Генезис. Небо и Земля. Том 1. История

110

Теорема Лиувилля, является ключевой теоремой в математической физике, статистической физике и гамильтоновой механике. Теорема утверждает сохранение во времени фазового объёма, или плотности вероятности в фазовом пространстве.

111

Почти 800 объектов, перечислены как «несуществующие» в RNGC. Это обозначение применяется к объектам, которые являются дубликатами записей каталога, которые не были обнаружены в последующих наблюдениях, и к ряду объектов, каталогизированных как звездные скопления, которые в последующих исследованиях рассматривались как совпадающие группировки. В монографии 1993 года рассматривались 229 звездных скоплений, называемых несуществующими в RNGC. Они были «неправильно идентифицированы или не были обнаружены с момента их открытия в 18-м и 19-м веках». Он обнаружил, что один из 229—NGC 1498—на самом деле не был в небе. Пять других были дубликатами других записей, 99 существовали «в той или иной форме», а остальные 124 требовали дополнительных исследований для решения. В качестве другого примера отражение туманности NGC 2163 в Орионе было классифицировано как «несуществующее» из-за ошибки транскрипции Дрейера. Дрейер исправил свою ошибку в индексных каталогах, но RNGC сохранил первоначальную ошибку и дополнительно изменил знак склонения, в результате чего NGC 2163 был классифицирован как несуществующий.

112

Он издал свою работу сперва на французском языке под названием «Гипотетический кинематограф вселенной гравитации, в связи с формированием химических элементов» («Hypothese cinetique de la gravitation universelle, en connexion avec la formation des elements chimiques» (1888)) и не пустил ее в продажу, а разослал персонально только ученым разных стран, а после получения ответов и отзывов на книгу в следующем году выпустил ее русское исправленное и дополненное издание.

113

Эргодический (происходит от нем. ergodisch «эргодичный», из erg- + -odisch; первая часть – из др.-греч. [érgon] «дело, работа»; вторая часть – из др.-греч. [hodós] «дорога, путь», из праиндоевр. *ked-/*sed- «ходить») – спец. случайный, причём таким образом, что для каких-либо параметров математическое ожидание по временным рядам должно совпадать с математическим ожиданием по пространственным рядам. Эргодическая теория – раздел математики, изучающий статистические свойства детерминированных динамических систем; это изучение эргодичности. В этом контексте под статистическими свойствами понимаются свойства, которые выражаются через поведение средних по времени различных функций вдоль траекторий динамических систем. Понятие детерминированных динамических систем предполагает, что уравнения, определяющие динамику, не содержат случайных возмущений, шума и т. д. Таким образом, статистика является свойствами динамики. Эргодическая теория, как и теория вероятностей, основана на общих понятиях теории мер. Его первоначальное развитие было мотивировано проблемами статистической физики. Центральной проблемой эргодической теории является поведение динамической системы, когда ей позволено работать в течение длительного времени. Эргодичность – специальное свойство некоторых динамических систем, состоящее в том, что в процессе эволюции почти каждое состояние с определённой вероятностью проходит вблизи любого другого состояния системы. Для эргодических систем математическое ожидание по временным рядам должно совпадать с математическим ожиданием по пространственным рядам. То есть для определения параметров системы можно долго наблюдать за поведением одного её элемента, а можно за очень короткое время рассмотреть все её элементы (или достаточно много элементов). Если система обладает свойством эргодичности, то в обоих случаях получатся одинаковые результаты. Преимущество эргодических динамических систем в том, что при достаточном времени наблюдения такие системы можно описывать статистическими методами. Например, температура газа – это мера средней энергии молекулы. Предварительно необходимо доказать эргодичность данной системы. Эргодическая гипотеза в статистической физике – предположение о том, что средние по времени значения физических величин, характеризующих систему, равны их средним статистическим значениям; служит для обоснования статистической физики. В физике и термодинамике эргодическая гипотеза говорит, что за длительные периоды времени время, проведённое частицей в некоторой области фазового пространства микросостояний с той же самой энергией, пропорционально объёму этой области, то есть что все доступные микросостояния равновероятны за длительный период времени.

114

В отличие от уравнений Эйнштейна, преобразования Лоренца были строго случайными, их единственным оправданием было то, что они, казалось, работали.

115

Аффи́нное простра́нство – математический объект (пространство), обобщающий некоторые свойства евклидовой геометрии. В отличие от векторного пространства, аффинное пространство оперирует с объектами не одного, а двух типов: «векторами» и «точками». Аффинное пространство, ассоциированное с векторным пространством над полем – множество со свободным транзитивным действием аддитивной группы (если поле явно не указано, то подразумевается, что это – поле вещественных чисел).

