Массу тела можно определить путем измерения испытываемого телом ускорения под действием известной силы:

Мин = F/a (1)

Определяемая таким путем масса, обозначаемая Мин, известная под названием инертной массы. Массу можно также определить, измеряя силу ее тяготения к другому телу, например к Земле: GMгрМ3=F,

Мгр=FrІ/ GM3 (2)

Определяемая подобным способом масса, обозначаемая Мгр, носит название гравитационной массы. В формулах (2) М3 - масса Земли.

Замечательно, что инертные массы всех тел в пределах точности измерений пропорциональны их гравитационным массам.

Принцип эквивалентности

Ни разу, ни при каких условиях не было обнаружено никакого различия между инертной и гравитационной массами тела, наводит на мысль, что тяготение в известном смысле может быть эквивалентным ускорению.

Действия ускоренного движения и силы тяжести полностью взаимно уничтожаются. Наблюдатель, сидящий в закрытом лифте и регистрирующий силы, представляющие ему гравитационными, не может сказать, какая доля этих сил обусловлена ускорением и какая - действительными гравитационными силами. Он вообще не обнаружил никаких сил, если только на лифт не подействуют какие-либо другие (т.е. отличные от гравитационных0 силы. Постулированный принцип эквивалентности требует, в частности, чтобы отношение инертных масс к гравитационным удовлетворяло тождеству

Мин/Мгр = 1

«Невесомость» человека в спутнике на орбите является следствием принципа эквивалентности.

Поиски математических следствий принципа эквивалентности приводят к общей теории относительности.

Теория относительности

Альберт Эйнштейн создал новую теорию - теорию относительности, или релятивистскую механику (от английского - относительность).

Главный вклад Эйнштейна в познание законов природы состоял даже не в открытии новых формул, а в радикальном изменении основополагающих фундаментальных представлений о пространстве, времени, веществе и движении.

Общая теория относительности описывает взаимосвязь физических процессов, происходящих в ускоренно движущихся друг относительно друга (неинерциальных) системах отсчета.

Специальная теория относительности базируется на двух постулатах.

Первый постулат теории относительности является обобщением классического принципа относительности Галилея на любые законы природы, а не только механики.

Первый постулат теории относительности:

Все законы природы одинаковы в инерциальных системах отсчета.

Это означает, что все инерциальные системы отсчета эквивалентны. При наличии двух инерциальных систем отсчета бессмысленно выяснять, какая из них движется, а какая покоится. Можно наблюдать только относительное прямолинейное движение. Нельзя говорить об абсолютном прямолинейном и равномерном движении, иначе существовала бы ИСО, в которой законы природы отличались бы от законов в других системах. Сравнивая эти законы, наблюдатель мог бы установить, в покое или в движении находится эта система, что противоречит первому постулату.

Никакие опыты в принципе не позволяют выделить предпочтительную абсолютную инерциальною систему отсчета.

Второй постулат теории относительности:

Скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Это означает, что скорость сета в вакууме не зависит от скорости движения источника или приемник света.

Постоянство скорости света - фундаментальное свойство природы. Согласно постулатам СТО скорость света - максимально возможная скорость распространения любого взаимодействия.

Скорость света образует верхний предел скоростей для всех материальных тел.

Материальные тела не могут иметь скорость большую, чем скорость света.

Положения данного принципа относятся к области исследования сил гравитации и инерции. Рассматриваемый нами принцип эквивалентности — это эвристический принцип, который применялся великим Альбертом Эйнштейном, когда он занимался разработкой своего величайшего научного открытия - общей теории относительности.

В самом общем виде, принцип эквивалентности Эйнштейна гласит, что взаимодействия между объектами прямо пропорциональны гравитационной массе тела, а силы инерции этого же тела, в данном случае, пропорциональны инертной массе тела. И в том случае, когда и та и другая массы тела оказываются равными, то определить, какая из сил действует на это тело, не представляется возможным.

Чтобы доказать данные выводы, Эйнштейн использовал такой эксперимент. Необходимо мысленно представить, что два тела находятся в лифте. Этот лифт находится бесконечно далеко от воздействующих на него гравитирующих тел и движется с ускорением. В этом случае на все тела, которые находятся в лифте, будет действовать и они будут обладать определенным весом.

Если лифт неподвижен, то тела внутри него также будут обладать весом, а это и значит, что все механические преобразования в обоих лифтах будут происходить одинаково. Этот эффект Эйнштейн распространил на все явления механики, и даже всей физики, затем выводы ученого пополнили фундаментальные принципы эквивалентности.

