Представим, что вы летите на космическом корабле, который движется прямолинейно и равномерно вдали от звезд. Космонавт и все предметы окружающие его находятся на своих местах в невесомости. Движение корабля относительно окружающего пространства так же нельзя никак определить, иллюминаторы закрыты.
Но вот на пути космического корабля встретилась звезда. Она начинает притягивать его, изменяя траекторию движения. Если скорость корабля мала он упадет на звезду или станет ее спутником. Если она выше некоторого значения, то корабль изменив траекторию пролетит мимо и продолжит свое движение дальше. Этот трюк называется гравитационным маневром. Не будем обсуждать при какой скорости что произойдет.
Что испытает космонавт и все окружающие его предметы в космическом корабле, когда корабль начнет отклоняться от прямолинейного движения в поле притяжения звезды.
Вернее, не так.
Наблюдатель вне корабля увидит, что направление движения корабля при подлете к звезде будет изменяться от прямолинейного к криволинейному в сторону звезды.
А что будет происходить внутри космического корабля, в системе отсчета, связанной с кораблем. Что почувствует космонавт и окружающие его предметы.
Чтобы понять это надо вспомнить два знаменитых мысленных эксперимента. Вообще вся настоящая наука состоит из экспериментов. Эксперименты бывают очень сложными такими как поиск бозона Хиггса на андроидном коллайдере или очень простыми даже мысленными. Скажем что произойдет если я возьму кусок кирпича и запущу его в окно соседу, который в это время курит на балконе. Согласитесь этот эксперимент лучше провести мысленно.
Первый знаменитый эксперимент.Два шара деревянный и чугунный одновременно были сброшены с наклоненной башне в Пизе. Вопреки ожиданиям шары упали на землю одновременно. Этот эксперимент был проведен Галилеем, и не в башне, а на наклонной плоскости. Но башня более красива и наглядна.
Все помнят школьное исполнение этого эксперимента, когда пушинка и дробинка падают одновременно в стеклянной цилиндрической колбе, из которой нее откачен воздух.
Что это означает?
Есть две природы массы тела
Инертная масса.Тело, обладающее большей массой сложнее заставить двигаться чем легкое. Или сложнее изменить его движение. В физике масса это коэффициент пропорциональности между силой F и ускорением a во втором законе Ньютона.
F=ma
Для того чтобы разогнать от 0 до 10 км в час Smart и КАМАЗ требуются разные силы, так как их массы различны. Чем масса больше, тем тело инертней.
Гравитационная масса. Сила, с которой одно тело притягивается другим прямо пропорционально их массам m1,m2.
Если тела упали одновременно значит они имели одно и то же ускорение. А это означает равенство гравитационной и инертной массы.
Второй знаменитый эксперимент.
Этот эксперимент предложил Эйнштейн. Представим себе человека в лифте с цветочным горшком. У этого лифта обрезали трос, и он падает. Согласно первому эксперименту и человек и горшок падают одинаково. И если лифт мал и непрозрачен, то нельзя сказать падает лифт или исчезла сила притяжения. Если, конечно, отвлечься от повседневной логики, с какой стати пропадать гравитации. Это означает что человек никакими экспериментами внутри лифта не определит падает он в гравитационном поле или находится далеко в космосе. Природа гравитации и инерции одна и та же…
Но вернемся к космическому кораблю чья траектория изменилась под действием притяжения звезды. Мы можем ответить на вопрос что будет чувствовать космонавт и окружающие его предметы попадая в поле тяготения звезды. Ответ ничего. Все предметы вокруг него, и он сам будут падать одинаково в поле гравитации звезды. Если иллюминаторы по-прежнему закрыты в системе отсчета корабля ничего не измениться, как если бы он двигался прямолинейно и равномерно. Но для другого наблюдателя корабль движется по кривой. Как это совместить. Эйнштейн предположил, что космический корабль как двигался по прямой, так и продолжает двигаться. Но пространство искривилось и в этом искривленном пространстве прямая выглядит по-другому как дуга. Причина искривившая пространство это масса звезды.
А что такое искривленное пространство. Возьмем тетрадный лист он представляет из себя плоскость, двумерную поверхность и нарисуем на нем треугольник. Из геометрии знаем, что сумма углов этого треугольника равна 180 градусов. А теперь надуем шарик. Его поверхность тоже двумерная. Но треугольник, нарисованный на ней, выглядит по-другому и сумма его углов больше 180 градусов. Возьмем тарелку и нарисуем треугольник в ней. Получится фигура с суммой углов меньше 180 градусов. Двумерное пространство искривилось и в нем известные факты уже не так очевидны.
Хорошо.
А как надо изменить трехмерное пространство чтобы прямая превратилась в дугу. Тут явно тремя измерениями не обойтись.
Специальная теория относительности отказала считать длину и время в системах отсчета неизменной. И длина, и время в движущейся системе отсчете изменяется в зависимости от скорости движения этой системы. Но если взять нашу обычную трехмерную систему и дополнить ее координатой, связанной со временем, то получим четырехмерное пространство, которое описывает события, происходящие в нашем мире. При малых скоростях это четырехмерное пространство вырождается в наше трехмерное, и мы не замечаем влияния эффектов скорости. Но космос обладает всеми необходимыми инструментами для доказательства этой теории.
Гравитация искажает четырехмерное пространство и прямая, кратчайшее расстояние между двумя точками, выглядит в трехмерном пространстве как дуга. Именно поэтому космический корабль попадая в поле тяготения звезды изменяет свою траекторию.
Удобным представлением является известный образ натянутой ткани. Ткань — это пространство. Сначала оно плоское. Если положить на ткань камень, то он растянет ткань в месте касания. Эта картина соответствует искажению пространства под действием массы. Чем камень больше, тем больше искажение. Луч света пролетая по этому искривленному пространству отклоняется. Это фиксируют астрономы. Вот почему так интересны сверхмассивные объекты: черные дыры, которые так искривляют пространство что лучи света движутся по траекториям, которые не выходят из поля тяготения черной дыры.
Конечно, эта модель- искажение пространства времени, не более чем удобное описание действительности, она не отвечает на вопрос какова природа сил гравитации. Попытки делаются, создается теория квантовой гравитации. Но до решения еще далеко.
