Текст книги "Геометрия, динамика, вселенная"

Автор книги: Иосиф Розенталь

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 11 страниц)

ГЛАВА 2. Д И Н А М И К А

1. ВРЕМЯ

Классическая геометрия (Евклида, Лобачевского, Римана) по своему существу статична. И хотя в ее пределах правомочна операция переноса фигур, но она имеет лишь одно предназначение: установление их равновеликости. Поэтому этот перенос (как правило, мысленный) может осуществляться бесконечно быстро или сколь угодно медленно. Скорость переноса, а следовательно, и его время геометров не интересовали. Геометрия была вне времени. Видимо, время было тем фактором, который более всего способствовал тому, что до конца прошлого столетия геометрия и физика существовали раздельно.

Можно точно указать годы, когда зарождалось представление об общности геометрии и времени и когда это представление приобрело ясную и недвусмысленную формулировку. Идея единства пространства-времени была сформулирована Г.Минковским в 1907 г., ей предшествовало создание специальной теории относительности А.Эйнштейном, А.Пуанкаре и Х.Лоренцом в 1904–1905 гг.

Разумеется, нельзя абсолютизировать (даже в историческом плане) утверждение о независимости геометрии и времени. Геометрические образы – неизменное сопровождение механики, а время – ее основополагающее понятие. Как только возникало слово «время», так от классической, дорелятивистской геометрии следовал переход к динамике. Время – неизбежный спутник динамики.

После создания теории относительности статус времени существенно изменился: оно стало равноправным партнером пространства. Возникла новая геометрия – геометрия пространства-времени. После создания общей теории относительности (ОТО, 1915–1916 гг.) геометрия и динамика в рамках ОТО слились воедино.

После краткого вступления уместно задать вопрос: что такое время? Казалось бы, что ответ на этот вопрос ясен; достаточно использовать какое-либо признанное определение, заимствованное из бесчисленного количества книг, посвященных пространству-времени или исключительно времени. Имея в виду такое решение, автор обратился к двум современным, специально посвященным времени изданиям: книгам Ф.С.Заславского «Время и его измерение» (М.: Наука, 1977) и Дж. Уитроу «Структура и природа времени» (М.: Знание, 1984). В этих книгах можно найти множество интересных сведений. Например, о представлении времени у обезьян и небольших индейских племен, о методах измерения времени в древности и в эпоху средневековья, есть здесь и мысли древних философов о времени, и многое другое. Однако предмет поиска определение физического времени – в этих книгах отсутствовал.

Разумеется, можно было бы продолжить поиски единственного и правильного определения, однако после зрелого размышления сделалась очевидной их бессмысленность. Представилось очевидным, что определение времени – задача совсем не простая. Вероятно, не худшим выходом было решение упомянутых выше авторов книг о времени сделать вид, что вопроса не существует.

Тем не менее кажется необходимым дать если не определение, то по крайней мере описание понятия физического времени. Известно, что определить понятие означает подвести под него другое более широкое понятие. Но время – настолько широкая категория, что, быть может, лишь Вселенная и материя являются более объемными понятиями. Не претендуя, разумеется, на единственность и абсолютную правоту приведенного далее определения, можно все же сделать попытку в этом направлении.

Итак, физическое время – это количественная мера упорядоченной эволюции материального объекта как целого от его возникновения до гибели.

Это определение нуждается в пояснениях, из которых естественно следует, что лаконичность – не синоним простоты. В определениях неявно фигурируют следующие допущения.

1. Объект характеризуется целостностью в том смысле, что у него есть единое время.

2. У каждого объекта собственное время, которое, вообще говоря, не совпадает с временем других объектов.

3. Все объекты рождаются и умирают.

Требует пояснения также и понятие «упорядоченной эволюции».

Начнем комментарии по порядку.

1. Макроскопический объект, т. е. тело, состоящее из нескольких (≥2) частей, априорно не должно характеризоваться единым временем. Наш повседневный опыт как будто подтверждает существование единого времени, характеризующего эволюцию объекта как целого. Однако такое заключение несколько иллюзорно и связано с тем, что в рамках повседневного опыта относительная скорость v отдельных частей макроскопического тела удовлетворяет условию v/c << 1 (c – скорость света). Если v/c ~ 1, то в соответствии с теорией относительности каждая часть тела обладает своим собственным временем. Однако при обычных скоростях условие v/c << 1 выполняется, и постулат о целостности достаточно оправдан.

