Э.Ф. Тейлор, Дж.А. Уилер - Физика пространства-времени

Э. Ф. ТЕЙЛОР, Дж. А. УИЛЕР ФИЗИКА ПРОСТРАНСТВА- ВРЕМЕНИ Перевод с английского Н. В. Мицкевича ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ, ДОПОЛНЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ° МИР ° МОСКВА 197$ УДИ 530Л2 (07) Редакция космических иссеедоеаиий, аиирономии и вео4иеики Иид. 2-0-2, 2-3-2 ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ПЕРЕВОДУ Предлагаемая вниманию читателей книга — учебник по частной теории относительности ') для студентов-физиков младших курсов и школьников старших классов, написанный в том новом стиле, который, получив заслуженное признание, успешно пробивает себе дорогу в современных вузах и, будем надеяться, в скором времени завоюет также среднюю школу. Эта книга — учебник для начинающих физиков, а так как идеи теории относительности стали в паши дпи краеугольным камнем общечеловеческой культуры, это и учебник для всех молодых людей, интересующихся естественными пауками.

Оп написан просто и скрупулезно строго: его авторы — крупные физики и отличные педагоги. Особенно хорошо известно имя Джона Арчибалда Уилера, «старожила» Принстона, одного иэ патриархов ядерной физики. Того самого Уилера, который вместе с Нильсом Бором является автором знаменитой теории деления атомных ядер, открывшей эпоху технических приложений ядерной энергии; ядерщика, «иа старости лет» (да простит мке эти слова Уилер, который всегда остается молодым) переключившегося па гравитацию. Именно участие Уилера в соадапик этой книги наложило иа иее отпечаток специфической деловитости и вместе с тем непринужденности, наглядного и творческого в своей основе подхода к самым сокровенным и глубоким стайкам» теории относительности.

Профессор Эдвин Ф. Тейлор известен болыпе как педагог. Следует сказать, однако, что и Уилер много внимания уделил преподаванию, и его ученики добились болыпкх успехов: достаточно паввать Ричарда П. Фейнмана, лауреата Нобелевской премии по физике.

Безусловно, па характер изложения теории относительности в книге Тейлора и Уилера наложили отпечаток программы американских (и вообще вападиых) вузов. Программы английской и американской систем вузов построены более утилитарно, чем наши. Это естественно: многие студенты кончают университет, проучившись всего три года, т. е. пройдя курс усиленного техникума (степень бакалавра — Ьас)»е)ог); другие остаются еще па два-три года и получают степень магистра (шаз1ег). Чтобы примирить оба эти варианта, приходится разобщать копцептры обучения (до некоторой степепи аналогичные нашим) в большей степени, чем это имеет место в наших вузах. В этих условиях теоретическая подготовка оказывается менее суще- э) Часто говорят: еевечиа.е»заа теория отвоситвпьности», отдавая тзм самым дань буквенному (но нз всегда букваяьному) совпадению английокого олова еарзс1а1» — спеца«льный, частный (например, «зрес1»1 оазеэ — частный случай), и русского слом «спзциальншЪ, нмевицаго чаща всего иной оттзнок.

Как пав»ство, Эннштзйн творил на немецком языке (осли на счвтать интернационального языка формул), гдз впервые и прозвучало в данном контексте слово езрах1»П». Заметам, что французы говорят «ге1аыт1«а гзз«ге!п1а»вЂ” именно чаемяаз теория относптальностн. Каиокушзпному читателю иногда даже кажется, что «общая» теория отвоситзльноств прздназпачвпа «для всохэ, для широкого круга людей, а «специальная» — лишь для избранных специалистов, тогда иак дело обстоит фактвчзски наоборот! Читатель может убедиться, что спзциальную теорию отвосвтельностп именует частной не один лишь переводчик атой книги,— для »того достаточно прочооть ползаную во всех отношениях статью академика В. Л.

Гинзбурга з журнале «Наука и ишан»» (Уй.п 1 — 3 за 1988 г.). ПРЕДИСЛОВИЕ Н РУССКОМУ ПЕРЕВОДУ ственвым вопросом, и, например, принципы теоретической л«еханики либо вовсе ве читаются, либо читаются уже после курса квантовой механики. Однако в курсе общей физики большнй удельный вес приобретают теоретические вопросы; в ряде западных учебников для первых курсов университетов петитом даются детали, подлежащие обычно освещению лишь в курсе теоретической физики. Поскольку в американских и английских вузах больший упор в преподавании делается на демонстрационный эксперимент и запоминание фактического материала, советским студентам оказывается легче усваивать абстрактную сторону теории в книгах типа той, что вы держите сейчас в руках: авторы предельно разжевывают теоретические вопросы. Поэтому вашим студентам следует рекомендовать решать больше упражнений в этой книге, чем предлагают ее авторы. Для вих будут достаточно простыми и упражнения, помеченные одной авездочкой.

