лекции 5-8

реклама
Физические основы
естествознания
Василий Семёнович Бескин
Лекции 5-6
Эйнштейн
• Гравитация есть проявление кривизны
пространства
• Кривизна определяется материей
• Уравнения должны выглядеть одинаково
во всех системах координат
Кривизна
И.К.Ф.Гаусс (1777-1855)
Гауссова кривизна
Кривизна
Что более
искривлено?
Кривизна
Определение
кривизны
Кривизна
Определение
кривизны
Можно ли определить кривизну
поверхности, не выходя за ее пределы?
Кривизна
НА ПЛОСКОСТИ
• Сумма углов в треугольнике равна p и не
зависит от размера треугольника.
• Отношение длины окружности к радиусу равно
2p и не зависит от размера окружности.
В ПРОИЗВОЛЬНОМ СЛУЧАЕ ЭТО НЕ ТАК
Кривизна
Геодезические
Чтобы измерять углы и длины, нужно обобщить
понятие отрезка.
Кривые, вдоль которых расстояние наименьшее.
Могут быть определены, только если введена метрика.
Кривизна
Сумма углов
Кривизна
Сумма углов
Это возможно лишь имея метрику:
Кривизна
Отношение длина окружности – радиус
ПЛОСКОСТЬ
Космическая струна
Кривизна
Отношение длина окружности – радиус
R
СФЕРА
R
R
Кривизна
Отношение длина окружности – радиус
СФЕРА
Кривизна
Три важных замечания
• Кривизна k определяется второй производной.
• Физический результат не должен зависеть от выбора
системы координат.
• Мы свободны в выборе двух величин в метрическом
тензоре.
Кривизна
Гауссова кривизна (ОТВЕТ НЕ ЗАВИСИТ ОТ
ВЫБОРА КООРДИНАТ)
Кривизна
Гауссова кривизна
ПЛОСКОСТЬ
Кривизна
Гауссова кривизна
СФЕРА
Эйнштейн
• Гравитация есть проявление кривизны
пространства
• Кривизна определяется материей
<K>=<T>
• Уравнения должны выглядеть одинаково
во всех системах координат
Уравнение Эйнштейна
Наводящие соображения
• Теория Ньютона – предельный случай.
• По какому параметру?
малы скорости
мал гравитационный потенциал
Уравнение Эйнштейна
Наводящие соображения
По какому параметру?
малы скорости
мал гравитационный потенциал
П.С.Лаплас
(1749-1827)
Дж.Мичел
(1724-1793)
Уравнение Эйнштейна
Наводящие соображения
• Теория Ньютона – предельный случай.
• Скалярная, векторная или тензорная?
Уравнение Эйнштейна
Наводящие соображения
• Теория Ньютона – предельный случай.
• Скалярная, векторная или тензорная теория?
Не скалярная: для света
= 0.
Не векторная – одноименные заряды притягиваются.
ТЕОРИЯ ГРАВИТАЦИИ
ДОЛЖНА БЫТЬ ТЕНЗОРНОЙ
Уравнение Эйнштейна
Наводящие соображения
• Тензорная теория – значит, метрический тензор.
Уравнение Эйнштейна
Принцип Ферма
у
x1
x2
x
Уравнение Эйнштейна
Принцип наименьшего действия
П.Ферма (1601-1665) П.Л.Мопертюи́ (1698-1759)
Л.Эйлер (1707-1783)
Уравнение Эйнштейна
Д.Гильберт
(1862-1943)
Принцип экстремального
действия
Уравнение Эйнштейна
Принцип экстремального действия
2
Ж.Л.Лагранж
(1736-1813 )
Функция Лагранжа
Уравнение Эйнштейна
Наводящие соображения
• Гравитация есть кривизна.
Уравнение Эйнштейна
Наводящие соображения
• Гравитация есть кривизна. А где инвариантность?
трехмерный мир
четырехмерный мир
Уравнение Эйнштейна
Наводящие соображения
• Гравитация есть кривизна.
