Opća relativnost složena je teorija, ali zamišljanje padajućih predmeta može pomoći u pronalaženju njegovih obrisa. (Ovdje su oko Zemlje prikazani GPS sateliti - GPS ovisi o relativnosti za davanje točnih položaja.)
(Slika: © NASA)
Paul Sutter je astrofizičar na Državno sveučilište Ohio a glavni znanstvenik u Znanstveni centar COSI, Sutter je također domaćin "Pitajte svemira"i"Svemirski radio, "i vodi AstroTours oko svijeta. Sutter je pridonio ovom članku Glasovi stručnjaka Space.com-a: Op-Ed & Insights.
Opća relativnost jedan je od najvećih podviga ljudskog razumijevanja, koji je još impresivniji činjenicom da je potekao iz plodne mašte i gomile matematičkog sjaja samo jednog uma. Sama teorija posljednji je i najustrajniji od "klasičnih" (tj. Ne kvantnih) modela prirode, a naša nesposobnost da smislimo nešto sofisticiranije tijekom posljednjih stotinu godina stalni je podsjetnik na to koliko smo dirljivi pametni Albert Einstein je bio.
Još jedan testament Einsteinova genija dolazi u zapetljanim špagetama složenih, međusobno povezanih jednadžbi koje čine potpunu teoriju. Einstein je napravio prekrasnu mašinu, ali nije nam baš ostavio korisnički priručnik. Možemo pratiti njegov put u sedam godina mučenja koje je sam izvršio, što je dovelo do konačnog oblika teorije, ali taj put razvoja vodio je toliko puno Einsteinove intuicije crijeva da je nama samima smrtnicima teško da napravimo iste slijepe skokove genij koji je učinio.
Samo da se vratimo kući do točke, opća relativnost je toliko složena da kad netko otkrije rješenje jednadžbi, dobije rješenje nazvano po njima i po sebi postane samo-legendarno. Postoji razlog da je Karl Schwarzschild - tip koji je smislio geometriju crnih rupa - ime kućanstva (ili barem, naziv odjeljenja za fiziku). [Einsteinova teorija opće relativnosti: pojednostavljeno objašnjenje]
Geometrija je sudbina
Apsolutna jezgra opće relativnosti i potpuno prihvatljivo alternativno ime za nju je geometrodinamika. Samo naprijed, izgovorite to naglas - zabavno je. Način na koji opća relativnost modelira gravitaciju kroz dinamičke mahinacije samog prostora i vremena. Prema teoriji, prisutnost materije i energije mijenja temeljnu geometriju prostora i vremena koja okružuje te tvari, a promijenjena geometrija utječe na kretanje.
Taj odnos proizilazi iz najvažnijeg, temeljnog, koji se ne može zanemariti - ovog koncepta koji je temelj cijele teorije opće relativnosti: načela ekvivalencije (E.P.). Ovaj je princip pretpostavka da je inercijalna masa (koliko oomfe treba za pomicanje predmeta) isto svojstvo kao i gravitaciona masa (koliko objekt reagira na gravitaciju). A ovo je ključ koji otključava čitav gravitacijski shebang.
Pomoću te ekvivalencije možemo zamisliti scenarij koji će nam olakšati vizualizaciju veze između geometrije i gravitacije. Pretvarajte se da orbite visoko iznad Zemlje, spokojno promatrajući kako se kontinenti i oceani valjaju ispod svoje točke.
Tada otvorite kutiju smeća.
Dok komadići otpadaka lebde od vas, razmišljate o posljedicama onoga što ste upravo učinili. Naravno, sada ste stvorili oblak potencijalno opasnih krhotina koje predstavljaju veliki rizik za satelite i buduće misije. Ali nakon daljnjeg razmišljanja, vaš um se olakšava. Vi radite znanstveni eksperiment, a princip ekvivalencije garantira da će svi ti komadići krhotina, bez obzira na njihov oblik ili masu, savršeno pratiti učinke Zemljine gravitacije, bez potrebe za bilo kakvim drugim proračunima. To je nešto jedinstveno u odnosu na silu gravitacije, zahvaljujući E.P. [Zašto je relativnost istinita: dokaz za Einsteinovu teoriju]
Savijanje pravila
Pogledajte što se događa s smećem koji ste bacili u svemir. Neki bi, slučajno, mogli krenuti u savršeno horizontalnoj liniji. No kako predmeti padaju na Zemlju, slijede ravne linije koje vode ravno u središte svijeta. Ako ih pažljivo promatrate, vidjet ćete da će se oni dok se kreću prema dolje postupno konvergirati. Kad bi mogli proći kroz čvrstu Zemlju, na kraju bi se sudarili u samom središtu.
