Георгий Гамов - Приключения Мистера Томпкинса

• Название: Приключения Мистера Томпкинса
• Автор: Георгий Гамов
• Издательство: Бюро Квантум
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1993

В данную книгу включены два научно-популярных произведения известного американского физика и популяризатора науки — повесть «Мистер Томпкинс в Стране Чудес», не без юмора повествующая о приключениях скромного банковского служащего в удивительном мире теории относительности, и повесть «Мистер Томпкинс исследует атом», в живой и непринужденной форме знакомящая читателя с процессами, происходящими внутри атома и атомного ядра. Книга предназначена для школьников, студентов и всех, кто интересуется современными научными представлениями.

---

Если наш экспериментатор вместо отдельных стержней натянет между двумя данными точками А и В нить, то результат, как нетрудно понять, получится прежним, поскольку каждый отрезок нити претерпевает такое же релятивистское сокращение, как отдельные стержни. Я хочу особо подчеркнуть, что релятивистская деформация натянутой нити, происходящая, когда платформа начинает вращаться, не имеет ничего общего с обычными эффектами центробежной силы. Релятивистская деформация остается неизменной, как бы сильно ни была натянута нить, не говоря уже о том, что обычная центробежная сила действует в противоположном направлении.

Если наблюдатель, находящийся на платформе, вздумает проверить результат своих построений, сравнив полученную «прямую» с лучом света, то он обнаружит, что свет действительно распространяется вдоль построенной им линии. Разумеется, для наблюдателей, стоящих у платформы, луч света вообще не будет искривлен. Они будут интерпретировать результаты движущегося наблюдателя путем суперпозиции, или наложения, вращения платформы и прямолинейного распространения света. Они скажут вам, что если вы нанесете царапину на вращающуюся граммофонную пластинку, двинув рукой по прямой, то царапина на пластинке, конечно же, будет искривленной.

Но для наблюдателя, находящегося на вращающейся платформе, название «прямая» для построенной им кривой вполне разумно: эта кривая дает кратчайшее расстояние и совпадает с лучом света в системе отсчета нашего наблюдателя. Предположим, что он выбрал на краю платформы три точки и соединил их прямыми, построив тем самым треугольник. Сумма углов в этом треугольнике меньше двух прямых, из чего наш наблюдатель заключает (и совершенно справедливо), что пространство вокруг него искривлено.

Рассмотрим другой пример. Предположим, что два других наблюдателя на платформе (Э3 и Э4) решили оценить число пи, измеряя длину окружности платформы и ее диаметр. На мерный стержень наблюдателя Э3 вращение не влияет, поскольку движение стержня всегда перпендикулярно его длине. С другой стороны, мерный стержень наблюдателя Э4 всегда будет сокращен, и для длины окружности платформы этот наблюдатель получит большее значение, чем в случае невращающейся платформы. Деля результат, полученный наблюдателем 4, на результат, полученный наблюдателем 3, мы получим значение, превышающее значение пи, обычно приводимое в учебниках. Это также является следствием кривизны пространства.

Вращение влияет не только на измерения длин. Часы, расположенные на краю платформы, будут двигаться с большей скоростью и, как было показано в предыдущей лекции, их ход замедлится по сравнению с ходом часов, установленных в центре платформы.

Если два экспериментатора (Э4 и Э5) сверят часы в центре платформы, а затем экспериментатор Э5 на какое-то время отнесет свои часы на край платформы, то по возвращении в центр он обнаружит, что его часы отстают по сравнению с часами, все время остававшимися в центре платформы. Из этого экспериментатор Э5 сделает вывод, что в различных местах платформы все физические процессы идут с различными скоростями. Предположим теперь, что наши экспериментаторы остановились и немного поразмыслили над причиной необычных результатов, только что полученных ими в геометрических измерениях. Предположим также, что вращающаяся платформа закрыта со всех сторон и представляет собой вращающуюся комнату без окон, чтобы экспериментаторы не могли наблюдать свое движение относительно окружающих предметов. Могли бы в этом случае экспериментаторы объяснить все полученные результаты чисто физическими условиями на платформе без учета ее вращения относительно «твердой основы», на которой установлена платформа?

Глядя на различия между физическими условиями на платформе и на «твердой основе», посредством которых можно было бы объяснить наблюдаемые изменения в геометрии, наши экспериментаторы сразу же заметили бы, что существует какая-то новая сила, которая стремится отбросить все тела от центра платформы к ее окружности. Вполне естественно, что они приписали бы наблюдаемые эффекты действию этой силы, утверждая, например, что из двух часов те будут идти медленнее, которые расположены дальше от центра в направлении новой силы.