Вообще при чтении этой книги необходимо выработать и соблюдать строгую систему (которую не мешает перевести и на работу с другими книгами!). Изложение сплошь и рядом может показаться слишком простым, если не примитивным, ио в действительности авторы очень глубоко продумали все средства воздействия (в том числе эмоционального) на читателя, так что нельзя оставлять без внимательных размышлений ии одной притчи в атой книге. Таким образом, важно весколько раз возвращаться к одной и той же теме, и вы кая<дый раз будете находить в ней что-нибудь новое и содержательное, что прежде ускользало от вашего внимания, и вместе с тем такое, что должно играть принципиальную роль в понимании явлений.

Книги такого рода полезно читать в два-три, а то и более приемов: сначала как увлекательный роман, а затем как запутанную детективную повесть, в которой нужно разобраться до конца, и звание дальнейшего развития «фабулы» здесь может лишь помочь лучше понять суть дела. Решать же упражнения следует всегда в одной тетради или на собираемых в папке листах, уж во всяком случае ве на каких-нибудь обрывках. Эти советы ясны для любого студента (хотя он и не всегда им, к сожалению, следует), во их полезно повторить специально для школьников, которые очень много выиграют, если возьмутся осилить эту книгу.

Они получат большое удовольствие и еще большую реальную пользу. Заметим, что многие упражнения бег звездочек еоетпавлены вполне на школьном уровне! Теория относительности — довольно разнородная как по составу, так и по своему состоянию область науки. Частная теория уже практически устоялась, и в ней возможны главным образом чисто методические усовершенствования. Общая теория, напротив, если и достаточно полна по своей общей геометрической формулировке, но в физическом отношении пока еще туманна и не завершена (на зто жаловался уже сам Эйнштейн). Тейлор и Уилер лишь слегка касаются в своей книге общей теории относительности, стараясь сделать акцент ва геометрической концепции Вселенной (позиции чисто уилеровские!), и здесь полезно сделать некоторые оговорки. Уилер уже много лет (см. его книгу «Гравитация, нейтрино, Вселенная», ИЛ, 1962) провозглашает и проводит в жизнь программу построения «физики как геометрии», противопоставляя ей динамическую теорию полей и частиц.

Этот подход логически вполне последователен, лишь его выражение страдает определенными пороками. Уилер, провозглашая первенствующую роль геометрии, забывает, что геометрия (в его же концепции!)— опытная наука, а не априорная, т. е. это та же физика, но выраженная специфическим языком. Именно поэтому и все понятия физики сохраняют жизненность и ценность, подвергаясь диалектическому переосмыслению в общей теории относительности.

Именно поэтому слова Уилера о «массе без массы» и о «материи беа материи» остаются лишь словами, ибо в современной физике уже давно под массой понимают отнюдь ве только массу механических образований, но и массу поля. Что же касается материи, пгвдисловив и ггсскомг пвввводх то можно с увереввостью утверждать, что и электромагвитвое, и гравитациоввое, и все другие физические поля — зто развые ковкретвые виды материи. Заметим при этом, что сведекие всего к полям — программа привлекательвая, во, увы, по сей день ова остается лишь программой. Стремясь избавиться от динамической трактовки явлений, авторы призывают отказаться от термива «гравитациоввое поле», вводя вместо него «приливное поле», и тут же поясняют, что оба термина — синонимы.

Трудно о>кидать, что этот новый термин привьется, так как его преимущества сомвительвы даже в чисто методическом отвошепви. Главное в их аргументации — факт отсутствия «гравитациоввой силы» в локальво иверциальвой системе отсчета. Если ваш читатель в дальнейшем познакомится с общей теорией отвосителькости детальвее (вапример, по отличной ставдартвой квиге Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшица «Теория поля», изд-во «Наука», 1967), то ов заметит, что ва пробную частицу, конечно, вообще ве действует никакая коеорионтнак (т. е.

в данком случае 4-векторная) гравитационная сила. Однако достаточно взять две пробные массы, столь малые„чтобы их взаимодействием можно было пренебречь, и тогда «развость» этих, «раввых пулю», гравитациоввых векторных сил, действующих со стороны ва наши частицы, окажется оп««очной от нуля, если в данной четырехмервой области пространство-время искривлено, т. е. если адесь объективке присутствует гравитация. Читателю предлагается поразмыслить вад тем, васколько зта ситуация (аффект девиации геодезических) напоминает приведеввую в кинге притчу о двух путешествеввиках. Однако есть (очевь вемвогие) пункты, касающиеся и частной теории отвосительвости, когда авторы оказываются в плену традиционных ве вполне точных представлений.

Таков вопрос о соотношении между преобразованием Галилея и преобразованием Лоренца. Эти преобразования действительно отличаются друг от друга ве только по форме записи; различив между ними сводится к тому, что второе из вих относится к классу ортоговальвых преобразований, первое же — кет, если рассматривать его с 4-мерной точки зрения. Теория относительности доказывает не безусяоеную непригодность преобразовавия Галилея при больших скоростях, а несостоятельность подхода к вему как к 3-мервому преобразовавию.