Большой американский пассажирский пароход «Левиафан» имеет вместимость 59.957 тонн только при известных условиях; так, например, когда Лyнa находится в зените, т.-е. прямо над головой, то корабль теряет в своем весе до 5½ килограммов. Далее, если он совершает плавание из Европы в Америку, т.-е. на запад, пересекая Атлантический океан, то вес его будет больше, а при движении в обратном направлении, т.-е. на восток, из Америки в Европу, вес его будет меньше нормального. Если пароход идет на восток, скажем, со скоростью в 18 узлов в час, то вес его будет меньше, чем при замедленном ходе до 10 узлов в час, например, в туманную погоду. При движении на запад его вес будет меньше при скорости в 10 узлов, чем при скорости в 18 узлов.
Если вы встанете на весы, предположим, в Нью-Иорке и стрелка покажет вес в 70 килограммов, то, вступив на борт «Левиафана», ваш вес будет изменяться в зависимости от тех условий, в которых будет находиться «Левиафан». Другими словами, ваш вес будет подвергаться соответственно тем же изменениям, как и вес самого «Левиафана», т.-е. он будет «относительным», а не абсолютным.
В нашей обыденной жизни имеется много якобы непреложных истин, но они верны на деле лишь в определенных условиях. Кроме веса, мы сталкиваемся со временем, пространством, скоростью движения и веществом, которым мы придаем обычно абсолютные значения, хотя на самом деле эти значения основываются на привычных представлениях, вытекающих из нашего недостаточно проверенного опыта.
Мы утверждаем, например, что год на Юпитере — самой большой планете из всей нашей солнечной системы — длится 12 лет, а год на Меркурии — ближайшей к Солнцу планете — всего лишь 3 месяца. В действительности, ни то, ни другое определение неправильно, так как год не есть единица меры времени для всей вселенной, а только означает период, в течение которого планета совершает полный путь по своей орбите вокруг Солнца. Правильнее сказать, что год на Юпитере равен 12 земным годам, а год на Земле равен 4 годам на Меркурии. Если бы Земля вышла из своей орбиты и стала описывать вокруг Солнца более широкие круги или же была притянута Солнцем ближе к себе и описывала бы меньшие круги, то наш год соответственно удлинился бы или укоротился. Таким образом, термин «год» может быть употреблен лишь в смысле «относительном», а не абсолютном.
От таких небольших и простых примеров, как определение времени или веса, до знаменитой теории Эйнштейна — огромное расстояние. Но представления об известных идеях и терминах, — которые основаны исключительно на наших весьма ограниченных знаниях и опытах, пригодных лишь для нашей планеты, а не для всей вселенной, — открывают нам путь к пониманию теории Эйнштейна. Подобно четвертому измерению, его теория не может быть заключена в узкие рамки и лишь несколько сот человек, знакомых с высшей математикой, в состоянии понять математическую сущность его теории.
Возвратимся к нашему путешествию на «Левиафане». Вы весили 70 килограммов, но этот весь не есть свойство вашего тела, а есть только сила, с которой Земля вас притягивает. Вероятно, нигде больше во всей вселенной вы не будете весить точно 70 килограммов. Если б вы совершили путешествие на одно из небесных светил, то возможно, что ваш вес выразился бы в тоннах, а в некоторых случаях — в сотнях весовых тонн, хотя вы сами не изменились бы совершенно. Другими словами, если понимать под килограммом единицу массы вашего тела, то всегда килограмм останется килограммом, где бы вы не были, так как масса не меняется. Но притяжение вашего тела огромной планетой усилилось бы настолько, что ваш вес показался бы в несколько тонн. Таким же образом на других звездах и планетах ваш вес может уменьшиться до граммов, т.-е. до таких весовых единиц, как мы их понимаем здесь на земле.
Чтобы найти такой уголок во всей вселенной, где ваш вес равнялся бы весу на Земле, пришлось бы искать планету такого же размера и веса, как Земля, которая вращалась бы вокруг своей оси с той же скоростью и была бы на таком же расстоянии от своего солнца, как и Земля. Кроме того, должны быть соблюдены и другие условия равенства различных факторов движения, напр., притяжения со стороны других соседних планет и проч. Другими словами, найти такую планету, на которой сила веса была бы такая же, как на Земле. Можно сказать, пожалуй, что найти на другой планете такие же условия, как на Земле, невозможно.