116

Псевдоевклидово пространство – конечномерное вещественное векторное или аффинное пространство с невырожденным индефинитным скалярным произведением, которое называют также индефинитной метрикой. Индефинитная метрика не является метрикой в смысле определения метрического пространства, а представляет собой частный случай метрического тензора. Важнейшим примером псевдоевклидова пространства является пространство Минковского.

117

Принцип Маха ― утверждения, охватывающие три вида вопросов: Существование пространства и времени неразрывно связано с существованием физических тел. Удаление всех физических тел прекращает существование пространства и времени. Причиной существования инерциальных систем отсчёта является наличие далёких космических масс. Инертные свойства каждого физического тела определяются всеми остальными физическими телами во Вселенной и зависят от их расположения. В классической механике и теории относительности, напротив, считается, что инертные свойства тела, например, его масса, не зависят от наличия или отсутствия других тел. Однако в общей теории относительности от окружающей материи зависят свойства локально инерциальных систем отсчёта, относительно которых и определяются инертные свойства тел, что может считаться конкретной реализацией принципа Маха. Принцип Маха в его исходной формулировке не выполняется в теории относительности. Это утверждение следует из того, что принцип относительности инерции допускает мгновенность передачи действия на расстояние (принцип дальнодействия), а в основе теории относительности лежит принцип близкодействия (скорость передачи действия конечна и не превышает скорость света в вакууме); в пустом пространстве, согласно специальной теории относительности, все тела обладают инерцией, независимо от наличия или отсутствия других тел: также, известно, что одна и та же сила сообщает данному телу одинаковое ускорение, независимо от наличия или отсутствия рядом других тел.

118

Спин (от англ. spin, буквально – вращение, вращать (-ся)) – собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с движением (перемещением или вращением) частицы как целого. Спином называют также собственный момент импульса атомного ядра или атома; в этом случае спин определяется как векторная сумма (вычисленная по правилам сложения моментов в квантовой механике) спинов элементарных частиц, образующих систему, и орбитальных моментов этих частиц, обусловленных их движением внутри системы. Спин измеряется в единицах ħ (приведённой постоянной Планка, или постоянной Дирака) и равен ħJ, где J – характерное для каждого сорта частиц целое (в том числе нулевое) или полуцелое положительное число – так называемое спиновое квантовое число, которое обычно называют просто спином (одно из квантовых чисел). Спин – квантовая характеристика, не имеющая классических аналогов и являющаяся внутренним свойством квантовых объектов, характеризующая их равноправно с такими величинами, как масса или электрический заряд.

119

Мицар – звезда в созвездии Большой Медведицы, вторая от конца ручки большого «ковша». Люди с хорошим зрением видят рядом с Мицаром ещё одну звезду, называемую Алькор или 80 UMa. Название в переводе с арабского означает забытая или незначительная. Способность видеть Алькор – традиционный способ проверки зрения. Звёздная величина Алькора 4,02, спектральный класс A5 V. Расстояние между Мицаром и Алькором превышает четверть светового года. Долгое время не удавалось доказать физическое единство системы Алькор – Мицар (близость собственного движения звёзд ещё не означает вхождение в двойную систему); в 2009 году астрономы Рочестерского университета провели более точные измерения и показали, что обе звезды входят в физически связанную систему, состоящую из 6 звёзд. Таким образом, кратная система (Мицар – Алькор) состоит из шести компонентов: двойные звезды Мицар А и Мицар В, и лежащая на расстоянии около 0,3 световых лет от них двойная звезда Алькор (около 12 угловых минут). При наблюдении в телескоп Мицар сам по себе виден как двойная звезда, включающая Мицар A и Мицар B. Мицар B имеет звёздную величину 4,0 и спектральный класс A7, расстояние между Мицаром A и Мицаром B – 380 а. е. (15 угловых секунд), период обращения – несколько тысяч лет.

120

Релятивистский – филос. – основанный на принципе относительности и условности содержания познания; Физ. – связанный с теорией относительности; относящийся к физическим эффектам, явлениям, наблюдаемым при скоростях тел (частиц), сравнимых со скоростью света. Происходит от сущ. релятивист, далее из лат. relativus «относительный; соотносительный», далее из relatus «отнесённый», прич. прош. от referre «нести назад, уносить обратно; приурочивать», далее из re- «обратно; опять, снова; против» + ferre «носить», из праиндоевр. *bher- «брать, носить».

