Геннадий Горелик - Матвей Петрович Бронштейн

• Название: Матвей Петрович Бронштейн
• Автор: Геннадий Горелик
• Издательство: АКАДЕМИЯ НАУК СССР
• Жанр: Биографии и Мемуары
• Год: 1990
• ISBN: ISBN 5-02-000670-Х

В книге рассказывается о жизни и творчестве замечательного советского физика-теоретика М. П. Бронштейна. Наиболее важный его вклад в науку — первое глубокое исследование квантования гравитации. Полученные им результаты стали особенно актуальны в наше время, когда построение квантовой теории гравитации насущно необходимо для космологии и физики элементарных частиц. Бронштейну также принадлежат важные работы в релятивистской космологии, астрофизике, теории полупроводников. Написанные им замечательные научно-популярные и научно-художественные книги переиздаются в наши дни.

Книга рассчитана на читателей, интересующихся историей советской науки.

---

Таким образом, понятие параллелизма не может быть обобщено на пространство, обладающее кривизной. Это можно проверить на простом случае шаровой поверхности, которую можно рассматривать, как двумерное неевклидово пространство. Пусть на поверхности шара даны три точки 1, 2 и 3. Соединим их попарно дугами больших кругов (известно, что на поверхности шара дуга большого круга, соединяющая две точки, является кратчайшим расстоянием между ними). Получился сферический треугольник 123. Если в точке 1 проведен какой-нибудь отрезок в касательной плоскости к шару, то его можно переместить вдоль стороны сферического треугольника 1 2 таким образом, чтобы он все время оставался касателен к шару и все время образовывал один и тот же угол с касательной к большому кругу 1 2. Это и будет «перемещение параллельно самому себе» по геодезической линии 1 2. После этого его можно таким же образом «перенести параллельно самому себе» по геодезической линии 2 3, а затем и по линии 3 1. Окажется, что после такого «перемещения параллельно самому себе» по контуру сферического треугольника 123 отрезок не придет в прежнее положение, а образует со своим первоначальным направлением в точке 1 некоторый угол. С помощью элементарной геометрии нетрудно доказать, что этот угол будет равен так называемому « сферическому эксцессу» треугольника 1 2 3, т. е. разности между суммой углов сферического треугольника 1 2 3 и 180 градусами. (Сферический эксцесс треугольника, как доказывается в сферической тригонометрии, пропорционален площади треугольника.) Из этого примера видно, что сохранить на поверхности шара понятие о параллелизме без добавочных условий невозможно.

Новая теория Эйнштейна вводит в неевклидову геометрию понятие о параллелизме следующим образом: в каждой точке четырехмерного пространства проводятся четыре взаимно перпендикулярные направления, образующие в каждой точке как бы систему прямоугольных осей. Про эти оси вводится допущение, что они в разных точках пространства параллельны друг другу. Нетрудно видеть, что для определения положения этих четырех осей необходимо задать в каждой точке значения шести величин, из которых первые три определяют положение первой оси, вторые две — положение второй оси, наконец последняя определяет положение третьей оси, для определения же четвертой оси не нужно задавать добавочных величин, так как достаточно того, что она перпендикулярна остальным осям. Между ними устанавливает Эйнштейн ряд соотношений, которые вводятся для того, чтобы придать понятию о параллелизме определенный смысл и которые, кроме того, должны удовлетворять так называемому «требованию ковариантности». Это требование значит, что соотношения должны иметь одинаковую форму независимо от той координатной системы, с которой связан измеряющий геометрические свойства пространственно-временной совокупности наблюдатель. Требование ковариантности вообще играет основную роль в теории относительности. Оказывается, что выведенным для этих шести величин соотношениям возможно придать другую форму, а именно: определенные комбинации из этих величин возможно назвать (совершенно условно) слагающими электромагнитных сил и сил тяготения. Тогда окажется, что упомянутые соотношения превратятся в такие соотношения между электромагнитными и гравитационными силами, которые совершенно удовлетворительно оправдываются на опыте в случае пустого пространства. В этом заключается важнейший результат новой теории Эйнштейна. Отсюда видно, что электромагнитные силы уже не противопоставляются гравитационным, как это было в общей теории относительности Эйнштейна. Электромагнитные силы, как и силы тяготения, оказываются геометрическими характеристиками четырехмерной пространственно-временной протяженности.

