książki
Autor: Stanisław Bajtlik | dodano: 2012-07-18
Nieznośna lekkość grawitacji

James B. Hartle - GRAWITACJA. Wprowadzenie do ogólnej teorii względności Einsteina, przeł. Piotr Amsterdamski, Wydawnictwa Uniwersytetu Warszawskiego, Warszawa 2009

Teoria względności Einsteina, obok mechaniki kwantowej, uważana jest za największe, najbardziej wyrafinowane osiągnięcie fizyki. O ile jednak rozwój fizyki na początku XVII wieku był możliwy dzięki zerwaniu z arystotelesowskimi doświadczeniami wynoszonymi z życia codziennego, o tyle przełomowość obu tych teorii wiązała się z odejściem od pojęć podpowiadanych fizykom przez samą intuicję. Teorie te podważały bowiem głęboko zakorzenione wyobrażenia na temat natury czasu, przestrzeni, przyczynowości, lokalizacji, ruchu itp.

Mechanika kwantowa szybko stała się narzędziem codziennej pracy nie tylko fizyków, lecz także inżynierów zajmujących się elektroniką, techniką jądrową, optyką i wieloma innymi dziedzinami. Została potwierdzona w niezliczonych doświadczeniach. Choć trudna, abstrakcyjna i wymagająca zastosowania skomplikowanej matematyki, znalazła swoje miejsce w życiu codziennym.

Z teorią względności sprawa miała się inaczej. Powstała w wyniku abstrakcyjnych, niemal estetycznych rozważań na temat podstawowych własności praw przyrody raczej niż samej przyrody. Choć w teorii grawitacji Newtona dawały o sobie znać pewne niepokojące problemy, na przykład czarne dziury (newtonowskie obiekty, z których prędkość ucieczki jest większa od prędkości światła), nieskończona prędkość rozchodzenia się oddziaływania czy precesja orbity Merkurego, niewielu fizyków uważało je za problemy wymagające szybkiego rozwiązania.

Sytuacja była dość niezwykła. Oddziaływanie grawitacyjne powodujące tak wiele nieznośnych wręcz utrudnień każdego dnia, a związana z nim fundamentalna stała fizyczna – stała grawitacji – jest mimo to najmniej dokładnie wyznaczoną stałą fundamentalną w fizyce! Przedstawiona przez Einsteina teoria była tyleż nowatorska, co trudna matematycznie. Słynna jest anegdotka o Arthurze Eddingtonie, brytyjskim astronomie, który zapytany, czy to prawda, że tylko trzech ludzi rozumie przedstawioną przez Einsteina nową teorię grawitacji, miał odpowiedzieć: „Zastanawiam się, kto jest tą trzecią osobą”. Jednocześnie na początku XX wieku nie znano sytuacji ani procesów, w których można byłoby ją stosować. Słynne obserwacje zaćmienia Słońca dotyczyły słabego pola grawitacyjnego.

Zarazem niezwykłe własności zakrzywionej czasoprzestrzeni, rozszerzający się Wszechświat, czarne dziury, a nade wszystko charyzmatyczna postać Einsteina sprawiały, że teoria ta fascynowała i przyciągała wielu zdolnych młodych naukowców. Nie była jednak nauczana w ramach podstawowych kursów fizyki na większości uniwersytetów.

Sytuacja uległa radykalnej zmianie w latach sześćdziesiątych. Odkrycie kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła, kwazarów, pulsarów, czarnych dziur, źródeł promieniowania rentgenowskiego, a także pionierskie eksperymenty z detektorami fal grawitacyjnych – wszystko to sprawiło, że narodziła się nowa dziedzina astrofizyki – astrofizyka relatywistyczna. Teoria względności triumfowała i przeżywała swój renesans Znowu zaczęto finansować badania eksperymentalne w dziedzinie grawitacji. Detektory fal grawitacyjnych LIGO są dziś jednymi z najdroższych urządzeń naukowych budowanych przez człowieka. Nastąpił ogromny postęp w badaniach grawitacji na małych (milimetrowych i mniejszych) odległościach.