Пойдем дальше в разборе наших примеров. Вступим на борт «Левиафана», направляющегося из Нью-Иорка на восток. В первую же ночь Луна появляется над горизонтом и по мере вращения Земли она постепенно поднимается все выше и выше, пока не дойдет до зенита и будет над вашей головой. В течение этого процесса вы и «Левиафан» каждый потеряли одну десятимиллионную часть веса. Это составляет незначительную частицу вашего веса, но потеря в весе корабля достигает 5½ килограммов. Причиной падения веса является притяжение Луной. Это и есть та самая сила, которая вызывает в океанах приливы и отливы.
Представим себе картину, что в светлую лунную ночь «Левиафан» несется полным ходом, но с рассветом туман заволакивает море и корабль замедляет ход. В этом положении корабль будет весить больше, чем когда он шел на всех парах.
В качестве популярного объяснения можно привести решение старой загадки — отчего поезд, идущий с запада на восток, например, из Москвы во Владивосток, будет весить меньше, чем поезд того же состава и веса, стоящий на месте или идущий по направлению на запад, т.-е. из Владивостока в Москву. Для объяснения этого явления обратимся к понятию о центробежной силе. Центробежная сила представляет собою такую силу, которая, например, удерживает воду в ведре, когда ведро быстро вращается на вытянутой руке; это та сила, которая заставляет быстро вращаемые предметы устремляться от центра, преодолевая тяготение к земле; быстро вращающееся маховое колесо может разлететься на мелкие куски при слишком быстром вращении. Случаи таких катастроф известны в промышленности. Если бы они могли сохранить ту скорость, с которой оторвались от колеса, то никогда не вернулись бы на землю, а продолжали бы нестись в пространстве, как бы невесомые на подобие метеора, пока они двигаются вне притяжения земли.
Обратимся опять к поезду, отходящему на восток, т.-е. в направлении вращения земли. Предположим, что вместо ограниченной скорости в 90—100 километров в час он развивает все большую и большую скорость и доводит ее до скорости, подобной разлетающемуся маховому колесу; тогда он преодолеет силу притяжения земли и понесется в пространство. В тот момент, когда поезд отделится от рельс, он, следовательно, не будет давить уже на рельсы, как бы не будет иметь больше веса. Конечно, он не потерял все 1.000 тонн своего веса в один момент, но утрачивал его постепенно, все более и более по мере увеличения скорости движения, пока окончательно не потерял всего веса. Следовательно, причиной утраты веса является возраставшая скорость. Стоя на станции, поезд сам по себе остается в состоянии покоя, но земля вращается вокруг своей оси со скоростью более чем 1.600 километров в час у экватора и с несколько меньшей скоростью, чем на широте Москвы. Итак, поезд, стоящий на станции, в действительности совершает движение в пространстве со скоростью, скажем, 800 миль (для широты Москвы) в час. Предположим, что поезд, оставляя станцию, развил свою скорость до 60 миль в час, но его скорость вокруг оси вращения земли будет 60 миль плюс скорость вращения земли, т.-е. 860 миль. Этот же самый поезд, направляясь на запад, будет двигаться в противоположном направлении вращению земли и чем скорее он будет двигаться на запад, тем меньше будет его абсолютная скорость, т.-е. 800 — 60 = 740 миль в час; а вес его соответственно увеличится и возможность улететь в пространство уменьшится.
На некоторые предметы, находящмеся на земле, скорость вращения земли оказывает известное влияние в большей Wили меньшeй степени, в зависимости от их расположения к странам света на земной поверхности. Таких удивительных примеров существует несколько. Например, западные рельсы железнодорожного пути, проложенного в направлении с севера на юг, быстрее изнашиваются, нежели восточные, и при нормальных других условиях приходят в негодное состояние сначала рельсы западной части колеи.
