Иосиф Розенталь - Геометрия, динамика, вселенная

Но закроем глаза на эти проблемы, уводящие в сторону от основной линии книги, и попробуем применить эту теорию к конкретному макроскопическому телу — вращающемуся диску, знаменитому диску Эйнштейна. Пусть диск, являющийся абсолютно твердым телом, вращается равномерно вокруг своего центра. Очевидно, что линейные скорости точек диска, расположенные на разных расстояниях от центра, будут различны (пропорциональны расстояниям r). Тогда в соответствии с формулами (29) в этих точках будет различное сокращение. Пространство станет неоднородным, а следовательно, неевклидовым. Вращение диска есть неинерциальное ускоренное движение. Из этих двух фактов Эйнштейн заключил, что ускоренное движение нарушает евклидовость (псевдоевклидовость) пространства.

В случае равномерного вращения диска и соответствующего постоянному во времени ускорению легко оценить, как меняется метрика пространства, заполненного диском, в зависимости от расстояния r. Вычислим, в частности, «неевклидовость» пространства на расстоянии r, если задана угловая скорость вращения Ω. Если Ω = 0, то пространство евклидово, т. е. d/r = 2 π. (d — длина окружности в системе покоя диска). Если Ω ≠ 0, то в направлении по радиусу диска масштаб останется несмещенным, следовательно, длина окружности увеличится в [1-(Ω r/c)**2]**(-1/2) раз. Во вращающейся

d' d -1/2 системе координат — = — [1-(Ω r/c)**2] > 2 π,

r r

что и является мерой неевклидовости.

Нетрудно установить и метрику, соответствующую угловой скорости Ω ≠ 0. В цилиндрических координатах при Ω = 0 интервал

ds**2 = (c dt)**2 — dr**2 — (r dFI)**2, (36)

где FI — азимутальный угол.

Если Ω ≠ 0, то r=r'? FI=FI+Ω t, и интервал имеет вид

(ds')**2 = [c**2-(Ω r')**2 (dt)**2 — 2 Ω (r'**2 dFI' dt — (r' dFI')**2 — (-r')**2. (37)

По какому бы закону ни преобразовывалось время, метрика (37) является римановой метрикой (6). Из того факта, что при ускоренном движении (вращение диска) возникает неевклидовость, которая представляется римановой метрикой, естественно допустить, что ускоренные движения изменяют метрические свойства пространства, а постоянно ускорение (Ω = const ≠ 0) приводит к обобщению пространства Минковского — пространству Римана. Именно эта идея Эйнштейна (взаимосвязь геометрии и динамики) кардинально изменила наши представления о неком абсолютном континууме пространства-времени. Даже пространство Минковского было в известном смысле абсолютно (независимость метрики от динамики). Общая теория относительности уничтожила эти остатки абсолютизации. Однако ограничиваться утверждением, что динамика влияет на свойства пространства, — это почти ничего не сказать. Это общее утверждение, а физики базируется на конкретных уравнениях. Чтобы их сформулировать, Эйнштейн придумал второй мысленный эксперимент (лифт Эйнштейна). Основная его идея базируется на факте (опыты В.Г.Брагинского и сотрудников), установленном с фантастической точностью (до двенадцатого знака): равенство гравитационной и инертной массы. из этого утверждения и законов Ньютона следует, что любое тело движется в однородном гравитационном поле с одинаковым ускорением. А мы видели, что такое движение приводит к изменению метрики пространства. Однако (и это составляет суть второй гипотезы Эйнштейна) пространство всегда остается римановым. Следовательно, интервал не зависит от системы отсчета: ds**2 = (ds')**2.

Третья кардинальная идея Эйнштейна и основывается на первых двух. Риманова метрика определяется расположением тел в пространстве. Как обычно, фундаментальное физическое уравнение следует записать на языке инвариантов. Не останавливаясь на цепи рассуждений, отметим лишь, что уравнения гравитации следовало бы сформулировать на языке кривизн и тензора энергии импульса. Уравнение Эйнштейна имеет вид

R|| — 1/2 g|| R = (8 π G / c**4) T||, (38) юv юv юv

где R|| — тензор кривизны, R — скалярная кривизна, T||

юv юv тензор энергии-импульса:

T|| = (ε+p) u| u| — pg||, (39) юv юv

здесь ε — плотность энергии, p — давление, u — 4-скорость. Инвариантные характеристики кривизны R|| и R определяются

юv компонентами метрического тензора и его производными по времени. Мы не будем здесь выписывать эти довольно громоздкие выражения, которые можно найти в любой монографии, посвященной общей теории относительности.

Таким образом, расположение частиц материи (тензор T||)

юv определяет характеристики Риманова пространства (R||, R).

юv Однако это влияние взаимно. Движение частиц, в свою очередь, определяется геометрией. Частицы движутся в римановом пространстве (гравитационном поле) по кратчайшим расстояниям — геодезическим.