Ева Кюри, вспоминая об одной прогулке в горы, состоявшейся летом 1913 г., в которой принимали участие ее мать Мария Кюри и Альберт Эйнштейн, рассказывает.
«Рассеянный Эйнштейн шагает, не замечая девочек, через расщелины, взбирается на кручи. Внезапно он останавливается и, схватив Марию за руку, восклицает: «Понимаете, мадам, мне необходимо в точности знать, что происходит с находящимися в лифте, когда он падает в пустоту».
Неизвестно, сколько здесь содержится истины и какова доля художественного вымысла. Во всяком случае верно одно: Эйнштейн занимался в те годы вопросами, сущность которых можно действительно свести к вопросу о падающем лифте. Чем же свободно падающий лифт отличается от покоящегося?
Вообразим себе следующий опыт. Мы стоим в закрытом лифте. Внезапно обрывается трос, и лифт начинает свободно падать вниз. В тот момент, когда лифт начинает падать, выпустим из рук книгу. Так как лифт и книга падают на Землю с одинаковым ускорением (при свободном падении ускорение всех тел одинаково) и начинают падение одновременно, то к земле они приближаются с одной и той же скоростью. Положение книги относительно лифта не меняется, следовательно, мы должны видеть книгу повисшей в воздухе. Значит, в свободно падающем лифте сила тяжести должна отсутствовать.
В фантастических романах иногда говорится о веществе, сквозь которое гравитационная сила не может действовать. Помещенные в ящик из такого вещества предметы теряют вес. В действительности, конечно, силу тяжести нельзя устранить с помощью экрана или стены из какого-либо материала. Однако существует такой ящик, в котором сила тяжести отсутствует — это свободно падающий лифт (или вообще всякий свободно падающий ящик). Хотя силу тяжести нельзя экранировать, но ее можно просто устранить с помощью ускоренного движения. О таком устранении писал уже Галилей. Герой его «Диалога» Сальвиатти говорит:
«Мы чувствуем тяжесть на плечах, когда сопротивляемся движению, к которому стремится давящая тяжесть, но если бы мы опускались с такой же скоростью, с какой перемещается свободно падающий груз, то каким образом тяжесть могла бы давить на нас? Не видите ли вы, что это подобно тому, как если бы мы хотели поразить копьем кого-либо, кто бежит впереди нас с равною или большею скоростью».
Это наблюдение Галилея по своему содержанию согласуется с рассуждениями Эйнштейна, которые легли в основу общей теории относительности. Но Эйнштейн не ограничился одним лишь установлением факта, что в свободно падающем лифте сила тяжести отсутствует, а развил эту мысль дальше.
Вообразим, что в закрытом помещении мы видим, как все выпущенные тела свободно падают к полу с одинаковым ускорением, равным 10 м/с2. Как объяснить это явление? Можно сказать, что помещение, где мы находимся, является инерциальным (т. е. оно движется относительно инерциальных систем прямолинейно и равномерно) и помещено в гравитационное поле, которое сообщает всем телам одинаковое ускорение, равное 10 м/с2. Однако этот факт можно объяснить и иначе: никакого гравитационного поля нет, но помещение само движется относительно инерциальных систем с ускорением 10 м/с2 в сторону потолка. Падение тел на пол только отражает движение помещения в противоположном направлении. Оба эти объяснения совершенно равноправны.
Наблюдатель в изолированном помещении вообще не может установить, находится ли помещение в гравитационном поле или оно движется ускоренно относительно инерциальных систем. При этом существенно только, чтобы помещение имело такие небольшие размеры, при которых во всех его точках напряженность гравитационного поля была одной и той же. Кроме того, наблюдения нужно проводить за столь короткое время, чтобы сила тяжести в помещении не могла существенно измениться.
Все сказанное выше можно подытожить в принципе, носящем название принципа эквивалентности.
В достаточно малой части пространства и в течение достаточно короткого промежутка времени описание процесса, происходящего в гравитационном поле, дает точно такую же картину, как описание этого процесса в системе, движущейся с соответствующим ускорением относительно инерциальных систем. По существу принцип эквивалентности утверждает, что выбором подходящей системы отсчета можно изменить по своему усмотрению гравитационное поле в данной точке пространства.
Рассмотрим такой пример. Пусть в одной инерциальной системе гравитационное поле таково, что оно всем телам сообщает ускорение 12 м/с2. Движение тел под действием этого поля назовем падением вниз. В другой системе отсчета гравитационное поле будет иным. Например, в системе, которая движется относительно инерциальных систем с ускорением 12 м/с2 вниз, гравитационное поле будет вообще отсутствовать. В системе, движущейся относительно инерциальных систем с ускорением 8 м/с2 вниз, гравитационное поле будет в 3 раза слабее, чем в инерциальных системах, поскольку оно сообщает телам ускорение 4 м/с2. Читателю нетрудно самому придумать системы, в которых гравитационное поле имело бы любую величину. Ускоренное движение относительно инерциальных систем позволяет изменить величину силы тяжести или даже совсем ее уничтожить. Используя ускоренное движение, можно искусственно создавать силу тяжести.