2. В соответствии со сказанным ранее два тела можно рассматривать как составные части одного, и, следовательно, они характеризуются своим собственным временем. Однако наша Метагалактика во всех ее частях характеризуется единым временем в том смысле, что в любой момент все свойства (характеристики) Метагалактики одинаковы.

3. Постулат о рождении и смерти всех всех объектов является следствием опытных данных. Рождается и погибает все, начиная от элементарных частиц и кончая галактиками и их скоплениями. Исключение составляет Метагалактика в целом, в том смысле, что никто не наблюдал ни ее начала, ни конца. Но никто из специалистов не сомневается в том, что когда-то (примерно (15–20)*10**9 лет назад) было рождение Метагалактики и когда-то ее не станет.

Таким образом, все сформулированные постулаты выполняются с достаточной точностью. Более того, из комментария ко второму допущению следует, что <(существует единое метагалактическое время, которое можно принять за эталон времени всех находящихся в ней объектов)>. Если бы дело обстояло иначе, Метагалактика не обладала бы однородностью во всех ее точках и время протекало бы по-разному в разных ее частях, что, вероятно, привело бы к различию в физических закономерностях, а это, в свою очередь, к нарушению мировой гармонии и путанице невообразимому усложнению физических законов.

Особого анализа требует понятие упорядоченной эволюции. Ясно, что рождение предшествует смерти, причина – следствию. Причинно-следственные связи реализуются в том, что время имеет определенное направление от прошлого к будущему. Время является одномерным вектором, направленным от прошлого к будущему. Бытовая реализация этой основной характеристики сводится к делению времени на три относительные эпохи: прошлое, настоящее и будущее. Для единого тела, характеризуемого единым временем, это деление абсолютно, и его можно провести всегда. Для тела, состоящего из частей, это деление усложняется: вследствие конечности скорости света существует отрезок времени, когда четкое разделение провести нельзя (см. разд.4 гл.2).

Любопытно, как проблема деления времени на прошлое, настоящее и будущее нашла отражение в афоризме Аристотеля: «Времени почти нет, ибо прошлого уже нет, будущего еще нет, а настоящее длится мгновение». Прошлого действительно нет, оно – было, так же как и будущее – будет. Об этом свидетельствуют многочисленные эмпирические факты, относящиеся к компетенции физики. Строго говоря, Аристотель ошибся, утверждая о существовании настоящего (хотя бы и мимолетного), понимаемого в эйнштейновском смысле. Как уже говорилось, для сложных тел нет абсолютного времени, а следовательно, о настоящем можно говорить лишь условно, в пределах неопределенности, определяемой разностью времен для частиц, составляющих сложное тело.

Подведем некоторые итоги. Можно дать краткое определение физического времени. Однако оно содержит понятия, сами нуждающиеся в доопределениях, которые, в свою очередь, требуют разъяснений, и так ad infinitum. Вероятно, такая ситуация – отражение фундаментальности времени. Тем не менее дать пусть даже неполное определение времени было необходимо. Иначе трудно (или, скорее, невозможно) обсуждать взаимосвязи пространства-времени и динамики.

И в заключение еще одно замечание. Существует вопрос, который на разном уровне обсуждается в литературе: можно ли выделить начало отсчета времени. Этот вопрос задавался практически со времени возникновения цивилизации. Как правило, начало отсчета связывалось с предполагаемым актов рождения мира. У народов Ближнего Востока начало отсчета (рождение мира) полагается 6–8 тыс. лет назад. Более рационально мыслящие римляне точку отсчета отождествляли с основанием Рима (753 г. но н. э.). На Западе сейчас повсеместно летоисчисление ведут от предполагаемого дня рождения Христа, которое было «вычислено» римским монахом Дионисием в 524 г., а затем канонизировано.

Для нас, пожалуй, важен не калейдоскоп начал отсчета или эпох, а другой факт, имеющий глубокий смысл. Как человеческая история, так и физические явления не зависят от точки отсчета времени. В этом отражается его исключительно важное свойство – трансляционная инвариантность: независимость физических законов от точки отсчета. На языке математики эта инвариантность означает неизменность физических законов при преобразовании типа

t' – > t+a, a=const (11)

Мы, со своей стороны будет стараться по возможности придерживаться «физического» летоисчисления, принимая за точку отсчета (t=0) время возникновения Метагалактики (15–20 млрд лет назад). Иногда в физической литературе этот момент отождествляется с временем возникновения Вселенной. Встречаются также утверждения, что вообще говорить о времени до возникновения Метагалактики (при t<0) бессмысленно. Нам представляется, что эти утверждения неверны и далее (гл.3) мы приведем аргументы, подтверждающие нашу точку зрения.