121

Альбе́до (от лат. albus «белый») – характеристика диффузной отражательной способности поверхности. Значение альбедо для данной длины волны или диапазона длин волн зависит от спектральных характеристик отражающей поверхности, поэтому альбедо отличается для разных спектральных диапазонов (оптическое, ультрафиолетовое, инфракрасное альбедо) или длин волн (монохроматические альбедо).

122

В 2007 году по результатам радиолокационных наблюдений астероидов (1862) Аполлон и (54509) YORP YORP-эффект получил прямое подтверждение, причём в случае с последним астероидом влияние YORP-эффекта оказалось столь велико, что впоследствии ему в качестве имени было присвоено название данного явления. Так, по расчётам скорость вращения астероида (54509) YORP должна удвоиться всего за 600 000 лет, а через 35 млн лет его период обращения и вовсе составит всего 20 секунд, что в дальнейшем может привести к разрыву астероида центробежными силами. На сегодняшний день угловое ускорение этого астероида составляет 2,9 (± 0,2) ⋅10—4°/сек2. Кроме того, влияние YORP-эффекта может привести к изменению наклона и прецессии оси вращения.

123

Тензор – матем. величина особого рода, задаваемая числами и законами их преобразования; является развитием и обобщением вектора и матрицы. Происходит от нем. Tensor, далее от лат. tendere «направляться, стремиться; склоняться».

124

Theorema Egregium (в переводе с латыни «замечательная теорема») – исторически важный результат в дифференциальной геометрии, доказанный Гауссом. Гаусс сформулировал теорему следующим образом (перевод с латыни): «Таким образом, формула из предыдущей статьи влечёт замечательную теорему. Если криволинейная поверхность разворачивается по любой другой поверхности, то мера кривизны в каждой точке остается неизменной.». Теорема «замечательна», поскольку авторское определение гауссовой кривизны использует положение поверхности в пространстве. Поэтому довольно удивительно, что результат никак не зависит от изометричной деформации. В современной формулировке теорема гласит: Гауссова кривизна является внутренним инвариантом поверхности. Иными словами, гауссова кривизна может быть определена исключительно путём измерения углов, расстояний внутри самой поверхности и не зависит от конкретной её реализации в трёхмерном евклидовом пространстве.

125

В 1853 году Гаусс попросил своего ученика Римана подготовить подготовить учебник по основам геометрии. В течение многих месяцев Риман развивал свою теорию высших измерений и прочитал в Геттингене в 1854 году лекцию под названием «О гипотезах, лежащих в основе геометрии» (Ueber die Hypothesen welche der Geometrie zu Grunde liegen). Она была опубликована Дедекиндом только двенадцать лет спустя, в 1868 году, через два года после смерти Римана. Заслуги Римана были признаны позднее, и теперь его работы признаны одними из самых важных в геометрии. Риман нашел правильный способ распространить на n измерений дифференциальную геометрию поверхностей, которую сам Гаусс доказал в своей «замечательной теореме». Фундаментальный объект называется тензором кривизны Римана. Для поверхностного случая это может быть сведено к числу (скалярному), положительному, отрицательному или нулю; ненулевые и постоянные случаи являются моделями известных неевклидовых геометрий. Идея Римана состояла в том, чтобы ввести набор чисел в каждой точке пространства (то есть тензор), который описывал бы, насколько он изогнут или искривлен. Риман обнаружил, что в четырех пространственных измерениях требуется набор из десяти чисел в каждой точке, чтобы описать свойства многообразия, независимо от того, насколько оно искажено. Это знаменитая конструкция, занимает центральное место в его геометрии, известная теперь как риманова метрика.

126

Отображение, увеличивающее расстояния не более, чем в некоторую константу раз, впервые рассматривалось Рудольфом Липшицем в 1864 году для вещественных функций в качестве достаточного условия для сходимости ряда Фурье к своей функции. Впоследствии условием Липшица стало принято называть это условие только при α = 1, а при α <1 – условием Отто Гёльдера. Такое отображение обладает свойствами: 1) Любое отображение Липшица равномерно непрерывно; 2) Суперпозиция липшицевой и интегрируемой функции интегрируема; 3) Непрерывно дифференцируемая функция на компактном подмножестве евклидова пространства удовлетворяет условию Липшица. Обратное утверждение не верно. (Лемма о липшицевости); 4) Теорема Ганса Радемахера утверждает, что любая липшицева функция, определённая на открытом множестве в евклидовом пространстве, дифференцируема на нём почти всюду; 5) Теорема Мойжеша Киршбрауна о продолжении утверждает, что любое L-липшицевское отображение из подмножества евклидова пространства в другое евклидово пространство может быть продолжено до L-липшицевского отображения на всё пространство.

