Введение
Движение тела, подверженного только гравитации
В ньютоновской физике свободным падением называется любое движение тела, на которое действует только сила тяжести. В контексте общей теории относительности, где гравитация сводится к искривлению пространства-времени, тело в свободном падении не испытывает никаких сил. Объект, в техническом смысле термина "свободное падение", не обязательно должен падать вниз в обычном понимании этого слова. Объект, движущийся вверх, обычно не рассматривается как падающий, но если на него действует только сила тяжести, то считается, что он находится в состоянии свободного падения. Таким образом, Луна находится в свободном падении вокруг Земли, хотя её орбитальная скорость удерживает её на очень удалённой орбите от поверхности Земли. В приблизительно однородном гравитационном поле сила тяжести действует на каждую часть тела примерно одинаково. При отсутствии других сил, таких как сила нормальной реакции, возникающая между телом (например, астронавтом на орбите) и окружающими его объектами, возникает ощущение невесомости – состояние, которое также наблюдается при слабом гравитационном поле (например, вдали от любого источника гравитации). Термин "свободное падение" часто используется в более широком смысле, чем в строгом определении, приведённом выше. Так, падение в атмосфере без раскрытого парашюта или подъемного устройства также часто называют свободным падением. Аэродинамическое сопротивление в таких ситуациях препятствует достижению полной невесомости, и поэтому "свободное падение" парашютиста после достижения терминальной скорости создает ощущение, будто вес тела поддерживается воздушной подушкой.
История
В западном мире до XVI века общепринято считалось, что скорость падающего тела пропорциональна его весу — то есть, объект массой 10 кг должен был падать в десять раз быстрее, чем идентичный объект массой 1 кг в той же среде. Древнегреческий философ Аристотель (384–322 до н.э.) обсуждал падающие тела в «Физике» (книга VII), одной из старейших работ по механике (см. Аристотелевская физика). Однако уже в VI веке Иоанн Филопон оспорил этот тезис, заявив, что наблюдения показывают, что два шара значительно различающихся по весу будут падать почти с одинаковой скоростью. В Ираке XII века Абу'л Баракат аль-Багдади дал объяснение гравитационному ускорению падающих тел. По мнению Шломо Пайнса, теория движения аль-Багдади была «самым ранним опровержением фундаментального динамического закона Аристотеля [а именно, что постоянная сила производит равномерное движение], [и, следовательно, является] нечетким предвосхищением фундаментального закона классической механики [а именно, что непрерывно приложенная сила производит ускорение]».
Галилео Галилей
Согласно преданию, возможно, апокрифическому, в 1589–1592 годах Галилей сбросил с Пизанской башни два объекта разной массы. Учитывая скорость, с которой происходило бы такое падение, сомнительно, что Галилей мог получить значимую информацию из этого эксперимента. Большинство его наблюдений над падающими телами на самом деле касались тел, скатывающихся по наклонным плоскостям. Это замедлило процесс настолько, что он смог измерять промежутки времени с помощью водяных часов и собственного пульса (секундомеров тогда еще не существовало). Он повторял это "полные сто раз", пока не достиг "такой точности, что разница между двумя измерениями никогда не превышала одной десятой удара пульса". В 1589–1592 годах Галилей написал "De Motu Antiquiora" – неопубликованный трактат о движении падающих тел.
Свободное падение в общей теории относительности
В общей теории относительности объект в свободном падении не подвержен никаким силам и является инерциальным телом, движущимся вдоль геодезической. Вдали от любых источников искривления пространства-времени, где пространство-время плоское, ньютоновская теория свободного падения согласуется с общей теорией относительности. В противном случае они не согласуются; например, только общая теория относительности может объяснить прецессию орбит, затухание орбиты или спиральное сближение компактных двойных систем из-за гравитационных волн, а также относительность направления (геодезическую прецессию и увлечение инерциальных систем отсчета). Экспериментальное наблюдение, что все объекты в свободном падении ускоряются с одинаковой скоростью, как отмечал Галилей и как это было воплощено в теории Ньютона в виде равенства гравитационной и инерционной масс, а затем подтверждено с высокой точностью современными вариантами эксперимента Этвёша, является основой принципа эквивалентности, с которой и началась разработка теории общей относительности Эйнштейна.