В падающем лифте

Ева Кюри, вспоминая об одной прогулке в горы, со­стоявшейся летом 1913 г., в которой принимали уча­стие ее мать Мария Кюри и Альберт Эйнштейн, рассказы­вает.
«Рассеянный Эйнштейн шагает, не замечая девочек, через расщелины, взбирается на кручи. Внезапно он останавливается и, схватив Марию за руку, восклицает: «Понимаете, мадам, мне необходимо в точности знать, что происходит с находящимися в лифте, когда он падает в пустоту».
Неизвестно, сколько здесь содержится истины и како­ва доля художественного вымысла. Во всяком случае вер­но одно: Эйнштейн занимался в те годы вопросами, сущность которых можно действительно свести к вопросу о падающем лифте. Чем же свободно падающий лифт отличается от покоящегося?
Вообразим себе следующий опыт. Мы стоим в закры­том лифте. Внезапно обрывается трос, и лифт начинает свободно падать вниз. В тот момент, когда лифт начинает падать, выпустим из рук книгу. Так как лифт и книга падают на Землю с одинаковым ускорением (при свобод­ном падении ускорение всех тел одинаково) и начинают падение одновременно, то к земле они приближаются с одной и той же скоростью. Положение книги относи­тельно лифта не меняется, следовательно, мы должны видеть книгу повисшей в воздухе. Значит, в свободно па­дающем лифте сила тяжести должна отсутствовать.

Ева Кюри, вспоминая об одной прогулке в горы, со­стоявшейся летом 1913 г., в которой принимали уча­стие ее мать Мария Кюри и Альберт Эйнштейн, рассказы­вает.
«Рассеянный Эйнштейн шагает, не замечая девочек, через расщелины, взбирается на кручи. Внезапно он останавливается и, схватив Марию за руку, восклицает: «Понимаете, мадам, мне необходимо в точности знать, что происходит с находящимися в лифте, когда он падает в пустоту».
Неизвестно, сколько здесь содержится истины и како­ва доля художественного вымысла. Во всяком случае вер­но одно: Эйнштейн занимался в те годы вопросами, сущность которых можно действительно свести к вопросу о падающем лифте. Чем же свободно падающий лифт отличается от покоящегося?
Вообразим себе следующий опыт. Мы стоим в закры­том лифте. Внезапно обрывается трос, и лифт начинает свободно падать вниз. В тот момент, когда лифт начинает падать, выпустим из рук книгу. Так как лифт и книга падают на Землю с одинаковым ускорением (при свобод­ном падении ускорение всех тел одинаково) и начинают падение одновременно, то к земле они приближаются с одной и той же скоростью. Положение книги относи­тельно лифта не меняется, следовательно, мы должны видеть книгу повисшей в воздухе. Значит, в свободно па­дающем лифте сила тяжести должна отсутствовать.
В фантастических романах иногда говорится о ве­ществе, сквозь которое гравитационная сила не может действовать. Помещенные в ящик из такого вещества предметы теряют вес. В действительности, конечно, силу тяжести нельзя устранить с помощью экрана или стены из какого-либо материала. Однако существует такой ящик, в котором сила тяжести отсутствует — это свободно пада­ющий лифт (или вообще всякий свободно падающий ящик). Хотя силу тяжести нельзя экранировать, но ее можно просто устранить с помощью ускоренного движе­ния. О таком устранении писал уже Галилей. Герой его «Диалога» Сальвиатти говорит:
«Мы чувствуем тяжесть на плечах, когда сопротивля­емся движению, к которому стремится давящая тяжесть, но если бы мы опускались с такой же скоростью, с какой перемещается свободно падающий груз, то каким образом тяжесть могла бы давить на нас? Не видите ли вы, что это подобно тому, как если бы мы хотели поразить копь­ем кого-либо, кто бежит впереди нас с равною или боль­шею скоростью».
Это наблюдение Галилея по своему содержанию со­гласуется с рассуждениями Эйнштейна, которые легли в основу общей теории относительности. Но Эйнштейн не ограничился одним лишь установлением факта, что в сво­бодно падающем лифте сила тяжести отсутствует, а раз­вил эту мысль дальше.
Вообразим, что в закрытом помещении мы видим, как все выпущенные тела свободно падают к полу с одинако­вым ускорением, равным 10 м/сек2 . Как объяснить это явление? Можно сказать, что помещение, где мы нахо­димся, является инерциальным (т. е. оно движется относительно инерциальных систем прямолинейно и равно­мерно) и помещено в гравитационное поле, которое сообщает всем телам одинаковое ускорение, равное 10 м/сек2 . Однако этот факт можно объяснить и иначе: никакого гравитационного поля нет, но помещение само движется относительно инерциальных систем с ускоре­нием 10 м/сек2 в сторону потолка. Падение тел на пол только отражает движение помещения в противополож­ном направлении. Оба эти объяснения совершенно равно­правны.
Наблюдатель в изолированном помещении вообще не может установить, находится ли помещение в гравита­ционном поле или оно движется ускоренно относительно инерциальных систем. При этом существенно только, что­бы помещение имело такие небольшие размеры, при кото­рых во всех его точках напряженность гравитационного поля была одной и той же. Кроме того, наблюдения нужно проводить за столь короткое время, чтобы сила тяжести в помещении не могла существенно измениться.
Все сказанное выше можно подытожить в принципе, носящем название принципа эквивалентности.
В достаточно малой части пространства и в течение достаточно короткого промежутка времени описание про­цесса, происходящего в гравитационном поле, дает точно такую же картину, как описание этого процесса в си­стеме, движущейся с соответствующим ускорением отно­сительно инерциальных систем. По существу принцип эквивалентности утверждает, что выбором подходящей системы отсчета можно изменить по своему усмотрению гравитационное поле в данной точке пространства.
Рассмотрим такой пример. Пусть в одной инерциаль­ной системе гравитационное поле таково, что оно всем телам сообщает ускорение 12 м/сек2. Движение тел под действием этого поля назовем падением вниз. В другой системе отсчета гравитационное поле будет иным. Напри­мер, в системе, которая движется относительно инерци­альных систем с ускорением 12 м/сек2 вниз, гравитаци­онное поле будет вообще отсутствовать. В системе, движущейся относительно инерциальных систем с уско­рением 8 м/сек2 вниз, гравитационное поле будет в 3 раза слабее, чем в инерциальных системах, поскольку оно сообщает телам ускорение 4 м/сек2. Читателю не­трудно самому придумать системы, в которых гравита­ционное поле имело бы любую величину. Ускоренное движение относительно инерциальных систем позволяет изменить величину силы тяжести или даже совсем ее уничтожить. Используя ускоренное движение, можно искусственно создавать силу тяжести.