Üldrelatiivsus on keeruline teooria, kuid langevate objektide ettekujutamine võib aidata selle kontuuridele jälile saada. (Siin kuvatakse Maa ümber GPS-satelliite - täpsed asukohad sõltub GPS-ist suhtelisest.)
(Pilt: © NASA)
Paul Sutter on astrofüüsik juures Ohio Riiklik Ülikool ja vanemteadur COSI teaduskeskus. Sutter on ka "Küsi kosmosemehelt"ja"Kosmoseraadio, "ja viib AstroTours ümber maailma. Sutter tegi selle artikli kaastööd Space.comi eksperthääled: op-ed ja teadmised.
Üldrelatiivsus on inimese mõistmise üks suurimaid võtteid, mille teeb veelgi muljetavaldavamaks asjaolu, et see tärkas viljakas kujutlusvõimes ja ainult ühe mõistuse viljakas matemaatilises särades. Teooria ise on looduse "klassikalistest" (st mitte-kvant-mudelitest) viimane ja püsivam ning meie võimetus viimase saja aasta jooksul midagi keerukamat välja pakkuda on pidev meeldetuletus sellest, kuidas dang smart Albert Einstein oli.
Veel üks Einsteini geeniuse tunnistus tuleb keerukate omavahel ühendatud võrrandite sassis spagetides, mis moodustavad kogu teooria. Einstein tegi ilusa masina, kuid ta ei jätnud meile täpselt kasutusjuhendit. Me võime tema teekonnal jälgida seitsme iseseisva piinamise aasta jooksul, mis viis teooria lõpliku vormini, kuid seda arenguteed juhatas Einsteini sisikonnast nii palju, et meil, lihtsalt surelikel, on raske teha samu pimesi hüppeid. geenius, mille ta tegi.
Lihtsalt punktist koju sõitmiseks on üldrelatiivsus nii keeruline, et kui keegi võrrandite lahenduse avastab, saavad nad neile nime saanud lahenduse ja saavad iseenesest poollegendaarseks. On põhjust, et Karl Schwarzschild - mees, kes mustanahaliste aukude geomeetria välja mõtles - on leibkonna nimi (või vähemalt füüsikaosakonna nimi). [Einsteini üldise relatiivsusteooria: lihtsustatud seletus]
Geomeetria on saatus
Üldrelatiivsusteooria absoluutne tuum ja sellele täiesti vastuvõetav alternatiivne nimetus on geometrodünaamika. Minge edasi, öelge see valjusti välja - see on lõbus. See, kuidas üldrelatiivsusteooria modelleerib gravitatsiooni, toimub läbi ruumiaja enda dünaamiliste mahhinatsioonide. Teooria kohaselt muudab aine ja energia olemasolu neid aineid ümbritsevat fundamentaalset ruumi-aja geomeetriat ning see muutunud geomeetria mõjutab liikumist.
See seos tuleneb kõige olulisemast, põhimõttelisest, mida ei saa eirata - sellest kontseptsioonist, mis põhineb kogu üldrelatiivsusteoorial: ekvivalentsuse põhimõttel (E.P.). See põhimõte on eeldus, et inertsiaalne mass (kui palju oomphi kulub objekti liikumiseks) on sama omadus kui gravitatsioonimass (kui palju objekt reageerib gravitatsioonile). Ja see on võti, mis avab kogu gravitatsioonilise shebangi.
Seda ekvivalentsust kasutades võime ette kujutada stsenaariumi, mis aitaks visualiseerida geomeetria ja gravitatsiooni vahelist seost. Teeskle, et sa tiirled kõrgel Maa kohal, jälgides rahulikult, kuidas mandrid ja ookeanid veerevad oma vaatepunkti all.
Siis avate kasti rämpsu.
Kui prahi tükid ujuvad teist eemale, mõtisklete selle üle, mida just tegite. Muidugi, olete nüüd loonud potentsiaalselt ohtliku prahi pilve, mis kujutab endast suurt ohtu satelliitidele ja tulevastele missioonidele. Kuid edasisel mõtisklemisel teie meel leeveneb. Teete teaduslikku eksperimenti ja samaväärsuse põhimõte garanteerib, et kõik need prahi tükid, sõltumata nende kujust või massist, suudavad Maa gravitatsiooni mõjud täiuslikult jälgida, ilma et oleks vaja teha muid arvutusi. See on midagi ainulaadset raskusjõule tänu E.P. [Miks relatiivsus on tõsi: tõendid Einsteini teooria kohta]
Reeglite painutamine
Vaadake, mis juhtub rämpsuga, mille te kosmosesse viskasite. Mõni võib juhuslikult alustada täiesti horisontaalselt. Kui objektid Maale kukuvad, järgivad nad sirgjooni, mis suunavad otse maakera keskpunkti. Kui jälgite neid tähelepanelikult, näete, et kui nad suunduvad allapoole, lähenevad nad järk-järgult. Kui nad suudaksid läbida tahke maa, siis põrkaksid nad lõpuks päris keskpunkti.
