Теория относительности для миллионов - Мартин Гарднер

Цепь размышлений, приведших Ньютона к мысли о том, что движение не относительно, точно такая же. Он ссылался как на доказательство на тот факт, что во вращающемся вокруг вертикальной оси ведре центробежная сила искривляет поверхность воды и даже может привести к выплескиванию воды через край. Невозможно представить себе, что вращающаяся Вселенная может так влиять на воду, следовательно, утверждает Ньютон, необходимо признать, что вращение ведра абсолютно.

В течение десяти лет, последовавших за опубликованием специальной теории относительности, Эйнштейн размышлял над этой задачей. Большинство физиков не рассматривало ее как задачу вообще.

Почему бы, говорили они, равномерному движению не быть относительным (как это утверждает специальная теория относительности), а ускоренному — абсолютным? Такое положение дел Эйнштейна не удовлетворяло. Он чувствовал, что если равномерное, прямолинейное движение относительно, то таким же должно быть и ускоренное движение. Наконец, в 1916 г., через 11 лет после создания специальной теории относительности, он опубликовал свою общую теорию относительности. Эта теория названа общей, так как она является обобщением, расширением специальной теории. Она включает в себя специальную теорию как частный случай.

Общая теория является значительно более крупным научным достижением, чем специальная теория.

Если бы не Эйнштейн впервые сформулировал специальную теорию, то нет сомнения, что эта теория вскоре была бы создана другими физиками. Пуанкаре был одним из тех, кто почти вплотную подошел к ней. В своей замечательной речи, произнесенной в 1904 г., Пуанкаре предсказал возникновение «совершенно новой механики», в которой никакая скорость не может достигать скорости света, подобно тому, как никакая температура не может опуститься ниже абсолютного нуля. Будет установлен, говорил он, «принцип относительности, согласно которому законы физических явлений должны быть одинаковы, независимо от того, покоится наблюдатель или находится в равномерном и прямолинейном движении; у нас не будет способа различать, находимся мы в состоянии покоя или в таком движении». Пуанкаре не видел того решающего шага, который необходимо было сделать для выполнения этой программы, но интуитивно он понял сущность специальной теории. В то время Эйнштейн еще не сознавал, насколько мысли Пуанкаре, Лоренца и других были близки его собственным. Несколькими годами позже он чрезвычайно высоко оценил выдающийся вклад этих людей.

С общей теорией относительности положение совершенно отличное. Она была, по выражению Теллера, «прекрасной неожиданностью»; работой такой изумительной оригинальности, такой необычности, что она вызвала в научном мире нечто похожее на то, что произошло в танцевальных залах США, когда в 1962 г. в них вторгся новый танец, крик моды, твист. Эйнштейн изменил[3] древние ритмы танцев времени и пространства. В удивительно короткое время каждый физик или танцевал новый твист, не скрывая охватившего его ужаса перед ним, или жаловался на старость, мешающую научиться новому танцу. Если бы не родился Эйнштейн, то нет сомнения, что другие ученые дали бы физике такой же твист, но могло бы пройти столетие или больше, прежде чем это бы произошло. В истории науки немного основополагающих теорий, в такой степени являющихся делом рук одного человека.

«Ньютон, прости меня», — писал Эйнштейн в конце жизни. «В твое время ты нашел тот единственный путь, который был пределом возможного для человека величайшего ума и творческой силы». Это трогательная дань уважения гениальнейшего ученого нашего времени своему гениальному предшественнику.

Центральным стержнем общей теории Эйнштейна является то, что получило название принципа эквивалентности.

Принцип эквивалентности не что иное, как ошеломляющее утверждение (Ньютон счел бы Эйнштейна безумцем), что тяжесть и инерция одно и то же. Это не просто похожие явления. Тяжесть и инерция — два различных слова для одного и того же явления.