Drugi komadići smeća mogu krenuti savršeno okomitom linijom usmjerenom prema Zemlji, ravnomjerno raspoređeni jedan od drugog. I oni bi pali. Ali sretnik na prednjoj liniji pao bi malo brže, zbog svoje malo bliže Zemlje, a zadnji u liniji malo zaostaje. Kako bi se komadi krhotina nastavili spuštati, polako bi se razišli u svojoj okomitoj liniji.
U nekim slučajevima dobivamo konvergirajuće, sužavajuće staze. U drugim slučajevima dobivamo različita putanja koja se širi. U oba slučaja staze počinju savršeno paralelno ili jednoliko, ali mijenjaju znakove. Ove promjenjive staze su upravo ono što matematičari koriste jezikom "zakrivljenosti" kako bi opisali, a to je jezik geometrije.
Ding, ding, ding. Tu je. Princip ekvivalencije govori o tome da vas putevi padajuće smeće izravno informiraju o prirodi gravitacije, a te iste staze otkrivaju kompliciranu geometriju temeljnog prostora-vremena. Drugim riječima, ta gravitacija je geometrija prostora-vremena.
Geometrodynamics.
Protegnemo mozak
t "Vrijeme" u prostoru-vremenu vrlo je važno za potpunu teoriju. Vjerojatno ste vidjeli demo ili grafičku građu znanstvenog muzeja u prilogu članka o općoj relativnosti koji pokazuje kako izgleda nategnuti lim od gume. Teška lopta, koja predstavlja planet ili zvijezdu ili crnu rupu ili bilo što drugo, postavlja se u sredinu, povlačeći tkaninu prema dolje. Prevrtanje ostalih kuglica po plahti otkriva "utjecaj" gravitacije: Pokušavaju slijediti ravne linije, ali njihove se staze odbijaju ispod zakrivljenosti.
Taj demo je sasvim u redu kao prvo uvođenje u vrtić, ali sad smo već prošli vrtić. U stvarnom prostoru-vremenu ne postoji "dolje", a krivulja se događa u četiri dimenzije, a ne dvije. Malo je teže vizualizirati, zbog čega se obično povlačimo u jednostavniji demo.
Istina je da masivan objekt narušava statički prostor u njegovoj blizini, ali to je samo pola slike. Masa također utječe na dimenziju vremena, a to čini mijenjanjem mogućih putanja za koje je prolazni objekt sposoban.
Svaki objekt ima ono što se naziva svjetlosni konus ili skup mogućih odredišta do kojih bi objekt mogao putovati sporije od brzine svjetlosti. Zamislite da jašete zajedno sa mrljom prašine dok se utrkuje po suncu. Ima niz mogućih mogućnosti budućnosti koje mu daje svjetlosni konus. No kako se prašina približava suncu, gravitacija te divovske vatrene kugle naginje konus prašine prema samom suncu. . Prašini je sada dodijeljena nova, specifičnija budućnost: Neke su destinacije izvan granica (one su izvan novog svjetlosnog konusa), dok su se druge sada otvorile.
To se može činiti poput cijepanja vlasi, ali statičko savijanje prostora i promjena svjetlosnih čestica pojavljuju se u matematici opće relativnosti na odvojenim mjestima, a samo spajanjem dvaju efekata dobivamo potpuna (i točna!) Predviđanja teorija. Prostor i vrijeme moraju se oba razmatrati zajedno; ne možeš zanemariti nijedan.u
Drugim riječima, gravitacija je geometrija prostora-vremena. Geometrodynamics.
Saznajte više slušajući epizodu "" Ozbiljno, što je gravitacija? (3. dio) "u podkastu" Pitaj svemirske ", dostupan na iTunesu i na webu na http://www.askaspaceman.com. Zahvaljujući Andrewu P., Joyceu S., @ Luft08, Ben W., Ter B., Colin E, Christopher F., Maria A., Brett K., bryguytheflyguy, @MarkRiepe, Kenneth L., Allison K., Phil B. i @shrenic_shah za pitanja koja su dovela do ovog djela! Postavite svoje pitanje na Twitteru koristeći #AskASpaceman ili slijedeći Paul @ PaulMattSutter i facebook.com/PaulMattSutter. Slijedite nas @Spacedotcom, Facebook i Google+. Originalni članak na Space.com.
