Všeobecná relativita je komplexná teória, ale predstava padajúcich objektov môže pomôcť sledovať jej obrysy. (Tu sú satelity GPS zobrazené okolo Zeme - GPS závisí od relativity a poskytuje presné polohy.)
(Obrázok: © NASA)
Paul Sutter je astrofyzik na Štátna univerzita v Ohiu a hlavný vedec na Vedecké centrum COSI, Sutter je tiež hostiteľom „Spýtajte sa Spaceman„a“Vesmírne rádio“a vedie AstroTours okolo sveta. Sutter prispel k tomuto článku Hlasy expertov Space.com: Op-Ed & Insights.
Všeobecná relativita je jednou z najväčších čŕt ľudského porozumenia, o to pôsobivejšia, že vytryskla z úrodnej fantázie a prenasledovala matematickú brilanciu iba jednej mysle. Samotná teória je posledným a najtrvalejším z „klasických“ (tj nekvantových) modelov prírody a naša neschopnosť prísť s čímkoľvek sofistikovanejším za posledných sto rokov je stálou pripomienkou toho, ako sa chytro chytil Albert. Einstein bol.
Ďalším dôkazom Einsteinovho génia je spletené špagety zložitých vzájomne prepojených rovníc, ktoré tvoria úplnú teóriu. Einstein vyrobil krásny stroj, ale on nás presne neopustil. Môžeme sledovať jeho cestu v siedmich rokoch sebapáchania mučenia, ktoré viedli ku konečnej podobe teórie, ale táto cesta vývoja sa riadila takou Einsteinovou intuíciou, že je pre nás ťažké urobiť smrteľných jedincov, aby urobili rovnaké slepé skoky. génius, ktorý urobil.
Len aby sme sa dostali domov, všeobecná relativita je tak zložitá, že keď niekto objaví riešenie rovníc, dostane riešenie pomenované po nich a samo o sebe sa stane polo-legendárnym. Dôvodom je, že Karl Schwarzschild - chlap, ktorý prišiel na geometriu čiernych dier - je meno domácnosti (alebo aspoň názov oddelenia fyziky). [Einsteinova teória všeobecnej relativity: zjednodušené vysvetlenie]
Geometria je osud
Absolútnym jadrom všeobecnej relativity a dokonale prijateľným alternatívnym názvom je geometrodynamika. Do toho, povedz to nahlas - je to zábava. Spôsob, akým všeobecná relativita modeluje gravitáciu, je prostredníctvom dynamických machinácií samotného časopriestoru. Podľa teórie prítomnosť hmoty a energie mení základnú priestorovo-časovú geometriu obklopujúcu tieto látky a táto zmenená geometria ovplyvňuje pohyb.
Tento vzťah vychádza z najdôležitejšieho, základného, nedotknuteľného konceptu, ktorý je základom celej teórie všeobecnej relativity: princípu ekvivalencie (E.P.). Tento princíp je predpokladom, že zotrvačná hmota (koľko toho potrebuje na presun objektu) je rovnaká vlastnosť ako gravitačná hmota (koľko objekt reaguje na gravitáciu). A to je kľúč, ktorý odomkne celý gravitačný shebang.
Pomocou tejto ekvivalencie si vieme predstaviť scenár, ktorý by pomohol predstaviť si súvislosť medzi geometriou a gravitáciou. Predstierajte, že obiehate vysoko nad Zemou, pokojne sledujete kontinenty a oceány, ktoré sa valia pod váš výhodný bod.
Potom otvoríte krabicu nevyžiadanej pošty.
Keď sa od vás vznášajú úlomky zvyškov, premýšľate nad dôsledkami toho, čo ste práve urobili. Iste, teraz ste vytvorili oblak potenciálne nebezpečného odpadu, ktorý predstavuje veľké riziko pre satelity a budúce misie. Ale po ďalšom uvažovaní sa vaša myseľ uvoľní. Robíte vedecký experiment a princíp ekvivalencie zaručuje, že všetky tieto kúsky trosiek bez ohľadu na ich tvar alebo hmotnosť dokonale sledujú účinky zemskej gravitácie bez potreby akýchkoľvek ďalších výpočtov. To je niečo jedinečné pre gravitačnú silu, vďaka E.P. [Prečo je Relativita pravdivá: Dôkazy pre Einsteinovu teóriu]
Ohýbanie pravidiel
Sledujte, čo sa stane s odpadom, ktorý ste vyhodili do vesmíru. Niektorí môžu čisto náhodne začať v úplne vodorovnej línii. Keď však objekty padnú na Zem, sledujú priame čiary smerujúce doprava do stredu zemegule. Ak ich pozorne sledujete, uvidíte, že keď sa vydávajú smerom nadol, postupne sa zbližujú. Keby mohli prejsť cez pevnú Zem, nakoniec by sa zrazili v samom strede.
