Загальна відносність є складною теорією, але уявлення падаючих предметів може допомогти простежити її контури. (Тут навколо Землі показані супутники GPS - GPS залежить від відносності для надання точних позицій.)
(Зображення: © NASA)
Пол Саттер є астрофізиком в Державний університет штату Огайо та головного вченого в Науковий центр COSI. Саттер також приймає "Запитайте космонавта"і"Космічне радіо, "і веде AstroTours навколо світу. Саттер сприяв цій статті Голоси експертів Space.com: Op-Ed & Insights.
Загальна відносність - це один із найбільших подвигів людського розуміння, що зробило все більш вражаючим тим, що воно випливало з родючої уяви та псувало математичну яскравість лише одного розуму. Сама теорія є останньою і найбільш стійкою з "класичних" (тобто не квантових) моделей природи, і наша нездатність придумати що-небудь більш складне за останні сто років - це постійне нагадування про те, як бовтається розумний Альберт Ейнштейн був.
Інший заповіт генія Ейнштейна полягає в заплутаних спагетті складних взаємопов'язаних рівнянь, що складають повну теорію. Ейнштейн зробив гарну машину, але він точно не залишив нам посібника користувача. Ми можемо простежити його шлях за сім років самонанесених тортур, що призвели до остаточної форми теорії, але цей шлях розвитку керувався стільки інтуїцією кишечника Ейнштейна, що нам простим смертним важко зробити такі ж сліпі стрибки геній, який він зробив.
Просто для того, щоб повернути додому точку, загальна відносність настільки складна, що коли хтось виявляє рішення рівнянь, вони отримують рішення, назване на їх честь, і стають напівлегендарними самі по собі. Існує причина, що Карл Шварцшильд - хлопець, який з'ясував геометрію чорних дір, - це домашнє ім’я (або, принаймні, ім'я кафедри фізики). [Теорія загальної відносності Ейнштейна: спрощене пояснення]
Геометрія - це доля
Абсолютним ядром загальної відносності та цілком прийнятною альтернативною назвою для цього є геомединаміка. Іти вперед, сказати це вголос - це весело. Спосіб загальної відносності моделює гравітацію через динамічні махінації простору-часу. Згідно з теорією, присутність речовини і енергії змінює основну геометрию простору-часу, що оточує ці речовини, і змінена геометрія впливає на рух.
Цей взаємозв'язок походить від найважливішого, фундаментального, не можна ігнорувати - цієї концепції, що лежить в основі всієї теорії загальної відносності: принципу еквівалентності (Е.П.). Цей принцип є припущенням, що інерціальна маса (скільки омфи потрібно для переміщення предмета) - це та ж властивість, що і гравітаційна маса (наскільки об’єкт відповідає на гравітацію). І це ключ, який розблоковує весь гравітаційний шебанг.
Використовуючи цю еквівалентність, ми можемо уявити сценарій, який допоможе візуалізувати зв’язок між геометрією та гравітацією. Прикинься, що орбітуєш високо над Землею, безтурботно спостерігаючи за континентами та океанами, що котяться під точкою зору.
Тоді ви відкриваєте ящик з мотлохом.
Коли шматочки сміття відпливають від вас, ви замислюєтесь над наслідками того, що ви тільки що зробили. Звичайно, зараз ви створили хмару потенційно небезпечних сміття, які становлять серйозний ризик для супутників та майбутніх місій. Але при подальшому роздумі ваш розум полегшується. Ви робите науковий експеримент, і принцип еквівалентності гарантує, що всі ці шматочки сміття, незалежно від їх форми чи маси, чудово простежать наслідки сили Землі, не потребуючи жодних інших обчислень. Це щось унікальне для сили тяжіння, завдяки Е.П. [Чому істина відносна: докази теорії Ейнштейна]
Згинання правил
Подивіться, що трапляється з мотлохом, який ви кинули у космос. Деякі, випадково, можуть почати ідеально горизонтальною лінією. Але коли об’єкти падають на Землю, вони слідують прямими лініями, що прямують до центру земної кулі. Якщо ви пильно стежите за ними, то побачите, що вони рухаються вниз і поступово сходяться. Якби вони могли пройти крізь тверду Землю, вони врешті зіткнулися б у самому центрі.
