Ogólna teoria względności jest złożoną teorią, ale wyobrażanie sobie spadających obiektów może pomóc w prześledzeniu ich konturów. (Tutaj satelity GPS są wyświetlane wokół Ziemi - GPS zależy od względności, aby podawać dokładne pozycje.)
(Zdjęcie: © NASA)
Paul Sutter jest astrofizykiem Ohio State University oraz główny naukowiec w Centrum nauki COSI. Sutter jest także gospodarzem „Zapytaj kosmonautę" i "Radio kosmiczne, ”i prowadzi AstroTours dookoła świata. Sutter przyczynił się do napisania tego artykułu Space.com's Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Ogólna teoria względności jest jednym z największych osiągnięć ludzkiego zrozumienia, tym bardziej imponującym, że wywodzi się z żyznej wyobraźni i zawziętej matematycznej błyskotliwości tylko jednego umysłu. Sama teoria jest ostatnim i najbardziej trwałym z „klasycznych” (tj. Nie-kwantowych) modeli przyrody, a nasza niezdolność do wymyślenia czegoś bardziej zaawansowanego w ciągu ostatnich stu lat jest stałym przypomnieniem tego, jak cholernie inteligentny Albert Einstein był.
Kolejnym świadectwem geniuszu Einsteina jest splątane spaghetti złożonych, powiązanych ze sobą równań, które składają się na pełną teorię. Einstein stworzył piękną maszynę, ale nie zostawił nam instrukcji obsługi. Możemy prześledzić jego ścieżkę w ciągu siedmiu lat samookaleczeń, które doprowadziły do ostatecznej formy teorii, ale ta droga rozwoju była kierowana tak dużą intuicją Einsteina, że trudno nam zwykłym śmiertelnikom wykonać te same ślepe skoki geniusz, który zrobił.
Aby wyjaśnić sedno sprawy, ogólna teoria względności jest tak złożona, że gdy ktoś odkryje rozwiązanie równań, otrzymuje rozwiązanie nazwane od nich i staje się prawie legendarne. Jest powód, dla którego Karl Schwarzschild - facet, który zorientował się w geometrii czarnych dziur - to nazwa domowa (a przynajmniej nazwa działu fizyki). [Ogólna teoria względności Einsteina: uproszczone wyjaśnienie]
Geometria jest przeznaczeniem
Absolutnym rdzeniem ogólnej teorii względności i całkowicie akceptowalną dla niej alternatywną nazwą jest geometrianamika. Śmiało, powiedz to głośno - to dobra zabawa. Sposób, w jaki ogólna teoria względności modeluje grawitację, polega na dynamicznych machinacjach samej czasoprzestrzeni. Zgodnie z teorią obecność materii i energii zmienia podstawową geometrię czasoprzestrzenną otaczającą te substancje, a ta zmieniona geometria wpływa na ruch.
Zależność ta wywodzi się z najważniejszej, fundamentalnej, niemożliwej do zignorowania koncepcji leżącej u podstaw całej teorii ogólnej teorii względności: zasady równoważności (E.P.). Zasada ta zakłada, że masa bezwładnościowa (ile zajmie poruszenie obiektu) ma tę samą właściwość co masa grawitacyjna (jak bardzo obiekt reaguje na grawitację). I to jest klucz, który odblokowuje cały wstrząs grawitacyjny.
Korzystając z tej równoważności, możemy wyobrazić sobie scenariusz, który pomoże zwizualizować związek między geometrią a grawitacją. Udawaj, że krążysz wysoko nad Ziemią, spokojnie obserwując kontynenty i oceany toczące się pod twoim punktem obserwacyjnym.
Potem otwieracie pudełko śmieci.
Gdy kawałki gruzu odpływają od ciebie, zastanawiasz się nad konsekwencjami tego, co właśnie zrobiłeś. Jasne, stworzyłeś teraz chmurę potencjalnie niebezpiecznych śmieci, która stanowi poważne ryzyko dla satelitów i przyszłych misji. Ale po dalszej refleksji twój umysł uspokaja się. Przeprowadzasz eksperyment naukowy, a zasada równoważności gwarantuje, że wszystkie te kawałki szczątków, bez względu na ich kształt lub masę, doskonale wyśledzą skutki grawitacji Ziemi, bez potrzeby wykonywania innych obliczeń. To coś wyjątkowego dla siły grawitacji, dzięki E.P. [Dlaczego teoria względności jest prawdziwa: dowód na teorię Einsteina]
Naginać zasady
Zobacz, co stanie się ze śmieciami, które rzuciłeś w kosmos. Niektórzy przypadkiem mogą zacząć od idealnie poziomej linii. Ale gdy obiekty spadają na Ziemię, podążają prostymi liniami w kierunku środka globu. Jeśli przyjrzysz się im uważnie, zobaczysz, że idąc w dół, stopniowo się zbiegają. Gdyby mogli przejść przez stałą Ziemię, ostatecznie zderzyliby się w samym centrum.
