Гравитация Том 1 - Мизнер Ч.
Скачать (прямая ссылка):
она была вделана в скальное основание. 5. Электростатические силы были
также исключены; иначе они внесли бы свои возмущения.
I
46 Геометродинамика в кратком изложении
Избавимся от ускорения, использовав локально няерцвальную систему отсчета
Ньютоновское абсолютное пространство ненаблюдаемо, оно не существует
дателя, который ускоряется за счет работы ракетных двигателей, физика сложна в той же мере, что и для земного наблюдателя. Чтобы физика стала простой, надо забыть про обоих этих наблюдателей и мысленно перенестись в кабину космического корабля, совершающего свободный полет в пространстве. Ничто не может быть естественнее той картины, которую мы увидим: все незакрепленные предметы движутся по прямым линиям с постоянными скоростями. Вот как надо изучать физику! Пользуйтесь специально выбранной системой координат, в которой наблюдатель невесом,— локально инерциалъной системой отсчета. Или рассчитайте, как все происходит в этой системе. Или, если вы вынуждены пользоваться системой отсчета, связанной с Землей, работайте с такими быстрыми частицами и на столь коротких расстояниях, при которых идеальная, свободно падающая система отсчета отличается от реальной, связанной с Землей, на величину, пренебрежимо малую в шкале эксперимента. [Если длина линейного ускорителя 1500 м, энергия электрона 1 ГэВ, то время пролета « (1,5 -IO6 см)/(3 -IO10 см/с) = 0,5 -IO-6 с; за это время тело в свободном падении пролетает ~V2 gt2 = (490 см/с2) (0,5 -IO-5 с)2 « « IO-8 см.]
Преимуществом изучения физики в локально инерциальной системе отсчета, так же как при наблюдении за муравьем на малом участке яблочной кожуры, является простота, достигаемая за счет отказа от всяких ссылок на то, что происходит вдали. Физика проста только с локальной точки зрения — этот великий урок преподал нам Эйнштейн.
Ньютон говорил совсем по-другому: «Абсолютное пространство по самой своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным». Ho как придать смысл ньютоновскому абсолютному пространству, найти его краеугольные камни, отметить его прямые линии? В реальном мире, где есть гравитация, ни одна частица не движется по ньютоновским прямым линиям. Идеальная геометрия Ньютона ненаблюдаема. «Комета, проходящая около Солнца, отклоняется от прямой линии». Нет, не существует такой «мостовой», на которой можно было бы отметить эту линию. «Идеальная прямая линия» — это миф. Ее никогда не было и не будет.
«Потребовалась жестокая борьба [для Ньютона], чтобы прийти к понятию независимого и абсолютного пространства, неоценимому для развития теории... Выводы Ньютона при современном ему состоянии науки были единственно возможными и, в частности, единственно плодотворными. Ho последующее развитие проблемы, которое вряд ли можно было предвидеть заранее, показало, что сопротивление Лейбница и Гюйгенса, исходивших из интуитивно правильных, по плохо подкрепленных аргументами представлений, на
§ 1.3. Невесомость 47
11 /
I
-ЛЛ 4
QL
ФИГ. 1.7.
«Невесомость» в качестве теста локально инерциальной системы отсчета («лоренцевой системы»). Если система отсчета свободно падает и не вращается («естественная мировая линия в пространстве-времени»), то обе пушечки с пружинным механизмом посылают свои снаряды (стальные шарики от подшипника) сквозь отверстия в щитах из люсита, расположенные вдоль прямых линий, прямо в цель (плетеные корзинки). Если же система в момент выстрела подвешена на веревке, как показано на рисунке («система отклоняется от естественной мировой линии в пространстве-времени из-за натяжения веревки»), то попасть в цель не удается (искривленная траектория с шариком, отскочившим рикошетом, в нижней части рисунка). Такая модель инерциальной системы отсчета была построена Гарольдом Baare в Принстоне. Площадь люситовых щитов составляла около I M2. «Запальные шнуры», символически обозначающие задержку во времени, были заменены электрическими реле. Попадания не происходит, если движение системы является 1) вращательным, 2) ускоренным или 3) какой-либо комбинацией первых двух. Трудно придумать другое легко реализуемое устройство, которое более полно иллюстрировало бы смысл понятия «локально лоренцева система отсчета».
I
48 !• Геометродинамика в кратком изложении
самом деле было вполне обосновано... He менее напряженные усилия потребовались для того, чтобы впоследствии преодолеть это понятие [абсолютного пространства]».
А. Эйнштейн [50]
Согласно Эйнштейну, геометрия в любой локально инерциальной системе отсчета проста и имеет прямой и ясный смысл. В этой системе каждая частица движется по прямой линии с постоянной скоростью. Определим локально инерцнальиую систему, выбрав несколько частиц и потребовав, чтобы движение этих частиц обладало такими простыми свойствами (фиг. 1.7). В определенной таким образом системе любая другая свободная частица также движется по прямой линии и с постоянной скоростью. Процессы столкновения и аннигиляции частиц подчиняются законам сохранения импульса и энергии, справедливым в специальной теории относительности. То обстоятельство, что все происходит таким удивительным образом (а это подтверждают результаты многих тысяч экспериментов в физике элементарных частиц), есть проявление глубочайших закономерностей, которым подчиняются все явления в природе. Можно кратко сформулировать следующие выводы: 1) физика всегда и везде является локально лоренцевой, т. е. локально справедливы законы специальной теории относительности; 2) эта простота наиболее четко проявляется в локально лоренцевой системе отсчета («инерциальной системе отсчета», фиг. 1.7); 3) чтобы удостовериться, что система является локально лоренцевой, достаточно убедиться, что в ней имеет место невесомость!
