Инерция

Итак, мы не можем объяснить весом тела (а следова­тельно, и тяжелой массой) то обстоятельство, что под действием одинаковых сил одно тело послушно изменяет свою скорость, тогда как другое требует для этого зна­чительного времени. Надо искать причину в другом. Свой­ство тела сопротивляться изменению скорости называют инерцией. Раньше мы уже отмечали, что по-латински «inertia» означает леность, вялость. Если тело «ленивое», т. е. медленнее изменяет свою скорость, то говорят, что у него большая инерция. Мы видели, что у поезда с мень­шей массой инерция меньше, чем у поезда с большей массой. Здесь мы опять употребили слово «масса», но уже в ином смысле. Выше масса характеризовала при­тяжение тела другими телами, здесь же она характери­зует инерцию тела. Потому-то, чтобы устранить пута­ницу в употреблении одного и того же слова «масса» в двух различных значениях, и говорят «тяжелая масса» и «инертная масса». В то время как тяжелая масса характеризует гравитационное воздействие на тело со стороны других тел, инертная масса характеризует инерцию тела. Если увеличится в два раза тяжелая масса тела, то вдвое возрастет сила притяжения его другими телами. Если увеличится в два раза инертная масса, то вдвое уменьшится ускорение, приобретаемое телом под действием данной силы. Если при инертной массе, вдвое большей, потребовать, чтобы осталось прежним ускорение тела, то к нему понадобится приложить вдвое большую силу.

Итак, мы не можем объяснить весом тела (а следова­тельно, и тяжелой массой) то обстоятельство, что под действием одинаковых сил одно тело послушно изменяет свою скорость, тогда как другое требует для этого зна­чительного времени. Надо искать причину в другом. Свой­ство тела сопротивляться изменению скорости называют инерцией. Раньше мы уже отмечали, что по-латински «inertia» означает леность, вялость. Если тело «ленивое», т. е. медленнее изменяет свою скорость, то говорят, что у него большая инерция. Мы видели, что у поезда с мень­шей массой инерция меньше, чем у поезда с большей массой. Здесь мы опять употребили слово «масса», но уже в ином смысле. Выше масса характеризовала при­тяжение тела другими телами, здесь же она характери­зует инерцию тела. Потому-то, чтобы устранить пута­ницу в употреблении одного и того же слова «масса» в двух различных значениях, и говорят «тяжелая масса» и «инертная масса». В то время как тяжелая масса характеризует гравитационное воздействие на тело со стороны других тел, инертная масса характеризует инерцию тела. Если увеличится в два раза тяжелая масса тела, то вдвое возрастет сила притяжения его другими телами. Если увеличится в два раза инертная масса, то вдвое уменьшится ускорение, приобретаемое телом под действием данной силы. Если при инертной массе, вдвое большей, потребовать, чтобы осталось прежним ускорение тела, то к нему понадобится приложить вдвое большую силу.
Что произошло, если бы у всех тел инертная масса равнялась тяжелой массе? Пусть у нас имеются, напри­мер,, кусок железа и камень, причем инертная масса куска железа в три раза больше инертной массы камня. Это значит, что для сообщения этим телам одинаковых ускорений на кусок железа нужно подействовать втрое большей силой, чем на камень. Предположим теперь, что инертная масса всегда равна тяжелой. Это значит, чтс и тяжелая масса куска железа будет в три раза больше тяжелой массы камня; кусок железа будет притягиваться Землей в три раза сильнее, чем камень. Но для сообще­ния равных ускорений как раз и требуется втрое боль­шая сила. Поэтому кусок железа и камень будут падать на Землю с равными ускорениями Из предшествующего следует, что при равенстве инертной и тяжелой массы все тела будут падать на Землю с одинаковым ускорением. Опыт действительно показывает, что ускорение всех тел при свободном паде­нии одинаково. Отсюда можно заключить, что у всех тел инертная масса равна тяжелой массе.
Инертная масса и тяжелая масса — это различные понятия, логически не связанные между собой. Каждое из них характеризует определенное свойство тела. И если опыт показывает, что инертная и тяжелая массы равны, то это значит, что на самом деле мы с помощью двух различных понятии охарактеризовали одно и то же свойство тела. У тела есть только одна масса. То, что мы ему раньше приписывали массы двух родов, было обус­ловлено всего лишь нашим недостаточным знанием при­роды. С полным правом в настоящее время можно ска­зать, что тяжелая масса тела эквивалентна инертной массе. Следовательно, соотношение тяжелой и инертной массы в какой-то мере аналогично соотношению массы (точнее говоря, инертной массы) и энергии.
Ньютон первым показал, что открытые Галилеем за­коны свободного падения имеют место благодаря равен­ству инертной и тяжелой массы. Так как это равенство установлено опытным путем, то здесь непременно при­ходится считаться с погрешностями, которые неизбежно появляются при всех измерениях. Согласно оценке Нью­тона, для тела с тяжелой массой в 1 кг инертная масса может отличаться от килограмма не больше, чем на 1 г.
Немецкий астроном Бессель использовал для изучения соотношения инертной и тяжелой массы маятник. Можно показать, что в случае, если инертная масса тел не равна тяжелой массе, период малых колебаний маятника будет зависеть от его веса. Между тем точные измерения, про­веденные с различными телами, в том числе и с живыми существами, показали, что такой зависимости нет. Тяже­лая масса равняется инертной массе. Учитывая точность своего опыта, Бессель мог утверждать, что инертная мас­са тела в 1 кг может отличаться от тяжелой массы не больше, чем на 0,017 г. В 1894 г. венгерскому физику Р. Этвешу удалось сравнить инертную и тяжелую массы с очень большой точностью. Из измерений следовало, что инертная масса тела в 1 кг может отличаться от тяжелой массы не больше, чем на 0,005 мг Современные изме­рения позволили снизить возможную погрешность еще примерно в сто раз. Такая точность измерений дает воз­можность утверждать, что инертная и тяжелая массы действительно равны.
Особенно интересные опыты были поставлены в 1918 г. голландским физиком Зееманом, который изучал соотно­шение тяжелой и инертной массы для радиоактивного изотопа урана. Ядра урана нестабильны и с течением времени превращаются в ядра свинца и гелия. При этом в процессе радиоактивного распада освобождается энер­гия. Приближенная оценка показывает, что при превра­щении 1 г чистого урана в свинец и гелий должна освобождаться 0,0001 г энергии (выше мы видели, что энергию можно измерять в граммах). Значит, можно сказать, что 1 г урана содержит 0,9999 г инертной массы и 0,0001 г энергии. Измерения Зеемана показали, что тяжелая масса такого кусочка урана равна 1 г. Это зна­чит, что 0,0001 г энергии притягивается Землей с си­лой 0,0001 г. Такого результата и следовало ожидать. Выше мы уже отмечали, что не имеет смысла различать энергию и инертную массу, потому что обе они характе­ризуют, одно и то же свойство тела. Поэтому достаточно сказать просто, что инертная масса кусочка урана рав­на 1 г. Такова же и его тяжелая масса. У радиоактивных тел инертная и тяжелая масса также равны между собой. Равенство инертной и тяжелой массы — это общее свой­ство всех тел природы.
Например, ускорители элементарных частиц, сообщая частицам энергию, тем самым увеличивают и их вес. Если, например, электроны, вылетающие из ускорителя, обла­дают энергией, которая в 12 000 раз больше энергии по­коящихся электронов, то они в 12 000 раз тяжелее послед­них. (По этой причине иногда мощные ускорители элект­ронов называют «утяжелителями» электронов).