Inne fragmenty śmieci mogą zacząć się w idealnie pionowej linii skierowanej w stronę Ziemi, równomiernie od siebie oddalonej. Oni także upadli. Ale szczęściarz z przodu linii spadałby nieco szybciej, ze względu na nieco bliższą Ziemię, a ostatni w linii był nieco opóźniony. Tak więc, gdy kawałki śmieci nadal schodziły, powoli rozchodziły się w linii pionowej.
W niektórych przypadkach mamy zbieżne, zwężające się szlaki. W innych przypadkach mamy rozbieżne, rozprzestrzeniające się trajektorie. W obu przypadkach ścieżki zaczynają się jako idealnie równoległe lub jednolite, ale zmieniają znaki. Te zmieniające się ścieżki są dokładnie tym, co matematycy używają do opisania języka „krzywizny”, a mianowicie języka geometrii.
Ding, ding, ding. Tu jest. Zasada równoważności mówi ci, że ścieżki spadających śmieci bezpośrednio informują cię o naturze grawitacji, a te same ścieżki ujawniają skomplikowaną geometrię leżącej pod nimi czasoprzestrzeni. Innymi słowy, grawitacja jest geometrią czasoprzestrzeni.
Geometrodynamika.
Rozciągając nasze mózgi
„Czas” w czasoprzestrzeni jest bardzo ważny dla pełnej teorii. Prawdopodobnie widziałeś demo lub grafikę muzeum nauki towarzyszące artykułowi o ogólnej teorii względności pokazującym coś, co wygląda jak rozciągnięta gumowa blacha. Ciężka kula, reprezentująca planetę, gwiazdę, czarną dziurę lub cokolwiek innego, jest umieszczana na środku, ciągnąc materiał w dół. Toczenie innych piłek na arkuszu ujawnia „wpływ” grawitacji: starają się podążać prostymi liniami, ale ich ścieżki odbijają się od leżącej pod nimi krzywizny.
To demo jest w porządku jako pierwsze wprowadzenie do przedszkola, ale teraz jesteśmy już daleko od przedszkola. W czasie rzeczywistym nie ma „puchu”, a zakrzywienie odbywa się w czterech wymiarach, a nie w dwóch. Wizualizacja jest nieco trudniejsza, dlatego zwykle wycofujemy się do prostszej wersji demonstracyjnej.
To prawda, że masywny obiekt zniekształca przestrzeń statyczną w jego pobliżu, ale to tylko połowa obrazu. Masa wpływa również na wymiar czasu i robi to poprzez zmianę możliwych trajektorii, do których zdolny jest przechodzący obiekt.
Każdy obiekt ma tak zwany stożek światła lub zestaw możliwych miejsc docelowych, do których mógłby dotrzeć podróżując wolniej niż prędkość światła. Wyobraź sobie, że jeździsz wraz z drobinką kurzu podczas wyścigów pod słońcem. Ma szereg przyszłych możliwości, jakie daje lekki stożek. Ale gdy pył zbliża się do Słońca, grawitacja tej gigantycznej kuli ognia pochyla stożek światła kurzu w kierunku samego słońca. Pył ma teraz przypisaną nową, bardziej konkretną przyszłość: niektóre miejsca docelowe są niedostępne (znajdują się poza nowym stożkiem światła), a inne już się otworzyły.
Może to wydawać się rozszczepieniem włosów, ale statyczne wygięcie przestrzeni i zmiana stożków świetlnych pojawiają się w matematyce ogólnej teorii względności w osobnych miejscach i tylko dzięki połączeniu tych dwóch efektów otrzymujemy pełne (i dokładne!) Prognozy teoria. Przestrzeń i czas należy rozpatrywać łącznie; nie możesz go zignorować. u
Innymi słowy, grawitacja jest geometrią czasoprzestrzeni. Geometrodynamika.
Dowiedz się więcej, słuchając odcinka „Poważnie, czym jest grawitacja? (Część 3) „w podcastie„ Ask A Spaceman ”, dostępnym w iTunes i w Internecie pod adresem http://www.askaspaceman.com. Podziękowania dla Andrew P., Joyce 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 pytania, które doprowadziły do tego utworu! Zadaj własne pytanie na Twitterze za pomocą #AskASpaceman lub obserwując Paula @ PaulMattSuttera i facebook.com/PaulMattSutter. Śledź nas @Spacedotcom, Facebook i Google+ Oryginalny artykuł na Space.com.
