Относительность. Термодинамика и космология - Толмен Р.
Скачать (прямая ссылка):
приложений: мы получим выражение релятивистского тензора энергии -
импульса в задаче ¦об излучении черного тела и рассмотрим два явления:
гравитационное взаимодействие световых лучей и частиц и обобщенный эффект
Допплера, которые имеют особое значение при интерпретации данных
астрономических наблюдений.
В главе IX "Релятивистская термодинамика" будет рассмотрено дальнейшее
обобщение термодинамики, основанное на общей теории относительности, и
будут даны ее приложения. При этом выяснится, что принципов
релятивистской механики самих по себе достаточно для формулировки аналога
обычного первого закона классической термодинамики. Аналог второго закона
термодинамики получается путем ковариантного обобщения той четырехмерной
формулировки второго закона, которую он принимает в специальной теории
относительности. Поскольку выбранная аналогия первого закона, как указано
выше, не дает ничего, кроме общепринятых результатов теории
относительности, то особенности релятивистской термодинамики целиком
определяются релятивистским вторым законом. В связи с этим тщательно
анализируется смысл постулата, положенного в основу этого закона. Форма
этого закона рассматривается
§ 1. ЦЕЛЬ КНИГИ
19
;:лк наиболее вероятное обобщение обычного второго закона, поскольку она
является прямой коварнантной переформулировкой обычного второго закона (в
дальнейшем, конечно, его следует считать постулатом), справедливость
которого может установить ли/иь эксперимент. Вслед за этим обсуждением
последует ряд приложений, на примере которых будет продемонстрировано
существенное различие между выводами релятивистской термодинамики и,
казалось бы, наиболее вероятными выводами, получаемыми путем
непосредственной экстраполяции обычных результатов классической
термодинамики.
Так, например, для статических систем будет обнаружено, что физико-
химическое равновесие между взаимодействующими веществами, согласно
измерениям локального наблюдателя, оказывается таким же, как и в
классической теории, однако при этом выявится и нечто новое, а именно
обязательное возникновение температурных градиентов для предотвращения
перетекания теплоты из областей с более высоким гравитационным
потенциалом в области с более низким потенциалом, поскольку все виды
энергии имеют вес, так же как и обычная масса.
Перейдя затем к нестатическим системам, мы покажем, что здесь имеется
конечный класс таких термодинамических процессов, которые могут протекать
с конечной скоростью и при этом обратимо, в отличие от требований
классической термодинамики, где система и ее окружение только в том
случае могут вернуться в начальное состояние, когда процесс протекает
бесконечно медленно. В дальнейшем выяснится, что подобные
термодинамические выводы находят оправдание в самих принципах
релятивистской механики, поскольку эти последние позволяют построить
космологические модели, которые могут расширяться до некоторого конечного
предела, а затем возвращаться в исходное состояние с точно
противоположными скоростями. И наконец, будет обнаружено, что в
необратимых процессах, идущих с конечной скоростью, энтропия может
возрастать безгранично, вопреки утверждениям классической физики з
существовании конечного состояния с максимальной энтропией - состояния
полного покоя. Эту новую разновидность термодинамического поведения,
которую следует считать в основном результатом видоизменения закона
сохранения энергии в общей теории относительности, можно будет в
дальнейшем обнаружить на примере космологических моделей, имеющих право
на существование в соогветствии с принципами релятивистской механики.
Книгу завершает глава X "Космология", после которой идут приложения,
содержащие полезные формулы и важнейшие константы.
¦20
ГЛ. I. ВВЕДЕНИЕ
В первой части этой главы мы покажем, что единственно возможными моделями
статической и однородной Вселенной являются модели Эйнштейна и де
Ситтера, и обсудим некоторые их существенные свойства безотносительно к
тому, хорошо описывают эти модели реальную Вселенную или нет. Затем мы
обратимся к нестатическим однородным моделям, которые можно построить с
учетом ряда свойств реальной Вселенной, включая, конечно, красное
смещение света от внегалактических туманностей. В данном случае нас будет
больше всего интересовать, как сопоставить свойства моделей и результаты
астрономических наблюдений, при этом способы получения последних
обсуждаться не будут. Мы рассмотрим также и такие теоретически возможные
свойства указанных моделей, которые в реальной Вселенной пока не
обнаружены. Это вполне оправдано, ибо на современной стадии эмпирических
наблюдений любая известная модель может претендовать не больше чем на
весьма приблизительное отражение реальной Вселенной.
Самый важный пробел автора - это отсутствие среди материала, излагаемого
обычно в связи с приложениями специальной теории относительности,
раздела, касающегося релятивистской статистической механики газа,