Сегодня некоторые исследователи считают, что принцип эквивалентности можно рассматривать в качестве основного во всей теории относительности, а потому, и гравитационное поле является неинерциальной системой отсчета. Однако такое утверждение можно считать достоверным лишь только отчасти. Дело в том, что каждая неинерциальная система в А. Эйнштейна имеет в своей основе обычное линейное пространство-время. В общей теории, которая включает в себя метрическую концепцию гравитации, пространство-время искривлено. Объясняется такое несоответствие тем, что метрические концепции вообще не содержат в себе глобальных инерциальных систем. Здесь принцип эквивалентности может проявить себя только в том случае, если пренебречь самим искривлением.

Целесообразно также дифференцировать слабый и сильный варианты проявления принципа эквивалентности, различие которых состоит в том, что при малых расстояниях между объектами особых расхождений в действиях законов природы не будет, независимо от того, в какой из систем отсчета эти объекты находятся.

Фундаментальные основы этой теории А. Эйнштейн сформулировал в 1907 году. При рассмотрении значения данного принципа в масштабе всей физики следует сказать, что открытие Эйнштейна продолжает и развивает утверждение Галилея о приобретении всеми телами, независимо от их массы, ускорений в гравитационном поле. Это положение позволило сделать вывод об эквивалентности инертной массы. Позднее эта эквивалентность была измерена и метрически, с точностью вплоть до 12-го знака.

Важно заметить, что использование открытия Эйнштейна эффективно только при малых пространственных объемах, потому что только при таких условиях можно считать постоянной величиной.

Эйнштейн распространил свой принцип эквивалентности на все системы отсчета, находящиеся в состоянии свободного падения, а также более детально разработал понятие локальной системы. Это было необходимо сделать потому, что во Вселенной присутствует повсюду, а тяготение изменчиво - оно различается от точки к точке, потому что каждой точке свойственны свои параметрические характеристики. Поэтому эти системы, по мнению Эйнштейна, не следует отождествлять с инерциальными, что нарушает

Знаменитый принцип эквивалентности позволил Эйнштейну перейти от специальной теории относительности, описывающей движение с точки зрения различных систем отсчета, к общей теории относительности, описывающей гравитацию. С первого взгляда гравитация не имеет никакого отношения к движению. Мы чувствуем гравитационное поле Земли даже находясь неподвижно на ее поверхности.

Мы ощущаем воздействие гравитационного поля через величину, называемую весом. Вставая на весы мы измеряем именно свой вес относительно гравитационного поля Земли. На других планетах вы бы увидели другие показания своего веса. В интернете полно таких . Сила, давящая на весы, обусловлена притяжением к Земле и вычисляется согласно закону всемирного тяготения Ньютона:

\(\displaystyle F=G\frac{mM}{r^2}\)
где m — масса тела на весах; М — масса Земли; r — расстояние от весов до центра Земли; G — гравитационная постоянная Ньютона.

Но эту силу можно имитировать, используя другой закон Ньютона:

\(\displaystyle F=ma\)

То есть можно подобрать ускорение, чтобы получилась такая же величина силы. Приравняв друг другу эти силы получим:

\(\displaystyle ma=G\frac{mM}{r^2}\)

Принцип эквивалентности гласит, что масса в левой части формулы (инерционная масса) является той же самой физической величиной m, стоящей в правой части (гравитационная масса). И, таким образом, их можно сократить, получив:

\(\displaystyle a=G\frac{M}{r^2}\)

Оказывается движение с ускорением (левая часть) эквивалентно гравитации (правая часть). Для земной гравитации величина этого ускорения широко известна:

\(\displaystyle a\approx 9.8 м/с^{2}\)

Его обычно обозначают буквой \(\displaystyle g\). При вертикальном взлете ракеты к этому \(\displaystyle g\) добавляется ускорение ракеты при наборе скорости. Космонавт испытывает перегрузки. При ускорении ракеты \(\displaystyle 9.8 м/с^{2}\) космонавт ощущает, что его вес увеличился в два раза (\(\displaystyle 2g\)).

Но вес можно и уменьшить вплоть до нуля. Это состояние называется невесомостью. И согласно принципу эквивалентности при этом даже нет необходимости убирать до нуля гравитационное поле. Его можно компенсировать движением с ускорением. Знаменитый мысленный эксперимент Эйнштейна «человек в лифте» поясняет идею.