Ostatné kúsky nevyžiadanej pošty sa môžu začať v dokonale zvislej línii zameranej na Zem, rovnomerne rozmiestnené od seba. Aj oni padnú. Ten, kto mal šťastie v prednej časti trate, by však spadol o niečo rýchlejšie kvôli svojej mierne tesnejšej blízkosti Zeme, pričom posledná línia mierne zaostáva. Takže, ako kúsky zvyškov pokračovali v zostupe, pomaly sa odchýlili vo svojej vertikálnej línii.
V niektorých prípadoch sa zbližujú a zužujú sa chodníky. V iných prípadoch sa rozchádzame a šírime trajektórie. V oboch prípadoch začínajú cesty úplne paralelne alebo jednotne, ale menia znaky. Tieto meniace sa cesty sú presne to, čo matematici používajú na opis jazyka „zakrivenia“, a to je jazyk geometrie.
Ding, ding, ding. Je to tu. Princíp ekvivalencie vám hovorí, že cesty padajúceho odpadu vás priamo informujú o povahe gravitácie a tie isté cesty odhaľujú komplikovanú geometriu základného priestoru-času. Inými slovami, táto gravitácia je geometria časopriestoru.
Geometrodynamics.
Natiahnutie mozgu
t „Čas“ v časopriestore je pre úplnú teóriu veľmi dôležitý. Pravdepodobne ste videli ukážku vedeckého múzea alebo grafiku sprevádzajúcu článok o všeobecnej relativite, ktorý ukazuje, ako vyzerá roztiahnutá guma. Ťažká guľa, predstavujúca planétu alebo hviezdu alebo čiernu dieru alebo čokoľvek iné, je umiestnená v strede a ťahá látku dole. Valcovanie iných guličiek na hárok odhaľuje „vplyv“ gravitácie: Snažia sa sledovať rovné čiary, ale ich dráhy sa odkloňujú od zakrivenia ležiaceho pod nimi.
Toto demo je úplne v poriadku ako úvod do materských škôl, ale teraz sme už v minulosti. V skutočnom časopriestore nie je „dole“ a zakrivenie sa deje v štyroch rozmeroch, nie v dvoch. To je trochu ťažšie si predstaviť, a preto sme sa zvyčajne uchýlili k jednoduchšiemu demu.
Je pravda, že masívny objekt skresľuje statický priestor v jeho okolí, ale to je iba polovica obrázku. Hmota tiež ovplyvňuje dimenziu času, a to tak, že mení možné trajektórie, ktoré dokáže prechádzajúci objekt.
Každý objekt má tzv. Svetelný kužeľ alebo skupinu možných cieľov, ktoré by mohli dosiahnuť, aby sa pohyboval pomalšie ako rýchlosť svetla. Predstavte si, že jazdíte spolu so škvrnami prachu, keď preteká na slnku. Vďaka svojmu svetelnému kužeľu má celý rad budúcich možností. Keď sa však prach priblíži k slnku, gravitácia tejto obrovskej ohnivej gule nakláňa svetelný kužeľ prachu smerom k samotnému slnku. . Prach má teraz priradenú novú, konkrétnejšiu budúcnosť: Niektoré ciele sú mimo limitov (sú mimo nového svetelného kužeľa), zatiaľ čo iné sa teraz otvorili.
Môže to vyzerať ako rozštiepenie chĺpkov, ale statické ohýbanie priestoru a zmena svetelných kužeľov sa objavujú v matematike všeobecnej relativity na samostatných miestach a iba kombináciou týchto dvoch efektov dostaneme úplné (a presné!) Predpovede teórie. Priestor a čas sa musia posudzovať spoločne; nemôžete ignorovať one.u
Inými slovami, gravitácia je geometria časopriestoru. Geometrodynamics.
Ďalšie informácie získate po vypočutí epizódy „“ Vážne, čo je gravitácia? (Časť 3) „v podcaste„ Spýtajte sa Spacemana “, ktorý je k dispozícii na iTunes a na webe na adrese http://www.askaspaceman.com. Vďaka Andrewovi P., Joyce S., @ Luft08, Ben W., Ter B., Colin E, Christopher F., Maria A., Brett K., bryguytheflyguy, @ MarkRiepe, Kenneth L., Allison K., Phil B. a @shrenic_shah za otázky, ktoré viedli k tomuto dielu! na Twitteri pomocou #AskASpaceman alebo sledovaním Paul @ PaulMattSutter a facebook.com/PaulMattSutter. Sledujte nás @ @ Pacedotcom, Facebook a Google+. Pôvodný článok o Space.com.