Muud tükid rämpsu võivad alata täiesti vertikaalses Maa suunas suunatud, üksteisest ühtlaselt paikneva joonega. Ka nemad kukuksid. Kuid rea ees olev õnnelik langeb pisut kiiremini tänu Maale veidi lähedasemale lähedusele, kusjuures viimane rida jääb pisut maha. Niisiis, kui prahistükid jätkasid laskumist, hakkasid nad vertikaalses joones aeglaselt lahknema.
Mõnel juhul jõuame lähenevate, kitsenevate radadeni. Muudel juhtudel on meil lahknevus, levivad trajektoorid. Mõlemal juhul algavad rajad täiesti paralleelsete või ühtlastena, kuid muudavad tegelaskuju. Need muutuvad teed on täpselt see, mida matemaatikud kasutavad kirjeldamiseks "kumeruse" keelt - see on geomeetria keel.
Ding, ding, ding. Seal see on. Samaväärsuspõhimõte ütleb teile, et rämpsu langevad rajad annavad teile otse teada raskusjõu olemusest ja need samad rajad näitavad aluseks oleva ruumi-aja keerulist geomeetriat. Teisisõnu, see gravitatsioon on ruumi-aja geomeetria.
Geomeetriline dünaamika.
Meie aju venitades
tAeg-aeg ruumis on täieliku teooria jaoks väga oluline. Tõenäoliselt olete näinud teadusmuuseumi demo või graafikat, mis on lisatud artiklile üldrelatiivsusteooria kohta ja näitab, milline näeb välja venitatud kummileht. Kangas alla tõmmates asetatakse keskele raske pall, mis tähistab planeeti või tähte, musta auku või mida iganes. Teiste pallide veeretamine lehel näitab gravitatsiooni "mõju": Nad proovivad järgida sirgjooni, kuid nende teekond suunatakse kõveruse all.
See demo sobib suurepäraselt juba esimese lasteaia tutvustamisega, kuid oleme lasteaiast juba möödas. Reaalses ruumiajas pole "alla" jäämist ja kõverdumine toimub neljas, mitte kahes mõõtmes. Seda on pisut raskem visualiseerida, mistõttu taandame tavaliselt lihtsamale demole.
On tõsi, et massiivne objekt moonutab läheduses asuvat staatilist ruumi, kuid see on vaid pool pilti. Mass mõjutab ka ajamõõdet ja muudab seda võimalike trajektooride muutmiseks, mida mööduv objekt on võimeline.
Igal objektil on nn koonus või hulk võimalikke sihtkohti, milleni objekt pääseb valguse kiirusest aeglasemalt. Kujutage ette, et ratsutaksite koos tolmukilbiga, kui see päikese käes võistleb. Selle kerge koonus annab sellel mitmesuguseid tulevikuvõimalusi. Kuid kui tolm jõuab päikese lähedale, kallutab tolle hiiglasliku tulekera raskusjõu tolmu kerge koonus päikese enda poole. .Tolmule on nüüd määratud uus, täpsem tulevik: Mõned sihtkohad on väljaspool piire (need asuvad väljaspool uut valguskoonust), teised on nüüd avatud.
See võib tunduda karvade lõhenemisena, kuid ruumi staatiline painutamine ja valguskoonuste muutumine ilmnevad üldrelatiivsusteooria matemaatikas eraldi kohtades ja ainult kahe efekti kombineerimisel saame täielikud (ja täpsed!) Ennustused teooria. Ruumi ja aega tuleb vaadelda koos; sa ei saa eirata ühte.u
Teisisõnu, gravitatsioon on ruumi-aja geomeetria. Geomeetriline dünaamika.
Lisateave, kuulates episoodi "" Tõsiselt, mis on gravitatsioon? (3. osa) "saates" Ask A Spaceman ", mis on saadaval iTunesis ja veebis aadressil http://www.askaspaceman.com. Tänu Andrew P., Joyce S., @ Luft08, Ben W., Ter Selle tüki juurde viinud küsimuste jaoks B., Colin E, Christopher F., Maria A., Brett K., bryguytheflyguy, @MarkRiepe, Kenneth L., Allison K., Phil B. ja @shrenic_shah! Esitage oma küsimus Twitteris, kasutades #AskASpaceman või järgides Paul @ PaulMattSutter ja facebook.com/PaulMattSutter. Jälgige meid @Spacedotcom, Facebook ja Google+ .Algne artikkel Space.comil.