2. КЛАССИЧЕСКАЯ ДИНАМИКА И ЕЕ ГЕОМЕТРИЯ

Предмет классической динамики (ньютоновской механики) определение изменения состояния (положение, скорость и т. д.) тел во времени. Абстрагируясь от влияния смежных физических дисциплин, можно сказать, что ньютоновская динамика занимается определением движения материальных точек при заданном положении внешних тел.

Решение основной проблемы классической механики предполагает априорное определение физического пространства, в котором движутся материальные точки. В рамках ньютоновской физики оно отождествляется с пространством Евклида.

Одна из задач механики – вычисление траектории тела (материальной точки) в этом пространстве.

Траектория описывается математической кривой, однако не тождественна ей. Математическая кривая – образ, существующий безотносительно к другим объектам или системам координат. Этот образ возник задолго до создания аналитической геометрии. Иное дело – физическая траектория. Это понятие имеет лишь относительный смысл: траектория материальной точки определяется относительно другого тела, обычно называемого телом отсчета.

Абсолютного движения не существует. По этой причине физики предпочитают говорить не о системе координат, а о системе отсчета, подразумевая, что это понятие включает также и тело отсчета. Если оно может быть отождествлено с материальной точкой, то его обычно принимают за начало координат. Подчеркнем, что здесь мы встречаемся не с терминологическими уточнениями. В отличие от начала координат тело отсчета, как правило, влияет, а иногда и определяет состояния исследуемого тела (материальной точки).

В классической динамике пространство определяет взаиморасположение тел в данный момент времени в их противопоставлении к пустоте (в классическом смысле). Несколько перефразируя определение времени, данное в предыдущем разделе, можно сказать, что пространство есть мера неупорядоченной эволюции относительно состояния тела. Это определение, так же как и предшествующее, нуждается в некоторых комментариях.

Пространственные соотношения характеризуют относительное положение материальных тел, включая и тело отсчета. Временные же соотношения также включают точку отсчета, но эта точка относится к тому же самому телу, время эволюции которого определяется.

Но кардинальным физическим отличием пространства от времени является факт, что первое не содержит аналога принципа причинности. Расстояния между двумя произвольными точками A и B пространства (взятые безотносительно ко времени) эквивалентны: AB=BA. Временные же интервалы t|t| и

1 2 t|t| (t| > t|) существенно неэквивалентны. Время t| 2 1 2 1 2 будущее относительно времени t. Иллюстрацией этих положений является система двух событий (At|, Bt|), причинно-связанных

1 2 между собой. Событие At| влияет на событие Bt|, обратное

1 2 влияние отсутствует. Однако тела, расположенные в точках A и B, симметричны. Их пространственная характеристика – вектор – > – > AB эквивалентен вектору BA.

В основе ньютоновской механики находится понятие инерциальных систем отсчета, играющее особую роль, поскольку, строго говоря, законы Ньютона относятся именно к этому классу систем отсчета. К сожалению, как это часто бывает с основополагающими понятиями, определения инерциальной системы многообразны и не полностью отражают ее свойства, что может привести, а иногда и приводит к недоразумениям.

Однако полный анализ понятия инерциальной системы отсчета выходит за рамки основной темы, и далее мы ограничимся лишь кратким его рассмотрением. Пока же примем наиболее популярное определение инерциальной системы отсчета, представленное в классическом курсе теоретической физики Л.Д.Ландау и Е.М.Лифшица:

«…можно найти такую система отсчета, по отношению к которой пространство является однородным и изотропным, а время однородным. Такая система называется инерциальной».

Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Курс теоретической физики. М., Наука, 1973. Т.1. Механика. С.14.

Из этого определения следует ограниченность понятия инерциальной система отсчета. Оно приложимо к (квази)точечным телам – материальным точкам. Макроскопическое тело, состоящее, по определению, из многих точечных тел, само выделяет из первичного пространства Евклида объем, нарушающий его однородность и изотропию. Следовательно, использование понятия инерциальной системы применительно к макроскопическим телам, вообще говоря, неоправданно. И действительно, существует ряд парадоксальных физических ситуаций (релятивистское преобразование температуры, выбор формы электромагнитного тензора энергии-импульса в макроскопических телах и т. д.), когда отсутствует однозначное решение четко и корректно сформулированной проблемы. На наш взгляд, эта неоднозначность обусловлена чрезмерно широким употреблением понятия инерциальной системы. Но подробнее обсуждение этой проблемы находится вне основной линии книги. Мы лишь во избежание недоразумений будем использовать инерциальные системы для (квази)точечных тел.

