Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Тогда стало возможным утверждать, что и гравитация, и инерция не принадлежат отдельным телам, а являются следствием взаимодействия масс этих тел с массой всей остальной Вселенной.

Если космический корабль начинает с ускорением двигаться вперед, члены экипажа чувствуют давление инерции, вдавливающее их в корму. Но предположим, что члены команды корабля настаивают, что они оставались в покое. Тогда они объяснят, что их наблюдения за Вселенной говорят о том, что звезды и галактики за бортом корабля с ускорением движутся назад. Ускоряющееся движение назад далеких тел Вселенной тянет назад и членов экипажа, оказывая на них инерционное воздействие, в точности как было бы, если бы Вселенная находилась в покое, а корабль с ускорением двигался вперед.

Короче, воздействие инерции не может служить доказательством того, что корабль «действительно» ускоряется. Ведь тот же самый эффект наблюдался бы, если бы ускорение получил не он, а вся остальная Вселенная. Эти инерционные эффекты могут демонстрировать только относительное неоднородное движение: или неоднородное движение корабля относительно Вселенной, или неоднородное движение Вселенной относительно корабля. Способа выяснить, какое из этих двух движений «реально», не существует.

Можно также задать вопрос, «действительно» ли Земля вращается. Большую часть человеческой истории Земля считалась неподвижной, поскольку казалась неподвижной. После того как было проделано много интеллектуальной работы, ее вращение было продемонстрировано к удовлетворению всех ученых и тех неученых, кто внял аргументам или готов был прислушаться к мнению авторитетов. Но вращается ли она «на самом деле»?

Один из аргументов в пользу вращения Земли основывается на том, что она растянута по линии экватора. Это объясняется эффектом центрифуги, который имеет в своей основе вращение. Если бы Земля не вращалась, не было бы эффекта центрифуги и Земля не была бы растянута в плоскости экватора. Именно существованием этого растяжения часто доказывают «реальность» вращения Земли.

К этому аргументу стоило бы прислушаться, если бы Земля была во Вселенной одинока, но ведь это не так. Если посчитать Землю неподвижной, то можно было сказать, что это Вселенная со всей своей огромной массой быстро вращается вокруг Земли. Воздействие этой огромной вращающейся массы приводит к растягиванию Земли в плоскости экватора — точно так же, как если бы Земля вращалась, а Вселенная была бы неподвижна. Все эффекты вращения можно с одинаковой уверенностью объяснять в любой системе отсчета.

Можно также утверждать, что если бы Земля была неподвижна, а вся остальная Вселенная вращалась бы вокруг нее, то далекие звезды, для того чтобы двигаться по своим гигантским орбитам, преодолевая их всего за 24 часа, должны двигаться со скоростью во много раз выше световой. Из этого можно сделать вывод, что вращение Вселенной вокруг Земли невозможно, а следовательно, «действительно» вращается Земля, а не Вселенная. Однако если рассматривать Вселенную как вращающуюся вокруг Земли, а далекие звезды — движущимися на больших скоростях, то сокращение Фитцджеральда уменьшит расстояния, которые им приходится преодолевать до таких, на которых их скорости будут меньше скорости света.

Конечно, может возникнуть вопрос, что вряд ли разумно предполагать, что вся Вселенная вращается вокруг Земли, — гораздо естественнее представить себе, что это вращение Земли приводит к кажущемуся вращению Вселенной. Таким же образом, гораздо разумнее считать, что это космический корабль движется с ускорением вперед, чем что вся Вселенная движется с ускорением назад мимо одного неподвижного корабля.

Это совершенно верно и проще принять за данность, что это именно Земля вращается (или что это именно корабль движется), и астрономы будут продолжать настаивать на этом, несмотря на догматы относительности. Однако теория относительности не утверждает, что одна система отсчета не может быть проще или полезнее, чем другая, а лишь то, что одна система отсчета не более правомочна, чем любая другая.

Представим, что иногда Земля считается неподвижной только потому, что так проще. Бросая мяч, бейсболист никогда не думает о вращении Земли. Поскольку и он сам, и мяч, и игрок с битой, ждущий мяча, все вместе движутся вместе с Землей, как бы она ни двигалась, то для подающего проще считать Землю неподвижной и рассчитывать силу и направление броска, исходя из этого. Для него система отсчета с неподвижной Землей полезнее, чем система отсчета с вращающейся Землей, но это не делает систему отсчета с неподвижной Землей более правомочной.

В своей общей теории Эйнштейн обновил и концепцию гравитации. Ньютон считал, что раз Земля вращается вокруг Солнца, то между ними должна существовать сила взаимного притяжения. Эйнштейн же показал, что вращение Земли вокруг Солнца можно объяснить через геометрию пространства.

Представим аналогию. Подающий посылает мяч для гольфа катиться по лужайке по направлению к лунке. Мяч ударяется о край лунки и падает в нее. Однако, если он движется слишком быстро, он прокрутится вдоль стенки лунки и выкатится с другой стороны в новом направлении. Он немного покружился вокруг середины лунки, но никто же не предположит на основе этого, что между мячом и серединой лунки есть сила притяжения.

Давайте представим совершенно ровную, лишенную трения поверхность бесконечной протяженности. Мяч, по которому ударяет клюшка, будет вечно катиться по ровной прямой линии.

Но что, если покрытие неровно, если на нем есть кочки и ямки? Траектория мяча, прокатившегося по краю кочки, будет искривлена по направлению от центра ямки. Траектория мяча, прокатившегося по краю ямки, будет искривлена по направлению к центру ямки. Если ямки и кочки по какой-то причине невидимы и обнаружить их невозможно, то нас могут озадачить случайные отклонения шаров от прямолинейного движения. Мы может предположить, что существуют невидимые силы притяжения или отталкивания, толкающие шар туда и сюда.

Предположим, на такой лужайке есть конусообразная ямка с крутыми стенами. Тогда можно представить, что мяч для гольфа принимает замкнутую орбиту по стенкам этой воронки, как бобслей, бесконечно кружащийся по округлой насыпи. Если бы имелось трение, кружащийся шар терял бы кинетическую энергию и мало-помалу упал бы на дно воронки. В отсутствие трения он будет сохранять свою орбиту.

Эйнштейновское понятие о гравитации представляет очень похожую картину. Пространство-время имело бы здесь четырехмерную аналогию плоской лужайки, если бы оно было свободно от материи. Материя же, однако, производит «ямки»; чем более массивна материя, тем глубже «ямка». Земля движется вокруг Солнца, как будто она кружится по краю углубления. Если бы в космосе было трение, она бы медленно сдвигалась к центру «ямки» (то есть по спирали падала бы на Солнце).

В отсутствие трения она неопределенно долго сохраняет свою орбиту. Эллипс, по которому движется Земля, демонстрирует, что ее орбита по краю «углубления» не является совершенно ровной по плоскости четырехмерной площадки (иначе орбита была бы круговой). Небольшой наклон орбиты приводит к небольшой эллиптичности, а больший наклон — к большей эллиптичности. Именно эти «ямки», производимые присутствием материи, привели к понятию об искривленном пространстве.