Читать книги » Книги » Научные и научно-популярные книги » Научпоп » Пространство, время и движение. Величайшие идеи Вселенной - Кэрролл Шон

Пространство, время и движение. Величайшие идеи Вселенной - Кэрролл Шон

Читать книгу Пространство, время и движение. Величайшие идеи Вселенной - Кэрролл Шон, Кэрролл Шон . Жанр: Научпоп.
Пространство, время и движение. Величайшие идеи Вселенной - Кэрролл Шон
Название: Пространство, время и движение. Величайшие идеи Вселенной
Дата добавления: 18 февраль 2025
Количество просмотров: 54
(18+) Внимание! Книга может содержать контент только для совершеннолетних. Для несовершеннолетних просмотр данного контента СТРОГО ЗАПРЕЩЕН! Если в книге присутствует наличие пропаганды ЛГБТ и другого, запрещенного контента - просьба написать на почту для удаления материала.
Читать онлайн

Пространство, время и движение. Величайшие идеи Вселенной читать книгу онлайн

Пространство, время и движение. Величайшие идеи Вселенной - читать онлайн , автор Кэрролл Шон

Ученые знают о том, как устроены наш мир, Вселенная, но знания эти чаще всего выражаются в виде формул, которые кажутся нам беспорядочным нагромождением букв и символов. Благодаря Шону Кэрроллу вы увидите в них вдохновляющую поэзию, взлетите в небеса, окрыленные ею, чтобы смотреть на чудесную многомерную страну — искривленное пространство-время, — в которой живут сияющие гиганты и действуют могучие силы. Высшая математика, словно веками полировавшийся алмаз, сама по себе достойна не меньшего восхищения, чем «Мона Лиза». Это язык, на котором написаны научные поэмы о черных дырах.

Книга написана в традициях легендарных лекций Ричарда Фейнмана, которые тот прочел шестьдесят лет назад. Это ослепительно яркий прожектор, помогающий людям из самых разных культур и поколений по-новому посмотреть на окружающий мир.

Шон Кэрролл, как никто другой, может объяснить самые трудные для понимания концепции, приоткрыть завесу, столь долго скрывавшую самые важные конструкции современной науки. Он обладает особым талантом излагать сложнейшие понятия в увлекательной форме, доходчиво доводить до читателя фундаментальные идеи, лежащие в основе реальной физики.

1 ... 39 40 41 42 43 ... 55 ВПЕРЕД
Перейти на страницу:

В своей теории Ньютон и не пытается объяснить, почему масса, из-за которой возникает сила тяготения, ничем не отличается от массы, которая вызывает инерцию и движение. Мы тоже принимаем это как особенность нашей вселенной и двигаемся дальше.

Принцип эквивалентности

Равенство инерциальной и гравитационной масс приводит к далеко идущему последствию. Рассмотрим две частицы, которые воздействуют друг на друга силой тяготения. Подумаем о том, что происходит с частицей 2 под воздействием частицы 1. Объединив выражения (8.1) и (8.2), получим:

(8.5)

Но m2 = M2, их можно сократить. Остается:

(8.6)

Из этой формулы следует, что ускорение, которое испытывает частица 2, не зависит от ее массы. Иными словами, каждый объект в гравитационном поле ускоряется одинаково, независимо от массы (или чего-то еще).

Интересно. Конечно, это утверждение не относится к другим силам, в том числе электромагнитным. В электрическом поле положительно заряженная частица движется в одном направлении, а отрицательно заряженная — в противоположном. Но гравитация движет объекты в одном направлении и с одинаковым ускорением. Ученые понимали, что это так, еще до уравнений Ньютона, во времена Галилея.

Эйнштейн же расширил эту особенность гравитации до общего принципа. В главе 3 мы говорили о том, что космонавт всегда чувствует ускорение ракеты, но не может измерить ее абсолютную скорость. Теперь давайте сравним ракету, которая неподвижно стоит на земле, с ракетой, которая летит в пространстве с ускорением g, равным ускорению свободного падения у поверхности земли.

Если уронить какой-то предмет в ускоряющейся ракете, он упадет на пол из-за того, что она движется. Более того, любые предметы будут падать одинаково. Но из-за равенства инерциальной и гравитационной масс то же самое будет происходить и в неподвижной ракете: все предметы будут испытывать одинаковое ускорение независимо от их массы.

Это навело Эйнштейна на мысль о принципе эквивалентности: в небольших областях пространства-времени воздействие гравитации эквивалентно нахождению в ускоряющейся системе отсчета. И дело тут совсем не в падении брошенных предметов: оказывается, что, находясь внутри закрытой ракеты, нельзя провести никаких опытов, позволяющих определить, ускоряется она в космосе или же неподвижно стоит на земле. Получается, что в небольших областях пространства-времени законы физики сводятся к законам (негравитационной) специальной теории относительности.

