Реферат: Закон всемирного тяготения
каждые две частицы материи притягивают взаимно друг друга, или тяготеют друг другу, с силой, прямо пропорциональной произведению суммы двух масс на массу тела, движущуюся относительно центральной массы и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними (4).
С точки зрения теории и методологии изучения закона гравитации переход от формулы (1) к (4) наиболее полно раскрывает сущность закона всемирного тяготения. Из формулы (1) мы видим только гравитационное действие одного тела M либо m , в то же время формула (4) отражает взаимное гравитационное действие двух тел M и m одновременно.
Небольшая поправка к закону всемирного тяготения Ньютона ведет к интересным последствиям. Что следует из формулы (4)? Для этого нам следует поспешить на знаменитую Пизанскую башню, пока она не упала и повторить опыт Галилея. Результат будет следующий – вопреки общепринятому мнению, более тяжелое тело достигнет Земли быстрее! Опыт осуществить несложно, только хлопоты будут создавать толпы туристов, которых не было в XVI веке.
Эта поправка еще более ярко проявляется при m = M . Значение силы F вычисленное по формуле (4) F = γ · 2М 2 / r 2 больше в два раза чем значение силы рассчитанной по формуле (1) F = γ · М 2 / r 2 .
Прав был Аристотель, утверждая, что падение массы золота или свинца, или какого-нибудь другого тела происходит тем быстрее, чем больше его размер! К этому выводу пришел и Леонардо да Винчи. Великий художник и ученный бросал тела разного веса и пришел к такому же результату: скорость падения тела зависит от веса тела.
Из формулы (4) следует неаддитивность силы тяжести. Рассмотрим это на примере силы тяжести двух тел m 1 и m 2 относительно земли. Тело m 1 действует на землю силой F 1 и второе тело m 2 действует соответственно с силой F 2 . Складывая массы двух тел m 1 и m 2 получим третье тело m 3 , где m 3 = m 1 + m 2. Оно также действует на землю силой равной F 3 . Для нашего примера нарушение аддитивности силы тяжести означает:
F 1 + F 2 < F 3
(6)
Если придерживаться традиционной формулы (1), то аддитивность не нарушается и для сил тяжести выполняется условие:
F 1 + F 2 = F 3
(7)
С появлением формулы (4) равенство (7) уступает место неравенству (6), как следствие нового научного факта.
Гениальный физик Эйнштейн придавал исключительное значение свойству тяготения следуя за Галилеем и утверждая, что все тела в данной точке пространства падают в поле тяготения с одинаковым ускорением. Это утверждение в классической физике являлось одним из фактов – в некотором смысле даже случайным и не играл высокой роли в том, что составляло идейную основу механики Галилея – Ньютона. Однако этому свойству Эйнштейн придает исключительно важное и самое общее значение, отводит ему место среди «принципиальных вещей» новейшей физики и ставит его рядом с принципом относительности.
Интерес Эйнштейна к тяготению не случаен, ибо он связан непосредственно с принципом эквивалентности. Как известно массы в физике рассматриваются в двух формах: инертной и гравитационной. Падение всех тел с одинаковым ускорением является достаточным условием равенства гравитационной и инертной массы. Данное равенство возведено Эйнштейном в ранг фундаментального принципа его теории. Совпадение – эквивалентность этих масс составляет содержание эйнштейновского принципа эквивалентности.
Это предположение с нашей точки зрения ошибочно. Из формул (4) и (7) следует, что разные тела в данной точке пространства падают в поле тяготения с разным ускорением и соответственно нарушается принцип эквивалентности.
Чтобы внести ясность в наши утверждения воспользуемся мысленными экспериментами самого Эйнштейна. Поместим нашу испытательную лабораторию в кабину лифта. Представим себе, следуя Эйнштейну «огромный лифт в башне небоскреба... Внезапно канат, поддерживающий лифт, обрывается, и лифт свободно падает по направлению к земле. Экспериментатор в свой лаборатории проводит следующий опыт: «вынимает из своего кармана платок и часы и выпускает их из рук». Относительно небоскреба падает лифт с лабораторией, экспериментатор, часы и платок.
Посмотрим, каким путем оба наблюдателя, внутренний и внешний, описывают то, что происходит в лифте.