Если вам приходилось когда-нибудь стоять в экипаже, трамвае или поезде во время движения лицом под прямым углом к направлению движения, то вы нередко испытывали чувство, что больший вес или тяжесть приходились на заднюю ногу по направлению движения, чем на переднюю. Причина такого явления кроется в стремлении вашего тела остаться неподвижным, т.-е. в состоянии покоя вместо движения в пространстве вместе с повозкой или, другими словами, причиной является инерция человеческого тела. Когда железнодорожное полотно пролегает в направлении с севера на юг, то с поездом происходит то же самое. Поезд как бы сопротивляется движению земляной поверхности к востоку со скоростью многих сотен километров в час, а, следовательно, западная сторона колес поезда будет давить на рельсы сильнее, чем восточная. Человеческое тело испытывает также разность в весе при прогулках в северном или южном направлении, но неравномерность веса столь незначительна, что она не может быть замечена. Разность же в весе восточной и западной стороны поезда, весящего тысячу или более тонн, становится настолько ощутительной, что рельсы, несущие на себе больше тяжести, изнашиваются раньше восточных. Строго говоря, nричина явления более сложная; но в популярной статье невозможно говорить о радиусах инерции, касательных скоростях и пр.
Когда немцы обстреливали Париж из своей гигантской дальнобойной пущки (в направлении с востока на запад), им приходилось вести очень сложные вычисления, принимая в расчет смещение самого Парижа вместе с землей в течение времени полета снаряда. Если снаряд, выпущенный из орудия в западном направлении, имел бы начальную скорость, равную скорости вращения земли в данной широте, т.-е. в зависимости от положения орудия, то снаряд, в действительности, остался бы на месте и ожидал, когда его цель подойдет вместе с поворотом эемли под него. Если бы германская пушка была переброшена на Луну, то дистанция от Парижа вместо 120 километров была бы 3.600 километров или четверть окружности Луны. Если бы стреляющий установил орудие с подъемом на четыре градуса, то согласно вычислению американского профессора Райта снаряд обошел бы вокруг Луны и попал бы в спину стреляющего.
Это является следствием того, что Луна, имеющая меньшую массу, обладает силой тяготения в шесть раз меньше, чем тяготение Земли. Обыкновенная 75-мм полевая пушка, дальность которой не превышает 13 километров на Земле, на Луне будет стрелять с расстояния до 450 километров. Если видимые в телескоп кратеры на Луне действительно вулканического происхождения, то, как объясняет профессср Райт, ровные, словно обточенные края кратера и совершенно правильная и ровная фигура самой воэвышенности указывают на то, что, вследствие малой силы тяготения, отсутствия ветров и дождей, разрушающих породу, все части, выброшенные вулканом, улетели бы в пространство настолько далеко, что ни одна из них не могла упасть обратно в кратер. Возьмем для примера камень, железо или другую какую-либо породу, выброшенную из кратера Луны. Иx удельный вес будет составлять лишь около ⅙ части веса тех же предметов на Земле, несмотря на одинаковость структуры вещества.
Время представляет собой другой фактор относительности, ибо оно не абсолютно точно а лишь относительно. Математическим путем доказано, что время изменяется вместе со скоростью. Совершенно точные часы, если бы путешествовали с лучем света, т.-е. с той же скоростью, с которой распространяется свет, не показали бы совершенно, что это время прошло. Этот вывод, полученный на основании научных исследований, представляется фантастичным, и потому мы возьмем более удобо-понятный пример относительности времени. Возьмем в пример человека, родившегося в Ленинграде, который впоследствии перебрался во Владивосток и умер там. Ясно, что разность в его возрасте будет равняться разности местных времен Ленинграда и Владивостока, т.-е. около 6½ часов, так что, когда в Ленинграде 12 ч. дня, то во Владивостоке 6½ часов вечера. Следовательно, он умер на 6½ часов моложе, чем кажущийся его возраст по ленинградскому времени. В противном случае он будет старше на 6½ часов.
Возьмем для примера путешествие вокруг света. Если путешественник отправляется в западном или восточном направлении, то он или теряет или выигрывает один день. В нормальный 365-дневный год кругосветный навигатор, идя на запад вместе с солнцем, выигрывает день и живет следов. 366 дней в году, а идущий на восток теряет один день и живет в году 364 дня. Развивая этот пример далее, допустим, что путешественник за свою жизнь совершил 365 путешествий вокруг света, и все в одном и том же направлении; тогда его кажущееся время смерти уклонится на один год, он будет на один год старше или на один год младше действительной его жизни. Он пережил на 365 раз больше или меньше восходов солнца, нежели его сверстник, проживший на одном месте безвыездно.
