Przedmowa
W czwartej części cyklu Teoretyczne minimum omawiamy ogólną teorię względności, jest to więc naturalny ciąg dalszy tomu trzeciego, który był poświęcony szczególnej teorii względności.
Dzięki szczególnej teorii względności, opartej na bardzo prostej zasadzie głoszącej, że prawa fizyki powinny być takie same w nierozróżnialnych galileuszowych układach odniesienia, Einsteinowi udało się dogłębnie wyjaśnić w kilku artykułach opublikowanych w 1905 roku różne bardzo niepokojące obserwacje poczynione przez fizyków, a także równania opisujące światło i inne zjawiska, które sformułowano w ostatnich latach XIX i na początku XX wieku. Szczególna teoria względności doprowadziła do uzyskania niezwykłej konstrukcji opartej na czasoprzestrzeni - strukturze, w której czas i przestrzeń są ze sobą nierozerwalnie związane. Teoria ta pozwoliła na przykład wyjaśnić, jak to się dzieje, że cząstki o czasie połowicznego rozpadu wynoszącym ułamek sekundy mogą przemierzać drogę ze Słońca na Ziemię, której przebycie w naszym układzie odniesienia zabiera ponad osiem minut.
Później, w latach 1907-1915, Einstein praktycznie w pojedynkę powtórzył ten wyczyn, wychodząc tym razem od innej bardzo prostej zasady, z której wynika, że przyspieszenie i jednorodne pole grawitacyjne są zjawiskami równoważnymi. Zasada ta pozwoliła mu uogólnić szczególną teorię względności w taki sposób, by opisywała również czasoprzestrzeń zawierającą ciała obdarzone masą. Teoria ta, znana obecnie jako ogólna teoria względności, prowadzi do uzyskania jeszcze dziwniejszego opisu czasoprzestrzeni, w którym masa zakrzywia światło, a w ogólnym przypadku także przestrzeń i czas.
W wykładzie 1. przygotujemy podstawy pod nową teorię. Wyjaśnimy, że zasada równoważności w nieuchronny sposób prowadzi do wniosku, iż masywne ciała muszą zakrzywiać bieg promieni światła.
Wykład 2. będzie poświęcony rachunkowi tensorowemu, ponieważ w ogólnej teorii względności musimy bardzo często zmieniać układy odniesienia, a równania wiążące ze sobą współrzędne w różnych układach są równaniami tensorowymi. Dużą część ogólnej teorii względności wyraża się za pomocą równań tensorowych, ponieważ mają one ogromną zaletę polegającą na tym, że jeśli są spełnione w jednym układzie odniesienia, to muszą być spełnione także we wszystkich innych.
Wykłady 3., 4. i 5. poświęcimy omówieniu przestrzeni Riemanna i czasoprzestrzeni Minkowskiego, ponieważ można w dużym uproszczeniu powiedzieć, że grawitacja jest geometrią czasoprzestrzeni Minkowskiego.
W wykładach 6., 7. i 8. przyjrzymy się uważniej czarnym dziurom, nie tylko dlatego, że same w sobie są one interesującym zjawiskiem astronomicznym, ale również z tego powodu, że są odpowiednikiem newtonowskich mas punktowych w czasoprzestrzeni Minkowskiego. Jak się okazuje, własności czasoprzestrzeni w pobliżu czarnych dziur są o wiele bardziej niezwykłe od tych, jakie można zaobserwować w przestrzeni newtonowskiej w pobliżu mas punktowych. Jeśli chcemy zrozumieć ogólną teorię względności, musimy dobrze poznać czarne dziury, wytwarzaną przez nie metrykę i ich horyzont zdarzeń, opisać szczegółowo czas i grawitację w pobliżu tego horyzontu, a także wyjaśnić, jakie są możliwości nawiązania łączności między osobami znajdującymi się na zewnątrz i w środku czarnej dziury.
W wykładzie 9. przedstawimy skrócone wyprowadzenie równań pola Einsteina, natomiast wykład 10. będzie poświęcony omówieniu prostej możliwości praktycznego zastosowania przewidywań tych równań, która jest związana z falami grawitacyjnymi.
Ta książka, podobnie jak poprzednie tomy cyklu, jest rozwinięciem wykładów, które z ogromną przyjemnością wygłaszałem przez kilka lat na Uniwersytecie Stanforda w ramach programu Continuing Studies (edukacja ustawiczna) przeznaczonego dla dorosłych miłośników nauki.
Tym razem współautorem książki jest André Cabannes. Choć André nie zajmuje się zawodowo nauką, odebrał ścisłe wykształcenie, uzyskał stopień doktora na Uniwersytecie Stanforda i przez kilka lat wykładał nawet matematykę stosowaną w Massachusetts Institute of Technology (MIT). To doświadczenie było nieocenione podczas pisania tej książki.
