Архив рубрики: Как изготовить тяжесть

Тяготение как ускорение

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.

Черномор-космонавт

XXI век. Некая красавица, по имени Людмила, вы­ключает стереоскопический цветной телевизор, повора­чивается на правый бок и сладко засыпает в своей ма­логабаритной квартире на Цветном бульваре. Во время сна ее похищает влюбленный, но без взаимности, кос­мический пришелец Черномор. Осторожно переносит в ракету и улетает прочь с Земли. Допускается, что у Людмилы очень крепкие нервы и она не просыпается от грохота и перегрузок во время старта.

Однако через пять-шесть часов она должна-таки проснуться. Черно­мор этого не хочет, и не без причин. Дело в том, что у Людмилы есть знакомый, по имени Руслан, который служит в Московской радиоастрономической обсерва­тории. Людмила к нему неравнодушна и даже приня­ла от него подарок — перстень, в который вделан ма­ленький транзисторный радиопередатчик. Снять радио­перстень с пальца красавицы Черномор не посмел — боялся разбудить. Вот он и опасается, что, проснув­шись и узнав о похищении, Людмила воспользуется перстнем, пошлет Руслану сигнал тревоги, и тогда не избежать погони и других осложнений.

Ради страховки от таких неприятностей Черномор предпринял широко задуманную мистификацию. Во-первых, пассажирскую кабину ракеты превратил в точное подобие Людмилиной спальни — от трещин в паркете до мастерски декорированного московского дворика за окном. Во-вторых (и это главное!), ракета непрерыв­но ускорялась вверх. Ускорение было идеально плавным и составляло точно 9,81 метра в секунду за секунду. То есть равнялось g — ускорению свободного падения у земной поверхности.

И вот Людмила проснулась. Потянулась, соскочила с постели, попрыгала, мурлыкая песенку про черного кота (она любила старинную музыку), и взглянула на часики с маятником, висевшие на стене. Маятник при­лежно качался, стрелки показывали восемь. Людмила вспомнила, что сегодня воскресенье, а значит, не надо бежать на работу. И она юркнула под одеяло...

Черномор и на этом строил свой коварный расчет — он знал, что в воскресенье красавица встает около одиннадцати.

А ракета мчалась все дальше.

Через полчаса она ушла из зоны, подвластной земной администрации.

Догадаться о своем незавидном положении Людми­ле удалось слишком поздно. Проснувшись около один­надцати, она накинула халатик и отправилась было в ванну, но обнаружила за дверью комнаты внутреннюю обшивку звездолета, иллюминатор с черным небом и бледного Черномора, робко лепетавшего:

— 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

2016-01-24 20-39-08 Скриншот экрана, 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.

Тяжесть проще табуретки

Вы знаете, что такое кухонная табуретка? Вероятно, знаете. А как вы докажете, что знаете?

Можно, конечно, пуститься в многословные объяс­нения: это-де мебель, на которой сидят, она имеет че­тыре ножки, но не имеет спинки и т. д. Можно, кроме того, нарисовать табуретку, приложить к чертежу хими­ческий анализ ее материала, таблицу удельного веса разных деталей и еще кучу документов. Все это не по­мешает.

Но лучшим доказательством будет дело. Практика! Сработайте своими руками добротную, прочную, устой­чивую табуретку — и любой скептик признает: да, вы до тонкостей знаете ее «внутреннюю сущность».

Если кто-нибудь похвастает, что знает, в чем заклю­чается внутренняя сущность тяготения, ради проверки попросите его сделать это самое тяготение без услуг Земли, Луны или Солнца. И, несмотря на то, что тяго­тение — не табуретка, а нечто более сложное, знающий человек изготовит его моментально. Ему не потребует­ся для этого ни досок, ни гвоздей, ни клея. Он просто взмахнет рукой.

Вот ладонь. На ладони лежит пятачок. Пятачок ве­сит пять граммов. Я резко, с ускорением поднимаю ла­донь. Чувствую, что пятачок сильнее на нее надавил. Значит, он стал больше весить. Утверждаю: ускорен­ным движением ладони я создал добавочное тяготение (это, как видите, гораздо проще, чем сколотить табу­ретку) .

Вы, конечно, возражаете: никакое это не тяготение. Это инерция. Перегрузка — как у взлетающих космо­навтов. Пятачок не сразу поддался ускорению— ведь, кроме тяжелой, в нем есть инертная масса.

Возражение естественное. Оно полностью согласует­ся с механикой Ньютона, с первой частью этой книжки и со школьным курсом физики. Но я настаиваю на сво­ем. И прошу вас доказать ваше опровержение не толь­ко словами, но и делами. То есть опытом.

Очень просто: надо экспериментом отличить инер­цию от тяжести.  Например, в следующей научно-фанта­стической ситуации.

Сотая Олимпиада

Сотые Олимпийские игры будут в 2292 году. Это я рассчитал точно по календарю. Но где их проведут? Тут — целая проблема. Очень может быть, что по этому вопросу в организационном комитете произойдет ожив­ленная дискуссия, а то и перепалка.

