Астрофизика, кванты и теория относительности - Каррелли А.
Скачать (прямая ссылка):
1. Введение
13
жении, очевидно, возникает вопрос о размерах частиц, но по крайней мере в первом приближении их можно было сравнивать с шариками очень малого радиуса. Поведение совокупности таких очень малых частиц, образующих вещество, приводит нас к неожиданному заключению, что частицы одного сорта должны рассматриваться как неразличимые. Понятно, что такое поведение, вытекающее из экспериментально доказанных результатов, приводит к существенным модификациям, еслй строить статистику на основе этого фундаментального принципа, который трудно принять в рамках нашей привычной концепции абсолютно неразличимых частиц1). Эйнштеш? и индийский физик Бозе построили статистику, которая кроме демонстрации принципа неразличимости частиц показала также, что существует другое ограничение, проистекающее непосредственно из опыта. Полученные при расчетах результаты привели к заключению, что в природе существуют частицы, которые, как и ожидалось, ведут себя согласно принятым фундаментальным положениям. Таким образом, было доказано, что в физике существует некий вид неразличимых частиц. Это исследование пробудило огромный интерес. Два других ученых, Ферми и Дирак, радикально модифицировали условие, предложенное Бозе и Эйнштейном, и сформулировали другой вид статистики. Тем самым было установлено, что существуют частицы, подчиняющиеся принципу Эйнштейна и Бозе и называемые бозонами, и другие (также неразличимые) частицы, которые были названы фермионами. Значение этих результатов огромно: множество экспериментальных данных, имеющих значительный интерес, было окончательно объяснено на основании либо статистики Бозе и Эйнштейна, либо статистики Ферми и Дирака, основанных на тождественности природы частиц.
Однако величайшее открытие, относящееся к тайнам материи, было сделано Эйнштейном, когда он объяснил давно известное фундаментальное физическое явление, природа которого не была ранее разгадана, — тяготение. Среди всех теорий, созданных Эйнштейном, величайшее значение несомненно имеет теория гравитации, которая известна как общая теория относительности. Эйнштейновское объяснение происхождения силы гравитации отражает его потребность объяснить с точки
1J Последняя фраза неточно отражает взаимосвязь классического и квантового принципов тождественности частиц. В классической механике, несмотря на тождественность частиц, которые обладают одинаковыми физическими свойствами, предполагается возможным, хотя бы в принципе, различить эти частицы, проследив за траекториями каждой из них в отдельности. В квантовой механике такая возможность отсутствует и тождественные частицы рассматриваются как неразличимые. — Прим. ред.
14
А. Каррелли
зрения физики хорошо известные и надежно установленные факты. Очень точные измерения, повторенные недавно с точностью, увеличенной в сто раз1), доказали эквивалентность инертной массы тела и его гравитационной массы. Другими словами, если тело имеет определенную массу т и подвергается действию некоторой силы любой природы, то его поведение останется полностью неизменным при замене этой силы гравитационной силой. Исходя из эмпирических фактов, Эйнштейн получил объяснение наблюдаемых явлений и построил теорию, обобщающую специальную теорию относительности, которая утверждает, что законы физики инвариантны относительно произвольно движущихся наблюдателей. Затем Эйнштейн переходит к такому обобщению теории — и в этом состоит основной результат, — которое позволяет дать объяснение гравитационных явлений2). Действительно, согласно представлениям Эйнштейна, вещество обладает неизвестным ранее свойством изменять структуру окружающего его про-странства-времени. Следовательно, движения материальных тел, которые мы наблюдаем, когда они находятся в поле тяготения, должны быть такими же, как в присутствии вещества, так как именно присутствие вещества изменяет структуру про-странства-времени. Таким образом, присутствие гравитационной массы заставляет каждое тело описывать вполне определенную кривую в новой геометрии пространства, искривленного веществом; эта кривая обладает тем свойством, что она соединяет точки пространства кратчайшей линией, т. е. она является так называемой геодезической.
Конечно, релятивистская теория гравитации в соответствии с тем, что было известно в течение столетий, должна логически возникать как обобщение классической теории Ньютона, а это означает, что, когда действие гравитации не является слишком сильным, результаты новой теории должны совпадать с результатами классической теории, что действительно следует из эйнштейновских уравнений. Ho чтобы полностью оценить огромное значение новой концепции, необходимо выяснить еще один вопрос. А именно, вопрос о том, как на основе эквивалентности гравитационной и инертной масс получить геометрическую формулировку гравитационных явлений. В данном случае особенно ярко проявилась способность Эйнштейна использовать уже известные математические результаты. Действительно, после работ Римана и работ итальянских математиков Риччи
1) Имеются в виду эксперименты группы Дикке [3], в которых достиг* нута точность ~10“и. Еще более точная (до IO-12) проверка принципа эквивалентности выполнена группой В. Б. Брагинского [4]. — Прим. ред.