Sonda kosmiczna Gravity Probe B z ogromną precyzją potwierdziła subtelne efekty relatywistyczne w polu grawitacyjnym Ziemi. Dziś każdy badacz zajmujący się kosmologią, astrofizyką wysokich energii, obserwacjami wspomnianych wcześniej obiektów musi (przynajmniej w podstawowym zakresie) znać teorię grawitacji Einsteina. Dotyczy to także inżynierów budujących satelitarne systemy nawigacyjne, takie jak GPS czy powstający obecnie Galileo, i zarządzających nimi. Nieuwzględnienie w nich efektów teorii względności Einsteina powodowałoby błędy wyznaczonej pozycji dochodzące do kilkudziesięciu metrów.

Podręczniki teorii względności pisali najwybitniejsi fizycy – Max von Laue, Lew Landau i Jewgenij Lifszyc, Steven Weinberg i wielu innych. W latach siedemdziesiątych wielką sensacją wydawniczą był bardzo oryginalny zarówno w formie, jak i w treści, podręcznik autorstwa trójki amerykańskich fizyków: Charlesa W. Misnera, Kipa S. Thorne’a i Johna Archibalda Wheelera. Piękna i oparta na oryginalnym podejściu jest też Czasoprzestrzeń i grawitacja Wojciecha Kopczyńskiego i Andrzeja Trautmana. Za znakomity uważam również podręcznik Bernarda F. Schutza.

Wszystkie te pozycje miały swoje zalety. Ich wspólnymi cechami były jednak dominacja formalizmu matematycznego, często zbyt skomplikowanego dla studentów na poziomie studiów magisterskich, skoncentrowanie się na fundamentach teorii i niemal zupełny brak powiązania z zastosowaniami, z obserwacjami astronomicznymi, a przynajmniej traktowanie ich nieco po macoszemu. Minusem dla studentów jest też ubogi zbiór proponowanych w nich ćwiczeń i zadań.

Tę lukę świetnie wypełnia wydana pod koniec roku przez Wydawnictwa Uniwersytetu Warszawskiego Grawitacja. Wprowadzenie do ogólnej teorii względności Einsteina Jamesa B. Hartle’a. Autor studiował w Princeton University i w Caltechu. Obecnie jest wykładowcą w University of California w Santa Barbara. Współpracował z noblistą Murrayem Gell-Mannem nad alternatywną do kopenhaskiej interpretacją mechaniki kwantowej, a ze Stephenem Hawkingiem nad zagadnieniem warunków początkowych we Wszechświecie i innymi problemami kwantowej kosmologii. Zajmował się także falami grawitacyjnymi, relatywistycznymi gwiazdami i czarnymi dziurami. Jest członkiem amerykańskiej National Academy of Science i byłym wieloletnim dyrektorem Institute for Theoretical Physics w Santa Barbara.

Hartle wykładał fizykę przez lata i dochował się wielu uczniów. Jego podręcznik teorii względności to rezultat tych doświadczeń. Napisał go z myślą o studentach podstawowego (magisterskiego) kursu fizyki. Formalizm matematyczny ograniczył w nim do minimum potrzebnego, by zrozumieć i móc rozwiązywać podstawowe problemy, związane z orbitami, ruchem, promieniowaniem tła, wielkoskalową strukturą Wszechświata, budową gwiazd, pulsarami, czarnymi dziurami. Wybrana przez niego metoda nauczania zakłada prowadzenie studenta raczej od szczegółu do ogółu niż odwrotnie. Podczas przeglądania klasycznych podręczników teorii względności aż oczy bolą od przysłowiowych „dżi miu niu” (każdy, kto zetknął się z teorią względności, będzie wiedział, o co chodzi). Niemal nie pojawiają się w niej liczby, które mogłyby mieć związek z jakimiś obserwacjami czy przewidywaniami. U Hartle’a jest takich zniechęcających znaczków niewiele – pomiędzy tradycyjnymi matematycznymi symbolami a liczbami związanymi z prostymi oszacowaniami, przewidywaniami wyników obserwacji czy samymi wynikami panuje zdrowa harmonia.