Bardzo bym się cieszył, gdyby einsteinowski model uprawiania fizyki, który starałem się pokazać w tej książce - polegający na wychodzeniu od prostych zasad i niezmordowanym rozwijaniu opisu matematycznego i fizycznego aż do wyciągnięcia ostatecznych wniosków, bez względu na to, jak mogą być niepokojące - stał się źródłem inspiracji dla młodych ludzi i przyszłych fizyków.
Leonard Susskind
Palo Alto, Kalifornia
jesień 2022
Przed dziesięciu laty, gdy dwójka moich nastoletnich wówczas dzieci zaczęła się przygotowywać do egzaminów wstępnych na uczelnie należące do francuskiego systemu Grandes Écoles, postanowiłem odświeżyć swoją wiedzę zdobytą jeszcze w latach siedemdziesiątych i towarzyszyć im w nauce. Odkryłem wtedy, że Internet dogłębnie odmienił nasz sposób kształcenia się. Oprócz zaglądania do książek można teraz brać udział w doskonałych darmowych kursach dostępnych w sieci. W wolnym czasie słuchałem więc wykładów z matematyki, fizyki, informatyki i innych dziedzin, zarejestrowanych w MIT, na Uniwersytecie Stanforda i w wielu innych uczelniach. Przekonałem się, że zagadnienia omawiane w tych materiałach wideo są lepiej wyjaśnione, a same zajęcia bardziej zajmujące i łatwiejsze do zrozumienia niż wykłady, które pamiętam z przeszłości. W dodatku dają nam możliwość uczenia się od najlepszych specjalistów na świecie.
Jednym z kursów, które mnie szczególnie zainteresowały, była seria wykładów z cyklu Teoretyczne minimum, wygłoszonych przez Leonarda Susskinda, znanego między innymi z pionierskich prac w dziedzinie teorii strun. Tak bardzo mi się spodobały, że gdy dowiedziałem się, iż dwie serie wykładów wchodzących w skład cyklu zostały już wydane w formie książkowej, postanowiłem przetłumaczyć je na francuski. Później przetłumaczyłem także trzecią książkę. Ponieważ kolejny tom nie został jeszcze wydany po angielsku, zacząłem sporządzać notatki w języku angielskim z czwartej serii wykładów dostępnej w Internecie, przypuszczając, że moje spostrzeżenia przydadzą mi się w późniejszej pracy nad przekładem. Potem jednak okazało się, że profesor Susskind zaprosił mnie do współpracy i razem z zespołem wydawnictwa Basic Books przygotowaliśmy czwarty tom cyklu Teoretyczne minimum poświęcony ogólnej teorii względności, który trzymasz teraz w ręku.
Należę właśnie do tej grupy ludzi, do której są kierowane wykłady z cyklu Continuing Studies - chodzi o osoby, które uczyły się fizyki na studiach magisterskich, czasem nawet doktoranckich, a potem zajęły się innymi rzeczami, ale nadal żywo interesowały się nauką i teraz chciałyby się dowiedzieć, czym zajmuje się obecnie fizyka, ale zależy im na uzyskaniu informacji wykraczającej poza uproszczone teksty popularnonaukowe. Osobiście uważam, że uproszczenia przyjmowane przez wielu popularyzatorów nauki tylko bardziej wszystko gmatwają i są trudniejsze do zrozumienia niż prawdziwe wyjaśnienia poparte odpowiednimi równaniami.
Dzięki wykładom Leonarda mogłem zapoznać się z klasyczną mechaniką Lagrange'a, mechaniką kwantową i klasyczną teorią pola w sposób tak przejrzysty, jakiego nigdy nie doświadczyłem. Talent pedagogiczny Leonarda i stosowany przez niego sposób prezentacji omawianych zagadnień sprawiają, że nauka staje się przyjemnością. Oczywiście nie bez znaczenia jest fakt, że nie musimy się martwić koniecznością zdania końcowego egzaminu. Okazało się jednak, że z wykładów i książek z cyklu Teoretyczne minimum mogą z powodzeniem korzystać także studenci przygotowujący się do bardziej zaawansowanych studiów.
Zatem, bez względu na to, czy jesteś kimś, kto chce dla własnej satysfakcji zrozumieć, o czym naprawdę jest ogólna teoria względności - owa teoria mówiąca, że grawitacja jest geometrią, a masa zakrzywia przestrzeń, światło i czas, że gdzieś tam istnieją czarne dziury i lepiej byłoby do nich nie wpaść, że wykrywane obecnie fale grawitacyjne rozchodzą się w całym kosmosie i tak dalej - czy studentem fizyki szukającym dobrego wprowadzenia do ogólnej teorii względności, ta książka jest dla ciebie.
André Cabannes
Saint-Cyr-sur-mer,
Lazurowe Wybrzeże
jesień 2022
