Роман Подольный - Чем мир держится?

Равенство инертной и тяжелой масс — факт, установленный опытным путем. Когда Ньютон выводил закон всемирного тяготения, в формулы входила, по сути дела, тяжелая масса. Когда он формулировал три закона механики, тут оказалась при деле масса инертная. Но никаких поправок на это обстоятельство не пришлось делать ни самому Ньютону, ни его наследникам, ученым следующих поколений. Потому что две массы, качественно различные, количественно действительно оказываются равны. Впрочем, что значит здесь — равны? Положим, два эталона метра — тот, что хранится в Париже, и тот, что хранится в Москве, должны быть равны по определению. Но это равенство до такого-то знака после запятой. Миллиметров в каждом эталоне, конечно, поровну, и микронов тоже, и тысячных долей микронов тоже, но за миллиардные или триллионные доли микронов поручиться уже нельзя: точность, с которой люди умеют изготовлять куски металла, имеет свои пределы.

Имеет ли такие пределы точность, с которой природа подогнала друг к другу размеры двух масс каждого тела во Вселенной? Это — отнюдь не простой вопрос. Если где-то, хоть в десятом, хоть в пятнадцатом знаке после запятой, между величинами масс найдутся различия, это поколеблет сам принцип эквивалентности, потрясет тем самым общую теорию относительности, поставит под сомнение наши взгляды и на гравитацию и на само устройство мира.

Эйнштейн полагал, что экспериментаторам важнее лишний раз проверить с возрастающей точностью равенство инертной и тяжелой масс, чем снова и снова проверять предсказания теории относительности, касающиеся поведения света в гравитационном поле или изменения орбиты Меркурия. То ведь были следствия теории, а принцип эквивалентности — ее краеугольный камень.

Советские ученые В. Б. Брагинский и А. Б. Мамукин пишут в книге «Измерение малых сил в физических экспериментах»: «Вопрос о принципе эквивалентности или об уровне малости, на котором он нарушается, это, по существу, вопрос о том, является ли гравитационное взаимодействие универсальным. Поэтому можно предвидеть, что в будущем будут осуществляться новые проверки принципа эквивалентности, по-видимому, до тех пор, пока не будет обнаружено на опыте его нарушение».

А началась проверка давно. Исаак Ньютон писал: «Падение всех тяжелых тел на землю с одинаковой высоты… происходит в одинаковое время, как это уже наблюдалось другими; точнейшим же образом это может быть установлено по равенству времен качаний маятников. Я произвел такое испытание для золота, серебра, свинца, стекла, песка, обыкновенной соли, дерева, воды, пшеницы. Я заготовил две одинаковые круглые коробочки; одну из них я заполнил деревом, в другую положил кусочек золота того же веса (насколько смог точно), причем так, чтобы у них соответствовали центры качаний. Коробочки, подвешенные на равных нитях 11 футов длиной, образовали два маятника, совершенно одинаковых по весу, форме и сопротивлению воздуха; будучи помещены рядом, они при равных качаниях шли вместе вперед и назад в продолжение весьма долгого времени. Следовательно, количество вещества (масса) в золоте относилось к количеству вещества в дереве как действие движущей силы на все золото к ее действию на все дерево, т. е. как вес одного к весу другого. То же самое было и для других тел. Для тел одинакового веса разность в количестве вещества (массе) даже меньше одной тысячной доли полной массы могла бы быть с ясностью обнаружена этими опытами».

По сути, да и замыслу, это проверка еще не провозглашенного принципа эквивалентности.

Великолепно поставленный эксперимент! А что точность его равнялась примерно одной тысячной — так ведь опыт был поставлен в XVII веке!

Блестящего результата добился в конце XIX века барон Лоранд Этвеш, чье имя носит теперь Будапештский университет. Он проверил эквивалентность тяжелой и инертной масс с точностью до пяти миллиардных долей, Причем он сравнивал поведение в гравитационном поле таких разных вещей, как платина и дерево, медь и сало, вода и асбест… Шестьдесят с лишним лет эта точность оставалась непревзойденной, пока в Принстоне профессор Р. Дике не поставил в 1961–1964 годах новый эксперимент с алюминием и золотом. Одинаковые массы этих двух веществ были укреплены на коромысле, подвешенном на тонкой проволоке (получился крутильный маятник). Они притягиваются не только к Земле, но и к Солнцу. Если одно из этих тел будет притягиваться к Солнцу сильнее хотя бы на три стомиллиардные доли, коромысло сдвинется, чуть-чуть закрутив проволоку. Чтобы добиться такой точности измерений, прибор поместили в вакуумную камеру, давление в которой составляло всего одну стомиллиардную долю атмосферного давления, а вакуумная камера была установлена в специальной шахте на глубине четырех метров и защищена от воздействия колебаний температуры. Радиоэлектронное устройство могло регистрировать крутильные колебания с точностью до одной стомиллионной доли сантиметра.