ГРАВИТАЦИЯ СВЯЗАНА С КРИВИЗНОЙ
ЧЕТЫРЕХМЕРНОГО МИРА
Кривизна
Теория поля
Э.Мах
(1838-1916)
Г.Ми
(1868-1957)
М.Абрагам
(1875-1922)
Г.Норстрем
(1881-1923)
Уравнение Эйнштейна
Наводящие соображения
• Принцип эквивалентности
Экспериментальная основа – равенство
инерционной и гравитационной масс (10-12)
Уравнение Эйнштейна
Наводящие соображения
• Принцип эквивалентности
Гравитацию нельзя ввести как поле
(исчезает в свободно падающей системе
координат)
РАВНОПРАВИЕ ИНЕРЦИОННЫХ И НЕИНЕРЦИОННЫХ
КООРДИНАТ
Уравнение Эйнштейна
Наводящие соображения
<K>=<T>
• Предельный переход
a
Уравнение Эйнштейна
Наводящие соображения
<K>=<T>
• Предельный переход
НЕУДАЧА
Уравнение Эйнштейна
Наводящие соображения
<K>=<T>
• При ковариантном дифференцировании
константа
есть
НЕУДАЧА
Кривизна
Дифференциальная геометрия
Г.Ф.Риман Н.И.Лобачевский
(1826-1866)
(1792-1856)
Э.Б.Кристоффель
(1829-1900)
Г.Риччи
(1853-1925)
Уравнение Эйнштейна
М.Гросман
В дифференциальной
геометрии есть и другие
тензоры.
ЯЗЫКОМ ОТО ДОЛЖНА БЫТЬ
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ
ГЕОМЕТРИЯ
Уравнение Эйнштейна
М.Гросман
Тензор Римана <<R >>
Уравнение Эйнштейна
Тензор Римана
Двумерие – 1 параметр
Трехмерие – 3 параметра
Четырехмерие – 14 параметров
Тензор Риччи
<R > = Sp <<R >>
Скалярная кривизна
Уравнение Эйнштейна
Тензор Римана
Уравнение Эйнштейна
Уравнение Эйнштейна
Уравнение Эйнштейна
Уравнение Эйнштейна
Предельный переход
Уравнение Эйнштейна
Д.Гильберт
(1862-1943)
А.Эйнштейн
(1879-1955)
1915
29.06 -07.07 – Эйнштейн в Геттингене
4.11 (11.11) – Эйнштейн “К ОТО”
18.11 – Эйнштейн (перигелий)
20.11 – Доклад Гильберта (Действие)
25.11 (2.12) – Эйнштейн “Уравнения..”
26.11 Эйнштейн (письмо Цангеру)
06.12 Гильберт (корректура)
10.12 Эйнштейн (письмо Гильберту)
Уравнение Эйнштейна
Д.Гильберт
(1862-1943)
Действие для
гравитационного поля
S = S m + Sg
Уравнение Эйнштейна
Несколько простых вопросов
• Сколько уравнений, сколько неизвестных?
• Что описывает это уравнение?
• Есть ли свобода?
Уравнение Эйнштейна
Сколько уравнений, сколько неизвестных?
10 уравнений на 10 неизвестных
?
Уравнение Эйнштейна
Сколько уравнений, сколько неизвестных?
10 уравнений на 10 неизвестных
?
НЕВЕРНО!
Свобода в выборе координат – четыре лишних.
Уравнение Эйнштейна
Что описывает это уравнение?
И ЭВОЛЮЦИЮ ГРАВИТАЦИОННОГО ПОЛЯ,
И ДИНАМИКУ МАТЕРИИ
Уравнение Эйнштейна
Есть ли свобода?
+
ЕСТЬ!
Бескрайние возможности
КОСМОЛОГИЯ
Однородная изотропная Вселенная
Метрика Фридмана-Робертсона-Уокера
собственное
время
масштабный фактор
Бескрайние возможности
КОСМОЛОГИЯ
Уравнения Фридмана
А.А.Фридман
(1888-1922)
Скачать