Решил написать ещё одну статью на тему: гравитация, ускорение и "принцип эквивалентности". Привожу одну из формулировок "принципа эквивалентности".
Итак, на что следует обратить внимание: "поле сил инерции"-а что это такое? Все рассуждения будут на уровне школьной физики. Описание мысленного эксперимента приводить не буду, считаю что представление о нём у читающих имеется.
1. Неподвижный лифт находится на поверхности Земли ( или "висит" над ней). Человек в лифте держит в руке объект( пусть будет резиновый шар, не имеет значения). Если человек отпускает шар, то он взаимодействуя с Землей, будет паремещаться в направлении Земли. Наблюдатель зафиксирует движение к полу лифта. Если лифт будет перемещаться с ускорением вверх( относительно Земли), то человек снова увидит движение мяча к полу лифта. Правда того, что мяч несколько быстрее достигнет пола лифта, он скорее всего не заметит. Здесь всё ясно и вопросов нет.
2. Лифт находится вдали от массивных объектов, то есть внешнее гравитацинное поле отсутствует. Из всех физических сил имеется только слабое взаимодействие ( гравитационное) между всеми объектами, мы ими пренебрегаем.
1а. Лифт неподвижен, человек отпускает мяч. Что произойдет? Мяч останется "висеть" неподвижно в том месте внутреннего объёма лифта, в котором его отпустил человек, что очевидно. Лифт начинает перемещаться с ускорением. Так как никаких физических сил, кроме слабого гравитационного взаимодействвия между всеми объектами, нет, то очевидно, что шар останется ""висеть" неподвижно, ведь никакие силы на него не действуют, а вот лифт начнёт двигаться( вместе с наблюдателем, если он имеет контакт с корпусом лифта) к шару,, пока пол лифта не придёт в соприкосновение с шаром и не начнёт его смещать. Вот в этот момент и появится то, что мы определяем как силы инерции ( шар будет "сопротивляться" изменению своего положения), но не раньше. Человек же в лифте воспримет происходящее как движение шара к полу лифта.
2б. Лифт двигается с ускорением "вверх". Человек отпускает мяч. Как только он отпускает мяч, мяч продолжает движение в том же направлении что и лифт, но равномерное, так как контакт мяча ( через человека) с лифтом прерывается, и лифт больше не оказывает воздействие на шар. Лифт же продолжает движение с ускорением и пол лифта "догоняет" шар, пока не придёт с ним в соприкосновение. Человек же в лифте воспримет данный процесс как падение шара на пол лифта.
Итак: в случае 1а, шар неподвижен, а перемещается лифт, в случае 2б шар движется равномерно в верх, а лифт его догоняет. В обоих случаях человек в лифте воспринимает происходящее как движение шара к полу лифта. Очевидно, что движение шара в лифте, находящемся во внешнем гравитационном поле и в лифте в отсутствии внешнего гравитационного поля совершенно различны. Во внешнем поле шар ДЕЙСТВИТЕЛЬНО двигается к полу лифта( падает с точки зрения человека в лифте). При отсутствии внешнего поля, человеку в лифте только КАЖЕТСЯ, что шар падает на пол лифта. Так в чём эквивалентность? Илюзия и реальность равнозначны? А теперь насчет сил инерции и " поля сил инерции".
