Иэн Стюарт - Истина и красота. Всемирная история симметрии.

• Название: Истина и красота. Всемирная история симметрии.
• Автор: Иэн Стюарт
• Жанр: Математика

На протяжении многих веков симметрия оставалась ключевым понятием для художников, архитекторов и музыкантов, однако в XX веке ее глубинный смысл оценили также физики и математики. Именно симметрия сегодня лежит в основе таких фундаментальных физических и космологических теорий, как теория относительности, квантовая механика и теория струн. Начиная с древнего Вавилона и заканчивая самыми передовыми рубежами современной науки Иэн Стюарт, британский математик с мировым именем, прослеживает пути изучения симметрии и открытия ее основополагающих законов. Эксцентричный Джироламо Кардано — игрок и забияка эпохи Возрождения, первым решивший кубическое уравнение, гениальный невротик и революционер-неудачник Эварист Галуа, в одиночку создавший теорию групп, горький пьяница Уильям Гамильтон, нацарапавший свое величайшее открытие на каменной кладке моста, и, конечно же, великий Альберт Эйнштейн — судьбы этих неординарных людей и блестящих ученых служат тем эффектным фоном, на котором разворачивается один из самых захватывающих сюжетов в истории науки.

---

52

Для «истории симметрии» небезынтересен тот факт, что, когда Максвелл сформулировал на математическом языке все известные к тому времени экспериментальные сведения об электричестве и магнетизме, полученные уравнения оказались внутренне противоречивыми — из них следовало нечто типа «равенства» 1 = 0. Руководствуясь внутренней симметрией уравнений, Максвелл «руками» добавил в одно из них дополнительное слагаемое, так что уравнения стали более симметричными, а вместо противоречивого равенства из них получалось волновое уравнение. (Примеч. перев.)

53

Краткое название этого института — «Высшей технической школы» — традиционно переводится на русский как «Политехникум», однако в современном употреблении чаще используется оригинальная аббревиатура ETH. (Примеч. перев.)

54

Об эфире подробнее говорилось выше. (Примеч. перев.)

55

Их дочь Лизерль родилась в январе 1902 года; упоминания о ней после 1903 года отсутствуют. В июле 1910 года родился их второй сын Эдуард. А. Пейс пишет, что «от отца Эдуард унаследовал черты лица и музыкальность, от матери — склонность к меланхолии. Позднее Эдуард увлекся искусством — писал стихи. Он хотел стать психиатром и изучал медицину, но цели своей не достиг», и добавляет: «Эйнштейн довольно скоро заметил у младшего сына признаки раннего слабоумия. После многих злоключений Эдуард попал в цюрихскую лечебницу, где и умер в 1965 г.». (Примеч. перев.)

56

Название «броуновское» относится к числу традиционно установившихся терминов, и лишь немногие говорят (и почти никто не пишет) «брауновское». (Примеч. перев.)

57

Закон броуновского движения Эйнштейна был экспериментально подтвержден в 1908 году Ж. Перреном. (Примеч. перев.)

58

Здесь и далее изложение грешит смешением двух понятий. При сдвигах или поворотах, о которых только что говорилось, как и при сдвигах по времени (изменениях «начального» момента), уравнения Максвелла — «недавно открытые законы электричества и магнетизма» — сохраняют свой вид, причем довольно банальным образом. Интересные же явления — такие как вовлечение времени в преобразования — начинают происходить при движении одного наблюдателя относительно другого. Математически уравнения Максвелла и законы Ньютона обладают разными симметриями — преобразованиями, которые надо сделать для согласования описаний, получаемых двумя наблюдателями, движущимися друг относительно друга с постоянной скоростью. Суть проблемы в том, что уравнения Максвелла сохраняют свой вид для всех таких наблюдателей, если соответствующие преобразования другие, чем в ньютоновской механике. Об этом будет явно сказано дальше. (Примеч. перев.)

59

Верно, если для согласования описаний в разных инерциальных системах отсчета применять не ньютоновские преобразования. Проблема состояла именно в наличии двух разных симметрий. (Примеч. перев.)

60

Симметрии уравнений Максвелла были известны до Эйнштейна. Также до Эйнштейна делались разнообразные попытки примирить эти симметрии с симметриями ньютоновской механики. Ключевой шаг, сделанный Эйнштейном, состоял в провозглашении того физического принципа, что это примирение не требуется, поскольку ньютоновская механика перестает быть верной при больших скоростях движения. (Примеч. перев.)