Эйнштейн был не первый ученый, которого поразило странное сходство между гравитационным и инерционными явлениями. Представим себе, что пушечное ядро и маленький деревянный шарик падают с одной и той же высоты. Допустим, что вес ядра в сто раз больше, чем вес деревянного шарика. Это означает, что на ядро действует сила тяжести, в сто раз большая, чем сила, действующая на деревянный шарик. Легко понять причину, по которой враги Галилея не могли поверить, что эти шарики достигнут Земли одновременно. Мы теперь, конечно, знаем, что если пренебречь сопротивлением воздуха, то шары будут падать бок о бок. Чтобы объяснить это явление, Ньютон должен был предположить нечто очень удивительное. В той же степени, с какой тяжесть тянет вниз ядро, инерция ядра, сопротивляемость силе, его сдерживает. Действительно, на ядро действует сила тяжести в сто раз большая, чем на деревянный шарик, но инерция сдерживает ядро ровно в сто раз сильнее!

Физики часто выражают это другими словами.

Сила тяжести, действующая на предмет, всегда пропорциональна инерционной массе этого предмета.

Бели предмет А вдвое тяжелее предмета Б, его инерция также вдвое больше. Вдвое большая сила необходима для ускорения предмета А до той же конечной скорости, что и у предмета Б. Если бы это было не так, то предметы разного веса падали бы с разными ускорениями.

Очень легко вообразить себе мир, в котором нет пропорциональности между этими силами (инерции и тяготения). И действительно, во времена от Аристотеля до Галилея ученые представляли себе мир именно таким! Мы очень хорошо чувствовали бы себя в таком мире. Изменились бы условия в падающем лифте, но ведь мы не часто в нем оказываемся.

Как бы там ни было, мы имеем счастье жить в мире, где эти две силы пропорциональны. Впервые это показал Галилей. Удивительно точные опыты, подтвердившие открытие Галилея, были выполнены около 1900 г. венгерским физиком бароном Роландом фон Этвешем. Наиболее точная всесторонняя проверка была сделана несколько лет назад группой ученых Принстонского университета. С той точностью, которой они могли достигнуть, гравитационная масса (вес) всегда оказывалась пропорциональной инертной массе.

Ньютон, конечно, знал об этой удивительной связи между тяжестью и инерцией, связи, которая заставляет все предметы падать с одинаковым ускорением, но он никак не мог это объяснить. Для него эта связь казалась необычайным совпадением. За счет такого совпадения можно использовать инерцию таким образом, что гравитационное поле будет возникать и исчезать. В первой главе было рассказа но об искусственном поле тяжести, которое может быть создано в космическом корабле тороидальной формы (в виде бублика) простым вращением корабля как колеса. Центробежная сила будет прижимать предметы к внешнему краю. Вращая корабль с определенной постоянной скоростью, можно получить внутри корабля поле сил инерции с таким же действием, как и поле тяжести Земли. Прогуливающийся космонавт будет чувствовать себя как бы на кривом полу. Брошенные предметы будут падать на этот пол.

Дым будет подниматься к потолку. Все явления будут такими же, как и в обычном поле тяжести. Для иллюстрации этого положения Эйнштейн предложил следующий мысленный эксперимент.

Вообразите в космосе лифт, двигающийся вверх с постоянно нарастающей скоростью. Если ускорение постоянно и в точности равно ускорению падающего на землю предмета, то человек внутри лифта будет чувствовать себя так же, как и в гравитационном поле, в точности равном земному. Этим способом можно не только промоделировать тяжесть, но и нейтрализовать ее. В падающем лифте, например, ускорение вниз полностью ликвидирует влияние тяжести внутри кабины. Состояние с g = 0 (отсутствие тяготения) существует внутри космического корабля все то время, пока он находится в состоянии свободного падения, т. е. когда он движется только под действием сил тяжести. Невесомость, которую ощущали советские и американские космонавты в полетах вокруг Земли, объясняется тем, что их корабли находились в состоянии свободного падения, обращаясь вокруг Земли. Все время, пока ракетные двигатели космического корабля выключены, внутри корабля будет состояние с g = 0.

Замечательное соответствие между тяжестью и инерцией оставалось иеобъясненным до тех пор, пока Эйнштейн не создал общую теорию относительности.

Как и в специальной теории относительности, он предложил наипростейшую, наиболее смелую гипотезу. Вспомните, в специальной теории относительности Эйнштейн предположил, что причина, по которой мы не замечаем эфирного ветра, состоит в том, что нет никакого эфирного ветра. В общей теории относительности он сказал: тяжесть и инерция кажутся одним и тем же потому, что они являются одним и тем же.