Теория относительности для миллионов - Мартин Гарднер

Затем, говорит печально Атлас мир начал становиться «слишком ученым». Атлас решил, что в нем больше не нуждаются. Он оставил мир и ушел.

«Но, — говорит Атлас, — не без раздумий, не без больших раздумий. Однако я был глубоко удивлен; ужасно удивлен тем, что произошло, когда я это сделал».

«А что же произошло?»

«Ровным счетом ничего. Просто совсем ничего».

В этой книге я попытался рассказать историю о том, что произошло в результате более близкого к нам события, когда ньютоновский бог абсолютного движения, после того как Эйнштейн ткнул его пару раз, оставил Землю и ушел. С Землей ничего особенного не произошло, по крайней мере пока. Она продолжала вращаться вокруг своей оси, растягиваться по экватору, обращаться вокруг Солнца. Но в физике все-таки кое-что произошло. Ее возможности объяснять, ее возможности предсказывать и более всего ее возможности изменять лицо Земли в хорошую или плохую сторону стали больше, чем они были когда-либо раньше.

Послесловие

В предисловии уже отмечалось, что освещение некоторых вопросов в книге Гарднера нуждается в уточнении. Следует обратить внимание на следующие моменты.

При построении общей теории относительности Эйнштейн исходил из принципа эквивалентности (гравитационного поля и инерции). С помощью этого принципа он и получил основные уравнения теории.

Однако необходимо помнить, что принцип эквивалентности не является общим принципом и имеет лишь ограниченную область применимости; как отмечает сам Гарднер, инерции эквивалентно лишь однородное (т. е. постоянное по величине и направлению) гравитационное поле.

Но поле можно считать однородным лишь в случае очень небольших участков пространства. Например, силовые линии гравитационного поля Земли расходятся радиально от ее центра. Только внутри объемов пространства, линейные размеры которых во много раз меньше размеров Земли, гравитационное поле Земли можно считать однородным. Поэтому говорят, что принцип эквивалентности локален, т. е. что с помощью перехода в ускоренную систему координат можно исключить гравитационное поле в отдельных участках пространства, но отнюдь не везде.

Общим принципом, применимым без всяких ограничений, является принцип равенства инертной и гравитационной масс. Пользуясь этим принципом, можно построить всю теорию гравитации. Если же исходить из принципа эквивалентности, то для построения теории необходимо сделать дополнительное предположение, что явление гравитации целиком сводится к геометрическим свойствам пространства — времени.

Гарднер проводит мысль, что суть общей теории относительности — это полная равноправность всех систем отсчета, как равномерно, так и ускоренно движущихся. На самом деле суть в том, что пространство — время искривлено. Именно это обстоятельство и заставляет писать уравнения общей теории в такой форме, чтобы ими можно было пользоваться в любой системе координат.

В специальной теории относительности все инерциальные системы были равноправны не потому, что в них уравнения теории имели одни и тот же вид.

Причина была в том, что все физические явления в инерциальных системах имели один и тот же характер. Лучшее доказательство этому то, что никакими опытами, ни механическими, ни электромагнитными, нельзя обнаружить, покоится система или находится в состоянии равномерного движения.

Другое дело, когда речь идет об общей теории.

Конкретный вид физических процессов здесь, конечно, различен в разных системах координат, и некоторые системы являются выделенными. Возьмем, например, специальную теорию относительности. Она, как известно, является частным случаем общей теории, так что в принципе мы можем пользоваться не только инерциальными системами координат, но и произвольным образом ускоренными. Формально это сделать можно, но это не означает, что с точки зрения физики все системы будут равноправны: во всех инерциальных системах свет всегда распространяется по прямой с одной и той же скоростью. В ускоряющихся системах координат путь света будет искривлен. Таким образом, существует объективный критерий, который в этом случае заставляет считать инерциальные системы выделенными.

