Холодильник Эйнштейна

Теперь представьте, что камера находится не в глубинах космоса, а всего в 50 км над землей, на нулевом меридиане прямо над лондонским районом Гринвич. Камера, как выясняется, летит вниз в свободном падении. Это значит, что сама камера и ее обитательница, Алиса, ускоряются, все быстрее приближаясь к земной поверхности. Важно, что и камера, и Алиса ускоряются в одном и том же темпе. Еще Галилей отметил, что тела падают с одной скоростью независимо от своей массы. Один из помощников Галилея Винченцо Вивиани вспоминал, как великий физик продемонстрировал это свойство, сбросив два тела разной массы с верхушки Пизанской башни и показав, что о землю они ударились одновременно. Историки не знают, насколько правдива эта история, но Галилей точно спускал шары разной массы по наклонной плоскости, чтобы показать, что все они проходят заданное расстояние за одинаковое время.

Вернемся к Алисе, заключенной в камеру, падающую над Гринвичем. Поскольку Алиса и камера летят вниз с одной скоростью, Алисе кажется, что она плавает по камере точно так же, как плавала, пока камера находилась в космосе. Если Алиса взвесится, весы снова покажут ноль. Алиса никак не сможет понять, что приближается к земле с возрастающей скоростью, пока камера не ударится о земную поверхность. До момента фатального столкновения с землей внутри камеры земная гравитация остается неощутимой. “Для наблюдателя в свободном падении <…> во время падения не существует никакого гравитационного поля”, — отметил Эйнштейн. Тот факт, что пребывание в свободном падении не отличить от пребывания в зоне нулевой гравитации, называется принципом эквивалентности.

Теперь расширим картину. Представьте вторую камеру, которая также находится в р км над землей над нулевым Гринвичским меридианом. Эта камера падает одновременно с камерой Алисы в 50 км южнее. Вторая камера сделана из более тяжелого материала, чем первая. Внутри нее другой физик, Боб, который весит на 20 кг больше Алисы.

С поверхности земли за падением камер наблюдает физик Клео. Она обладает дальним рентгеновским зрением, которое позволяет ей видеть сквозь стены. Но что же она видит? Она видит, что по мере движения вниз все тела — и камеры, и пассажиры — ускоряются в одинаковом темпе. Кроме того, Клео видит, что камеры не только падают, но и становятся все ближе друг к другу: горизонтальное расстояние между ними сокращается. Камеры сближаются гораздо медленнее, чем падают, но сближение идет непрерывно.

Весьма любопытно, что Клео видит, как камеры становятся ближе друг к другу. Чтобы объяснить их сближение, необходимо прежде всего обратиться к закону тяготения Исаака Ньютона. Он гласит, что существует некая сила, которая притягивает все к центру Земли. Поскольку сила направлена внутрь, в одну точку, которой является центр Земли, притягивая две камеры вниз, она также сближает их друг с другом в процессе падения.

Эта ньютонова сила объясняет увиденное Клео, но рождает множество вопросов. Первым делом отметим, что все падающие тела — два человека и две камеры — имеют разную массу. Тем не менее они ускоряются в одном темпе, а это значит, что сила, притягивающая каждое из тел, не просто варьируется, а варьируется ровно в такой степени, чтобы обеспечить одинаковый темп ускорения. Но как Земля это делает? Как она варьирует свое тяготение, чтобы учесть массу каждого притягиваемого тела? Далее возникает вопрос с радиальным характером земного тяготения. Такое впечатление, что центр Земли проводит “линии прицеливания” к каждому объекту в непосредственной близости от поверхности. Иными словами, Земля словно измеряет расстояние от собственного центра до каждого тела в окрестностях, а также измеряет массу этих тел. Далее ей необходимо рассчитать точное количество силы, которое необходимо применить к каждому из тел, и направление приложения этой силы. После этого она мгновенно прикладывает нужную силу ко всем телам, падающим вниз.

Это нелепая мысль. И первым ее нелепость отметил сам Ньютон. В письме, написанном вскоре после публикации его теории земного тяготения, он сказал: “То, что тяготение должно быть врожденным, внутренне присущим материи и существенным для нее, дабы одно тело могло воздействовать на другое на расстоянии через пустоту, без посредства какого-либо агента <…> представляется мне столь вопиющей нелепостью, что, по моему убеждению, ни один человек, способный со знанием дела судить о философских материях, не впадет в нее. Тяготение должно вызываться неким агентом, постоянно действующим по определенным законам; материален этот агент или нематериален, я предоставляю судить читателям[30]. Стоит отметить, что ни одна другая сила в природе не ведет себя подобно гравитации. Например, скрепка для бумаг и тело потяжелее, скажем болт, устремятся к магниту на разных скоростях. Однако, если уронить скрепку и болт, они полетят вниз с совершенно одинаковым ускорением.