Часто приводят следующий пример:
Слева присутстствует внешнее гравитационное поле, справа отсутствует. В неподвижном лифте находящемся в поле силы тяжести, груз на подвесе прикреплённом к потолку, натягивает подвес, а груз на полу оказывает давление на пол лифта и возникает то, что мы называем реакцией опоры. Почему груз натягивает подвес? Груз взаимодействуя с Землёй (что мы определяем как гравитационное взаимодействие), вызывает натяжение подвеса( насчёт ускорения свободного падения буду говорить дальше). Точно так же груз на полу лифта взаимодействуя с Землёй, вызывает то, что мы называем реакцией опоры. Если лифт начинает движение с ускорением, то через подвес он воздействует на груз, а так как груз имеет массу и он стремиться сохранить состояние "покоя", то возникает то, что мы определяем как сила инерции. То же самое происходит и с грузом на полу лифта. А что такое "поле сил инерции"? С точки зрения физики данное выражение не имеет смысла. Эйнштейн говорит о появлении "поля сил инерции" в объёме корпуса лифта, эквивалентного гравитационном, воздействие которого на объекты в лифте и приводит к данным результатам. Ну хорошо, пусть имеется такое поле. А теперь подвесим груз с внешней стороны корпуса лифта( к полу лифта, но с наружной сторны). При движении лифта с ускорением "вверх" подвес будет испытывать натяжение? Несомненно. Значит во внешнем пространстве, согласно логике Эйнштейна должно возникнуть "поле сил инерции"? Но это ещё не всё. Изменяя длину подвеса, мы будем менять объём пространства в котором возникает данное поле? Если следовать данной логике, то в случае буксировки автомобилем другого автомобиля, то же возникает поле сил инерции эквивалентное гравитационному и поэтому буксируемый автомобиль перемещается? А лампы в вагоне, прикреплённые к потолку вагона, начинают раскачиватьсяпри ускорении или торможении поезда, потому что возникает поле сил инерции? А мы в транспорте, когда стоим, отклоняемся от вертикали при торможении или ускорении транспорта по той же причине, или вследствии того, что ноги( через подошвы ботинок и благодаря силам трениям) следуют за корпусом транспорта, а верхняя часть тела стремиться сохраанить состояние покоя, вследствие того же закона инерции. О каком поле сил инерции можно говорить, когда объект внутри объёма лифта ( не имеющий контакта с корпусом лифта), перемещающегося "вверх" с ускорением и при отсутствие внешнего гравитационного поля, неподвижен, так как на него не действуют никакие силы. Есщи человеку в лифте кажется, что объект перемещается к полу лифта, это не основание говорить о поле сил инерции эквивалентном гравитационному. Если Эйнштейну казалось, что при его движении со скоростью фотона, фотон неподвижен, а это якобы нарушает законы электродинамики, то это его проблемы. Движение со скоростью фотона означает ,что два объекта( фотон и Эйнштейн) перемещаются в пространстве с одинаковой скоростью ( 300000км/сек) и ни о каком нарушении законов электродинамики речи быть не может. А сам то Эйнштейн понимал, что такое относительность? Человек выпускает из руки мяч в лифте двигающемся с ускорением, в отсутствии внешних гравитационных полей. За счёт каких воздействий мяч начнёт перемещаться к полу лифта? Он спокойно продолжит движение в ту сторону, в какую движется и лифт, но с постоянной скоростью. Законы инерции ещё никто не отменял. А то что видит и какие выводы делает человек в лифте, это его личное дело( и автора мысленного эксперимента). Ну допустим, что данное поле существует. Эйнштейн писал: " луч света в неподвижном лифте находящемся на Земле, будет отклоняться к полу лифта. И точно также луч света будет отклоняться к полу лифта в лифте двигающемся с ускорением в отсутствии внешних гравитационных полей, так как существует поле сил инерции( внутри объёма лифта) эквивалентное гравитационному. А что Эйнштейн утверждал о поведении луча света в СТО? Луч света, в равномерно перемещающемся вагоне, движется по диагональной траектории, по мнению наблюдателя из неподвижной системы. Наблюдатель внутри вагона видит вертикальный луч( если он не имеет информации из внешней среды). Но тогда, если вагон начнёт тормозить или ускоряться, наблюдатель в вагоне должен увидеть отклонение луча света, причём в сторону противоположную направлению движения вагона, ведь прт
Слева присутстствует внешнее гравитационное поле, справа отсутствует. В неподвижном лифте находящемся в поле силы тяжести, груз на подвесе прикреплённом к потолку, натягивает подвес, а груз на полу оказывает давление на пол лифта и возникает то, что мы называем реакцией опоры. Почему груз натягивает подвес? Груз взаимодействуя с Землёй (что мы определяем как гравитационное взаимодействие), вызывает натяжение подвеса( насчёт ускорения свободного падения буду говорить дальше). Точно так же груз на полу лифта взаимодействуя с Землёй, вызывает то, что мы называем реакцией опоры. Если лифт начинает движение с ускорением, то через подвес он воздействует на груз, а так как груз имеет массу и он стремиться сохранить состояние "покоя", то возникает то, что мы определяем как сила инерции. То же самое происходит и с грузом на полу лифта. А что такое "поле сил инерции"? С точки зрения физики данное