Czytając kilka wybranych rozdziałów dotyczących interesujących mnie zagadnień, przekonałem się, że przy pewnej minimalnej wiedzy można zaglądać do tej pozycji, by przypomnieć sobie jakiś szczegół czy równania, bez konieczności zgłębiania od początku do końca całego dzieła (bagatela – 700 stron!). W klasycznych podręcznikach takie korzystanie z książki było albo trudne, albo niemożliwe, już choćby ze względu na specyficzny formalizm czy oszczędność wywodu. Autor ma też na uwadze wykładowcę. W jednym z dodatków przedstawia proponowaną strukturę wykładu, zamieszczając

nawet „schemat blokowy” prowadzenia studentów. W książce jest ponadto wiele zadań i problemów do przeanalizowania. Szkoda tylko, że nie załączono ich rozwiązań.

Podręcznik z wielką starannością i fachowo przetłumaczył nieżyjący już Piotr Amsterdamski. Był fizykiem, a jednocześnie erudytą o wielkiej kulturze słowa i myśli. W 1982 roku, po zwolnieniu z internowania, wyjechał na studia doktoranckie do Santa Barbara, właśnie do Jima Hartle’a. Potem przez dwa lata w Austin w Teksasie pracował z Brycem DeWittem, innym wybitnym relatywistą, m.in. nad problemem nadprzewodzących strun kosmicznych. Po powrocie do Polski poza pracą naukową zajmował się tłumaczeniem książek naukowych i popularnonaukowych. To jemu zawdzięczamy wprowadzenie wielu polskich terminów specjalistycznych w szybko rozwijających się dziedzinach fizyki i astronomii. Przez kilka lat pracy nad przekładem Grawitacji był w stałym kontakcie z Jimem Hartlem. Zginął w Tatrach w lutym 2008 roku. Wspominając Piotra w liście do polskich astrofizyków, Hartle nazwał go swoim „zapewne najbardziej niezwykłym, odważnym, niebojącym się ryzyka studentem”. Wielki fizyk, autor pięknego podręcznika o Wielkiej Teorii, nie mógł znaleźć w Polsce lepszego tłumacza.

Więcej w miesięczniku „Świat Nauki" nr 04/2010 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
12/2017
10/2017 - specjalny
Kalendarium
Listopad
23
W 2003 r. miało miejsce całkowite zaćmienie Słońca widoczne w Australii, Nowej Zelandii, Antarktyce i Ameryce Południowej.
Warto przeczytać
Czy znasz powiedzenie że matematykowi do pracy wystarczy kartka, ołówek i kosz na śmieci? To nieprawda! Pasjonującą, efektowną i praktyczną matematykę poznaje się dopiero w laboratorium.

Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Stanisław Bajtlik | dodano: 2012-07-18
Nieznośna lekkość grawitacji

James B. Hartle - GRAWITACJA. Wprowadzenie do ogólnej teorii względności Einsteina, przeł. Piotr Amsterdamski, Wydawnictwa Uniwersytetu Warszawskiego, Warszawa 2009

Teoria względności Einsteina, obok mechaniki kwantowej, uważana jest za największe, najbardziej wyrafinowane osiągnięcie fizyki. O ile jednak rozwój fizyki na początku XVII wieku był możliwy dzięki zerwaniu z arystotelesowskimi doświadczeniami wynoszonymi z życia codziennego, o tyle przełomowość obu tych teorii wiązała się z odejściem od pojęć podpowiadanych fizykom przez samą intuicję. Teorie te podważały bowiem głęboko zakorzenione wyobrażenia na temat natury czasu, przestrzeni, przyczynowości, lokalizacji, ruchu itp.

Mechanika kwantowa szybko stała się narzędziem codziennej pracy nie tylko fizyków, lecz także inżynierów zajmujących się elektroniką, techniką jądrową, optyką i wieloma innymi dziedzinami. Została potwierdzona w niezliczonych doświadczeniach. Choć trudna, abstrakcyjna i wymagająca zastosowania skomplikowanej matematyki, znalazła swoje miejsce w życiu codziennym.

Z teorią względności sprawa miała się inaczej. Powstała w wyniku abstrakcyjnych, niemal estetycznych rozważań na temat podstawowych własności praw przyrody raczej niż samej przyrody. Choć w teorii grawitacji Newtona dawały o sobie znać pewne niepokojące problemy, na przykład czarne dziury (newtonowskie obiekty, z których prędkość ucieczki jest większa od prędkości światła), nieskończona prędkość rozchodzenia się oddziaływania czy precesja orbity Merkurego, niewielu fizyków uważało je za problemy wymagające szybkiego rozwiązania.