Інші шматочки мотлоху можуть починатися ідеально вертикальною лінією, спрямованою на Землю, рівномірно розташованою один від одного. Вони теж впали б. Але щасливчик в передній частині лінії впав би трохи швидше, через його дещо ближче до Землі, причому останній у лінії трохи відстає. Отже, коли шматки сміття продовжували спускатися, вони повільно розходилися у своїй вертикальній лінії.
У деяких випадках ми отримуємо збіжні, звужуючі стежки. В інших випадках ми отримуємо розбіжні, поширені траєкторії. В обох випадках шляхи починаються як ідеально паралельні або рівномірні, але змінюють символи s. Ці змінні шляхи - це саме те, що математики використовують для опису мову «кривизни», і це мова геометрії.
Дінь, дінь, дінь. Там. Принцип еквівалентності говорить вам про те, що шляхи падаючого мотлоху безпосередньо інформують вас про природу сили тяжіння, а ті самі шляхи розкривають складну геометрію простору-часу. Іншими словами, ця гравітація - це геометрія простору-часу.
Геометрична динаміка.
Розтягуємо мізки
t "Час" у просторі та часі є дуже важливим для повної теорії. Ви, напевно, бачили демонстраційну або графічну музейну науку, що супроводжує статтю про загальну відносність, що показує, як виглядає розтягнутий гумовий лист. Важкий куля, що представляє планету чи зірку, чорну діру або будь-яку іншу, розміщується в центрі, тягнучи тканину вниз. Перекидання інших кульок на аркуші виявляє "вплив" сили тяжіння: Вони намагаються слідувати прямим лініям, але їх контури відхиляються від нижньої кривизни.
Цей демонстратор є прекрасним як перший вступ до дитячого садка, але ми вже минули в дитячому садку. У реальному просторі-часі немає «вниз», і вигин відбувається в чотирьох вимірах, а не в двох. Трохи складніше візуалізувати, саме тому ми зазвичай відступаємо до більш простої демонстрації.
Це правда, що масивний об’єкт спотворює статичний простір у його околицях, але це лише половина картини. Маса також впливає на вимір часу, і це робить, змінюючи можливі траєкторії, на які здатний проходить об'єкт.
Кожен об’єкт має те, що називається світловим конусом, або набір можливих напрямків, до яких об’єкт міг би подорожувати повільніше, ніж швидкість світла. Уявіть, що катаєтеся разом зі шматочком пилу, коли він мчить за сонцем. Він має низку майбутніх можливостей, що даються його світловим конусом. Але коли пил наближається до Сонця, сила тяжіння гігантської вогняної кулі нахиляє світлий конус пилу до самого сонця. .У пилу тепер покладено нове, більш конкретне майбутнє: Деякі пункти призначення є поза межами (вони знаходяться поза новим світловим конусом), а інші вже відкрилися.
Це може здатися розщепленням волосся, але статичне згинання простору та зміна світлих шишок з'являються в математиці загальної відносності в окремих місцях, і лише поєднуючи два ефекти, ми отримуємо повні (і точні!) Прогнози теорія. Простір і час повинні розглядатись разом; ви не можете ігнорувати one.u
Іншими словами, гравітація - це геометрія простору-часу. Геометрична динаміка.
Дізнайтеся більше, прослухавши епізод "" Серйозно, що таке гравітація? (Частина 3) "в подкасті" Запитати космонавта ", доступному в iTunes та в Інтернеті на веб-сайті http://www.askaspaceman.com. Завдяки Ендрю П., Джойсу С., @ Luft08, Бен У., Тер Б., Колін Е, Крістофер Ф., Марія А., Бретт К., брігуайтфлюг, @MarkRiepe, Кеннет Л., Елісон К., Філ Б. та @shrenic_shah щодо питань, які призвели до цієї роботи! Задайте власне запитання у Twitter, використовуючи #AskASpaceman або дотримуючись Пола @ PaulMattSutter та facebook.com/PaulMattSutter. Слідкуйте за нами @Spacedotcom, Facebook та Google+. Оригінальна стаття на Space.com.