Человека запертого в шумонепронецаемом и непрозрачном лифте сбрасывают с самолета. Гравитационное поле заставляет его падать по направлению к земле с ускорением \(\displaystyle g\). Человек при этом ощущает состояние невесомости и не имея возможности посмотреть наружу не сможет сказать находится ли он в свободном падении в гравитационном поле или просто покоится в каком-нибудь месте в отсутствии гравитационного поля, где-нибудь в космосе вдали от звезд и планет.

Если же поместить этот лифт в ракету, движущуюся в космосе вдалеке от гравитирующих звезд с ускорением \(\displaystyle 9.8 м/с^{2}\), он не сможет отличить ситуацию от той, если бы лифт находился на поверхности земли.

Сейчас состояния невесомости и перегрузки получают на коммерческой основе в самолете, который то набирает высоту с ускорением, то свободно падает вниз.

По той же причине космонавты на орбите испытывают невесомость. Она обусловлена не тем, что гравитационное поле вдруг стало равно нулю (оно практически такое же, что и на поверхности земли). Просто они постоянно падают на землю, но не достигают ее поверхности из-за огромной линейной скорости — первой космической скорости, компенсирующей приближение к поверхности земли. Траектория движения, обусловленная центростремительной силой притяжения и этой скоростью, как раз и будет окружностью или эллипсом.

Если бы спутник или МКС не двигались вокруг Земли с громадной скоростью, они бы сразу же упали на поверхность. Эта скорость не ощущается космонавтами из-за .

Гравитационное поле можно компенсировать ускоренным движением лишь в малой области пространства. Если размеры объекта сопоставимы с радиусом Земли, будут заметны эффекты, связанные с неоднородностью гравитационного поля.

Сила, действующая на пол лифта будет больше чем сила, действующая на потолок из-за их разного удаления от центра Земли. Будет наблюдаться эффективная сила «растягивающая» лифт. Да и направление центростремительной силы в разных частях лифта будет разное что также можно обнаружить. Принцип эквивалентности работает только локально — фактически только для точечного объекта.

Все о чем мы говорили есть следствия классической Ньютоновской механики. Но Эйнштейн своей специальной теорией относительности (СТО) показал, что она не верна при движении со скоростями близкими к скорости света. СТО позволяет исследовать не только движения с постоянной скоростью, но и

Сила тяготения отличается от всех других сил тем, что она пропорциональна массе того тела, на которое действует. С другой стороны, в уравнениях движения классической механики (2.13) компоненты силы, действующей на тело, также пропорциональны его массе. Поэтому постоянный множитель с обеих сторон сокращается, и мы получаем, что ускорение тела в гравитационном поле не зависит от его массы.

Теория гравитации Ньютона констатирует этот факт, но не объясняет его. С точки зрения классической физики едва ли даже можно требовать какого-либо „объяснения". Другие силовые законы - закон Кулона для электростатических сил, природа сил Ван-дер-Ваальса также не могут быть „объяснены. Однако закон Ньютона имеет особое, более широкое значение. Масса тела, отношение силы к ускорению, является постоянной, характеризующей поведение тела под действием сил. Эту постоянную можно назвать „инертной массой, так как она является мерой «инертной сопротивляемости ускорению. Электростатическая сила, действующая на частицу, есть произведение напряженности электрического поля, не зависящего от частицы, на заряд частицы, который является ее характеристикой. Точно так же гравитационная сила есть произведение „напряженности гравитационного поля [отрицательного градиента гравитационного потенциала (10.3)] на массу частицы. В том случае, когда масса играет роль „гравитационного заряда, мы будем ее называть „гравитационной или тяжелой

массой. Согласно ньютоновской теории гравитации инертная и гравитационная массы одного и того же тела всегда равны. Это положение по причинам, которые будут ясны из дальнейшего, носит название принципа эквивалентности.

Вообще говоря, могло бы случиться, что „инертная и „гравитационная массы большинства тел только приблизительно равны, что это приближенное равенство случайно и что при точном измерении обе массы в действительности окажутся различными. К счастью, утверждаемое равенство инертной и гравитационной масс возможно подвергнуть очень точной проверке. Для этого достаточно показать равенство ускорений всех тел в одном и том же гравитационном поле.