Sytuacja była dość niezwykła. Oddziaływanie grawitacyjne powodujące tak wiele nieznośnych wręcz utrudnień każdego dnia, a związana z nim fundamentalna stała fizyczna – stała grawitacji – jest mimo to najmniej dokładnie wyznaczoną stałą fundamentalną w fizyce! Przedstawiona przez Einsteina teoria była tyleż nowatorska, co trudna matematycznie. Słynna jest anegdotka o Arthurze Eddingtonie, brytyjskim astronomie, który zapytany, czy to prawda, że tylko trzech ludzi rozumie przedstawioną przez Einsteina nową teorię grawitacji, miał odpowiedzieć: „Zastanawiam się, kto jest tą trzecią osobą”. Jednocześnie na początku XX wieku nie znano sytuacji ani procesów, w których można byłoby ją stosować. Słynne obserwacje zaćmienia Słońca dotyczyły słabego pola grawitacyjnego.

Zarazem niezwykłe własności zakrzywionej czasoprzestrzeni, rozszerzający się Wszechświat, czarne dziury, a nade wszystko charyzmatyczna postać Einsteina sprawiały, że teoria ta fascynowała i przyciągała wielu zdolnych młodych naukowców. Nie była jednak nauczana w ramach podstawowych kursów fizyki na większości uniwersytetów.

Sytuacja uległa radykalnej zmianie w latach sześćdziesiątych. Odkrycie kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła, kwazarów, pulsarów, czarnych dziur, źródeł promieniowania rentgenowskiego, a także pionierskie eksperymenty z detektorami fal grawitacyjnych – wszystko to sprawiło, że narodziła się nowa dziedzina astrofizyki – astrofizyka relatywistyczna. Teoria względności triumfowała i przeżywała swój renesans Znowu zaczęto finansować badania eksperymentalne w dziedzinie grawitacji. Detektory fal grawitacyjnych LIGO są dziś jednymi z najdroższych urządzeń naukowych budowanych przez człowieka. Nastąpił ogromny postęp w badaniach grawitacji na małych (milimetrowych i mniejszych) odległościach.

Sonda kosmiczna Gravity Probe B z ogromną precyzją potwierdziła subtelne efekty relatywistyczne w polu grawitacyjnym Ziemi. Dziś każdy badacz zajmujący się kosmologią, astrofizyką wysokich energii, obserwacjami wspomnianych wcześniej obiektów musi (przynajmniej w podstawowym zakresie) znać teorię grawitacji Einsteina. Dotyczy to także inżynierów budujących satelitarne systemy nawigacyjne, takie jak GPS czy powstający obecnie Galileo, i zarządzających nimi. Nieuwzględnienie w nich efektów teorii względności Einsteina powodowałoby błędy wyznaczonej pozycji dochodzące do kilkudziesięciu metrów.

Podręczniki teorii względności pisali najwybitniejsi fizycy – Max von Laue, Lew Landau i Jewgenij Lifszyc, Steven Weinberg i wielu innych. W latach siedemdziesiątych wielką sensacją wydawniczą był bardzo oryginalny zarówno w formie, jak i w treści, podręcznik autorstwa trójki amerykańskich fizyków: Charlesa W. Misnera, Kipa S. Thorne’a i Johna Archibalda Wheelera. Piękna i oparta na oryginalnym podejściu jest też Czasoprzestrzeń i grawitacja Wojciecha Kopczyńskiego i Andrzeja Trautmana. Za znakomity uważam również podręcznik Bernarda F. Schutza.

Wszystkie te pozycje miały swoje zalety. Ich wspólnymi cechami były jednak dominacja formalizmu matematycznego, często zbyt skomplikowanego dla studentów na poziomie studiów magisterskich, skoncentrowanie się na fundamentach teorii i niemal zupełny brak powiązania z zastosowaniami, z obserwacjami astronomicznymi, a przynajmniej traktowanie ich nieco po macoszemu. Minusem dla studentów jest też ubogi zbiór proponowanych w nich ćwiczeń i zadań.