выражение не имеет смысла. Эйнштейн говорит о появлении "поля сил инерции" в объёме корпуса лифта, эквивалентного гравитационном, воздействие которого на объекты в лифте и приводит к данным результатам. Ну хорошо, пусть имеется такое поле. А теперь подвесим груз с внешней стороны корпуса лифта( к полу лифта, но с наружной сторны). При движении лифта с ускорением "вверх" подвес будет испытывать натяжение? Несомненно. Значит во внешнем пространстве, согласно логике Эйнштейна должно возникнуть "поле сил инерции"? Но это ещё не всё. Изменяя длину подвеса, мы будем менять объём пространства в котором возникает данное поле? Если следовать данной логике, то в случае буксировки автомобилем другого автомобиля, то же возникает поле сил инерции эквивалентное гравитационному и поэтому буксируемый автомобиль перемещается? А лампы в вагоне, прикреплённые к потолку вагона, начинают раскачиватьсяпри ускорении или торможении поезда, потому что возникает поле сил инерции? А мы в транспорте, когда стоим, отклоняемся от вертикали при торможении или ускорении транспорта по той же причине, или вследствии того, что ноги( через подошвы ботинок и благодаря силам трениям) следуют за корпусом транспорта, а верхняя часть тела стремиться сохраанить состояние покоя, вследствие того же закона инерции. О каком поле сил инерции можно говорить, когда объект внутри объёма лифта ( не имеющий контакта с корпусом лифта), перемещающегося "вверх" с ускорением и при отсутствие внешнего гравитационного поля, неподвижен, так как на него не действуют никакие силы. Есщи человеку в лифте кажется, что объект перемещается к полу лифта, это не основание говорить о поле сил инерции эквивалентном гравитационному. Если Эйнштейну казалось, что при его движении со скоростью фотона, фотон неподвижен, а это якобы нарушает законы электродинамики, то это его проблемы. Движение со скоростью фотона означает ,что два объекта( фотон и Эйнштейн) перемещаются в пространстве с одинаковой скоростью ( 300000км/сек) и ни о каком нарушении законов электродинамики речи быть не может. А сам то Эйнштейн понимал, что такое относительность?
Эйнштейн писал: "луч света в неподвижном лифте находящемся на поверхности Земли ( то есть во внешнем гравитационном поле) будет отклоняться к полу лифта, что и зафиксирует наблюдатель в лифте. Если лифт двигается с ускорением в пространстве, где отсутствует внешнее гравитационное поле, то человек в лифте также увидит отклонение луча света к полу лифта и обосновывает данный факт тем, что в движущемся лифте возникает поле сил инерции эквивалентное гравитационному. Вопрос: а если лифт движется с ускорением во внешнем гравитационном поле, поле сил инерции возникает ? Должно, ведь оно связано только с ускорением лифта. Причём градиенты обоих полей совпадают по направлению. А теперь вспомним СТО, а именно диагональное движение луча света в равномерно двигающемся вагоне(ИСО). По мнению наблюдателя в вагоне, луч света вертикален, по мнению неподвижного наблюдателя луч отклоняется от вертикали, причём в сторону движения вагона. О гравитационном поле Эйнштейн не упоминает. А если вагон начнёт тормозить или ускоряться? По логике Эйнштейна, наблюдатель в вагоне должен увидеть отклонение луча света от вертикали, причём в сторону противоположную движению вагона. А внешний наблюдатель, он что, увидит как луч света меняет траекторию движения на противоположную? А если лифт перестанет ускоряться, то есть начнёт двигаться с равномерной скоростью, то поле сил инерции должно исчезнуть, ведь так, так как оно возникает только при ускорении лифта. А человек в лифте увидит, что луч света стал параллельным полу лифта, ведь по условию внешняя гравитация отсутствует? Странные фокусы вытворяет луч света в мысленных экспериментах Эйнштейна в СТО и ОТО. А чтобы увидел неподвижный наблюдатель, если бы он был и мог наблюдать за лучом света в лифте, в условиях отсутствия внешнего гравитационного поля? Лифт неподвижен, луч света параллелен полу лифта. Лифт двигается вверх( относительно наблюдателя) с равномерной скоростью луч света, согласно предположению Эйнштейна в СТО, отклоняется от параллели и начинает движение по диагонали, причём в сторону движения лифта. Если в этот момент лифт начнёт ускоряться, то неподвижный наблюдатель увидит как луч света меняет ориентацию движения на противоположную, то есть отклонение луча будет противоположно направлению движения вагона, ведь при ускорении должно возникнуть поле сил инерции эквивалентное гравитационному отклоняющее луч света в противоположную сторону от движения системы( лифта или вагона) согласно ОТО. Не слишком ли странно ведёт себя луч света? Про деформацию пространства, обусловленную полем сил инерции эквивалентным гравитационному, говорить не буду. Нет поля, нет и деформации. Но за счёт чего луч света вытворяет такие фокусы, это большой вопрос. И интересно, если луч света может иметь возможность продолжить движение во внешнем пространстве( ну через окошко в стенке лифта), то ведь по Эйнштейну вне лифта поле сил инерции отсутствует, а по какой траектории будет двигаться луч света во внешнем пространстве, по отношению к корпусу лифта? По диагонали? По инерции что ли? Луч света и инерция, это что то.
