Геометрия, динамика, вселенная - Розенталь Иосиф Леонидович (электронные книги без регистрации txt) 📗
Графически можно можно все пространство-время (x,t) разделить на четыре области (рис. 4). Пусть две пересекающиеся линии соответствуют уравнениям x = ±ct. Тогда области внутри угла AOB соответствуют будущему; внутри угла COD — прошлому, а углам AOC и BOD — неопределенной ситуации, которая в общем случае зависит от движения системы отсчета. В этом смысле надо понимать сделанное выше замечание относительно тезиса Аристотеля (отсутствие настоящего). Настоящее, соответствующее одновременно происходящим в разных точках пространства событиям, есть понятие относительное. Оно зависит от движения системы отсчета.
Рассмотрим далее преобразование координаты x и времени t при переходе от одной системы отсчета (x,t) к другой (x',t'), движущейся со скоростью v относительно первой.
Условие, определяющее это преобразование, инвариантность интервала s=s'. Это условие определяет преобразование, которое является единственным с точностью до тривиального переноса начала системы отсчета
x' = x ch ψ + ct sh ψ,
(24) ct' = x sh ψ + ct ch ψ,
ψ — аналог угла поворота декартовой системы в евклидовом пространстве (ср. с преобразованием (13)). В формуле (24) ch и ch — гиперболические функции в отличие от обычных тригонометрических функций в соотношении (13). Эта разница определяется тем, что в евклидовом (двумерном) пространстве Inv = x**2 + y**2 — окружность, а в псевдоевклидовом пространстве Inv = t**2 — x**2 — гипербола.
Положим для простоты x=0. Это допущение не уменьшает общности рассуждений, однако сильно упрощает выкладки. Тогда
x' = ct sh ψ, ct' = ct ch ψ. (25)
Учитывая, что x'/t'=v, из (25) следует, что th ψ = v/c. Используя известные соотношения для гиперболических функций, легко получить
sh ψ = (v/c) [1-(v/c)**2]**(-1/2),
(26) ch ψ = [1-(v/c)**2]**(-1/2),
после чего из формул (24) и (26) следуют преобразования Лоренца:
x+vt x' = —--------,
-------,
/ 1-(v/c)**2
(27)
t+vx/c**2 t' = —--------.
-------,
/ 1-(v/c)**2
Из соотношений (27) следует:
1. При v/c<<1 преобразования Лоренца переходят в преобразования Галилея (12).
2. Интервалы длины и времени преобразуются соответственно:
^x ^x' = —--------,
-------,
/ 1-(v/c)**2
(28)
^t ^t' = —--------.
-------,
/ 1-(v/c)**2
Наметим далее вывод из метрических свойств пространства Минковского уравнения движения материальной точки
p=mu, (29)
где u — скорость частицы.
В ньютоновской механике v = dx/dt; m=const (t абсолютное время). Чтобы обобщить импульс в рамках теории относительности, нужно проделать две операции, специфические для теории относительности: 1) условиться о системе отсчета, в которой определяется время; 2) обобщить 3-мерные векторы ньютоновской физики на 4-мерное пространство Минковского. Иначе говоря, следует ввести 4-мерный вектор, который при v/c — > 0 переходил бы в 3-мерный евклидов вектор, а в рамках теории относительности был бы аналогом 4-вектора (t,x,y,z). Найдем 4-мерный аналог скорости v=dx/dt. В русле идей теории относительности существует выделенная (собственная) система отсчета, связанная с материальной точкой. Действительно, в этой системе величина dx=const и время t=τ однозначно связано с инвариантным интервалом ds. В том же случае, когда тело «истинно» точечное (dx=0), то ds=c d τ. Поэтому естественно в формуле для скорости положить
u=dx/d τ (23)
и на основании (23)
v|||||
x,y,z u||||| = —--------, x,y,z —-----,
/ 1-(v/c)**2
где индексы x, y, z отмечают компоненты по соответствующим осям.
Чтобы величина u была бы 4-вектором, нужно доопределить четвертую компоненту. В нашем распоряжении есть единственная величина, имеющая размерность скорости: скорость света c. Поэтому аналог временной компоненты 4-скорости:
c u| = —--------. (32) t —-----,
/ 1-(v/c)**2
Тогда выражение (29) для импульса можно записать в форме
p| = m|u|, i 0 i
ult m| — масса в собственной системе отсчета. Индекс i
0 отмечает номер компоненты 4-скорости. Легко проверить, что величины p| (i=1,2,3,4 или t,x,y,z) образуют 4-вектор.
i Действительно,
(p|)**2 — (p|)**2 — (p|)**2 — (p|)**2 = (m|c)**2 = Inv. (34) t x y z 0
По существу (34) есть частное следствие общего определения пространства Минковского: квадрат 4-вектора инвариант относительно поворотов и трансляций в этом пространстве. Другим важнейшим примером этого правила является инвариантность интервала. Отличие от векторного определения пространства Евклида сводится к правилу знаков: квадрат временно-подобной компоненты берется со знаком «+», а квадраты пространственно-подобных компонент — со знаком «-». Если потребовать сохранения формы (29) для выражения импульса в релятивистской механике через обычную скорость, то следует изменить определение массы, положив
m m = —--------. (35)
-------,
/ 1-(v/c)**2
Все выводы релятивистской динамики, и в частности формулы (33) — (35), превосходно согласуются с экспериментальными данными, полученными на ускорителях. Точнее, они служат основой для конструирования больших ускорителей, образуя новую область, лежащую на стыке фундаментальной физики и инженерных дисциплин: релятивистскую инженерную физику.
5. ЭЙНШТЕЙНОВСКАЯ ТЕОРИЯ ТЯГОТЕНИЯ
Специальная теория относительности, геометрический образ которой воплощен в пространстве Минковского, вызывает невольные ассоциации с величайшими творениями искусства. Сочетание величия человеческого духа и лаконичности придают этой теории те качества, которые отличают настоящие ценности.
Тем не менее специальная теория относительности отражение законов природы и поэтому, как и вся физические принципы, характеризуется определенными границами. Произведение искусства — автономно, научная теория неизбежно ограничена невидимыми (а зачастую и зримыми) проявлениями прогресса экспериментальной физики и логикой.
И у специальной теории относительности есть границы применимости. Они проявляются довольно отчетлива, однако (и в этом одна из причуд истории науки) их не принято детально обсуждать. В этом нет, вероятно, никакой злонамеренности. подобная ситуация имеет простую психологическую подоплеку. В первые десятилетия после создания теории относительности у нее существовало столько принципиальных и беспринципных противников, что борьба велась не по линии теории ценных деталей, а по вопросу: быть или не быть теории относительности. И когда экспериментальные данные блестяще подтвердили специальную теорию относительности, а ее противники оказались полными банкротами, в общественном мнении возобладала антитеза отрицания — ее полная абсолютизация.
Однако беспристрастный анализ продемонстрировал, что и у специальной теории есть свои проблемы, которые частично были блестяще использованы Эйнштейном при создании общей теории относительности, а частично вообще ускользнули из поля зрения научной общественности.
Для того, чтобы изложить эти проблемы, мы будем опираться на мысленные эксперименты, которые так часто «проводились» в начале столетия. В частности, на них опирался Эйнштейн в процессе создания теории относительности.
Трудно скрыть известную ностальгию по этой почти ушедшей эре, когда в физике царила наглядность, а формальные аспекты были на втором плане. К сожалению, в науке не всегда возможен стиль «ретро», но все-таки будем стремиться к максимальной наглядности. Вообразим систему отсчета, в которой движутся два тела (1 и 2) с разными скоростями. Тогда в области расположения тела 1 в соответствии с формулами (28) о сокращении масштабов пространство будет искажено: его однородность будет нарушена. Следовательно, будет нарушено основное условие определения инерциальной системы отсчета. Фактически многочастичное макроскопическое тело своим объемом нарушает однородность и изотропию пространства. Тем самым подрываются основы определения инерциальной системы координат. Макроскопическое (неточечное) тело нарушает свойства пространства Минковского: его однородность и изотропию. Поэтому становится проблематичным его использование для описания макроскопического тела.
