земле.
Т.е. все физические явления будут протекать в обеих кабинах абсолютно одинаково. Несмотря на то, что притяжение к полу в одном случае обусловлено гравитацией Земли, а в другом нет вообще никакой гравитации, а есть только ускорение. Получается, что какие бы измерения вы ни провели внутри кабины лифта, вы не сможете определить, стоит ли она на поверхности Земли или летит с ускорением в открытом космосе. Эти два состояния эквивалентны. Так что у вас, как бы вы ни
