Квинтэссенция. Книга первая - Ирина Львовна Радунская

Если бы небо было всегда затянуто непроницаемыми облаками, не позволяющими наблюдать Солнце и звезды, исследователь мог бы на основании закона Бэра установить факт суточного вращения Земли. При этом физик, знакомый с законами Ньютона, должен был бы попросту учесть течение воды и возникающую при этом силу инерции — Кориолисову силу.

Закон Бэра — не единственная возможность подтвердить факт вращения Земли без помощи наблюдения небесных светил. Еще в 1851 году француз Фуко проделал опыт, подтвердивший реальное существование сил Кориолиса и показавший факт суточного вращения Земли.

Для этого Фуко подвесил под куполом Пантеона в Париже маятник — чугунный шар весом в 28 кг, прикрепленный к куполу стальной проволокой длиной в 67 м. Под маятником был сооружен круглый помост, на краю которого был насыпан валик из песка. Перед началом опыта шар отводили в сторону за пределы площадки и закрепляли тонкой веревкой. Затем ее пережигали, что обеспечивало отсутствие случайного бокового толчка. При каждом колебании острие, прикрепленное к шару, прочерчивало на песке новую черту.

Ровно через сутки маятник, описав полный круг в направлении, обратном вращению Земли, возвращался к первой черте.

Опыт Фуко неоднократно повторяли. Так недавно в Исаакиевском соборе (тогда еще в Ленинграде) был подвешен маятник длиной в 98 м.

Если вместо острия прикрепить к шару сосуд с краской, вытекающей тонкой струйкой или каплями, на помосте, под качающимся маятником постепенно появится виньетка, образованная множеством «лепестков», контуры которых слабо изогнуты вправо по отношению к движению маятника.

Любителям головоломок можно предложить любопытную задачу. В кабине лифта висит маятник — груз. Он закреплен на стержне, который может легко вращаться вокруг гвоздя, вбитого в стену кабины.

Толкнем груз, чтобы он начал качаться. В момент, когда качающийся груз проходит точно под гвоздем, трос, удерживающий кабину, обрывается. Кабина начинает падать с постоянным ускорением, как любой предмет, падающий на Землю.

Как определить дальнейшее движение маятника?

Описать движение этого маятника, «глядя на него со стороны», то есть учитывая движение падающей кабины, очень сложно. Не советуем тратить на это время и силы.

Гораздо проще подойти к решению, вообразив себя находящимся в падающей кабине. Так как для нас кабина неподвижна, то мы должны пополнить традиционные законы Ньютона силой инерции, направленной вверх и уравновешивающей притяжение Земли. При этом сумма сил, действующих на нее, на нас и на груз маятника, равна нулю. Но груз в начальный момент имел скорость, перпендикулярную к вертикали, а подвес удерживает груз на постоянном расстоянии от гвоздя. Значит груз маятника изменяет только направление, но не величину скорости. Поэтому (если пренебречь трением) груз будет равномерно вращаться вокруг гвоздя.

Вот простой ответ, не требующий обращения к математике. Его простота обеспечена учетом силы инерции, действующей в падающей кабине и компенсирующей действие силы тяжести.

Теперь ясно сколь сложно описать это движение, считая себя неподвижно стоящим на Земле. Для неподвижного наблюдателя груз маятника оказывается движущимся по сложной кривой линии, форма которой непрерывно изменяется. Причем изменение ее формы со временем происходит все быстрее (и, что то же самое, с удалением от точки, где груз был в начале падения).

Все, о чем здесь рассказано, происходит в обычных условиях, с предметами, движущимися при скоростях, малых по сравнению со скоростью света. Для того, чтобы разобраться в существе дела не нужно выходить за пределы законов Ньютона, за пределы классической механики. Теория относительности Эйнштейна здесь совершено не нужна. Требуется лишь учесть действие сил инерции, неизвестных Ньютону.

Все задачи о медленных движениях были успешно решены последователями Ньютона.

Но время от времени возникали споры и недоразумения. Причина их возникновения стала ясной только после того, как ученые осознали сущность Теории относительности. Поняли важность правильного подхода к процессу измерения. Усвоили глубокое различие между инерциальными системами, в которых справедлив принцип относительности Галилея, и системами, где он не применим.

Новым стало и осознание глубокого различия, связанного с неоднозначным пониманием слов «силы инерции». Одного — унаследованного от Ньютона, от его взгляда на пространство как на вместилище предметов и явлений, как на неизменное и единственное «абсолютное пространство».

И другое понимание «сил инерции» — как сил, необходимых для сохранения идей Ньютона, законов Ньютона в условиях, когда следует отказаться от веры в существование «абсолютного пространства» и производить измерения в условиях, где принцип относительности Галилея теряет силу.

Именно в этих случаях необходимо учитывать важную роль изменений скоростей (то есть роль ускорений) и вводить силы инерции, позволяющие и в этих условиях пользоваться законами Ньютона.

Силы инерции в их втором, не ньютоновом, понимании возникают не вследствие деформаций предметов. Они реальны, но причина их возникновения кажется с первого взгляда весьма таинственной.

Для объяснения происхождения этих сил была предложена гипотеза: источником неньютоновых сил инерции является совокупность всех масс Вселенной, всех звезд и галактик, всех газовых туманностей и облаков холодной пыли. Эти силы инерции возникают, как реальные силы, когда опыт ставится на объекте, движущемся с ускорением по отношению к остальной Вселенной.

Эта гипотеза, по существу, предполагает, что пространство, в котором совокупность неподвижных звезд действительно неподвижна, является именно тем, что Ньютон назвал абсолютным пространством.

Такая гипотеза выглядит довольно странной и в течение долгого времени вызывала глубокие дискуссии. Она стала ненужной после создания Общей теории относительности. Новая теория объяснила все результаты опытов и привела к изменению взглядов на абсолютное пространство, сформулированных Ньютоном. Отложим на будущее обсуждение этих чрезвычайно интересных проблем.

В заключение этой главы повторим: словами «силы инерции» называют две различные категории сил. Говоря о первой, известной Ньютону, всегда можно указать какие деформации реальных тел привели к их возникновению.

Говоря о второй, неизвестной Ньютону, невозможно указать на деформации, вызвавшие их появление. Раньше, обсуждая эти силы инерции, указывали на неподвижные звезды, как на их источник. Мы вскоре узнаем, почему это не нужно, и как возникают эти силы инерции.

А пока попрощаемся с двуликими силами и, как мы обещали, обратимся к силе тяжести и к двуединой массе.

Глава 2. ДВУЕДИНАЯ МАССА

ПЕРВОЕ ПОЛЕ, РОЖДЕННОЕ ИНКОГНИТО

Вернемся снова к Галилею, к его опытам с маятниками и наклонной плоскостью. К его спорам с последователями Аристотеля в связи с падением тел.

Он победил. Он доказал, что все предметы падают с одинаковой высоты за равное время.

Думал ли Галилей о том, почему так происходит?

Зная стремление Галилея проникнуть в тайны природы, в этом нельзя усомниться.

Вывод Галилея ясен и прост: