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.

Общая теория относительности — вторая (общая) теория относительности Эйнштейна, обобщающая его специальную теорию так, что в нее включаются ускоренное двиукение, тяготение и инерция.

Оптический горизонт — предельная сфера (в расширяющейся Вселенной), которая может быть достигнута с помощью идеальных телескопов; за этим пределом галактики двигались бы от наблюдателя со скоростью, равной или большей скорости света.

Опыт Кеннеди — Торндайка — повторение опыта Майкельсона — Морли с использованием прибора, имеющего плечи разной длины.

Опыт Майкельсона — Морли — знаменитый опыт, доказавший отсутствие эфирного ветра при движении Земли в пространстве.

Осциллирующая Вселенная — вселенная, которая попеременно то расширяется, то сжимается.

Отрицательная масса — гипотетическое свойство тела, которое, если оно существует, приводило бы к тому, что это тело двигалось в направлении, противоположном направлению действующей на него силы.

Отрицательное ускорение — уменьшение скорости.

Парадокс близнецов — парадокс часов, примененный к гипотетической паре близнецов. Один из близнецов отправляется в путешествие в пространство с большой скоростью; относительно инерциальной системы Земли процесс его старения замедляется, и при возвращении на Землю он оказывается моложе своего брата, остававшегося на Земле.

Парадокс Олберса — удивительный расчет, показывающий, что если галактики равномерно распределены в пространстве, а Вселенная бесконечна во времени и пространстве и не расширяется, то все небо должно всегда сиять ярче Солнца.

Парадокс часов — поразительное утверждение теории относительности, что двое синхронизованных часов могут быть удалены друг от друга, а затем сведены вместе таким образом, что они уже не будут показывать одинаковое время, хотя и те и другие часы идут точно.

Постулат — положение, принятое без доказательства, которое составляет основу логической системы. Иногда называется аксиомой.

Принцип Маха — теория, считающая, что инерция обусловлена ускоренным движением тела по отношению ко всем материальным телам Вселенной.

Принцип эквивалентности — утверждение, составляющее основу общей теории относительности, что тяготение и инерция являются двумя различными способами рассмотрения по существу одних и тех же явлений.

Пространство — время — четырехмерная система координат в теории относительности.

Пространственно-временной интервал — расстояние между двумя событиями, измеряемое в пространстве — времени.

Пространственно-временная структура — геометрическая структура пространства — времени.

Свет — видимая часть электромагнитного спектра.

Свободное падение — движение тела под действием только сил тяготения.

Сигнал — любая цепь причинносвязанных событий, происходящих на разных телах.

Система отсчета — система координат, которая предполагается неподвижной и относительно которой производятся измерения времени, движения, длины, массы и т. д.

Сохранение массы — энергии — утверждение, что полное количество массы — энергии во Вселенной не может ни уменьшаться, ни увеличиваться.

Специальная теория относительности — первая теория относительности Эйнштейна, в которой шла речь только о наблюдателях в инерциальных системах отсчета.

Теория единого поля — теория, еще не получившая удовлетворительного развития, в которой тяготение и электромагнетизм объединены в единой системе уравнений.

Теория устойчивого состояния — теория, в которой считается, что мир во времени не имеет ни начала, ни конца, но поддерживается в «устойчивом состоянии» благодаря тому, что непрерывно создается новая материя, которая заменяет материю, уходящую в бесконечность в результате расширения Вселенной.

Топология — грубо говоря, изучение свойств фигуры, которые не изменяются при ее непрерывной деформации.

Ускорение — изменение скорости или направления (или и того и другого) движущегося тела.

Центробежная сила — сила инерции, которая принуждает тело или части тела двигаться от центра вращения.

Цилиндрическая Вселенная — первая модель Вселенной Альберта Эйнштейна. В ней пространство имеет положительную кривизну, временная координата прямая.

Четвертое измерение — любая четвертая координата в системе координат. В теории относительности в качестве четвертой координаты удобно рассматривать время.

Электромагнитная волна — излучение, испускаемое при колебаниях электрического заряда. Оно проходит через пустое пространство с постоянной относительно равномерно движущегося наблюдателя скоростью независимо от скорости своего источника или скорости наблюдателя.

Электромагнитный спектр — полный интервал электромагнитных излучений, от волн очень большой длины до волн очень малой длины.

Эллиптическая геометрия — неевклидова геометрия, в которой на плоскости через данную точку, расположенную вне данной прямой, не может быть проведено ни одной линии, параллельной этой прямой.

Эфир — вещество, которое, как считали физики девятнадцатого века, заполняет все пространство и служит средой для распространения электромагнитных волн.

Эфирный ветер — движение эфира мимо движущегося в нем тела.

                                                                                 Хронология

1879 г. — Рождение Альберта Эйнштейна (14 марта) в Ульме (Германия).

1881 г. — Альберт Майкельсон осуществляет первую попытку зарегистрировать эфирный ветер.

1887 г. — В опыте Майкельсона — Морли не обнаружен эфирный ветер.

1893 г. — Г. А. Лоренц публикует первую теорию сокращения, объясняющую результат опыта Майкельсона — Морли.

1905 г. — Эйнштейн публикует специальную теорию относительности.

1908 г. — Роланд фон Этвёш выполняет поразительно точные опыты, доказывающие, что инертная масса пропорциональна гравитационной массе. Герман Минковский читает свою знаменитую лекцию о пространстве и времени как «теневых изображениях» пространства — времени.

1911 г. — Эйнштейн предлагает, чтобы во время полного затмения Солнца был поставлен опыт по проверке отклонения светового луча от звезды силой тяготения.

1916 г. — Эйнштейн завершает работу над общей теорией относительности.

1917 г. — Эйнштейн предлагает модель «цилиндрической Вселенной». Начало современной космологии.

1919 г. — Артур Эддинттон возглавляет экспедицию в Африку для наблюдения солнечного затмения; измерения подтверждают предсказания Эйнштейна о действии тяготения на световой луч от звезды.

1932 г. — Кеннеди и Торндайк повторяют опыт Майкельсона — Морли таким образом, что опровергают первоначальную теорию сокращения Лоренца.

1942 г. — Энрико Ферми с сотрудниками впервые получают самоподдерживающуюся цепную ядерную реакцию. Масса переходит в энергию в согласии с формулой Эйнштейна. Начинается атомный век.

1955 г. — Смерть Эйнштейна (18 апреля) в Принстоне, шт. Нью-Джерси (США).

1958 г. — Рудольф Мёссбауэр открывает «эффект Мёссбауэра», на основании которого вскоре был поставлен опыт, подтвердивший предсказание Эйнштейна о том, что время замедляется под действием тяготения.

Примечания

1

Персонаж сказки Льюиса Кэррола «Алиса в Зазеркалье». — Прим. перев.

2

Это предложение было высказано Максвеллом в статье «Эфир» для девятого издания Британской Энциклопедии.

3

В оригинале непереводимая игра слов. По-английски twist (читается твист) переводится и как «изменение», и как твист (название танца). — Прим. перев.

4

Уже после написания книги, в 1962 г., было сообщено о самых последних и самых точных измерениях величины красного сдвига в спектре Солнца. Бламонт и Родье в Медонской обсерватории (Франция), использовав совершенно новый метод, измерили красный сдвиг одной из линий поглощения стронция. Измеренная величина сдвига оказалась настолько близкой к предсказываемой общей теорией относительности, что впервые стало возможным говорить о действительно очень хорошем подтверждении теории.

5

Вращение Земли вызывает отклонение межконтинентальной ракеты, летящей на север или юг, направо в северном полушарии и налево в южном. Это инерционное явление называется кориолисовой силой по имени Кориолиса, французского инженера начала девятнадцатого века, впервые его полностью проанализировавшего. Циклоны и другие круговые движения в атмосфере являются прямым следствием кориолисовых сил.

6

Здание в Нью-Йорке, имеющее 102 этажа. — Прим. перев.

7

Персонаж книги Льюиса Кзррола «Алиса в стране чудес». — Прим. перев.

8

Страна изобилия и праздности, см. «Одиссею». — Прим. перев.

https://www.e-reading.club/chapter.php/1005190/13/Gardner_Martin_-_Teoriya_otnositelnosti_dlya_millionov.html