Обитатели Земли захотят, чтобы игры состоялись на Земле. Жители Луны предложат, естественно, Луну; марсиане — Марс, венериане — Венеру и т. д. К тому времени люди или созданные ими роботы (не уступаю­щие, быть может, человеку в спортивном мастерстве) поселятся на многих планетах Солнечной системы, и всякий будет звать к себе олимпийских гостей, потому что, я думаю, настанет эра всеобщего гостеприимства. И еще потому, что на родной планете бегать, прыгать и играть в разные подвижные игры удобнее, чем на чу­жой— хотя бы из-за привычной силы тяжести. Лунно­му жителю на Земле в шесть раз труднее двигаться, чем у себя дома.

Как же решится спор? Как помирить противоречия и соблюсти равноправие участников? Где состоятся игры?

Из сегодняшней старины, за 325 лет до Олимпиады № 100, я решусь дать совет членам подготовительного комитета: лучше всего, уважаемые прапрапраправнуки, если вы организуете игры на нейтральной территории, свободной от вещества,— где-нибудь в космосе, причем подальше от планет и Солнца.

Я слышу из будущего сердитое возражение:

— Но в космосе нет тяжести! Как же без тяжести прыгать, бегать, поднимать штанги?

Тяжесть можно изготовить, уверяю вас. Любую, и сильную и слабую, на всякий вкус, по потребностям каждого спортсмена — и селенита, и марсианина, и зем­лянина.

— Как это «изготовить»? Что еще за тяжесть без земного, лунного, солнечного притяжения? Подделку, наверное, предлагаете?

Никакую не подделку. Не суррогат, не фальсифика­цию, а самую настоящую тяжесть. На следующих стра­ницах я берусь убедить вас, что это вполне возможно, и объясню, какие потребуются технические средства.

— Ну ладно, объясняйте,— говорят мне прапрапра­правнуки, члены подготовительного комитета сотых Олимпийских игр.

Возражения и реплики из будущего были посланы, надо полагать, со скоростью, превышающей скорость света,— поэтому и прибыли ко мне на триста с лиш­ним лет раньше, чем были посланы. А так как сие не­возможно, то приведенный выше разговор мне, надо по­лагать, приснился или померещился. Тем более, что через триста лет сведения, которые я намереваюсь сооб­щить ниже, будут наверное, известны школьникам треть­его класса.

Еще воспоминание и обещание

Вы не забыли, от какого удивления мы намеревались убежать в начале этой книжки? От удивления падению. Падению ядер, пуль, пушинок. Нам очень хотелось по­нять внутреннюю сущность земного тяготения: как это оно действует через пустоту, почему одинаково ускоряет тела разного веса? Мы, кажется, довольно скоро поняли, что задача не из легких. На вопрос «Почему тяготение действует через пустоту?» ответа не нашлось. На вопрос «Почему тополиная пушинка и пушечное ядро в безвоз­душной среде получают от тяготения равные ускорения?» ответ был добыт, но не очень вразумительный. Пришлось допустить, что во всяком теле существуют две массы — тяжелая и инертная и что они с беспредельной, абсо­лютной точностью одинаковы.

Равенство тяжелой и инертной масс выглядело в фи­зике Ньютона чистой случайностью. Отсюда следовал неправдоподобный вывод: космический порядок звезд­ных и планетных движений, весь гармоничный хоровод светил держится на совпадении! Удивительно! Просто невероятно!

Дабы убежать от этого удивления, мы углубились в физику. Разобрались в странностях распространения света, через серию промежуточных удивлений проникли в мир Эйнштейна, дошли до относительности времени, расстояний, до великого закона эквивалентности массы и энергии.

По ходу дела мы без стеснения пользовались, если было нужно, равенством тяжелой и инертной масс. Но этим вносили, как по аналогичному поводу выра­жался Эйнштейн, натяжку в рассуждении, ибо старое сомнение отнюдь не было разрешено. Все разговоры о том, что энергия имеет вес, вытекают из замены инерт­ной массы на тяжелую. А это и есть натяжка.

И вот я с радостью сообщаю вам: настало время избавиться от недоумений по поводу «случайного» ра­венства тяжелой и инертной масс. Мы уже почти гото­вы к обсуждению внутренней сущности тяготения, го­товы к заключительному этапу бегства от удивления одинаковой быстроте падения мельничных жерновов и тополиных пушинок. И даже от удивления «действию без прикосновения».

Все эти простые и вместе с тем фантастически сложные загадки решаются в тонкой и глубокой обла­сти современного физического знания, которая именует­ся общей теорией относительности. Она охватила уни­версальным принципом относительности не только рав­номерные и прямолинейные, но и ускоренные движения, и гравитационные явления. В ней признаются законны­ми, годными для физики, все системы отсчета, а не только инерциальные.

Общая теория, опубликованная Эйнштейном в 1916 году, сразу привлекла к себе пристальное внима­ние! Ее широта и смелость поразили физиков еще боль­ше, чем парадоксальная новизна частной теории (т.е. теории, касающейся равномерных и прямолинейных движений). По­ныне существует мнение, что общая теория обогнала естественный прогресс науки (об этом говорил и сам Эйнштейн). Поныне вокруг нее не смолкают споры, строятся разные толкования ее идей.