127

Кристоффеля в основном помнят за его вклад в дифференциальную геометрию. В известной статье 1869 года о проблеме эквивалентности дифференциальных форм в n переменных, опубликованной в журнале Crelle’s Journal, он представил фундаментальную технику, позже названную ковариантной дифференциацией, и использовал ее для определения тензора Римана-Кристоффеля (наиболее распространенный метод, используемый для выражения кривизны риманова многообразия). В той же работе он представил символы Кристоффеля которые выражают компоненты соединения Леви-Чивита в отношении системы локальных координат. Идеи Кристоффеля были обобщены и значительно разработаны Риччи-Курбастро и его учеником Леви-Чивитой, которые превратили их в концепцию тензоров и абсолютного дифференциального исчисления. Абсолютное дифференциальное исчисление, позже названное тензорным исчислением, формирует математическую основу общей теории относительности.

128

Ультрафиолетовая катастрофа – парадокс классической физики, состоящий в том, что полная мощность теплового излучения любого нагретого тела, согласно закону Рэлея – Джинса, должна быть бесконечной. Название парадокс получил из-за того, что спектральная плотность энергии излучения должна была неограниченно расти по мере сокращения длины волны. По сути, этот парадокс показал если не внутреннюю противоречивость классической физики, то, во всяком случае, крайне резкое расхождение с элементарными наблюдениями и экспериментом.

129

Постоя́нная Пла́нка (квант действия) – основная константа квантовой теории, коэффициент, связывающий величину энергии электромагнитного излучения с его частотой. Постоянная Планка, ℏ = 1,054 571 817… · 10—27 эрг·с (Дж·с). Впоследствии Дираком была выведена приведенная (редуцированная) постоянная Планка: 6,582 119 514 (40) · 10—16 эВ·с.

130

Хотя проблема поиска закона распределения энергии в спектре абсолютно чёрного тела («нормальном спектре») считалась решеной, перед Планком встала задача теоретически обосновать найденную формулу, то есть вывести соответствующее выражение для энтропии осциллятора. Чтобы сделать это, он был вынужден обратиться к трактовке энтропии как меры вероятности термодинамического состояния или, другими словами, числа способов реализации этого состояния (микросостояний, или «комплексий» согласно тогдашней терминологии). Этот подход ранее был предложен Людвигом Больцманом. Для вычисления энтропии в рамках этого подхода необходимо определить количество способов распределения энергии между большим числом осцилляторов, колеблющихся на различных частотах. Чтобы избежать обращения этого количества в бесконечность, Планк предположил, что полная энергия осцилляторов с определённой частотой может быть разделена на точное число равных частей (элементов, или квантов) величиной ε = h ν, где h – «универсальная постоянная», ныне называемая постоянной Планка. Воспользовавшись этой гипотезой, он представил энтропию через логарифм количества комбинаций, отметил необходимость максимизации энтропии в равновесном состоянии и пришёл к своей спектральной формуле. Эти результаты учёный сообщил в докладе «К теории распределения энергии излучения нормального спектра» (Zur des Gesetzes der Energieverteilung im Normalspektrum), сделанном 14 декабря 1900 года на очередном заседании Немецкого физического общества. В иной форме они были изложены в статье «О законе распределения энергии в нормальном спектре» (Über das Gesetz der Energieverteilung im Normalspektrum), опубликованной в начале 1901 года в журнале Annalen der Physik. В этой работе, получившей большую известность, Планк избрал противоположную последовательность доказательства: исходя из условия термодинамического равновесия и применяя закон смещения Вина и комбинаторику, пришёл к своему закону распределения.

131

Принцип относительности (принцип относительности Эйнштейна) – фундаментальный физический принцип, один из принципов симметрии, согласно которому все физические процессы в инерциальных системах отсчёта протекают одинаково, независимо от того, неподвижна ли система или она находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения. Отсюда следует, что все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта. Частным случаем принципа относительности Эйнштейна является принцип относительности Галилея, который утверждает то же самое, но не для всех законов природы, а только для законов классической механики, подразумевая применимость преобразований Галилея и оставляя открытым вопрос о применимости принципа относительности к оптике и электродинамике.

132

Инвариантный – лингв., матем. остающийся неизменным при определённых преобразованиях, при переходе к новым условиям и т. п. Инвариант – свойство, остающееся неизменным при преобразованиях определённого типа.