Здесь уместно напомнить основные свойства инерциальных систем отсчета. В этих системах законы ньютона имеют наиболее простой вид (отсутствуют силы инерции). Все механические явления, происходящие в двух инерциальных системах, движущихся с постоянной скоростью друг относительно друга, протекают одинаково.

Иначе говоря, законы движения в двух инерциальных системах координат инвариантны при переходе от одной системы отсчета к другой. Отмеченную инвариантность уместно выразить на языке линейных преобразований. Для простоты ограничимся двумерным евклидовым пространством. Пусть в инерциальной системе I точка (событие) представлена координатами x _I, y _I, а система II (координаты x _II, y _II) движется с постоянной скоростью v относительно системы I. Тогда из свойств евклидова пространства и инерциальных систем отсчета следует, что уравнения движения в этих системах должны быть инвариантны относительно замены:

x| = x| cos ALPHA + y| sin ALPHA + vt cos BETA + a, 2 1 1

y|= – x| sin ALPHA + y| cos ALPHA + vt sin BETA + b, (12) 2 1 1

где ALPHA – произвольный угол поворота системы отсчета I, BETA – угол между направлениями O|O| и O|x|. Постоянные a и

1 2 2 2 b отражают однородность (трансляционную инвариантность) евклидова пространства. Условие (12) является обобщением аналитического определения статического евклидова пространства. Евклидово пространство однородно и изотропно. Следовательно, при произвольном преобразовании декартовой системы координат осуществляются соотношения:

x| = x| cos ALPHA + y| sin ALPHA + a, 2 1 1

y|= – x| sin ALPHA + y| cos ALPHA + b, (13) 2 1 1

Таким образом, инерциальные системы отсчета – основа динамики – являются обобщением статического евклидова пространства. Это обобщение отражается включением членов, содержащих множитель vt, обуславливающих равноправие всех инерциальных систем отсчета. [6]6
  Более подробно о взаимосвязи между ньютоновской динамикой и евклидовым пространством см. в кн.: Яглом И.М. Принцип относительности Галилея и неевклидова геометрия. М.: Наука. 1969.


[Закрыть]

Пожалуй, интересно отметить, что в течение многих столетий доминировала механика, в которой допустимые преобразования представлялись соотношениями (13). Эта механика была унаследована от Аристотеля, который полагал, что любое движение (в том числе и равномерное) обусловлено внешним воздействием. Потому в рамках такой механики существовала единственная привилегированная система отсчета – та, к которой тело покоилось. Естественно, что геометрия, соответствующая подобной механике, была тождественна геометрии Евклида.

Преобразование (12) подчеркивает особенность классической механики. Время t и скорость v никак не связаны с пространственными координатами и могут принимать любые значения. Поэтому, хотя пространство, представленное геометрией Евклида, имеет определенную метрику (в данном случае x**2 + y**2 = const), совокупность времени и пространственных координат такой определенной метрикой не обладает.

3. «ВЫВОД» КЛАССИЧЕСКОЙ ДИНАМИКИ ИЗ СВОЙСТВ ПРОСТРАНСТВА

Почти во всех учебниках физики характеристики пространства и уравнения движения излагаются независимо. Поэтому создается впечатление, переходящее в убеждение, о независимости этих основных элементов физики. В действительности же свойства пространства (евклидовость) практически предопределяют классическую динамику.

Ограничимся (как условились ранее) анализом системы двух тел, одно из которых будем полагать телом отсчета, а другое материальной точкой, положение которой характеризуется вектором r и временем t. Из определения инерциальной системы отсчета следует, что они являются единственной привилегированной системой отсчета, поскольку она отражает наиболее общие свойства пространства изотропию и однородность. Для системы двух тел существует единственное выделенное направление – вектор r, соединяющий тело отсчета и материальную точку.` Поэтому все динамические и кинематические величины будут направлены вдоль вектора r. Обозначим меру воздействия на материальную точку символом Ф. По определению, воздействие, а следовательно и сила, инвариантно относительно равномерного движения инерциальной системы. Поскольку существует единственное выделенное направление r, то функция Ф определяется вектором r или его производными dr/dt, d**2 r/dt**2, d**3 r/dt**3… (предполагается, что они параллельны). Действие в принципе может зависеть от констант m|, m|…., характеризующих

