Гравитация и космология. Принципы и приложения общей теории относительности - Вейнберг С.
Скачать (прямая ссылка):
Позже, в гл. 3, мы увидим, что принцип эквивалентности Эйнштейна обеспечивает такой подход к проблеме инерции, что она оказывается хотя и не связанной с ньютоновским абсолютным пространством, однако и не полностью согласованной с выводами Маха. Вопрос остался открытым.
Я до сих пор не упоминал специальный принцип относительности, так как, несмотря на свое название, он в действительности не имеет отношения к проблеме выбора между абсолютным и относительным пространством. Однако для того чтобы сформулировать принцип эквивалентности, нам понадобятся понятия специальной теории относительности, а потому подробный обзор специальной теории будет дан в следующей главе. Здесь же мы обратимся только к ее истории.
Теория электродинамики, развитая в 1864 г. Джеймсом Кларком Максвеллом (1831—1879), явно не удовлетворяет принципу галилеевой инвариантности. С одной стороны, уравнения Максвелла предсказывают, что скорость света в вакууме с является универсальной константой, однако, с другой стороны, если это утверждение верно в системе координат хг, t, то оно не будет справедливым в «движущейся» системе координат х'1, t', определяемой преобразованием Галилея (1.3.2). Сам Максвелл думал, что электромагнитные волны переносит некоторая среда [22], светоносный эфир. При этом уравнения Максвелла должны быть справедливы только в ограниченном классе галилеевых инерци-альных систем, т. е. систем, покоящихся относительно эфира.
Однако все попытки измерить скорость Земли относительно эфира потерпели неудачу (для ознакомления с этими экспериментами см. [23]). хотя было известно, что относительно Солнца Земля обладает скоростью 30 км/с, а относительно центра нашей Галактики — около 200 км/с. Наиболее важным был эксперимент Альберта Майкельсона (1852—1931) и Е. Морли [24], которые в 1887 г. показали, что с точностью до 5 км/с скорость света будет одной и той же независимо от того, распространяется ли свет но направлению орбитального движения Земли или ортогонально к нему. Не так давно точность этого результата была доведена До 1 км/с [25].
Постоянные неудачи экспериментаторов по обнаружению эффектов движения Земли относительно эфира заставили таких теоре- 32
Гл. 1. Историческое введение
Фиг. 1.3. Основоположники специальной теории относительности на Первом Сольвеевском конгрессе в 1911 г.
Слева направо: (сидят) Нернст, Бршшюэн, Сольвей, Лоренц, Варбург, Перрен, Вин, мацчм Кюря, Пуанкаре; (стоят) Голциімидт, Планк, Рубенс, Зоммерфельц, Линдеманн, де Бройль, Кнудсен, Хазенрол, Хоетелет, Херзен, Джине, Резерфорд, Камерлинг-Оннее,
Эйнштейн, Ланжевен.
гиков, как Георг Фицджеральд (1851—1901) [26, 27], Гендрик Лоренц (1853—1928) [28] и Анри Пуанкаре (1854—1912) [29], выдумывать причины, по которым эффект «эфирного ветра» мог бы стать в принципе ненаблюдаемым. В частности, Пуанкаре, по-видимому, предвидел революционное значение этой проблемы для механики, и Уиттекер [30] отдает должное вкладу Пуанкаре и Лоренца в специальную теорию относительности. Не вникая в суть полемики вокруг этих вопросов (см., например, [31]), можно с уверенностью сказать лишь, что подробное, всестороннее решение проблемы относительности в механике и электродинамике было впервые дано в 1905 г. Альбертом Эйнштейном (1879— 1955) [32].
Эйнштейн исходил из предположения о том, что преобразования Галилея (1.3.2) необходимо заменить другими 10-параметри-ческими пространственно-временными преобразованиями, называемыми преобразованиями Лоренца, поскольку эти преобразования оставляют инвариантными уравнения Максвелла и скорость света. (Не ясно, повлиял ли непосредственно на Эйнштейна § 3. История открытия принципа относительности
33
результат эксперимента Майкельсона — Морли (см. [31] и [33]), jio известно что в статье 1905 г. [32] он ссылался на «безуспешные попытки обнаружить хоть какое-нибудь движение Земли относительно эфирной среды». См. также [34].) Уравнения ньютоновской механики типа (1.3.1) не инвариантны относительно преобразований Лоренца; поэтому Эйнштейн пришел к необходимости модифицировать законы движения таким образом, чтобы они были лоренц-инва'риантны. Новая физика, состоящая из электродинамики Максвелла и механики Эйнштейна, теперь уже удовлетворяла новому принципу относительности, а именпо принципу специальной относительности, который утверждает, что все физические уравнения должны быть инвариантны относительно лоренцевых преобразований. Эти идеи будут детально обсуждаться в следующей главе.
Группа преобразований Лоренца никоим образом не шире группы Галилея, и, следовательно, принцип относительности не порожден теорией относительности, а скорее восстановлен ею. До Максвелла можно было считать, что вся физика инвариантна относительно группы Галилея. Уравнения Максвелла не были инвариантны относительно этой группы, и до середины столетия казалось, что только механика, но пе электродинамика подчиняется принципу относительности. После Эйнштейна стало ясно, что как уравнения механики, так и уравнения электродинамики являются инвариантными относительно лоренцевых, а не галилеевых преобразований. Физические законы в той форме, которую им придали Максвелл и Эйнштейн, претендуют на справедливость все еще в ограниченном классе инерциальных систем отсчета, а вопрос о том, что выделяет эти инерциальные системы, оставался после 1905 г. таким же таинственным, как и в 1686 г.
