Первоначально станция находится в состоянии покоя или совершает единообразное прямолинейное движение, называемое также инерционным. Еще со времен Галилея (1564–1642) известно, что пассажир не может различать эти состояния[32]. Он пребывает в невесомости и должен хвататься за внутреннюю боковую стенку, то есть за элемент станции-банки. Если он запустит по этой стенке самоходную машинку, то произойдет вот что. Машинка, принуждаемая следовать по кривой, задаваемой формой стенки, под действием центробежной инерции «прилипает» к этой поверхности. То же самое происходит в ярмарочном аттракционе «Стена смерти», где мотоциклисты гоняют на большой скорости по почти вертикальной стене. Но на станции происходит кое-что еще. Вращающиеся колеса прилагают силу к поверхности, и та толкает машинку вперед. На взгляд внешнего наблюдателя, машинка остается на месте, а станция вращается. На взгляд пассажира станции, на месте остается станция, а машинка движется по внутренней стенке. По тому же принципу хомяк бесконечно бегает в колесе. Отношение между угловой скоростью станции и скоростью колес равно частному от деления радиуса колес на радиус диска. Радиус диска колеса очень мал по сравнению с радиусом станции, поэтому угловая скорость последней тоже очень мала. Ввиду вращения станции пассажир должен ощущать центробежную силу, очень слабую из-за медленности вращения. Когда машинка тормозит и останавливается, то же самое происходит с вращением диска, и невесомость возвращается.
Перейдем ко второму эксперименту. Двигатели, обычно установленные в периферийных частях станции, тангенциально действуют на ее окружность и приводят к вращению[33]. Работа двигателей ускоряет это движение. Ввиду отсутствия в космическом вакууме трения скорость вращения остается постоянной даже после выключения двигателей. Перед началом вращения станции пассажир находится в инерционном движении. После ее запуска он должен следовать вращательному движению опоры, на которой стоит, — неподвижному по отношению к нему полу. Поэтому пассажир испытывает на себе действие со стороны опоры и, реагируя, оказывает воздействие такой же интенсивности, но в противоположную сторону: это центробежная сила, которую он ощущает как силу тяготения[34] (рис. 1). Эквивалентность между ускорением и тяготением есть выражение принципа эквивалентности, согласно которому тела падают в гравитационном поле одинаково. Этот принцип основан на экспериментальной констатации, что инерционная и гравитационная[35] массы равны[36], и представляет собой краеугольный камень эйнштейновской теории гравитации, она же общая теория относительности. Так как значение центробежного ускорения фиксировано по отношению к радиусу и к угловой скорости станции, два эти параметра можно выбирать так, чтобы они были равны, например, ускорению земного тяготения. Отметим, что центробежное ускорение пропорционально расстоянию до оси вращения. Это означает, что голова и ноги будут испытывать разное ускорение и, значит, по-разному ощущаемое тяготение[37]. Во избежание неприятных желудочных ощущений нужно добиться, чтобы радиус станции сильно превышал рост пассажира. С этой точки зрения цилиндры О'Нила с радиусом 3 км вполне подходят. Вращение цилиндра вокруг своей оси создает искусственную гравитацию, позволяющую преспокойно прогуливаться по боковой поверхности (рис. 2). Правда, в отличие от поверхности Земли, на станции опора изогнута не «вниз», а «вверх».
Рис. 1
Рис. 2
Положение усложняется, если пассажир начинает двигаться или бросает какой-то предмет. В этом случае в игру вступает другое инерционное ускорение, так называемое ускорение Кориолиса. Оно направлено перпендикулярно направлению движения и оси вращения и имеет на Земле явное проявление: в Южном и Северном полушариях циклоны закручиваются в разные стороны[38]. С ним связано медленное вращение плоскости качания маятника, продемонстрированное в 1851 году в знаменитом эксперименте Леона Фуко (1819–1868) в Пантеоне[39].