1 2 материальную точку

dr d**2 r Ф = Ф (m|, m|…, r, – , –…). (14)

1 2 dt dt**2

Однако при учете свойств инерциальной системы это выражение сильно упрощается. Действительно, в общем случае аргументы r и v = dr/dt исключаются вследствие эквивалентности инерциальных систем. Всегда можно выбрать систему, в которой в данный момент v=0. Производные высших порядков: d**3 r/dt**3, d**4 r/dt**4…. в общем виде также не могут определять движение, поскольку в этом случае, помимо выделенного класса систем отсчета (соответствующего v=const), существовали бы и другие привилегированные системы отсчета, удовлетворяющие условиям a = d**2 r/dt**2=const или b = d**3 r/dt**3=const и т. д. Поскольку рассматривается материальная точка, то естественно допустить, что она характеризуется единым параметром m=m|. Поэтому (14) можно

1 записать в форме

d**2 r Ф = Ф (m, – –). (15)

dt**2

Величина m – внутренняя характеристика тела, вторая производная d**2 r/dt**2 определяется взаиморасположением тела отсчета и материальной точки. В рамках ньютоновской механики обе величины абсолютно независимы. Поэтому естественно предположить, что они входят в выражение (14) в виде произведения

d**2 r Ф = Ф (m –). (16)

dt**2

Назовем силой функцию F, обратную функции Ф, тогда получаем основной закон

d**2 r F = m –. (17)

dt**2 [7]7
  Строго говоря, здесь пренебрегается возможным вращением системы. Обобщение рассуждений, учитывающих вращение, не представляет трудностей.


[Закрыть]

Из свойств пространства вытекают характеристики дальнодействующих сил, составляющих основу классической механики.

Назовем дальнодействующими (макроскопическими) силами такие воздействия, которые в статическом случае (т. е. когда тело отсчета неподвижно) можно характеризовать силовыми линиями, начинающимися в теле отсчета, но не изменяющимися в пустом пространстве. Иными словами, в пустом пространстве силовые линии – прямые. Если же силовые пересекают материальную точку, то они взаимодействуют с ней, прекращая свое существование.

Заметим, что «прямолинейность» силовых линий нетривиальное допущение, которое характерно исключительно для дальнодействующих сил. Для микроскопических взаимодействий силовые линии либо запутываются, взаимодействую друг с другом, утрачивая прямолинейность (сильное взаимодействие), либо обрываются (слабое взаимодействие). На современном языке необходимыми и достаточными условиями дальнодействия сил являются неравенства

ALPHA << 1, m| = 0,

c

где ALPHA – безразмерная константа взаимодействия, m|

c массам обменной частицы (см. Дополнение). Далее в этом разделе ограничимся исключительно дальнодействующими макроскопическими силами.

Поскольку силовое воздействие является точечным и осуществляется в месте расположения материальной точки, то единственная характеристика сил, обусловленная этим расположением, есть плотность d силовых линий. Поэтому сила, действующая на материальную точку, пропорциональна плотности силовых линий: F~d. Но в силу изотропии и однородности пространства полное число силовых линий неизменно, а плотность силовых линий неизменно, а плотность силовых линий макроскопического взаимодействия обратно пропорциональна площади сферы с центром, расположенным в начале координат (теле отсчета). Эта сфера проходит через материальную точку. поскольку площадь сферы в трехмерном евклидовом пространстве пропорциональна r**2 (r – расстояние между телом отсчета и материальной точкой), то

F~1/r**2. (19)

Мы получили выражение для макроскопических сил: силы Кулона и силы Ньютона.

Таким образом, оба закона – следствие особых свойств трехмерного евклидова пространства.

Следовательно, как механика Ньютона, так и выражение для статических (классических) сил зависят от свойств пространства. Подчеркнем, что, несмотря на демонстрацию тесной связи основ динамики и свойств пространства, нельзя полностью свести физику к логическим умозаключениям, основанным не геометрии. Разумеется, лишь опыт может позволить заключить о макроскопичности данного типа сил. Можно (как это происходило в действительности) на опыте измерить зависимость (19), на более современном уровне установить соотношения (18), которые также являются следствием экспериментов.

Однако общие соотношения отражают свойства пространства, и наша цель – демонстрация тесной связи этих свойств и простейшей динамики.