Ускорения свободно падающих тел нельзя измерять непосредственно, так как невозможно с достаточной степенью точности измерять интервалы времени; поэтому необходимо прибегнуть к косвенным методам. Существует тип ускорения, „инерциальное ускорение, которое определенно не зависит от массы ускоряемого тела. Если относить движение тел к неинерциальной системе отсчета, возникают ускорения, обусловленные не действующими на тело силами, а ускорением выбранной системы отсчета относительно какой-либо ииерциальной системы. В главе II эти „силы инерции были исследованы в специальном случае, когда система отсчета вращается с постоянной угловой скоростью относительно ииерциальной системы.

„Сила инерции пропорциональна „инертной массе тела. Поэтому, если на тело одновременно действуют и „силы инерции и гравитационные силы, направление равнодействующей будет зависеть от отношения „инертной "массы тела к „гравитационной. Определение направления этой равнодействующей для различных тел является чувствительным критерием того, одинаково ли это отношение для всех испытуемых тел.

Необходимая экспериментальная установка создана самой природой: Земля, вращающаяся вокруг своей оси с постоянной угловой скоростью, является неинерциальной

системой. На тело, покоящееся относительно Земли, действуют две силы: гравитационное притяжение Земли и «центробежная сила". Полное ускорение этого тела относительно Земли получается векторным сложением гравитационного и „центробежного" ускорений. Для точек, расположенных не на экваторе, эти две составляющие не параллельны, и направление равнодействующей является мерой отношения инертной массы к гравитационной.

Этвеш) подвешивал на коромыслах крутильных весов две гири из различных материалов, но с одной и той же гравитационной массой. Если бы их инертные массы не были равны, результирующие силы, действующие на гири, были бы не параллельны, и весы получили бы крутильный момент. Отсутствие такого момента показывает, что отношение инертной массы к гравитационной одно и то же для различных материалов. Этот результат был получен с относительной точностью 10-8.

В специальной теории относительности было показано, что по крайней мере часть инертной массы тела обусловлена внутренней энергией. В радиоактивных веществах эта, прибавка к полной массе значительна. Является ли эта часть „инертной массы" также и „гравитационной массой"? Ответ на этот вопрос был дан Саузернсома), который повторил эксперимент Этвеша с радиоактивными веществами. Результат был тот же: „гравитационная масса" оказалась равной „инертной массе", хотя последняя в известной степени была обусловлена энергией связи. Принцип эквивалентности, таким образом, является основным свойством, гравитационных сил.

Принцип эквивалентности масс за всю историю физики является самым удивительным. Поразительно, но этот принцип продолжает экспериментально уточняться, начиная с конца 19 века по настоящее время. Принцип эквивалентности, согласно которому поле тяготения в небольшой области пространства и времени по своему проявлению тождественно ускоренной системе отсчёта, лежит в основе общей теории относительности и имеет следствием равенство инертной и гравитационной масс.

Впервые принцип эквивалентности масс был выдвинут Ньютоном и проверен им экспериментально. Этот принцип позволял объяснить парадокс, почему все тела падают на землю с одним ускорением. Парадоксальное открытие сделал Галлией, сбрасывая тела разного веса с Пизанской башни. Чтобы объяснить это явление, Ньютон ввел массу - новую внутреннюю сущность материи.

В разных законах Ньютона масса выступает то как мера инерции, то как мера гравитационных свойств. Ньютон впервые обратил внимание на равенство инертной и гравитационной масс и доказал, что они отличаются не более чем на 0,1 % (иначе говоря, равны с точностью до 10 -3).

В более позднее время Р. Этвеш в серии весьма точных опытов, проведенных с 1890 по 1910 г. и продолженных в 1922 г., показал, что принцип эквивалентности гравитационной и инертной масс соблюдается с точностью выше одной двадцатимиллионной. Опыты Этвеша рассматривают поведение отвеса, на который действуют сила притяжения Земли и центробежная сила. Сила притяжения Земли зависит от гравитационной массы, центробежная сила, вызванная вращением Земли, зависит от инертной массы.

Опыт Этвеша по проверке принципа эквивалентности масс

Опыт ставился следующим образом. На нити подвешивался стержень с двумя грузами на краях: из меди и платины (см.рис.). Стержень ориентировался перпендикулярно к меридиану (меридиан - прямая с севера на юг на рисунке обозначена как NS). Плечи стержня равны. Грузы по весу также равны.

