Main menu:

«Реальная» ли сила гравитация?

Второй закон Ньютона гласит, что в инерциальной системе отсчета ускорение тела пропорционально приложенной силе.

Что означает «инерциальная система отсчета»? Это система, в которой ускорение каждого тела пропорциональноРадиотелескоп приложенной силе. Это определение не тавтология, как может показаться на первый взгляд. Предположим, что мы измеряем ускорение пробного тела в системе отсчета Е, о которой заранее нам ничего неизвестно. Предположим также, что нам известно, каким образом различные силы, которые могут здесь действовать, зависят от положения, скорости и физических свойств пробного тела. Тогда нетрудно вычислить приложенные к телу силы и, поставив соответствующий эксперимент, выяснить, можно ли приписать инертную массу всем пробным телам. Обычно этого сделать не удается. Однако, если теория Ньютона справедлива, мы должны иметь возможность исключить все остаточные ускорения, выбрав новую систему отсчета.

Обычно бывает нетрудно отличить «фиктивные» силы (т. е. силы, обусловленные движением системы отсчета) от реальных. Ускорение, обусловленное реальными силами, зависит от ряда физических свойств тела, на которое действуют силы, и его величина различна для разных тел. Например, ускорение, обусловленное электрическим полем, зависит от электрического заряда ускоряемого объекта. Поскольку объекты с одинаковой массой могут иметь различные электрические заряды, одно и то же электрическое поле сообщает разным телам различное ускорение. Ускорение, обусловленное фиктивной силой, не зависит от физических свойств тела и определяется лишь его положением и скоростью.

Вспомним теперь, что гравитационное ускорение тел также зависит лишь от их положения и не зависит от массы или каких-то других физических свойств. Галилей проверил этот закон двояким образом: сбрасывая с Пизанской башни тела разного веса и состава, а также замечая, что период колебаний маятника не зависит от веса или состава гири. Ньютон в свою очередь установил, что третий закон Кеплера, связывающий диаметры планетных орбит и орбитальные периоды, вытекает из закона обратных квадратов, если предположить, что гравитационное ускорение планет не зависит от их физических свойств.

В 1889 г. Лоранд фон Этвеш поставил эксперимент по проверке закона Галилея. Предположим, что гравитационное ускорение куска дерева отличается от гравитационного ускорения куска платины, но их центробежные ускорения во вращающейся системе отсчета должны быть одинаковыми. Следовательно, результат совместного действия гравитационного и центробежного ускорений не может быть одинаковым для этих двух тел. Отсюда вытекает, что на поверхности вращающейся Земли в средних широтах результирующие ускорения грузов из дерева и платины будут отличаться и по величине, и по направлению. Если поместить грузы на архимедовы весы, то проволока, из которой сделано коромысло весов, должна испытывать малый вращающийся момент, когда грузы уравновесятся. Опыт, поставленный Этв-шем, позволил измерить этот вращающийся момент с очень высокой точностью. Оказалось, что гравитационная масса совпадает с инертной с относительной точностью

Законы Галилея навели Эйнштейна на мысль, что гравитация - это фиктивная сила, т. е. она обусловлена ускорением системы отсчета, в которой сила измеряется. Придерживаясь такой точки зрения, Эйнштейн был вынужден изменить ньютоновское определение инерциальной системы отсчета. Поскольку гравитационное ускорение равно нулю в начале координат любой свободно падающей невращающейся системы отсчета, мы должны считать все свободно падающие невращающиеся системы отсчета инерциальными, хотя, вообще говоря, любые две такие системы движутся относительно друг друга с ускорением! Далее мы узнаем, как Эйнштейну удалось устранить это противоречие.

Предложенное Эйнштейном толкование закона Галилея кажется на первый взгляд чрезмерно сложным. Не удивительно, что Эрнст Мах, который рассматривал физические законы лишь как «экономный способ» обобщения экспериментальных результатов, резко критиковал теорию Эйнштейна. Но Эйнштейн был убежден, что, несмотря на кажущуюся сложность, его подход к гравитации более прост с фундаментальной точки зрения и, следовательно, ближе к истине, чем подход Ньютона. Более того, из такой трактовки гравитации вытекали следствия, которые Эйнштейн продемонстрировал с помощью простого мысленного эксперимента, касающегося поведения света в гравитационном поле.