Тяготение, кванты и ударные волны. Силы тяготения и силы инерции. Геометрия искривленного мира и закон тяготения, страница 2

При этом выводе использован результат Галилея: сравнивалось ускорение Луны и маленького искусственного спутника. Иначе говоря, Ньютон предположил, что любой спутник, помещенный на орбиту Луны, будет обладать тем же ускорением свободного падения, что и Луна, и наоборот. А это и значит, что сила тяжести, действующая на тело, пропорциональна его массе.

То, что инертная масса входит в силу взаимодействия, всегда несколько удивляло физиков, но состояние научной мысли в целом не позволяло до Эйнштейна извлечь отсюда естественные выводы о природе тяготения.

Исходным для Эйнштейна послужило то обстоятельство, что существуют силы иной природы (не обязанные взаимодействию), которые тоже не зависят от массы тела. Речь идет о силах инерции. Эти силы известны каждому из повседневной жизни, пожалуй, не хуже, чем сила тяжести. Все, ездившие в поезде или в автомобиле, прекрасно знают, что в момент остановки ощущается толчок, тем более сильный, чем резче было торможение. Легко понять, чему обязан этот толчок: вагон тормозится, а пассажир продолжает свое движение по инерции, пока сам не сумеет затормозиться каким-нибудь способом, например ударившись о переднюю стенку или ухватившись за что-нибудь рукой. Таким образом, вагон испытывает ускорение относительно Земли, а пассажир, стремясь продолжать свое движение, тем самым ускоряется относительно вагона.

Хотя сила инерции и не фиктивна, можно говорить о физическом различии между силой инерции и силами взаимодействия. Пусть, например, два железных шара, большой и маленький, прикреплены к стенке вагона двумя одинаковыми пружинами (рис. 29). Если растянуть эти пружины на одинаковую длину и отпустить, то .ускорения шаров будут обратно пропорциональны их массам. Но те же два шара, не прикрепленных к стенке пружинами, при внезапной остановке поезда ускоряютсясовершенно одинаково, что вполне очевидно. В этом-то и заключается главное различие между силами инерциии взаимодействия. Одна сила взаимодействия также сообщает телам одинаковые ускорения независимо от их массы — это сила притяжения тел к Земле. Все другие силы взаимодействия — упругие, электрические, магнитные, сопротивление среды движению тела — этим свойством не обладают.

Сходство силы тяготения с силами инерции — независимость сообщаемых ими ускорений от массы тел — дает ключ к тому широчайшему обобщению ньютоновской механики, которое известно под названием общей теории относительности Эйнштейна.

Можно осуществить условия, при которых сила инерции и сила тяготения будут неотличимы. Представим себе совершенно закрытый вагон, который движется по горизонтальному полотну дороги с постоянным ускорением (рис. 30). В таком вагоне ответ будет отклоняться от направления, которое мы на Земле называем вертикальным. Равнодействующая сила инерции и силы тяжести отклонит отвес к задней стенке вагона. В вагоне все будет так, как если бы вагон поднимался с постоянной скоростью в гору, а величина силы тяжести равнялась бы сумме действительной силы тяжести и силы инерции в ускоренном, но горизонтально движущемся вагоне (понятно, что надо брать геометрическую сумму векторов). Так как в обоих случаях все тела получают совершенно одинаковые ускорения, нельзя узнать, что происходит с вагоном на самом деле: движется он равномерно в гору при увеличенной силе тяжести или ускоренно — по ровному месту, если пользоваться только приборами, регистрирующими вес, и не знать подлинной величины силы притяжения к Земле. Если за окнами будет темно, то никакого способа различить силы нет. Сила притяжения к Земле и сила инерции проявят себя как физически тождественные.