Как развивались воззрения Галилея, Ньютона и Эйнштейна? И в чём, собственно, смысл странного выражения «кривизна пространства-времени»?

Общеизвестно глубочайшее противоречие между результатами опытов Галилея по свободному падению и утверждением Аристотеля о том, что «нисходящее движение масс золота, или свинца, или любых иных весомых тел происходит тем быстрее, чем больше их вес». За несколько лет до опытов Галилея Молетти в Падуе утверждал, что свинцовые и деревянные грузы падают одинаково быстро, но этого утверждения было недостаточно, чтобы опровергнуть взгляд Аристотеля. Для окончательного доказательства потребовалось вмешательство Галилея. Неясно, бросал ли Галилей свинцовые и деревянные грузы с «Падающей башни» в Пизе, но он определённо провёл более убедительные эксперименты с потенциально более высокой степенью точности, чем опыт с «Падающей башни» ¹).

¹) Подробности см. в книге Галлилео Галлилея «Диалоги о двух науках», впервые опубликованной в марте 1638 г. [Русский перевод: Галлилей, Диалоги о двух новых науках, ОНТИ, М., 1937.]

ГАЛИЛЕО ГАЛИЛЕЙ

Пиза, 14 февраля 1564 г. — Арчетри, близ Флоренции, 8 января 1642 г.

«Мой портрет уже закончен, сходство очень хорошее, рука отличного мастера». 22 сентября 1635 г.

* * *

«Если кто-либо и когда-либо мог претендовать на то, чтобы быть выделенным из числа других людей за свой разум, так это Птоломей и Коперник, заслуга которых в том, что они дальше всех заглянули в Систему Мира и наиболее глубоко её исследовали».

* * *

«Дорогой мой Кеплер, что мы сделаем со всем с этим? Будем ли смеяться или плакать?»

* * *

«Когда же я перестану удивляться?»

Кто, вступая на путь первооткрывателя закона ускоренного падения, мог обойти исследование полёта снаряда? Изучая этот полёт и стремясь описать его простейшим образом, Галилей должен был прийти к мысли о сложении движений — движения по вертикали с постоянным направленным вниз ускорением и горизонтального движения с постоянной скоростью (равномерного переноса). Отсюда оставался всего лишь шаг до принципа относительности в первой из его известных формулировок. Вот что говорят действующие лица в книге Галилея ²):

²) Книга Галилео Галилея «Диалоги о двух главнейших системах мира — птоломеевой и коперниканской» впервые опубликована в феврале 1632 г. [Русский перевод: Галилей, Диалоги о двух главнейших системах мира, Гостехиздат, М., 1947.] Сочинения Галилея, как и сочинения Данте, по своей силе и насыщенности — сокровища человеческой мысли, и учащиеся средних школ Италии изучают их как часть великого литературного наследия.

Галилей: первая из известных формулировок принципа относительности

Сальвиати, Запритесь с кем-нибудь из друзей в кают-компании под палубой большого корабля, взяв с собой мух, бабочек и других небольших летающих животных. Возьмите и большой сосуд с водой, в котором плавают рыбы. Подвесьте бутыль, из которой капля по капле вытекает вода в широкий сосуд внизу. Пока ваше судно стоит на месте, внимательно наблюдайте, как насекомые летают по помещению с одинаковыми скоростями во все стороны. Рыбы плавают как угодно, не предпочитая какого-либо особого направления. Капли падают в сосуд под бутылью. Если же вы бросите что-нибудь вашему другу, то вы приложите одинаковое усилие, в каком бы направлении ни бросали, если расстояния одинаковы. Прыгая обеими ногами сразу, вы будете пролетать одинаковые расстояния в любом направлении. Тщательно пронаблюдав всё это (хотя вы и не сомневались, что всё будет происходить именно так, пока корабль стоит на месте), отдайте команду, чтобы корабль начал двигаться с любой скоростью, лишь бы его движение было равномерным и не подвергалось каким бы то ни было возмущениям. Ни в одном из указанных процессов вы не обнаружите ни малейшего изменения и не сможете ни по одному из них узнать, движется ли ваш корабль или стоит на месте. Прыгая, вы будете пролетать над полом те же расстояния, что раньше, и ваши прыжки в сторону кормы не окажутся длиннее прыжков в сторону носа корабля несмотря на то, что, пока вы находились в воздухе, пол под вами двигался в направлении, противоположном вашему. Для того чтобы перебросить какой-нибудь предмет вашему другу, вам не понадобится затратить большее усилие, если ваш друг стоит ближе к носу корабля, а не к корме, когда вы расположились против него. Капли будут продолжать падать в стоящий внизу сосуд, не отклоняясь к корме, хотя, пока они летят в воздухе, судно успевает передвинуться на несколько пядей. Рыбы будут плавать в воде в своём сосуде с одинаковой лёгкостью во все стороны и в равной мере хватать приманку, в какой бы угол сосуда мы её ни поместили. Наконец, бабочки и мухи будут совершать полёты равно во всех направлениях, и вы никогда не обнаружите, что они скопились у кормы, как бы устав поспевать за ходом корабля, от которого они были отделены, находясь длительное время в воздухе...

Сагредо. Хотя мне и не приходилось в моих странствиях проводить таких наблюдений, я убеждён, что всё будет происходить именно так, как вы описали. Для меня служит подтверждением то, что я, помнится, сидя в своей каюте, часто не мог понять, идёт наш корабль или стоит на месте; случалось, я думал, что он идёт в одну сторону, тогда как мы двигались в противоположную...

Принцип относительности Галилея в этой первоначальной формулировке хотя и прост, но не настолько, насколько мог бы быть. В чём состоит его простота? Физические процессы выглядят одинаково в равномерно движущемся корабле и в корабле, стоящем на месте. Равномерное относительное движение кораблей не сказывается на законах движения, описываемых в каждом из них. В каждом корабле мы видим, что изолированное тело совершает равномерное прямолинейное движение в горизонтальном направлении и подвержено равноускоренному движению в вертикальном направлении. Ядро, падающее вертикально вниз на одном корабле, при наблюдении с другого корабля описывает параболическую кривую; ядро, падающее вертикально вниз на этом втором корабле, также описывает параболическую кривую, если его наблюдать с первого корабля. Простота принципа относительности Галилея кроется во взаимной эквивалентности двух находящихся на Земле систем отсчёта и в симметрии между ними. В каком же смысле эта простота не так велика, как она могла бы быть?

Распространение рассуждений Галилея с обычного корабля на космический

Системы отсчёта в определении Галилея ещё не являются инерциальными. Чтобы получить последние, требуется лишь небольшая замена понятий — переход от морского корабля к космическому. Тогда совершенно одинаковыми становятся все направления — вверх и вниз, на восток и на запад, на север и на юг. Тело, не подвергающееся воздействию сил, не испытывает ускорения,, и его движение будет равномерным как с точки зрения одного космического» корабля, так и другого. Сегодня под галилеевым принципом относительности понимают именно это тождество выражений закона свободного движения во всех инерциальных системах отсчёта.

Как бы Галилей ни изощрял свою фантазию, он не мог в 1632 г. предложить своим читателям поместиться в космическом корабле.

Рис. 134. Майор Эдвард Уайт не испытывает никакого ускорения относительно космического корабля, в котором находится майор Джеймс Макдивитт, кроме тех моментов, когда он выбрасывает струю кислорода из двигателя, находящегося в его правой руке. В 100 милях внизу видна Калифорния. Полёт космического корабля «Джемини 3»— 7 июня 1965 г.