Каталог сайтов Arahus.com
назад содержание далее

ЛЕКЦИЯ 3

«Вместилище» (пространство-время) и «содержимое» (вещество)

Мы говорили о геометрии и физике, но ведь можно встать и на такую точку зрения, что кроме них существует еще пространство — четырехмерное многообразие (пространство-время), «наполненное» разными физичеокими объектами, среди которых могут быть, например, материальные точки. Нет ли других физических теорий (кроме общей теории относительности), описывающих взаимосвязи в таком четырехмерном мире?

Конечно, есть. Пространство-время в таких теориях мыслится в виде жестких неразбиваемых рамок, играющих роль вместилища для энергии, т, е. вещества. Там, где есть энергия, есть и элементарные частицы, которые в квантовой теории поля (теории очень высокого уровня) представляются квантованными полями.

Вместилище это (пространство-время Минковского) неразрывно связано с частной теорией относительности. На изменение его природы наложено самое настоящее табу. И действительно, изменить здесь что-нибудь невероятно трудно. Я это хорошо знаю, потому что сам не раз пробовал (смех в зале). Но ведь должна же как-то эта задача решиться? И множится число попыток (разумеется, неудачных) что-то сделать (смех).

Подход в общей теории относительности совсем другой. Структура пространства-времени здесь определяется величиной gμν (метрическим тензором, см. примеч. 71). Точно излагать детали я не буду, но, грубо говоря, в разных точках пространства-времени находится вещество, плотность энергии и импульса которого выражается симметричным тензором, и этот тензор приравнивается тензору кривизны пространства. Сказано это не совсем точно, но суть в том, что роль вместилища отводится тензору кривизны, построенному из производных метрического тензора gμν а роль содержимого — тензору энергии-импульса вещества. Правда, вместилище это нетривиальное, ибо присутствие вещества изменяет структуру пространства-времени.

Структура такого пространства-времени определяется тем, что масса движется по геодезической (кратчайшему пути, см. примеч. 72). В искривленном пространстве-времени искривлены также и геодезические. Например, на сфере кратчайший путь — не прямая линия, а дуга окружности большого круга. Тензор кривизны — понятие чисто геометрическое.

Но что такое геометрия? На первый взгляд, к геометрическим свойствам надо относить те, которые не зависят от выбора системы координат. Однако должен признаться, что я не очень хорошо понимаю связь физики с геометрией. Мне не ясен труднейший со времен Ньютона вопрос о вращении тела, происходящего, естественно, в некоторой системе отсчета. Уже в задаче о вращении ведра с водой возникали разные сложные вопросы. Настороже нужно быть даже с самой вращающейся системой. Допустим, преобразованием координат мы перешли во вращающуюся систему отсчета. Казалось бы, геометрические свойства при этом не должны измениться. Но, похоже, это не совсем так.



Рис.8. Tочка А движется в направлении стрелки а, точка В — в направлении стрелки I), и в этих направлениях происходит лоренцево сокращение. Следовательно, если, отправляясь из точки А, совершить одни оборот, то, хотя направление и изменится на 360°, длина дуги ие будет равна 2πr

Пусть, например, диск вращается с большой скоростью (рис. 8). При этом произвольная его точка движется в направлении по касательной к окружности; следовательно, в направлении касательной происходит лоренцево сокращение. В радиальном же направлении ло-ренцева сокращения нет. Это значит, что отношение длины дуги к радиусу изменяется по сравнению со случаем, когда диск покоится, и становится несправедливой евклидова геометрия, иными словами, геометрия изменяется. Вроде бы все так, но возникает вопрос — что же такое переход во вращающуюся систему отсчета? Ведь если это простое преобразование координат, то геометрия изменится не должна? Надо сказать, мне это не очень понятно. В самом деле, с одной стороны, простое преобразование координат, а с другой — нельзя найти тела (напоминающего вращающееся тело из ньютоновой механики), которое этому преобразованию координат вполне соответствовало бы. Я заглядывал в самые разные книги, но нигде не нашел ясного ответа на свой вопрос *. Правда, с дальнейшим изложением этот вопрос никак не связан.

* Возникшее недоумение можно снять, уточнив используемые понятия. Геометрические свойства четырехмерного пространства-времени при преобразованиях четырех координат (пространственных и временной) сохраняются (именно так обстоит дело при переходе во вращающуюся систему отсчета). Однако автор переходит к обсуждению трехмерного пространства, представляющего собой сечение четырехмерного пространства-времени, которое зависит от выбора системы отсчета. Свойства такого пространства изменяются при преобразовании четырех координат. — Прим: пер.


назад содержание далее