Если бы эти (гравитационная и инерционная) массы не были одинаковы, то направление отвеса зависело бы от материала (медь, платина, свинец, железо, стекло и т. д.), из которого сделан шар отвеса. Однако Этвеш с помощью этих крутильных весов установил, что отвес не меняет своего направления независимо от материала, из которого он изготовлен. Таким образом, устанавливалось равенство гравитационной и инертной масс (подробнее см. http://rozman2.narod.ru/otopdf/oto02.pdf). Причину этого явления классическая механика даже не пыталась объяснить. Введенный Ньютоном принцип эквивалентности позволил говорить, что мы имеем дело с новой сущностью, обладающей гравитационным и инерционными свойствами. Так, принцип эквивалентности закрепил существование массы.

Наука, занимающаяся электрическими зарядами и их взаимодействием, находилась во времена Ньютона в зачаточном состоянии. Было известно, что существует два вида зарядов и, что заряды одного вида отталкиваются, а противоположного вида притягиваются. В те времена их называли смоляным и янтарным электричеством. Впоследствии названия зарядов изменились на положительный и отрицательный. С точки зрения математического подхода притяжение и столкновение разноименных зарядов заканчивается их взаимной нейтрализацией и исчезновением заряда. Все космические и обычные материальные тела рассматривались в механике как электрически нейтральные тела. Ньютон, соответственно, не мог объяснить физический смысл принципа эквивалентности масс.

После выяснения строения атомов и состава атомного ядра (после открытий Резерфорда) стало ясно, что все элементы и, соответственно, вся материя состоят из одинаковых устойчивых заряженных частиц: электронов, протонов и нейтронов. Заряженные частицы имеют либо положительный, либо отрицательный заряд.

При любом силовом воздействии заряженная частица отвечает силой инерции, природа которой электрическая (см. В.Ю. и Ю.В. Ганкины «Как образуется химическая связь и протекают химические реакции »). Сила в физике является аддитивным понятием. Полная сила инерции материального тела складывается из сил инерции отдельных заряженных частиц. Сила F инерц_i , действующая на каждую частицу пропорциональна ускорению а , согласно электродинамическому механизму инерции заряженных частиц. Следовательно, и полная сила, действующая на все макроскопическое тело, пропорциональна ускорению а , что и является содержанием 2 закона Ньютона F= m . a .

Также обстоят дела и с силой гравитации. Полная сила складывается из гравитационных сил отдельных частиц. Каждая сила F грав_i пропорциональна ускорению g, согласно 4 закону Ньютона F=m . g .

Отношение Fинерц_i /a = F грав_i /g есть величина постоянная. В этом и выражается принцип эквивалентности масс.

Принцип эквивалентности неоднократно уточнялся и проверялся. В 1959 - 1963 гг. американским физиком Р. Дикке точность измерений была увеличена до 10 -11 , а в 1971 г. советские физики В.П. Брагинский и В.И. Панов довели точность измерения этих величин до 10 -12 .

Природа принципа эквивалентности масс

Мы провели сравнение веществ, различающихся по плотности, электропроводности и др. параметрам. В таблице приведен расчет количества нуклонов в 1 грамме элемента.

Устойчивые изотопы некоторых элементов	Кол-во протонов	Кол-во нейтронов	aтомный вес расчет по формуле (3)	aтомный вес справочник	1 гр. вещества содержит атомов *10 21	1 гр. вещества содержит нуклонов *10 23
			16,12816	15,9994	37,33928	5,974063

Атомный вес рассчитывался по формуле

M=1,00732*Z+1,0087*N, (3)

в которой Z-количество протонов, N-количество нейтронов, а коэффициенты 1,00732 и 1,0087 учитывают внутриядерные взаимодействия. В таблице представлены расчеты только для нескольких устойчивых изотопов элементов, различающихся по химическим и физическим свойствам. Количество нуклонов в 1 грамме вещества совпадает до 4-го знака, расхождение составляет менее 10 -3 %. Поэтому мы считаем, что равное количество заряженных частиц определяет одинаковые инерционные и гравитационные свойства. Это происходит в следствии аддитивности сил инерции и гравитации, и отсутствия других составляющих в любом веществе.

Мы полагаем что,

1. инерционные и гравитационные свойства зарядов обусловлены электромагнитной индукцией (см. статьи "Закон гравитации" и "Индуктивность электрона") и

принцип эквивалентности заключается в проявлении электродинамических взаимодействий элементарных зарядов, составляющих тело, с окружающими это тело другими зарядами.

Почему же остальные свойства 1 грамма вещества столь различны? Потому, что эти свойства определяются химическими связями, образуемыми атомами или молекулами этого вещества.

Инерциальные свойства, приписываемые механической массе, существуют только как факт, обусловленный верой в авторитеты и инерцией человеческого мышления.