Итак: никакого поля сил инерции эквивалентного гравитационному в природе не существует. С физической точки зрения говорить о поле сил инерции, существующем в объёме пространства ,довольно странно. Например , если реактивные двигатели начинают при своей работе придавать ракете ускорение, то естественно ракета начинает сопротивляться данному влиянию ( так как она имеет то, что мы называем массой) и отсюда возникает понятие инерции и сил инерции, но вот то, что при этом возникает какое то поле сил инерции, где, внутри ракеты? А вне корпуса ракеты? А если ракета не имеет внутреннего пространства( то есть цельный объект), то данное поле возникает или нет?
Гравитация и ускорение.
Совсем не много на уровне школьной физики. Что из себя представляет ускорение свободного падения? Имеем объект( маленький шар) и Землю. Эти два объекта имеют массу( что это мы не знаем, но в данном случае это неважно). Из опыта известно, что два объекта, имеющие массу, то есть материальные объекты, взаимодействуют между собой( мы называем этот процесс гравитационным) и начинают перемещаться в пространстве друг к другу. Если один объект( Земля) на много порядков по массе превышает другой объект(шар), то Земля,в силу такого свойства как инерция, остаётся неподвижной, а в движение приходит шар и движется с ускорением в сторону Земли, пока с ней не соединится. Человек на пповерхности Земли воспринимает данный процесс , как "падение" шара на Землю. Отсюда собственно и произошёл данный термин, так сложилось исторически. В данном случае важно, что ускорение есть динамическая характеристика перемещения тела в пространстве, а перемещение тела в пространстве может быть вызвано влиянием на тело различного вида воздействий( сил). В данном случае это следствие взаимодействия Земли и объекта. Но точно также перемещение, например ракеты, в пространстве вызвано работой двигателей ракеты. Если при этом ускорение ракеты и ускорение объекта взаимодействующего с Землёй одинаковы, то мы можем сказать, что гравитация и ускорение эквивалентны? В чём заключается эквивалентность? В показаниях весов? Но это чисто " числовое" равенство. Ракета двигаясь с ускорением воздействует на объект внутри и "смещает" его. Возникает то, что мы называем реакция опоры. Если между корпусом("полом") ракеты и предметом находятся весы, а ракета имеет ускорение прмерно 10 метров в секунду за секунду, то весы покажут ВЕС объекта численно равный весу объекта на поверхности Земли. Но на поверхности Земли объект неподвижен и причина того, что весы покажут такой же вес как и в ускоряющейся ракете, отнюдь не в эквивалентности ускорения и гравитации. Рассмотрим два мысленных эксперимента( можно Эйнштейну можно и мне):
1. Пусть имеется длинный вертикальный цилиндр перпендикулярный поверхности Земли. Если человек "прыгнет" в цилиндр, то он начнёт падать к поверхности Земли. Считаем что атмосфере отсутствует. Если стенки цилиндра однородны, то человек не сможет определить падает он или нет. Хотя его ускорение будет 10 метров в секунду за секунду, но он при этом не будет ощущать ничего, а ведь он находится в гравитационном поле Земли. Если на стенки нанести горизонтальные полосы, то человек сможет определить неодвижен он или перемещается внутри цилиндра, но опять же никаких ощущениий он испытывать не будет( точно также, как и в условиях отсутствия гравитационного поля, то есть в невесомости). Но вот когда он достигнет дна цилиндра, то он поймёт, что он двигался в пространстве и если выживет, то будет чувствовать тоже, что и стоя на поверхности Земли, хотя при этом он будет неподвижен, то есть ускорение отсутствует. Так ускорение эквивалентно гравитации, или это только наше восприятие?