133

Кинематика – 1. физ. раздел механики, изучающий движение тел, не вдаваясь в вызывающие его причины; 2. совокупность свойств чего-либо, определяющих способность двигаться, перемещаться.

134

Как вспоминал Макс Борн, Минковский провозгласил: «Отныне время само по себе и пространство само по себе становятся пустой фикцией, и только единение их сохраняет шанс на реальность».

135

Подобное акустическое излучение получило название «эффект Маха». Пример данного эффекта – свист пули, летящей быстрее звуковой волны.

136

Пусть для простоты пылинка движется по круговой орбите вокруг Солнца. (а) В системе отсчёта, связанной с пылинкой, в результате аберрации света солнечное излучение слегка наклонено против движения частицы. Если пылинка достаточно мала, можно считать, что её температура постоянна по всей поверхности, поэтому тепловое излучение можно считать изотропным. (b) В системе отсчёта, связанной с Солнцем, тепловое излучение пылинки анизотропно из-за аберрации и эффекта Доплера. По принципу эквивалентности само по себе тепловое излучение частицы не может изменить её скорость, импульс изменяется пропорционально массе, то есть энергии частицы. А при поглощении солнечного излучения энергия (то есть масса) частицы увеличивается при неизменной тангенциальной составляющей импульса. Поэтому скорость частицы уменьшается. Сферическое тело определенного радиуса и плотности, находившееся на квазикруговой орбите, теоретически «выпадает» на Солнце за соответствующее время. Фактически тело испаряется в окрестностях Солнца и присоединяется к его атмосфере в виде облачка паров. У тела, движущегося по эллиптической орбите, сокращение ее размеров сопровождается уменьшением ее эксцентриситета.

137

Шварцшильд также внес свой вклад в звездную статистику в то время, когда структура нашей галактики и способ ее вращения были все еще загадочными. В двух статьях, опубликованных в 1907 и 1908 годах, он рассматривал движение ближайших звезд в пространстве в связи с оценками их расстояний. Скудный наблюдательный материал, имевшийся в то время, включая собственные движения, сведенные в таблицу в каталоге Грумбриджа-Гринвича, уже был проанализирован Каптейном, который обнаружил, что особые движения (полученные из собственных движений звезд с поправкой на движение Солнца) не были случайными, но, по-видимому, благоприятствовали двум преимущественным направлениям. Каптейн вывел из этого свою «гипотезу двух потоков», согласно которой звезды движутся мимо друг друга с противоположных направлений. Такая картина была неприемлема для Шварцшильда, который вместо этого разработал то, что он назвал унитарной картиной, которая, как он показал, будет одинаково хорошо соответствовать наблюдаемым фактам. Третья статья, опубликованная в 1911 году после того, как он покинул Геттинген, подробно описывала его методы и сравнивала его результаты с результатами Зеелигера, Каптейна и Герцшпрунга. Космологические размышления Шварцшильда доступны в сборнике из четырех популярных лекций, озаглавленном «О системе неподвижных звезд». Возможно, наибольший интерес представляет лекция, прочитанная в Геттингенском научном обществе 9 ноября 1907 года, посвященная космологическим письмам Ламберта. Шварцшильд обсуждал тип телеологических аргументов, используемых (успешно) Ламбертом для достижения многих из тех же самых выводов о вселенной – включая множественность обитаемых миров – которых придерживаются даже те ученые-физики, для которых телеологические аргументы являются анафемой. Шварцшильд включает ироничное замечание о том, что телеология все еще плодотворна в биологических науках, в теории эволюции.

138

Дискретный – точечный, прерывистый (матем. – состоящий из отдельных частей, прерывный, дробный; спец.– изменяющийся между несколькими различными стабильными состояниями, существующий лишь в отдельных точках) От лат. discrētus «отдельный, отделённый», прич. прош. от discernere «отделять, разделять, отличать», далее из dis- (приставка, означающая разделение, разъединение) + cernere «различать, разбирать» (восходит к праиндоевр. *krei- «просеивать, различать»).

139

В настоящее время специальная теория относительности общепринята в научном сообществе и составляет базис современной физики. Часть ведущих физиков сразу приняла новую теорию, в их числе – Макс Планк, Хендрик Лоренц, Герман Минковский, Ричард Толмен, Эрвин Шрёдингер и другие. В России под редакцией Ореста Даниловича Хвольсона, вышел знаменитый курс общей физики, подробно изложивший специальную теорию относительности и описание экспериментальных оснований теории. Вместе с тем критическое отношение к положениям теории относительности выражали Нобелевские лауреаты Филипп Ленард, Йоханес Штарк, Джозеф Джон Томсон.