Новый ум короля: О компьютерах, мышлении и законах физики

Полное математическое выражение для кривизны четырехмерного пространства-времени (которая должна описывать приливные эффекты для частиц, движущихся в любой данной точке по всевозможным направлениям) дается так называемым тензором кривизны Римана. Это несколько сложный объект; для его описания необходимо в каждой точке указать двадцать действительных чисел. Эти двадцать чисел называются его компонентами. Различные компоненты соответствуют различным кривизнам в различных направлениях пространства-времени. Тензор кривизны Римана обычно записывают в виде R _tjkl, но так как мне не хочется объяснять здесь, что означают эти субиндексы (и, конечно, что такое тензор), то я запишу его просто как:

РИМАН.

Существует способ, позволяющий разбить этот тензор на две части, называемые, соответственно, тензором ВЕЙЛЯи тензором РИЧЧИ(каждый — с десятью компонентами). Условно я запишу это разбиение так:

РИМАН= ВЕЙЛЬ+ РИЧЧИ.

(Подробная запись тензоров Вейля и Риччи для наших целей сейчас совершенно не нужна.) Тензор Вейля ВЕЙЛЬслужит мерой приливной деформациинашей сферы из свободно падающих частиц (т. е. изменения начальной формы, а не размеров); тогда как тензор Риччи РИЧЧИслужит мерой изменения первоначального объема [130]. Напомним, что ньютоновская теория гравитации требует, чтобы масса, содержащаяся внутри нашей падающей сферы, была пропорциональна этому изменению первоначального объема. Это означает, что, грубо говоря, плотность массыматерии — или, что эквивалентно, плотность энергии(так как Е= mc²) — следует приравнятьтензору Риччи.

По существу, это именно то, что утверждают уравнения поля общей теории относительности, а именно — полевые уравнения Эйнштейна [131]. Правда, здесь имеются некоторые технические тонкости, в которые нам сейчас, впрочем, лучше не вдаваться. Достаточно сказать, что существует объект, называемый тензором энергии-импульса, который объединяет всю существенную информацию об энергии, давлении и импульсе материи и электромагнитных полей. Я буду называть этот тензор ЭНЕРГИЕЙ. Тогда уравнения Эйнштейна весьма схематично можно представить в следующем виде,

РИЧЧИ= ЭНЕРГИЯ.

(Именно наличие «давления» в тензоре ЭНЕРГИЯвместе с некоторыми требованиями непротиворечивости уравнений в целом приводят с необходимостью к учету давления в описанном выше эффекте сокращения объема.)

Кажется, что вышеприведенное соотношение ничего не говорит о тензоре Вейля. Тем не менее, оно отражает одно важное свойство. Приливный эффект, производимый в пустом пространстве, обусловлен ВЕЙЛЕМ. Действительно, из приведенных выше уравнений Эйнштейна следует, что существуют дифференциальныеуравнения, связывающие ВЕЙЛЯс ЭНЕРГИЕЙ— практически как во встречавшихся нам ранее уравнениях Максвелла [132]. Действительно, точка зрения, согласно которой ВЕЙЛЯнадлежит рассматривать как своего рода гравитационный аналог электромагнитного поля (в действительности, тензора — тензора Максвелла), описываемого парой ( Е, В), оказывается весьма плодотворной. В этом случае ВЕЙЛЬслужит своего рода мерой гравитационного поля. «Источником» для ВЕЙЛЯявляется ЭНЕРГИЯ— подобно тому, как источником для электромагнитного поля ( Е, В) является ( , j) — набор из зарядов и токов в теории Максвелла. Эта точка зрения будет полезна нам в главе 7.