А. И. БАЗЬ

Словарь терминов

Настоящий словарь терминов составлен с целью дать простые, ясные определения, которые не выходили бы за рамки элементарных книг, а не точные строгие определения. О точном определении «кривизны», например, не может быть иречи: это потребовало бы нескольких страниц. Читателю, который хотел бы найти более строгие определения, следует обратиться к соответствующей энциклопедии или учебнику.

Абсолютное движение — движение относительно неподвижного эфира или какой нибудь столь же универсальной, выделенной системы отсчета.

Антиматерия — материя, состоящая из античастиц.

Античастица — элементарная частица, такая же, как и обычная частица, за исключением того, что она имеет противоположный заряд и (или) магнитный момент. В случае заряженных частиц противоположно и то и другое. В случае нейтральных частиц, которые не имеют заряда, различие основано на противоположности магнитного момента.

Галактика — объединение миллиардов звезд, часто в форме чечевицы, движущееся в пространстве как единое целое.

Галилеева система — см. инерциальная система.

Геодезическая линия — «наиболее прямая» линия, проведенная между двумя точками на данной поверхности или в данном пространстве или пространстве — времени: линия соединяющая две точки, которая имеет экстремальную длину (самую большую или самую маленькую).

Гиперболическая геометрия — неевклидова геометрия, в которой на плоскости через данную точку, расположенную вне данной линии, может быть проведено бесконечное число параллельных ей линий.

Гиперсфера — четырехмерная сфера.

Гравитационная масса — масса тела, рассматриваемая как источник поля тяготения или как испытывающая действие такого поля. На Земле она измеряется как вес тела.

Длина волны — расстояние, измеряемое вдоль направления движения волны от данной точки волны до следующей, имеющей в данный момент ту же фазу.

Допплер-эффект — изменения в измеряемой длине звуковой или электромагнитной волны, обусловленные относительным движением наблюдателя к источнику волн или от него.

Евклидова геометрия — геометрия, основанная на постулатах Евклида.

Евклидово пространство — пространство с нулевой кривизной.

Илем — первичная субстанция, которая, как предполагают, взорвалась миллиарды лет назад, образовав теперешнюю расширяющуюся Вселенную.

Инертная масса — масса тела, рассматриваемая с точки зрения его сопротивления ускорению. Измеряется силой, требующейся для придания телу данного ускорения.

Инерциальная система — система координат, движущаяся в пространстве равномерно относительно других инерциальных систем. То же самое, что Галилеевская система.

Инерция — тенденция материального тела, если на него не действует внешняя сила, оставаться в покое относительно инерциальной системы или двигаться с постоянной скоростью вдоль прямой.

Координата — одно из набора чисел, используемых для определения положения точки. Для линии требуется одна координата, для плоскости — две, для пространства — три, для пространства — времени — четыре.

Космос — вся пространственно временная Вселенная.

Красное смещение — сдвиг длин волн света к красному краю спектра. Такой сдвиг может быть обусловлен: 1. Движением источника от наблюдателя. 2. Влиянием сильного поля тяготения. 3. Тем, что свет был испущен в более ранние периоды, если предполагать, что время ускоряет свой ход.

Кривизна — отклонение линии, плоскости или пространства от «прямого» или «плоского».

Лоренц — Фитцджеральдово сокращение — релятивистское сокращение тела в направлении его движения.

Масса — грубо говоря, количество материи, содержащееся в теле.

Масса покоя — месса тела, покоящегося относительно наблюдателя.

Мировая линия — траектория движущегося тела, изображенная в четырехмерной пространственно-временной координатной системе.

Мысленный опыт — опыт, который можно только мысленно представить, но не выполнить в действительности.

Неевклидова геометрия — геометрия, в которой один или несколько постулатов Евклида заменены другими постулатами.

Нулевое g — нулевое тяготение, состояние невесомости в пространстве вдали от материальных тел или внутри космического корабля, находящегося в состоянии свободного падения.