Сила притяжения и принцип эквивалентности
Сила притяжения и принцип эквивалентности

Теперь мы готовы обсуждать законы тяготения. Эйнштейн пытался создать теорию тяготения, которая согласовывалась бы с разработанной им ранее теорией относительности. Он приложил много усилий, пока не нашел один важный принцип, позволивший ему найти правильные законы. Этот принцип основан на идее, что при свободном падении какого-либо тела всё, находящееся внутри него, оказывается в невесомости. Например, спутник на орбите находится в свободном падении под действием земного притяжения, и находящийся в нем астронавт ощущает себя невесомым. Эта мысль, сформулированная более точно, называется принципом эквивалентности Эйнштейна. Это связано с тем, что все объекты падают с одним и тем же ускорением, независимо от их массы и от вещества, из которого они сделаны. Если космический корабль находится в свободном падении, и внутри него находится человек, то законы, управляющие падением человека и корабля, одни и те же. Поэтому, если человек забрался внутрь корабля, то он и остается там. Он не падает относительно корабля. Именно это мы имеем в виду, когда говорим о «невесомости».

Теперь предположим, что вы находитесь в космическом корабле, который ускоряется. Ускоряется относительно чего? Давайте будем просто говорить, что включены двигатели корабля, создающие тягу, так что корабль уже не находится в свободном падении. Предположим также, что он находится в пустом пространстве, так что на корабль практически не действуют силы притяжения. Если корабль имеет ускорение «lg», то вы можете стоять на «полу» и ощущать свой нормальный вес. Если вы подбросите мяч, он «упадет» на пол. Почему? Потому что корабль ускоряется «вверх», но на мяч никакие силы не действуют, и он не ускоряется; он начинает отставать. Внутри корабля кажется, что мяч имеет ускорение «lg», но направленное вниз.

Теперь сравним это с ситуацией, когда космический корабль находится не в полете, а стоит на поверхности Земли. Всё то же самое! Вас так же прижимает к полу, мяч так же падает с ускорением «lg» и так далее. Действительно, как вы можете сказать, находясь внутри корабля, стоите вы на Земле или ускоряетесь в свободном космическом пространстве? Согласно принципу эквивалентности Эйнштейна это невозможно определить, если производить наблюдения только за объектами, находящимися внутри!

Если говорить строго, это утверждение верно только для одной точки внутри корабля. Поле сил тяготения Земли не совсем однородно, поэтому свободно падающий мяч имеет различные ускорения в различных точках — меняются и его направление и его величина. Но если мы представим себе однородное поле притяжения, то его можно в точности имитировать системой с постоянным ускорением. Такова основа принципа эквивалентности.