Глеб Анфилов - Бегство от удивлений

Простите меня, Люда, но я не мыслю жизни без вас и вот решился увезти вас в надзвездные края.

Наглец! — воскликнула красавица, дала Черномору звонкую пощечину и тут же закричала в свой радиоперстень:— Алло, Руслан! Учти, что меня украли...

Напрасно. Земля была уже в ста миллионах километров (можете проверить по формуле Галилея S=gt 2/2 а заодно решить, не нужны ли релятивистские формулы) .

Руслану пришлось, очевидно, самому гадать, где искать похищенную подругу. Как он это делал — спросите у фантастов. Им, я думаю, подсказана неплохая завязка для романа.

Нам с вами интереснее другое. Опять произошло нечто хоть и удивительное, но более или менее привычное: не удалось отличить движение от покоя. Почему же? Может быть, Людмила не сумела? Будь она физиком и отнесись к делу внимательнее, смогла бы она в закрытой комнате с достоверностью обнаружить равномерно-ускоренное движение и отличить его от земного (в условиях тяжести) покоя? Каким образом, каким прибором, в каком эксперименте?

Испробуем механику. Пусть Людмила построит в своей комнате миниатюрную Пизанскую башню и сбросит с нее пушечное ядро и мушкетную пулю. Как они будут падать?

С точки зрения ньютоновской физики, они вообще не будут падать. Они полетят равномерно по инерции с той «абсолютной» скоростью, с какой в момент сбрасывания летела ракета Черномора через «абсолютное» пространство. А поскольку ракета летит не равномерно, а с ускорением g, пол комнаты, где находится пленница, очень скоро нагонит ядро и пулю. Если пренебречь сопротивлением воздуха, времени на это понадобится ровно столько, сколько надо для падения ядра и пули с той же высоты под действием земного тяготения. Считая себя неподвижной, Людмила зарегистрирует обыкновенное падение — точно такое же, какое бывает на Земле. А поэтому похищенная красавица не сможет узнать, движется она или пребывает на Земле в неподвижности.

Что ж, раз механика не сработала, испробуем оптику. Тут как будто есть надежда на успех, ибо ракета разгоняется (в равномерно и прямолинейно движущейся системе надежды на успех нет, потому что скорость света не зависит от скорости светового источника).

Пошлем тонкий луч света параллельно полу, от одной стены комнаты к другой. Пока световые волны пробегут комнату, она, благодаря ускорению вверх, поднимется чуть-чуть больше, чем если бы ускорения не было. Волны же этого ускорения (вверх) не получат—- и поэтому на противоположной стене они окажутся, можно думать, немножечко ниже, чем при равномерном движении или покое. Вот оно, свидетельство ускорения, да?

Ничуть не бывало. Луч несет энергию, следовательно, и массу (свет не имеет массы покоя, но имеет массу движения — вспомните предыдущую главу). Масса же обязана притягиваться к Земле. Вот и выходит, что не только в ракете, но и в комнате на Цветном бульваре световой луч отклонится книзу, к полу. В ускоренно поднимающейся комнате — потому, что сам пол, разгоняясь, приблизится к равномерно летящим световым волнам. В неподвижной — потому, что световые волны станут падать под действием силы тяжести — словно пули, выстреленные параллельно горизонту. Наша Людмила (неподвижный относительно комнаты наблюдатель) всякий раз отметит не прямой, а изогнутый путь луча.

Свет не помог. Опять невозможно установить движение!

Вывод странен: ускоренное движение равноправно с покоем в поле тяготения. Механическим и оптическим экспериментами изнутри системы отсчета не удалось предпочесть одно другому.

Этот мысленный эксперимент — начало общей теории относительности.

Вот небольшое сомнение.

Можно подумать так. Обман Людмилы, предпринятый Черномором, удался благодаря исключительно плавному, строго равномерному ускорению ракеты. Неравномерное ускорение — тряска и толчки — немедленно указало бы, что ракета движется. Удар, встряска — значит, нарушился относительный покой в мчащейся комнате, что тотчас отметят и механические и оптические приборы, да и человеческие ощущения.

Верно. Людмилу насторожили бы толчки. Возможно, она догадалась бы, что дело неладно, потому что с детства привыкла к постоянству земного тяготения.

Но это отнюдь не подрывает вывода, сделанного Эйнштейном. Ибо привычка к постоянству тяготения — чисто житейская. Нам с вами, не космонавтам, никогда не случалось, сидя на стуле, вдруг почувствовать, что тяжесть стала меньше или больше (во время землетрясений, наверное, ощущение похоже, да еще в лифте, в самолете; но там-то мы наверняка знаем, что движемся).

Физик же, заключенный в закрытой ракете, ощутив толчки, должен заглушить в себе голос привычки. Тогда он вправе дать два совершенно противоположных объяснения. Или произошло изменение ускорения. Или толчок вызван изменением силы тяжести. И опять-таки никакими опытами, никакими измерениями он не сумеет отдать предпочтение одному из этих вариантов.

Вообразите физическую лабораторию, устроенную внутри футбольного мяча. Крошечные лаборанты (например, какие-нибудь фантастические жуки или муравьи) не знают, что происходит снаружи. То ли мяч скачет по полю под ударами игроков (тогда толчки и перегрузки вызваны ускорениями), то ли мяч неподвижен, но в нем происходит пляска тяготения (тогда толчки вызваны быстро меняющимися силами тяжести).

С точки зрения классической механики лаборатория в мяче и ракета Черномора были ареной игры сил инерции. По Ньютону, никаких изменений тяготения там не было. Уместен и обратный пример, в котором ньютонианец нашел бы действие не инерции, а тяжести.

Придумал такой пример сам Эйнштейн. Это падающий лифт.

Оборвался канат, кабинка лифта стремглав падает, влекомая земным тяготением. В конце концов она достигает дна шахты — и наступают печальные последствия.

Если вы достаточно хладнокровны, чтобы размышлять на научные темы в падающем лифте, то можете, по Эйнштейну, считать себя неподвижным. Это засвидетельствуют и механические и оптические опыты. Они зарегистрируют идеальную невесомость и строго прямолинейное распространение светового луча — как в далеком космосе, в ракете, которая летит без ускорений, по инерции. Или по инерции же пребывает в покое (что, конечно, изнутри неотличимо от прямолинейного равномерного движения).

Прежде инерция была сведена к тяготению. Ускорением мы создали тяжесть. Теперь же, наоборот, тяготение сведено к инерции. Ускорение ликвидировало тяжесть.

Итак, Эйнштейн считает равноправными две системы отсчета: ракету, неподвижную в поле земного тяготения, и ракету, летящую вне поля тяготения с ускорением g. Либо лифт, покоящийся или равномерно летящий в глубинах космоса вне полей тяготения, и лифт, который свободно падает в поле тяжести. Основание для такого заключения дал высший судья физических высказываний — его величество эксперимент.