Но действительно ли эта новая сила нова, т. е. не наблюдаема на «твердой основе»? Разве мы не наблюдаем, как все тела притягиваются к центру Земли силой, которая получила название силы тяжести? Разумеется, в одном случае мы имеем притяжение к окружности диска, в другом — притяжение к центру Земли, но это означает только различие в распределении силы. Нетрудно, однако, привести другой пример, когда «новая» сила, порождаемая неравномерным движением системы отсчета, выглядит точно так же, как сила тяжести в этой лекционной аудитории.

Предположим, что космический корабль, предназначенный для межзвездных перелетов, свободно летит где-то в космическом пространстве настолько далеко от различных звезд, что внутри корабля сила тяжести не действует. Все предметы внутри космического корабля и сами путешествующие в нем экспериментаторы невесомы и свободно плавают в воздухе примерно так же, как Мишель Ардан и его спутники во время путешествия на Луну в знаменитом романе Жюля Верна.

Но вот двигатели включены и космический корабль приходит в движение, постепенно набирая скорость. Что происходит внутри него? Нетрудно видеть, что пока космический корабль ускоряется, все предметы внутри него обнаруживают стремление двигаться к полу, или, что то же, пол движется навстречу этим предметам. Например, если наш экспериментатор держит в руке яблоко и выпускает его, то яблоко продолжает двигаться (относительно окружающих корабль звезд) с постоянной скоростью — той самой, с которой двигался космический корабль, когда экспериментатор выпустил из рук яблоко. Но космический корабль ускоряется. Следовательно, пол кабины, двигаясь все быстрее и быстрее, в конце концов догонит яблоко и стукнет его. С этого момента яблоко останется в постоянном контакте с полом, будучи прижато к полу постоянно действующим ускорением.

Но для экспериментатора, находящегося внутри космического корабля, все выглядит иначе: яблоко «падает» с каким-то ускорением и, ударившись об пол, остается лежать на полу, придавленное к нему собственным весом. Бросая различные предметы, наш экспериментатор заметит, что все они падают с совершенно одинаковым ускорением (если пренебречь трением о воздух) и вспомнит, что это — закон свободного падения, открытый Галилео Галилеем. Но наш экспериментатор так и не сможет заметить ни малейшего различия между явлениями, происходящими в движущейся с ускорением кабине космического корабля и обычными явлениями гравитации. Он может пользоваться маятниковыми часами, ставить книги на полку, не боясь, что те улетят прочь, и повесить на гвоздь портрет Альберта Эйнштейна, который первым указал на эквивалентность ускорения системы отсчета и гравитации и на этой основе развил так называемую общую теорию относительности.

Но тут, как и в первом примере с вращающейся платформой, мы замечаем явления, оставшиеся неизвестными Галилею и Ньютону, когда те изучали гравитацию. Луч света, посланный через кабину, искривляется и освещает в зависимости от ускорения космического корабля каждый раз другое место экрана, висящего на противоположной стене. Разумеется, внешний наблюдатель интерпретирует это как суперпозицию равномерного прямолинейного движения света и ускоренного движения кабины, где производятся наблюдения. Геометрия также нарушается: сумма углов треугольника, образованного тремя лучами света, будет больше двух прямых углов, а отношение длины окружности к диаметру — больше числа пи. Мы рассмотрели лишь два из простейших примеров ускоренно движущихся систем отсчета, но установленная выше эквивалентность остается в силе для любого движения твердой или деформируемой системы отсчета.

Тут мы подходим к вопросу величайшей важности. Как мы только что видели, в ускоренно движущейся системе отсчета может наблюдаться ряд явлений, оставшихся неизвестными для обычного гравитационного поля. Существуют ли эти новые явления, такие как искривление луча света или замедление часов, и в гравитационных полях, порождаемых тяжелыми массами? Или, иначе говоря, существуют ли эффекты ускорения и эффекты гравитации, которые не только очень похожи, но и тождественны? Разумеется, ясно, что хотя с эвристической точки зрения весьма соблазнительно принять полное тождество этих двух разновидностей эффектов, окончательный ответ может быть дан только с помощью прямых экспериментов. И к величайшему удовлетворению нашего человеческого разума, требующего простоты и внутренней непротиворечивости законов Вселенной, эксперименты подтверждают существование новых явлений, о которых идет речь, и в обычном гравитационном поле. Разумеется, эффекты, предсказываемые гипотезой об эквивалентности полей ускорения и гравитационного поля, очень малы. Именно поэтому они и были открыты только после того, как ученые специально занялись их поиском.