Если же говорить о больших областях пространства-времени, принцип эквивалентности не работает. Гравитационное поле может направлять объекты в разные стороны в зависимости от места их нахождения, в то время как ускоренная система отсчета всегда приводит к равномерному движению всего, что находится внутри нее. Например, рядом с Землей сила тяготения всегда направлена к ее центру. Будь ракета сравнима по размерам с планетой, неподвижные маятники, разнесенные на большое расстояние друг от друга, были бы наклонены в разные стороны. Поэтому крайне важно понимать, что принцип эквивалентности ограничен лишь небольшими областями пространства-времени.

После подобного озарения обычные люди, как вы или я, могли бы отправиться на покой с чувством безмерной гордости за себя. Эйнштейн же пошел дальше. Он заметил подозрительное сходство собственного утверждения о том, что «в небольших областях пространства-времени физика работает по законам специальной теории относительности» с выводом Римана об искривленных многообразиях, согласно которому «в небольших областях пространства геометрия работает по теоремам Евклида». Поэтому Эйнштейн решил, что нужно пересмотреть отношение к гравитации: перестать считать ее «силой», которая существует где-то в пространстве-времени, и начать думать о ней как о свойстве самого пространства, его кривизны.

Свободное падение

Вы можете сказать, что такой взгляд противоречит здравому смыслу. Ведь очевидно, что гравитация — это сила! Яблоки падают с деревьев, а неуклюжие люди — с лестниц, Земля вращается вокруг Солнца. Как можно понять гравитацию, не считая ее силой?

По правде говоря, ничто не мешает считать гравитацию силой, когда это нужно. В физике частиц, например, говорится о четырех силах природы, и гравитация входит в это число наряду с электромагнетизмом, сильными и слабыми ядерными взаимодействиями. Но гравитация — сила совсем иного рода: она универсальна и действует на все объекты одинаково, тогда как воздействие остальных трех сил зависит от заряда. Именно это и позволяет нам отказаться от представлений о силе, действующей в пространстве-времени, и говорить о свойствах самого пространства-времени.

Сначала нам нужно посмотреть на вещи с другой стороны. Например, мы привыкли считать, что уроненная человеком чашка падает на пол под действием силы тяжести. Однако согласно общей теории относительности, естественное состояние объектов — свободное падение. Падая на пол, чашка находится в естественном состоянии. А вот на человека, стоящего на земле, действует сила: Земля воздействует на него, отклоняя от траектории свободного падения. Это один и тот же набор событий, но теперь мы смотрим на них по-другому.

В специальной теории относительности не подвергающиеся воздействию сил объекты движутся по прямым линиям. Но мы уже знаем, что в более общем случае, на искривленном многообразии вместо прямых следует говорить о геодезических линиях. Поэтому, согласно общей теории относительности, пространство-время искривлено, а неускоряющиеся объекты движутся в нем по геодезическим линиям.

Вы можете возразить, что Земля движется вокруг Солнца по эллипсу, который никак нельзя назвать прямой. В обычном пространстве — именно так, но в пространстве-времени все по-другому. В неподвижной системе отсчета, центром которой является Солнце, Земля движется главным образом во времени, поскольку ее пространственная скорость очень мала (примерно в десять тысяч раз меньше скорости света). Но гравитация Солнца плавно искривляет пространство-время вокруг него, из-за чего геодезическая линия в обычном пространстве похожа на эллипс. Земля же делает все возможное, чтобы двигаться по прямой, как и чашка.

Метрика пространства-времени

В главе 6 мы говорили о пространстве-времени Минковского, а также о схожести формул собственного времени и длины пространственноподобных кривых с теоремой Пифагора. Там еще появлялся забавный знак «минус». В главе 7 мы познакомились с геометрией Римана, в основе которой лежит метрический тензор, позволяющий получить линейный элемент для вычисления длины кривых линий. Эти понятия тесно связаны между собой. Согласно теории относительности, пространство-время имеет особый вид метрики, в которой временеподобное направление характеризуется знаком «минус». Такая метрика называется метрикой Лоренца. А если бы пространство-время было плоским, мы получили бы метрику Минковского.

Давайте вспомним об индексах. Для нумерации измерений пространства-времени мы применяем греческие буквы (xµ), причем время считается измерением номер ноль (x0 = t), а для обычного пространства — латинские (xi = x1, x2, x3). В этих обозначениях метрика Минковского выглядит так:

(8.7)

Или в форме линейного элемента:

1 ... 39 40 41 42 43 ... 55 ВПЕРЕД
Перейти на страницу:
Комментарии (0)