«Рассеянный Эйнштейн шагает, не замечая девочек, через расщелины, взбирается на кручи. Внезапно он останавливается и, схватив Марию за руку, восклицает: «Понимаете, мадам, мне необходимо в точности знать, что происходит с находящимися в лифте, когда он падает в пустоту».
Неизвестно, сколько здесь содержится истины и какова доля художественного вымысла. Во всяком случае верно одно: Эйнштейн занимался в те годы вопросами, сущность которых можно действительно свести к вопросу о падающем лифте. Чем же свободно падающий лифт отличается от покоящегося?
Вообразим себе следующий опыт. Мы стоим в закрытом лифте. Внезапно обрывается трос, и лифт начинает свободно падать вниз. В тот момент, когда лифт начинает падать, выпустим из рук книгу. Так как лифт и книга падают на Землю с одинаковым ускорением (при свободном падении ускорение всех тел одинаково) и начинают падение одновременно, то к земле они приближаются с одной и той же скоростью. Положение книги относительно лифта не меняется, следовательно, мы должны видеть книгу повисшей в воздухе. Значит, в свободно падающем лифте сила тяжести должна отсутствовать.
В фантастических романах иногда говорится о веществе, сквозь которое гравитационная сила не может действовать. Помещенные в ящик из такого вещества предметы теряют вес. В действительности, конечно, силу тяжести нельзя устранить с помощью экрана или стены из какого-либо материала. Однако существует такой ящик, в котором сила тяжести отсутствует — это свободно падающий лифт (или вообще всякий свободно падающий ящик). Хотя силу тяжести нельзя экранировать, но ее можно просто устранить с помощью ускоренного движения. О таком устранении писал уже Галилей. Герой его «Диалога» Сальвиатти говорит:
«Мы чувствуем тяжесть на плечах, когда сопротивляемся движению, к которому стремится давящая тяжесть, но если бы мы опускались с такой же скоростью, с какой перемещается свободно падающий груз, то каким образом тяжесть могла бы давить на нас? Не видите ли вы, что это подобно тому, как если бы мы хотели поразить копьем кого-либо, кто бежит впереди нас с равною или большею скоростью».
Это наблюдение Галилея по своему содержанию согласуется с рассуждениями Эйнштейна, которые легли в основу общей теории относительности. Но Эйнштейн не ограничился одним лишь установлением факта, что в свободно падающем лифте сила тяжести отсутствует, а развил эту мысль дальше.
Вообразим, что в закрытом помещении мы видим, как все выпущенные тела свободно падают к полу с одинаковым ускорением, равным 10 м/с2. Как объяснить это явление? Можно сказать, что помещение, где мы находимся, является инерциальным (т. е. оно движется относительно инерциальных систем прямолинейно и равномерно) и помещено в гравитационное поле, которое сообщает всем телам одинаковое ускорение, равное 10 м/с2. Однако этот факт можно объяснить и иначе: никакого гравитационного поля нет, но помещение само движется относительно инерциальных систем с ускорением 10 м/с2 в сторону потолка. Падение тел на пол только отражает движение помещения в противоположном направлении. Оба эти объяснения совершенно равноправны.
Наблюдатель в изолированном помещении вообще не может установить, находится ли помещение в гравитационном поле или оно движется ускоренно относительно инерциальных систем. При этом существенно только, чтобы помещение имело такие небольшие размеры, при которых во всех его точках напряженность гравитационного поля была одной и той же. Кроме того, наблюдения нужно проводить за столь короткое время, чтобы сила тяжести в помещении не могла существенно измениться.
Все сказанное выше можно подытожить в принципе, носящем название принципа эквивалентности.
В достаточно малой части пространства и в течение достаточно короткого промежутка времени описание процесса, происходящего в гравитационном поле, дает точно такую же картину, как описание этого процесса в системе, движущейся с соответствующим ускорением относительно инерциальных систем. По существу принцип эквивалентности утверждает, что выбором подходящей системы отсчета можно изменить по своему усмотрению гравитационное поле в данной точке пространства.
Рассмотрим такой пример. Пусть в одной инерциальной системе гравитационное поле таково, что оно всем телам сообщает ускорение 12 м/с2. Движение тел под действием этого поля назовем падением вниз. В другой системе отсчета гравитационное поле будет иным. Например, в системе, которая движется относительно инерциальных систем с ускорением 12 м/с2 вниз, гравитационное поле будет вообще отсутствовать. В системе, движущейся относительно инерциальных систем с ускорением 8 м/с2 вниз, гравитационное поле будет в 3 раза слабее, чем в инерциальных системах, поскольку оно сообщает телам ускорение 4 м/с2. Читателю нетрудно самому придумать системы, в которых гравитационное поле имело бы любую величину. Ускоренное движение относительно инерциальных систем позволяет изменить величину силы тяжести или даже совсем ее уничтожить. Используя ускоренное движение, можно искусственно создавать силу тяжести.