Внутренний наблюдатель – экспериментатор. Пол лифта медленно начинает уходить из-под ног. Часы с платком медленно движутся вверх относительно экспериментатора. Платок движется вверх быстрее чем часы. Экспериментатор делает вывод: все тела к земле движутся с разным ускорением. Самое большее ускорение у лифта, затем у него самого, после следуют часы и медленнее всех падает платок. Вывод – система неинерциальная.
Внешний наблюдатель. Все четыре тела: лифт, экспериментатор, часы и платок падают с различным ускорением к земле. Его вывод также совпадает с мнением внутреннего наблюдателя – система неинерциальная.
Внутренний и внешний наблюдатель Эйнштейна рассуждает иначе: «Внешний наблюдатель замечает движение лифта и всех тел в нем, и находит его соответствующим закону тяготения Ньютона. Для него движение является не равномерным, а ускоренным, вследствие поля тяготения земли.
Однако, поколение физиков, рожденное и воспитанное в лифте, рассуждало бы совершенно иначе. Оно было бы уверено в том, что оно обладает инерциальной системой, и относило бы все законы природы к своему лифту, заявляя с уверенностью, что законы принимают особенно простую форму в их системе координат. Для них было бы естественным считать свой лифт покоящимся и свою систему координат инерциальной.
Невозможно установить принципиальное различие между внешним и внутренним наблюдателем. Каждый из них мог бы претендовать на право отнести все события к своей системе координат. Оба описания событий можно было бы сделать одинаково последовательными. Из этого примера мы видим, что последовательное описание физических явлений в двух различных системах координат возможно, даже если они не движутся прямолинейно и равномерно друг относительно друга. Но для такого описания мы должны принять во внимание тяготение, создающее, так сказать «мост» позволяющий перейти от одной системы координат к другой. Поле тяготения существует для внешнего наблюдателя, для внутреннего наблюдателя оно не существует. Ускоренное движение лифта в поле тяготения существует для внешнего наблюдателя, для внутреннего же наблюдателя – покой и отсутствие поля тяготения. Но «мост», т.е. поле тяготения, делающее описание в обеих системах координат возможным, покоится на очень важной опоре: эквивалентности тяжелой и инертной масс. Без этой руководящей идеи, оставшейся незамеченной в классической механике, наши теперешние рассуждения полностью отпали бы». Но из формулы (4) следует нарушение принципа эквивалентности тяжелой и инертной масс и следовательно рушится как ни печально «мост» Эйнштейна, ведущий в прекрасный замок общей теории относительности.
Этот вывод можно также подтвердить следующим мысленным экспериментом. Из классической механики следует, что тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если на него не воздействуют внешние силы.
Рассмотрим тело m , которое находится в состоянии покоя. Это тело является образцом инерциальной массы по определению. Тело m можно считать и гравитационной массой, т.е. массой обладающей гравитационным полем и находящимся в состоянии покоя.
Теперь рассмотрим тело M , которое находится в состоянии покоя на расстоянии R от m . Проведем аналогичные рассуждения и придем к такому же выводу: тело M является гравитационной и инертной массой. Пока мы рассматривали каждое тело в отдельности в наших рассуждениях не возникало противоречий.
При рассмотрении двух тел M и m одновременно реальная картина изменится. Тела M и m , которые мы считали находящимися в покое, находятся на самом деле в ускоренном движении навстречу друг к другу вследствие их гравитационного взаимодействия. Они являются как и прежде гравитационными массами, но уже не являются инерционными массами, т.к. движутся ускоренно.
Чтобы снять возникшее противоречие необходимо сделать следующие выводы. Во-первых, физическая картина мира состоит из множества гравитационных масс, которые не могут находиться в состоянии покоя и движутся, как правило, равноускоренно. Во-вторых, нет в природе реальных инерциальных масс. Инерциальная масса в физике – это идеальная модель – абстракция.
Любая масса является гравитационной и находится постоянно во взаимодействии с окружающим миром. Только мысленным экспериментом мы можем снять гравитационное поле у массы и после этого ее можно считать инерциальной массой, которая могла бы покоиться или двигаться равномерно и прямолинейно.
С этих позиций все усилия как теоретического, так и практического характера обоснования принципа эквивалентности сводятся к тщетной попытке установления эквивалентности реальной гравитационной и идеальной несуществующей в природе инерциальной массы.