Tę lukę świetnie wypełnia wydana pod koniec roku przez Wydawnictwa Uniwersytetu Warszawskiego Grawitacja. Wprowadzenie do ogólnej teorii względności Einsteina Jamesa B. Hartle’a. Autor studiował w Princeton University i w Caltechu. Obecnie jest wykładowcą w University of California w Santa Barbara. Współpracował z noblistą Murrayem Gell-Mannem nad alternatywną do kopenhaskiej interpretacją mechaniki kwantowej, a ze Stephenem Hawkingiem nad zagadnieniem warunków początkowych we Wszechświecie i innymi problemami kwantowej kosmologii. Zajmował się także falami grawitacyjnymi, relatywistycznymi gwiazdami i czarnymi dziurami. Jest członkiem amerykańskiej National Academy of Science i byłym wieloletnim dyrektorem Institute for Theoretical Physics w Santa Barbara.

Hartle wykładał fizykę przez lata i dochował się wielu uczniów. Jego podręcznik teorii względności to rezultat tych doświadczeń. Napisał go z myślą o studentach podstawowego (magisterskiego) kursu fizyki. Formalizm matematyczny ograniczył w nim do minimum potrzebnego, by zrozumieć i móc rozwiązywać podstawowe problemy, związane z orbitami, ruchem, promieniowaniem tła, wielkoskalową strukturą Wszechświata, budową gwiazd, pulsarami, czarnymi dziurami. Wybrana przez niego metoda nauczania zakłada prowadzenie studenta raczej od szczegółu do ogółu niż odwrotnie. Podczas przeglądania klasycznych podręczników teorii względności aż oczy bolą od przysłowiowych „dżi miu niu” (każdy, kto zetknął się z teorią względności, będzie wiedział, o co chodzi). Niemal nie pojawiają się w niej liczby, które mogłyby mieć związek z jakimiś obserwacjami czy przewidywaniami. U Hartle’a jest takich zniechęcających znaczków niewiele – pomiędzy tradycyjnymi matematycznymi symbolami a liczbami związanymi z prostymi oszacowaniami, przewidywaniami wyników obserwacji czy samymi wynikami panuje zdrowa harmonia.

Czytając kilka wybranych rozdziałów dotyczących interesujących mnie zagadnień, przekonałem się, że przy pewnej minimalnej wiedzy można zaglądać do tej pozycji, by przypomnieć sobie jakiś szczegół czy równania, bez konieczności zgłębiania od początku do końca całego dzieła (bagatela – 700 stron!). W klasycznych podręcznikach takie korzystanie z książki było albo trudne, albo niemożliwe, już choćby ze względu na specyficzny formalizm czy oszczędność wywodu. Autor ma też na uwadze wykładowcę. W jednym z dodatków przedstawia proponowaną strukturę wykładu, zamieszczając

nawet „schemat blokowy” prowadzenia studentów. W książce jest ponadto wiele zadań i problemów do przeanalizowania. Szkoda tylko, że nie załączono ich rozwiązań.

Podręcznik z wielką starannością i fachowo przetłumaczył nieżyjący już Piotr Amsterdamski. Był fizykiem, a jednocześnie erudytą o wielkiej kulturze słowa i myśli. W 1982 roku, po zwolnieniu z internowania, wyjechał na studia doktoranckie do Santa Barbara, właśnie do Jima Hartle’a. Potem przez dwa lata w Austin w Teksasie pracował z Brycem DeWittem, innym wybitnym relatywistą, m.in. nad problemem nadprzewodzących strun kosmicznych. Po powrocie do Polski poza pracą naukową zajmował się tłumaczeniem książek naukowych i popularnonaukowych. To jemu zawdzięczamy wprowadzenie wielu polskich terminów specjalistycznych w szybko rozwijających się dziedzinach fizyki i astronomii. Przez kilka lat pracy nad przekładem Grawitacji był w stałym kontakcie z Jimem Hartlem. Zginął w Tatrach w lutym 2008 roku. Wspominając Piotra w liście do polskich astrofizyków, Hartle nazwał go swoim „zapewne najbardziej niezwykłym, odważnym, niebojącym się ryzyka studentem”. Wielki fizyk, autor pięknego podręcznika o Wielkiej Teorii, nie mógł znaleźć w Polsce lepszego tłumacza.