Все ли читатели знают правильный ответ на вопрос, какая гиря, пудовая или двухпудовая, упадёт быстрее? Более строго и точно этот вопрос следует сформулировать следующим образом: зависит ли свободное падение тела в гравитационном поле от массы этого тела? При этом, конечно, следует понимать, что падение тел происходит в вакууме, а тела имеют одинаковую форму и размеры.
Для меня ответ на этот вопрос является показателем того, насколько глубоко человек понимает законы природы.
Казалось бы, что ответ на этот вопрос даётся ещё в школьном курсе физики. Все знают об опытах Галилея, который сравнивал время падения тел различной массы. Он пришёл к выводу, что все тела падают на поверхность Земли под действием земного притяжения при отсутствии сил сопротивления с одинаковым ускорением, т.е. ускорение свободного падения не зависит от массы тела.
На школьных уроках физики этот вывод подкрепляется демонстрацией падения металлического шарика и птичьего пера в трубе, из которой откачан воздух. После этого считается, что справедливость закона не вызывает сомнений.
Но правильно ли сформулирован закон Галилея? В данном случае мы сталкиваемся с типичной проблемой всей физики. Как, исходя из рассмотрения частного случая и конкретных экспериментальных данных, сделать какие-либо обобщения?
Рассмотрим возможные варианты на простом примере. Человек сорвал с дерева яблоко и попробовал его. Оно оказалось кислым. Какой вывод можно сделать из этого?
Самым правильным утверждением было бы следующее: Сорванное с этого дерева яблоко показалось мне кислым. Но это утверждение абсолютно не имеет никакой научной ценности, так как является субъективным мнением и не носит обобщающий характер.
Можно сказать: На этом дереве растут кислые яблоки. Это уже более обобщающее утверждение, особенно если оно подкреплено тем, что человек попробовал несколько яблок с этого дерева.
Можно сказать: В этом году уродились кислые яблоки.
Можно сделать ещё более глобальное обобщение: Все яблоки кислые.
Всё это разные уровни обобщения одного и того же исследования. Возможно, что все эти утверждения верны, но для их обоснования необходим разный уровень аргументации.
Поэтому следует отметить, что закон Галилея носит очень обобщенный характер, что не соответствует условиям проведенного эксперимента. Результаты опытов Галилея правильнее было бы сформулировать следующим образом: Если масса падающего тела намного меньше массы Земли, то в пределах ошибки измерений ускорение свободного падения не зависит от массы тела. Не более того. Всё остальное – ничем не обоснованные домыслы допущения.
Вполне понятно, что Галилей не мог изучать падение на Землю тяжелых объектов, таких как нейтронные звёзды. Для практических целей было достаточно его опытов, и сделанные выводы вполне применимы для решения прикладных задач. Но для познания природы и анализа гравитационных взаимодействий этого недостаточно.
Мне могут посоветовать, не ограничивать себя чтением школьных учебников, а познакомиться с работами классиков современной теоретической физики. Конечно, со времён Галилея наука ушла далеко вперёд. Наиболее глубокой и точной теорией гравитации в настоящее время является Общая теория относительности. Как же свободное падение рассматривается в рамках этой теории? Приведу цитату из учебника Л.Д.Ландау и Е.М.Лифшица «Теория поля»:
«Гравитационные поля (или поля тяготения) обладают следующим основным свойством: все тела вне зависимости от их массы движутся в них (при заданных начальных условиях) одинаковым образом.
Например, законы свободного падения в поле тяготения земли одинаковы для всех тел, какой бы массой они ни обладали,— все они приобретают одно и то же ускорение.»
Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц. Том 2 (Теория поля) из серии "Теоретическая физика", глава 10, параграф 81.
Такое положение дел является прямым следствием базового принципа, положенного в основу Общей теории относительности. Это принцип эквивалентности движения в гравитационном поле и в равноускоренной системе. Ошибочность этого принципа я уже обсуждал в публикации «Часть 1.5. Зачем Эйнштейн обманул всех физиков?».
Можно возразить, что не имеет значение, на основе каких принципов была разработана теория. Главное, чтобы результаты теоретических расчетов хорошо совпадали с имеющимися экспериментальными данными, а теория давала подтверждаемые предсказания.
Но как же в этом случае можно понять и оценить приведённую цитату? Действительно ли ускорение свободного падения не зависит от массы падающего тела?
При анализе физических явлений принято рассматривать предельные случаи. Поэтому, если рассмотреть свободное падение на Землю тела с очень большой массой, как у нейтронной звезды, то окажется, что это не звезда падает на Землю, а Земля падает на звезду. Причем это падение будет происходить с огромным ускорением. В системе отсчета Земли наблюдатель увидит движение звезды к Земле с аналогичным ускорением. Это означает, что ускорение свободного падения на Землю безусловно зависит от массы падающего тела. При большой массе падающего тела происходит согласованное движение этого тела и Земли к общему центру масс. И это движение характеризуется бо́льшей величиной ускорения.
Следовательно, при свободном падении тело, имеющее бо́льшую массу, приобретает бо́льшее ускорение. Поэтому двухпудовая гиря упадёт на землю быстрее пудовой гири. Это стопудово. Вопреки утверждениям Общей теории относительности.