Далее, пассажир автомобиля, едущий на запад или на восток, теряет или выигрывает время, как бы удлиняя или укорачивая время дня и жизни. Если он держит, предположим, путь на запад и переходит за сутки с одной зоны местного времени в другую зону, то он живет как бы медленнее, ибо ему приходится 25 часов улuжить в 24-часовой день. Если же он путешествует на восток, то живет быстрее, так как его день продолжается лишь 23 часа.
Все это достаточно понятно, но если мы на пути подобных рассуждений будем приближаться к теме относительности Эйнштейна, то вопрос будет все более и более усложняться. Например, время проходит медленнее, когда автомобиль в движении, чем когда он стоит на месте, так как время изменяется со скоростью. Однако, это положение без высшей математики объяснить почти невозможно. Самое лучшее, если считать, что мы не имеем представления о действительном времени и потому не можем о нем рассуждать.
Трудность заключается в том, что определение относительного времени, пространства, движения и вещества вызывает необходимость говорить со всей вселенной. Каждое из четырех указанных положений может бытъ обращено в какое-либо одно; но для обыденных целей при наших ограниченных познаниях эти положения рассматриваются каждое в отдельности, как независимое от других.
При разложении элементов на атомы и электроны было установлено, что вещество есть не что иное, как энергия или движение (скорость). Это проливает свет на существование внутренней связи между двумя этими понятиями, а между тем мы до сего времени принимали их за независимые одно от другого.
Связь между временем и скоростью движения может быть объяснена следующим образом. Предположим, авиатор, начавший свой перелет вокруг экватора земли, пожелал бы совершить путешествие в один день, тогда он должен был бы развить скорость полета до 1.600 и даже более километров в час. Далее предположим, что пешеход, начавший свое движение в расстоянии от Северного полюса немного более 11 километров, будет в состоянии обойти вокруг земли по своей параллели в течение одних суток, проходя в час лишь 1½ километра. Теперь представим, что авиатор на экваторе остался на аэродроме, а полярный путешественник остановился отдыхать на 24 часа. Оба они, оставаясь в состоянии покоя, совершают движение в пространстве вместе с землей, один со скоростью более 1.000 километров в час, а другой со скоростью 1½ километра, т.-е. каждый с той скоростью, с которой вращается земля вокруг своей оси. В таком положении оба они совершают движение в пространстве в течение одного и того же промежутка времени, хотя оба остаются в состоянии покоя. Возвратимся к вопросу о весе (тяжести) и о притяжении. Теория Ньютона о притяжении землей яблока была столь понятна, что все ее приняли без всяких возражений. Однако, никто не видел этой силы и никогда не был изобретен аппарат, посредством которого можно было бы обнаружить эту силу притяжения. Под понятием притяжения скрывается одно из наших ощущений. Сам Эйнштейн в одной из своих лекций рассказал историю, которая показывает, как мало наука знает о настоящей природе тяготения.
Он предложил аудитории представить себе, что человек заключен в совершенно темную клетку, уравновешенную, недвижную, находящуюся в междузвездном пространстве, что этот человек не имеет веса и может свободно двигаться в клетке из стороны в сторону, вверх и вниз (при отсутствии тяготения, которое удерживало бы его на дне клетки), может летать по клетке неприкасаясь к ней. Далее представить, что без ведома этого человека к верхушке клетки привязан трос и какая-то неведомая сила тянет клетку быстро вверх совершенно бесшумно и с постоянной скоростью.
Каково же должно быть впечатление этого человека? Он сам почувствовал бы, что притянут к дну клетки и мог бы лишь с большим усилием подскочить кверху. Сторонний же наблюдатель видел бы, что при движении клетки вверх, дно ее приближается к человеку, хотя последний не мог бы заподозрить этого. Эйнштейн говорит, что кажущее притяжение земли которое мы называем тяготением и которое выражается весом, может быть просто новой, еще не открытой формой движения.
