Гравитация и космология. Принципы и приложения общей теории относительности - Вейнберг С.
Скачать (прямая ссылка):
Предисловие автора
Только теперь, когда эта книга завершена, я могу оглянуться назад и подумать о причинах, побудивших меня начать работу и довести ее до конца.
Первая из них чисто утилитарная: мне хотелось собрать воедино и дать оценку богатейшим данным, накопленным за последнее десятилетие с помощью новой техники в экспериментальной физике, а также астрономическим исследованиям в чрезвычайно широком диапазоне частот — оптическом, радио, радиолокационном, рентгеновском и инфракрасном. Несомненно, что и после выхода книги будут появляться новые результаты, и я не могу рассчитывать, что моя работа не будет стареть. Но я все же надеюсь, что, рисуя достаточно полную картину экспериментальной проверки общей теории относительности и космологии, я облегчу читателю (а заодно и самому себе) понимание новых данных по мере их появления. Я попытался также заглянуть в не очень далекое будущее и обсудить дальнейшее развитие экспериментов, особенно тех, которые связаны с искусственными спутниками Земли и Солнца.
Существовала и другая, более субъективная причина написания этой книги. Изучая общую теорию относительности, а затем читая лекции в Беркли и Кембридже, я постоянно испытывал неудовлетворенность от системы изложения, принятой в этой ветви физической науки. Я обнаружил, что в большинстве учебников исходная роль отводилась геометрическим идеям, и поэтому у студента, который задавался такими, например, вопросами: почему гравитационное поле представляется метрическим тензором, почему свободно падающее тело движется по геодезической или почему уравнения поля в общем случае ковариантны,— могло создаться впечатление, что это все как-то связано с тем фактом, что пространство-время представляет римановское многообразие.
Конечно, это была точка зрения Эйнштейна, и его выдающийся гений предопределяет наше понимание созданной им теории. Однако я считаю, что геометрический подход искусственно расчленяет общую теорию относительности и теорию элементарных частиц. До тех пор пока у нас, как и у Эйнштейна, оставалась надежда на то, что при известных обстоятельствах материю можно понять в геометрической интерпретации, имело смысл придавать геометрии Римана при описании теории гравитации главенствующую роль. Но время склоняет нас к неверию в то, будто сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия 8
Предисловие автора
можно понять с помощью геометрии, и приводит к мысли, что слишком большой упор на геометрию может только затемнить глубокую связь, существующую между гравитацией и остальной физикой.
Я основываю обсуждение общей теории относительности не hh геометрии Римана, а на принципе, следующем из эксперимента,— принципе эквивалентности гравитации и инерции. Может показаться, что такие геометрические понятия, как метрика, аффинная связность и тензор кривизны, проникают все-таки в теорию гравитации, основанную на принципе эквивалентности, и участвуют в создании общей теории относительности Эйнштейна. Однако я попытался здесь без необходимости не вводить геометрических понятий, и потому риманова геометрия используется только как математический аппарат при объяснении принципа эквивалентности, а не как фундаментальная основа теории гравитации.
Такой подход приводит нас естественным образом к вопросу: почему гравитация должна подчиняться принципу эквивалентности? Ответ, на мой взгляд, нельзя найти ни в сфере классической физики, ни, тем более, в римановой геометрии, но он будет продиктован ограничениями квантовой теории гравитации. По-видимому, невозможно построить какую-либо лоренц-инва-риантную квантовую теорию частиц с нулевой массой и спином 2 так, чтобы эта теория не соответствовала классической теории поля, подчиняющейся принципу эквивалентности. Таким образом, принцип эквивалентности служит наилучшим мостом между теорией гравитации и теорией элементарных частиц. В параграфе, посвященном квантовой теории гравитации, я коснулся квантовых основ принципа эквивалентности, но углубляться в этот вопрос в данной книге у меня не было возможности.
Негеометрический подход, принятый в этой книге, влияет до некоторой степени на выбор обсуждаемых вопросов. В частности, я не стал подробно обсуждать вывод и классификацию сложных точных решений уравнений поля Эйнштейна, поскольку мне кажется, что большая часть соответствующего материала не необходима для основательного понимания теории гравитации и едва ли хоть какая-либо часть его имеет отношение к экспериментам, которые, возможно, будут выполнены в обозримом будущем. При таком самоограничении мне пришлось опустить многие работы, проделанные профессиональными релятивистами за последнее десятилетие, но я попытался обеспечить полноту книги за счет ссылок и библиографии.
Я с сожалением опустил здесь подробное обсуждение прекрасных теорем Пенроуза и Хоукинга о гравитационном коллапсе; эти теоремы только коротко упомянуты в § 11 гл. 9 и § 15 гл. И, достаточно же подробное их обсуждение требует много большего времени и соответствующего объема в книге. 9 Предисловие автора
