Роджер Пенроуз - Новый ум короля: О компьютерах, мышлении и законах физики

Я выбрал единицы для различных полей так, чтобы они находились в хорошем согласии с той формой, в которой Максвелл первоначально записывал свои уравнения (за исключением того, что его плотность заряда в моих обозначениях выглядела бы как с -2ρ ). При другом выборе единиц множители, содержащие с , были бы распределены иначе.

Именно введение ∂B / ∂t в это уравнение было мастерским штрихом в теоретических рассуждениях Максвелла. Все остальные члены во всех уравнениях, по существу, были известны из опытных данных. Что же касается коэффициента 1 / с 2, то он очень мал и поэтому член с ∂B / ∂t не мог быть обнаружен экспериментально.

Действительно, мы имеем бесконечно много х i и p i , но еще одно осложнение возникает в связи с тем, что мы не можем использовать непосредственно значения полей в этих координатах, поэтому для поля Максвелла нам необходимо ввести определенные «потенциалы», чтобы к нему можно было применить гамильтонову схему.

Волновое уравнение (уравнение Даламбера) представимо в виде

Т. е. не имеющие второй производной.

Уравнение Лоренца определяет силу , действующую на заряженную частицу со стороны электромагнитного поля, в котором та находится. Таким образом, если масса частицы известна, то второй закон Ньютона позволяет нам найти ускорение частицы. Но заряженные частицы часто движутся со скоростями, близкими к скорости света, так что начинают сказываться эффекты специальной теории относительности, для которых выбор массы частицы (см. следующий раздел) становится уже существенным. Именно по этой причине открытие правильного закона для силы, действующей на заряженную частицу, стало возможным только после появления на свет СТО.

Причина, по которой пространственные координаты мы делим на с (скорость света), проста: это делается для того, чтобы мировые линии фотонов были наклонены под удобным углом 45° к вертикали (см. текст далее).

Действительно, в некотором смысле, любая квантовомеханическая частица, встречающаяся в природе, сама по себе является часами. Как мы узнаем из главы 6, с любой квантовой частицей связано свое колебание, частота которого пропорциональна массе частицы (см. гл. 6 «Начало квантовой теории»). Именно этот эффект позволил создать точнейшие современные (атомные и ядерные) часы.

Тем не менее для событий, разделенных отрицательными значениями s 2 , величина с 2 √- s 2 имеет смысл, равняясь обычному расстоянию до того наблюдателя, которому события кажутся одновременными (см. далее).

«Излом» на мировой линии путешественника в точке В мог бы вызвать беспокойство у читателя: судя по картинке, путешественник в этой точке должен испытывать бесконечно большое ускорение. Но это несущественно. При конечном ускорении мировая линия путешественника будет иметь в точке В просто закругленный, или сглаженный изгиб, который очень слабо скажется на полном времени, которое путешественник проживает, и которое по-прежнему измеряется «длиной» (в смысле Минковского) всей его мировой линии.

С точки зрения наблюдателя М , эти пространства событий одновременны в смысле эйнштейновского определения одновременности , которое использует световые сигналы, посылаемые наблюдателем М и отражающиеся обратно к М из рассматриваемых точек пространства-времени. См., например, Риндлер [1982].

Это начальное значение второй производной по времени (или «ускорение») от формы. Быстрота изменения (или «скорость») формы первоначально считается равной нулю, так как сфера сначала находится в состоянии покоя.

Математическое описание этой переформулировки ньютоновской теории впервые было выполнено замечательным французским математиком Эли Картаном [1923], которое, разумеется, последовало после открытия общей теории относительности Эйнштейна.

Искривленные пространства — в том числе и многомерные — являющиеся в этом смысле локально евклидовыми, называются римановыми многообразиями в честь великого Бернгарда Римана A826-1866), который первым исследовал такие пространства, опираясь в своих изысканиях на раннюю работу Гаусса, посвященную двумерному случаю. Здесь нам понадобится существенно модифицировать идеи Римана, вводя допущение о возможности замены локально евклидовой геометрии на геометрию Минковского . Такие пространства часто принято называть лоренцевыми многообразиями (принадлежащими к классу так называемых псевдоримановых , или, что менее логично, полуримановых многообразий).

Возможно, у читателя может возникнуть беспокойство по поводу того, каким образом это нулевое значение может быть максимальным значением «длины»! Но это именно так, хотя и в несколько бессодержательном смысле: геодезическая линия нулевой длины характеризуется тем, что не существует мировых линий других частиц, соединяющих (локально) любые две ее точки.

В действительности, это деление на эффекты деформации и изменения объема носит не настолько четкий характер, как я пытаюсь это изобразить. Тензор Риччи сам может дать определенный вклад в приливную деформацию. (Для световых лучей такое деление проводится однозначно; см. Пенроуз, Риндлер [1986], т. 2, глава 7.) Точное определение тензоров Вейля и Риччи см., например, в книге Пенроуза и Риндлера [1984], т. 1. (Герман Вейль (род. в Германии) был выдающимся математиком XX века, а Грегорио Риччи (род. в Италии) — весьма влиятельным геометром, создавшим также теорию тензоров.)

Правильная форма уравнений общей теории относительности была также найдена и Давидом Гильбертом (в ноябре 1915 года), однако все физические идеи, нашедшие отражение в этой теории, принадлежат исключительно Эйнштейну.

Для тех, кто разбирается в подобных вопросах, эти дифференциальные уравнения представляют собой полные тождества Бьянки, в которые подставлены уравнения Эйнштейна.

Существуют определенные (не очень убедительные) пути для обхода этого затруднения (см. Уилер, Фейнман [1945]).