Теория относительности для миллионов - Гарднер Мартин

Ничто, кроме неудобства, не мешает нам выбрать Землю в качестве фиксированной системы отсчета.

В последнем случае мы скажем, что космос вращается вокруг Земли, создавая гравитационное поле, воздействующее на ее экватор. И снова это поле будет иметь математически иную структуру, чем гравитационное поле вокруг планеты, и тем не менее оно справедливо может быть названо гравитационным.

Если мы выберем Землю за неподвижную систему отсчета, нам даже не придется изменять нашу повседневную речь. Мы говорим, что Солнце всходит по утрам и заходит вечером, что Большая Медведица вращается вокруг Полярной Звезды. Какая же точка зрения «правильна»? Вращаются небеса или вращается Земля? Этот вопрос лишен смысла. С тем же основанием официантка могла бы спросить клиента, желает он мороженое на пироге или пирог под мороженым.

Вообразите себе космос вскруженным некими «захватами» для каждого предмета в нем. (В гл. 7 рассматривается вопрос о происхождении этих захватов.) Необычайность этих захватов состоит в том, что, пока предмет движется по Вселенной прямолинейно и равномерно, Вселенная не препятствует его движению. Но стоит только попытаться заставить предмет двигаться неравномерно (ускоренно), захват сожмется. Если за неподвижную систему отсчета принята Вселенная, то захват называется инерцией предмета, его сопротивляемостью изменению движения. Если за неподвижную систему отсчета принят предмет, захват называется тяготением, попыткой Вселенной сдержать неравномерное движение предмета относительно нее.

Часто общую теорию относительности резюмируют следующим образом. Ньютон разъяснил, что если наблюдатель находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения, то нет ни одного механического опыта, с помощью которого он мог бы отличить свое состояние от покоя. Специальная теория относительности распространила это заключение и на оптические опыты. Общая теория является следующим по порядку сообщением — обобщением специальной теории на неравномерное движение. Ни один эксперимент, говорит общая теория, какого бы вида он ни был, не поможет наблюдателю, в каком бы движении тот ни находился, равномерном или неравномерном, отличить свое состояние от состояния покоя.

Сущность общей теории относительности иногда формулируется и так: все законы природы инвариантны (одинаковы) для любого наблюдателя. Это означает, что независимо от того, как движется наблюдатель, он может описать все законы природы (как они ему представляются) одинаковыми математическими уравнениями. Он может быть ученым, работающим в земной лаборатории, или на Луне, или в огромном космическом корабле, медленно ускоряющемся на пути к далекой звезде. Общая теория относительности дает ему ряд уравнений, с помощью которых можно выразить все законы природы, прояв- ляющиеся в любом выполнимом эксперименте. Эти уравнения будут точными независимо от того, находится наблюдатель в покое или в равномерном либо ускоренном движении по отношению к любому другому предмету.

В следующей главе мы подробнее рассмотрим теорию тяготения Эйнштейна и ее связь с новым важным понятием, известным под названием пространства — времени.

6. Тяготение и пространство—время

Прежде чем можно будет что-либо сказать о теории тяготения Эйнштейна, необходимо сделать несколько очень кратких замечаний относительно четырехмерной неевклидовой геометрии. Герман Минковский, польский математик, дал теории относительности изящную интерпретацию в терминах четырехмерного пространства — времени. Многие идеи этой главы в такой же мере принадлежат Минковскому, как и Эйнштейну.

Рассмотрим геометрическую точку. Она не имеет размера. При движении вдоль прямой она порождает линию, имеющую одно измерение. Будем двигать прямую под прямым углом к ней самой, и она создаст плоскость, имеющую два измерения. Если двигать плоскость под прямым углом к ней самой, то она образует трехмерное пространство. И это тот предел, до которого мы можем дойти в своем воображении.

Но математик представляет себе (не в том смысле, что он создает в своем воображении какую-то картину, а в том смысле, что он разрабатывает математический аппарат) движение трехмерного пространства в направлении, перпендикулярном всем его трем измерениям. Это порождает четырехмерное евклидово пространство. Нет никакой необходимости останавливаться на четырех. Мы можем переходить к пространствам пяти, шести, семи или более измерений. Все эти пространства евклидовы. Они представляют собой развитие евклидовой геометрии точно так же, как евклидова стереометрия является развитием евклидовой планиметрии.

Евклидова геометрия основана на нескольких аксиомах, одной из которых является знаменитая аксиома о параллельных прямых. Она гласит, что на плоскости через данную точку, расположенную вне данной прямой, можно провести одну и только одну прямую, параллельную этой прямой.

Говорят, что евклидова поверхность, на которой выполняется этот постулат, плоская. Она имеет нулевую кривизну и бесконечную площадь. Неевклидова геометрия — это такая геометрия, в которой аксиома о параллельных прямых заменена другой аксиомой. При этом возможны два существенно различных случая.

В первом случае, называемом эллиптической геометрией, говорится, что на поверхности через данную точку, расположенную вне заданной линии, не может быть проведено ни одной параллельной ей линии. Поверхность сферы представляет собой грубую, неточную модель неевклидовой поверхности такого типа. «Наиболее прямой» линией на сфере является большой круг (круг с диаметром, равным диаметру сферы). Все большие круги пересекаются друг с другом, и поэтому невозможно, чтобы два больших круга были параллельны. Говорят, что неевклидова поверхность этого типа имеет положительную кривизну. Такая кривизна приводит к тому, что поверхность замыкается сама на себя. Она имеет конечную, а не бесконечную площадь.

Неевклидова геометрия другого типа, называемая гиперболической, — это геометрия, в которой евклидов постулат о параллельных прямых заменен постулатом, гласящим, что на поверхности через точку, расположенную вне данной линии, проходит бесконечное множество параллельных ей линий. Грубой моделью части поверхности такого типа является седловидная поверхность. Говорят, что такая поверхность имеет отрицательную кривизну. Она не замыкается сама на себя. Подобно евклидовой плоскости, она тянется до бесконечности во всех направлениях.

И эллиптическая, и гиперболическая геометрии представляют собой геометрии поверхностей постоянной кривизны. Это означает, что кривизна везде одна и та же, объекты не претерпевают искажений при переходе из одной точки в другую. Неевклидова геометрия более общего типа, обычно называемая римановой геометрией, это такая геометрия, в которой кривизна может меняться от точки к точке любым заданным образом.