61

Чуть меньше, чем 300 000 километров в секунду. (Примеч. перев.)

62

«Истинная теория» в данной фразе ничего не значит. Принцип эквивалентности верен локально (т.е. в малом). Именно таков фундаментальный постулат эйнштейновской теории гравитации. (Примеч. перев.)

63

Ошибка автора. Скорость изменения здесь ни при чем. Тензор Эйнштейна пропорционален тензору энергии-импульса, и все. Кстати, тензор Эйнштейна — это «почти» упоминавшийся выше тензор Риччи, отсюда и его связь с кривизной, упомянутая в следующей фразе. (Примеч. перев.)

64

Чуть выше речь шла о свете, а теперь — об электромагнитном излучении. Эти слова в данном контексте надо воспринимать как синонимы. (Примеч. перев.)

65

Бессмыслица. Постоянная Планка очень мала, но минус тридцать четвертая степень определяется тем, в каких единицах она выражается. Например, если вместо джоулей использовать килоджоули, то показатель степени будет равен не −34, а −37. А если вместо секунд использовать часы, то величина постоянной Планка будет выражаться числом, в 3600 раз большим. Пожалуй, в данном абзаце верно лишь то бесспорное утверждение, что да, постоянная Планка чрезвычайно мала по сравнению со всеми измеряемыми в джоуль-секундах величинами, с которыми мы обычно сталкиваемся. (Об этих величинах говорят как о макроскопических.) (Примеч. перев.)

66

Фотоэффект есть испускание веществом электронов под действием света. (Прим. перев.)

67

Несколько перегруженное высказывание. Речь может идти об уровнях энергии в самом атоме водорода; спектр же — то есть излучаемые атомом волны определений длины — есть лишь свидетельство об этих уровнях энергии (или способ экспериментального доступа к ним). (Примеч. перев.)

68

Дон — преподаватель, член совета колледжа в Кембридже или Оксфорде. (Примеч. перев.)

69

Быть может, уместно напомнить, что Республика Ирландия (столица — Дублин; англ. Dublin, ирл. Baile Átha Cliath) придерживалась нейтралитета во Второй мировой войне. (Примеч. перев.)

70

Будем считать, что под шредингеровскими волнами понимаются решения уравнения Шредингера. Как указывал автор, это уравнение играет фундаментальную роль в квантово-механическом описании материи, однако это описание носит не вполне непосредственный характер, а потому имеются вопросы (обсуждаемые до сих пор) о том, «что же значат» эти решения «сами по себе», то есть об их интерпретации. (Прим. перев.)

71

Кот помещен в закрытый ящик, где имеется механизм, содержащий радиоактивное ядро и емкость с ядовитым газом. Вероятность распада ядра в течение часа составляет 50%. Если ядро распадается, то открывается емкость с газом и кот умирает. Согласно квантовой механике, пока над ядром не производится наблюдения, его состояние описывается суперпозицией двух состояний — распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кот в ящике и жив, и мертв одновременно. Но, когда ящик открывают, экспериментатор увидит только какое-нибудь одно конкретное состояние — «ядро распалось, кот мертв» или «ядро не распалось, кот жив». Когда же кот умирает? См. также:

http://ru.wikipedia.org/wiki/Koт_Шpёдингep. (Примеч. перев.)

72

Квантово-механическая сложность при описании микроскопических частиц состоит в том, что частица (скажем, электрон) обладает или определенной координатой, или определенной скоростью (см. о принципе неопределенности ниже). Кот же, как мы знаем, обладает этими двумя характеристиками одновременно. (Примеч. перев.)

73

Т.е. те самые числа, которые и составляют список (лучше — таблицу), называемый матрицей. (Примеч. перев.)

74

Об экспедиции Эддинггона говорилось в главе 11. «Популяризировал» теорию относительности именно Эддингтон. Измерения же в Собрале оказались как раз ближе к предсказанию ньютоновской теории, однако эти данные были отвергнуты из-за обнаруженного в телескопах дефекта. (Примеч. перев.)

75

Матрицы можно перемножать друг с другом определенным способом, который снова дает матрицу и при этом обобщает умножение чисел в том смысле, что если матрицы состоят из одного-единственного числа каждая, то умножение совпадает с обычным умножением; но в общем случае результат произведения двух матриц, в отличие от произведения чисел, зависит от порядка сомножителей. (Примеч. перев.)

76