2. Представим себе ракету, к корпусу которой прикреплено обычное кресло космонавта на длинной штанге. Космонавт садится в кресло и закрепляется, другой космонавт в ракете садится в такое же кресло. Ракета начинает ускоряться . Что почувствуют космонавты? Если ускорение ракеты 10 метров в секунду за секунду, то они почувствуют, что как бы находятся на Земле, причём космонавт в ракете и космонавт в кресле вынесенном за пределы корпуса ракеты, испытают одинаковые ощущения. Но Эйнштейн утверждал, что ощущения космонавта внутри корпуса ракеты связаны с возникновением поля сил инерции, эквивалентным гравитационному внутри ракеты. А космонавт в кресле вне корпуса ракеты за счёт чего испытывает аналогичные ощущения? Тоже за счёт поля сил инерции? Но ведь по Эйнштейну, никакого поля сил инерции, во внешнем пространстве, не возникает? А что мы имеем с точки зрения физики, а не домыслов? Ракета ускоряясь, воздействует на космонавта( через кресло, которое естественно имеет контакт с корпусом ракеты ) и "смещает" его в пространстве. Космонавт имеет массу, а масса имеет свойство " сопротивляться" внешнему воздействию и это мы называем инерцией. Так как кресло "давит" на космонавта, то возникает то, что мы называм реакцией опоры. Космонавт воспринимает данный процесс таким образом, что как будто он находится на поверхности Земли, в её поле гравитации. Но это только ощущения космонавта. На самом деле физика процесса на поверхности Земли и в ракете различная.
3, То же самое касается и ощущений космонавта в центрифуге. В центрифуге не возникает никаких полей. Механизм аналогичен предыдущему. Капсула с космонавтом вращается и смещает космонавта. Опять возникает реакция опоры и космонавту кажется, что гравитация растёт( а его вес увеличивается) с увеличением оборотов центрифуги. Но на самом деле никакого возрастания напряженности гравитационнного поля нет, а тем более нет никакого поля сил инерции. Просто таким образом космонавт ощущает происходящее.
4. Если число оборотов центрифуги будет возрастать( или двигатели ракеты будут придавать всё большее ускорение), то космонавт воспримет это как увеличение веса( но его масса не изменится), а следовательно взаимодействие массы космонавта с Землей( ведь центрифуга находится на Земле) не изменится. Ведь данное взаимодействие не зависит от того, находится космонавт во вращающейся центрифуге или нет, что очевидно. То же будет происходить и в стартующей ракете. Так эквивалентны гравитация и ускорение? Физика то процессов в данных случаях совершенно разная. Масса объекта не зависит от того находится он на поверхности Земли или вдали от неё. Движется он или неподвижен.Равномерное его движение или он перемещается с ускорением. Масса это свойство присущее материи в нашей Вселенной. И по крайней мере изменяться, потому, что объект имеет разную скорость( или ускорение) не может. Это все домыслы. Эластичная верёвка будет удлиняться, если число оборотов, при вращении груза, будет расти, а если в верёвку встроить обычный динамометр, то его показания будут изменяться. Но при чём здесь масса? Будет расти ВЕС груза, но не масса, с увеличением ускорения груза. Так эквивалентны ускорение и гравитация? Только "численно"( показания весов) и по ощущениям или мнению наблюдателя( неподвижный объект в лифте движущемся с ускорением при отсутствии внешнего гравитационного поля). В физическом плане никакой эквивалентности нет. Ускорение динамическая характеристика перемещения объекта в пространстве, и ничего более, что может быть вызвано совершенно разными силами, а не только гравитационным взаимодействием объектов. Гравитация же связана с взаимодействием объектов между собой, в результате чего объекты начинают перемещаться в пространстве друг к другу с ускорением. Например ракета может перемещаться под действием работающих реактивных двигателей с ускорением 10 метров в секунду за секунду и космонавтам в ракете будет казаться, что они находятся в условиях гравитационного поля аналогичного земному. Но это только ощущения. Никакого гравитационного поля при этом не возникает. Это всё следствия того, что объекты имеют массу, а с ней связано такое понятие как инерция тела. И лампы в старых вагонах поездов( на гибкой подвеске) раскачивались при торможении или ускорении поезда отнюдь не потому, что возникало поле сил инерции. И ускоряющемся или тормозящем автобусе мы отклоняемся также не по причине возникновения поля сил инерции. Инерция присутствует, но вот никакого поля нет.
Можно ещё привести примеры и поговорить о деформации пространства, но и так слишком объёмная статья. Если кому интересно, то некоторые аспекты я рассматривал в других статьях на моей странице в Дзене. Можно почитать.
КОНЕЦ СТАТЬИ
