Эйнштейновская теория относительности - Борн М.
Скачать (прямая ссылка):
В качестве каркаса мы использовали английское издание 1924 г., но переработали весь текст, переписав заново многие параграфы и добавив несколько новых. Основные изменения касаются гл. VI (специальная теория относительности) и гл. VII (общая теория относительности). Например, вывод закона, связывающего массу и энергию, и формулы, описывающей зависимость этих величин от скорости, был существенно улучшен в результате применения законов сохранения энергии и импульса к случаю неупругого столкновения. Обзор эмпирических проверок теории относительности был приведен к современному уровню, а также были охарактеризованы дальнейшие перспективы. Параграф «микрокосм и макрокосм» старого издания был заменен параграфом «космология», дающим очень краткий очерк современной ситуации. Я хочу упомянуть две короткие, но впечатляющие работы, оказавшие большую помощь,— книгу О. Гекмана («О Земле и Вселенной», Штутт-гарт) и статью В. Л. Гинзбурга в «Успехах физических наук» (59, И, 1956). Несмотря на эти модернизации, текст во многих местах отражает ситуацию в физических знаниях, существовавшую сорок лет назад. Полное приведение к современным стандартам означало бы написание новой книги, а это не было нашей целью, IO
Предисловие автора
Как и в первом издании, в тексте не приводится никаких ссылок. Злободневный вопрос о выборе единиц был решен в пользу классической гауссовой системы, использованной и в оригинальном издании. Я все же убежден, что это наиболее удовлетворительная система с точки зрения логики и эпистемологии — хотя, возможно, и не с точки зрения физика-практика или инженера, — и поэтому она же предпочтительна и в преподавании.
Я хочу поблагодарить моих помощников за их неутомимые усилия, а также д-ра X. Лемана, перечертившего заново и улучшившего все рисунки, моего внука Дж. Прайса — за сверку английского языка, г-жу Ф. Людвиг — за техническую помощь и издательство Довер — за превосходную печать.
Я посвящаю эту книгу моей жене.
Макс Борн
Бад Пирмонт, 1962 ВВЕДЕНИЕ
Развитие науки — непрерывный и устойчивый процесс. Тем не менее в нем можно выделить определенные периоды, отмеченные выдающимися эмпирическими открытиями или теоретическими идеями. Один из таких поворотных пунктов, датируемый примерно 1600 г., связан с именем Галилея, заложившего своими исследованиями в механике основы эмпирического метода и давшего убедительные доказательства в пользу ко-перниковой системы мироздания, которая родилась пятью — десятью годами раньше. Эти события знаменовали конец схоластической философии природы, базирующейся на учении Аристотеля, и зарождение современной науки.
Другой поворотный пункт наступил примерно в 1900 г. Он был вызван потоком экспериментальных открытий — рентгеновские лучи, радиоактивность, открытие электрона и т. д. — и построением двух фундаментальных теорий: квантовой механики и теории относительности. Рождение квантовой механики следует датировать 1900 г., когда Макс Планк впервые сформулировал свою революционную идею об «атомах энергии», или «квантах». Это событие оказалось столь глубоко значительным для дальнейшего развития науки, что его обычно считают рубежом, разделяющим классическую физику и современную, или квантовую, физику. Теорию относительности фактически не следовало бы связывать с каким-либо одним именем или одной датой. Она уже предчувствовалась в 1900 г., и Некоторые крупнейшие математики и физики — Лармор, Фицджеральд, Лоренц, Пуанкаре, если упоминать лишь немногих, — знали многие из ее разделов. В 1905 г. Альберт Эйнштейн заложил основы этой теории на базе чрезвычайно общих принципов философского характера, а несколькими годами позже Герман Минковский придал этой теории окончательную логическую и математическую форму. Причина того, что с теорией относительности нередко связывают имя лишь одного Эйнштейна, заключается в том, что его работа 1905 г. послужила первым шагом к еще более фундаментальной «общей» теории относительности, которая включила новую теорию гравитации и открыла новые горизонты в нашем понимании строения Вселенной. 12
Введение
Родившуюся в 1905 г. специальную теорию относительности по справедливости можно считать завершающим моментом классического периода или началом новой эры в науке. Ибо, с одной стороны, она исходит из твердо установленных классических понятий о материи, распределенной непрерывно в пространстве и времени, и о каузальных, или, более точно, детерминистических, законах природы. Но, с другой стороны, она вносит революционные представления о пространстве и времени, решительно критикуя традиционные концепции, сформулированные Ньютоном. Таким образом, она открывает новые пути осмысливания естественных явлений. Это в наши дни и представляется наиболее выдающимся подвигом Эйнштейна, отличающим в корне его работу от работ его предшественников, а современную науку— от классической.
Еще до Эйнштейна изучение физического мира привело к преодолению пределов, ограничивающих доступное человеческим чувствам. Ученые знали о невидимом (ультрафиолетовом, инфракрасном) свете, о неслышимых звуках, управляли электромагнитными полями в пустом пространстве, неощутимыми для чувств и лишь косвенно доступными наблюдению через их воздействие на материю, и т. д. Такого рода обобщения стали возможными и необходимыми, когда была понята ограниченная ценность непосредственного чувственного восприятия. Простой пример: ощущение холодного и теплого недостаточно точно, чтобы на его основе построить теорию теплоты; поэтому его место заняли термометры, позволившие наблюдать разность температур в виде разности высот столбика ртути, или другие аналогичные устройства. Сейчас мы. знаем бесчисленное множество случаев, когда одно из наших чувств заменяет или по крайней мере служит проверкой другого. По сути дела, вся наука — это сложный лабиринт такого рода взаимосвязей, составляющих чисто геометрические структуры, понятные зрению или прикосновению и, таким образом, предпочитаемые нами как заслуживающие наибольшего доверия. Этот процесс представляет собой самую суть объективизации, которая преследует цель сделать наблюдения настолько независимыми от индивидуальности наблюдателя, насколько это возможно. В этом смысле электромагнитные поля, неощутимые непосредственно ни для одного из человеческих чувств, могут быть введены посредством сведения их к механическим величинам, доступным для измерения в пространстве или во времени.