В этом монистическом характере, позволяющем связать геометрию, тяготение и электричество в одно единое целое, заключается главное достоинство новой теории Эйнштейна. Эта теория приводит, таким образом, к своеобразному физическому мировоззрению, о построении которого уже несколько столетий назад мечтал знаменитый французский философ и математик Ренэ Декарт.

Следует сказать, однако, что теория Эйнштейна еще не построена до конца. Так, например, еще не решен вопрос о графиках движения материальных частиц в четырехмерной протяженности точек-событий под влиянием электромагнитных и гравитационных сил. Остается невыясненным, удастся ли на основании новой теории Эйнштейна вывести существование двух противоположных родов электричества и сделать, таким образом, шаг вперед по сравнению с теорией Германа Вейля. Точно так же остается решить вопрос об отношении новой теории Эйнштейна к теории квантов. Прерывный характер явлений, происходящих в чрезвычайно малых объемах, занятых отдельными атомами вещества, указывает с большой вероятностью на то, что эта прерывность должна найти свое отражение в геометрии, и что, таким образом, свойства пространственно-временной протяженности должны иметь квантовый, прерывный характер. Построение такой геометрии пространства и времени, из которой вытекали бы не только законы тяготения и электромагнитного поля, но и квантовые законы,— вот величайшая задача, которая когда-либо стояла перед физикой.

М. П. Бронштейн. Эфир и его роль в старой и новой физике [69]

Судьбы физических теорий, как судьбы людей, пестры и разнообразны. Они отличаются друг от друга и продолжительностью жизни, и быстротой, с которой им удается занять в науке прочное положение, и широтой охватываемой ими области физических явлений, и упорством, с которым они отстаивают свое существование под напором новых, настойчиво требующих истолкования фактов. Но из всех теоретических построений физики вряд ли найдется хотя бы одно, которому выпало на долю больше странных и неожиданных превратностей, чем гипотезе эфира — одной из древнейших и важнейших физических гипотез. Эфир, как Протей, принимал всевозможные формы, подчинял своему владычеству все новые и новые области физики, расцветал и снова хирел (один раз был даже вовсе «упразднен»), одному поколению казался «более реальным, чем вода и воздух», а другому — «старым хламом, который нужно сдать в архив, как сданы туда флогистон и теплород». Каждая эпоха в истории физики имела свой особенный эфир; и от столетия к столетию эфир проносил неизменным только свое мистически звучащее имя и неограниченную претензию быть основным субстратом более или менее всеобъемлющей группы физических явлений.

Эфир родился в блестящих, хотя и не всегда научных спекуляциях философов античной Греции. В эти дни своей молодости эфир не исполнял никаких специальных обязанностей: не было ни одной конкретной области физических явлений, которую бы он был призван объяснять. Но он был нужен, как «пятая стихия», которую необходимо было добавить к известным четырем (земля, вода, воздух и огонь), чтобы иметь возможность производить их от общего корня и тем самым внести мнимую простоту в подавляющую сложность явлений внешнего мира.

Таким «философским эфиром» античный эфир оставался очень долго, и даже еще для Ньютона существование эфира было скорее философской аксиомой, чем физической теорией. Пресловутое «действие на расстоянии», т. е. возможность для тела вызывать своим присутствием, без помощи промежуточной среды, действие сил в точках пространства, в которых само тело не находится, претило здравому смыслу Ньютона в такой же мере, как и философскому гению Декарта и Лейбница. Вот почему Ньютон протестовал против такой возможности, столь любезной епископу Беркли, и считал ее философски нелепой, полагая, что все такие мнимые «действия на расстоянии» (тяготение, взаимодействия намагниченных или наэлектризованных тел) должны в конечном счете объясняться действием промежуточной среды, которую он называл эфиром. Но, по мнению Ньютона, было еще слишком рано заниматься рассмотрением механизма такой передачи действия через эфирную среду, как это делал, например, Декарт, объяснявший движение планет увлекающим их эфирным вихрем. Поэтому Ньютон ограничивался математическим описанием «действий на расстоянии» и, допуская существование эфира, «не придумывал гипотез» о его физической природе.

Совершенно иначе относился к гипотезе эфира гениальный современник Ньютона Христиан Гюйгенс, который дал эфиру специальную физическую службу, заставив его объяснять оптические явления. Созданная Гюйгенсом гипотеза «светового эфира», мыслившегося в виде упругой материальной среды, через которую могут проноситься волны сжатия и разрежения, воспринимаемые нами, как световые явления, вела больше столетия неравную борьбу с ньютоновской корпускулярной теорией света (гипотезой истечения).