Общата относителност е сложна теория, но представянето на падащи предмети може да помогне за проследяване на нейните контури. (Тук GPS сателитите са показани около Земята - GPS зависи от относителността, за да даде точни позиции.)
(Изображение: © НАСА)
Пол Сътър е астрофизик в Държавният университет в Охайо и главният учен в Научен център COSI, Sutter също е домакин на „Попитайте Космонавт" и "Космическо радио, "и води AstroTours по света. Sutter допринесе за тази статия Гласовете на експертите на Space.com: Op-Ed & Insights.
Общата относителност е един от най-големите подвизи на човешкото разбиране, направен още по-впечатляващ от факта, че произтича от плодородното въображение и кучешки математически блясък само на един ум. Самата теория е последният и най-устойчив от „класическите“ (т.е. не квантовите) модели на природата, а нашата неспособност да измислим нещо по-сложно през последните сто години е постоянно напомняне за това колко сме дръзки умен Алберт Айнщайн беше.
Друго доказателство за гения на Айнщайн идва в заплетените спагети на сложни, взаимосвързани уравнения, съставляващи пълната теория. Айнщайн направи красива машина, но не ни остави точно ръководството на потребителя. Можем да проследим неговия път през седемте години на самонанесени мъчения, довели до окончателната форма на теорията, но този път на развитие се ръководи от толкова голяма интуиция на Айнщайн, че е трудно за нас простосмъртните да направим същите слепи скокове на гений, който направи.
Просто, за да задвижвам дома до точката, общата относителност е толкова сложна, че когато някой открие решение на уравненията, получава решението, кръстено на тях и става самостоятелно полу-легендарно. Има причина, че Карл Шварцшилд - човекът, който измисли геометрията на черните дупки - е име на домакинство (или поне име на отдел по физика). [Теорията на Айнщайн за общата относителност: опростено обяснение]
Геометрията е съдба
Абсолютното ядро на общата относителност и напълно приемливо алтернативно име за него е геодеродинамиката. Давай, кажи го на глас - забавно е. Начинът, по който общата относителност моделира гравитацията, е чрез динамичните машинации на самото пространство-време. Според теорията присъствието на материя и енергия променя основната геометрия на пространството и времето, заобикаляща тези вещества, и тази променена геометрия влияе върху движението.
Тази връзка възниква от най-важната, фундаментална, не може да се пренебрегне - тази концепция, която лежи в основата на цялата теория на общата относителност: принципа на еквивалентност (Е.П.). Този принцип е предположението, че инерционната маса (колко oomph е необходима за преместване на даден обект) е същото свойство като гравитационната маса (колко обект реагира на гравитацията). И това е ключът, който отключва целия гравитационен шебанг.
Използвайки тази еквивалентност, можем да си представим сценарий, който да помогне за визуализиране на връзката между геометрията и гравитацията. Преструвайте се, че орбитирате високо над Земята, спокойно наблюдавате как континентите и океаните се търкалят под вашата прелестна точка.
След това отваряте кутия с боклуци.
Докато късчетата отломки отплуват от вас, вие размишлявате върху последствията от това, което току-що направихте. Със сигурност, сега сте създали облак от потенциално опасни отломки, които представляват основен риск за сателитите и бъдещите мисии. Но при по-нататъшно размисъл умът ви се отпуска. Вие правите научен експеримент и принципът на еквивалентност гарантира, че всички тези парченца отломки, независимо от формата или масата им, ще проследят перфектно ефектите на земната гравитация, без да е необходимо да се правят други изчисления. Това е нещо уникално за силата на гравитацията, благодарение на E.P. [Защо относителността е вярна: доказателствата за теорията на Айнщайн]
Огъване на правилата
Гледайте какво се случва с боклуците, които хвърлихте в космоса. Някои, по чиста случайност, могат да започнат в идеално хоризонтална линия. Но тъй като обектите падат на Земята, те следват прави линии, насочващи се точно към центъра на земното кълбо. Ако ги наблюдавате отблизо, ще видите, че докато се насочат надолу, те постепенно ще се сближат. Ако можеха да минат през твърдата Земя, в крайна сметка щяха да се сблъскат в самия център.
Други парченца боклуци може да тръгнат по идеално вертикална линия, насочена към Земята, равномерно разположена една от друга. Те също биха паднали. Но късметлията в предната част на линията щеше да падне малко по-бързо, поради малко по-близката си близост до Земята, като последният в линията ще изостане малко по-назад. И тъй като парчетата отломки продължиха спускането си, те бавно ще се разминават във вертикалната си линия.
В някои случаи получаваме сближаващи се, стесняващи пътеки. В други случаи получаваме разминаващи се, разпространяващи траектории. И в двата случая пътеките започват като перфектно успоредни или еднообразни, но променят символите s. Тези променящи се пътища са точно това, което математиците използват езика на "кривина", за да опишат, и това е езикът на геометрията.
Динг, динг, динг. Ето го. Принципът на еквивалентност ви казва, че пътищата на падащи боклуци директно ви информират за естеството на гравитацията, а същите тези пътеки разкриват сложна геометрия на основното пространство-време. С други думи, тази гравитация е геометрията на пространството-времето.
Геометродинамика.
Разтягаме мозъците си
t "Времето" в пространството-времето е много важно за пълната теория. Вероятно сте виждали демонстрация или графика на научния музей, придружаваща статия за общата относителност, показваща какво прилича на опънат гумен лист. Тежка топка, представляваща планета, звезда или черна дупка или каквото и да е, се поставя в центъра и дърпа тъканта надолу. Превъртането на други топки по листа разкрива „влиянието“ на гравитацията: Те се опитват да следват прави линии, но техните пътеки се отклоняват от основната кривина.
Това демонстрация е напълно добре като първо въведение в детската градина, но вече сме отминали детската градина. В реално пространство-време няма "надолу" и извиването се случва в четири измерения, а не в две. Малко по-трудно е да се визуализира, поради което обикновено се отдръпваме към по-простата демонстрация.
Вярно е, че масивен обект изкривява статичното пространство в близост до него, но това е само половината от картината. Масата също влияе върху измерението на времето и това прави, променяйки възможните траектории, на които преминаващият обект е способен.
Всеки обект има това, което се нарича светлинен конус, или набор от възможни дестинации, до които обектът може да достигне, пътувайки по-бавно от скоростта на светлината. Представете си язденето заедно с пръчица прах, докато се надбягва от слънцето. Той има редица бъдещи възможности, дадени от светлинния му конус. Но когато прахът се приближава до слънцето, гравитацията на тази гигантска огнена топка наклонява светлинния конус на праха към самото слънце. .На прах сега му е присвоено ново, по-конкретно бъдеще: Някои дестинации са извън границите (те са извън новия светлинен конус), докато други вече се отварят.
Това може да изглежда като разцепване на космите, но статичното огъване на пространството и промяната на светлинните конуси се появяват в математиката на общата относителност на отделни места и само чрез комбиниране на двата ефекта получаваме пълните (и точни!) Прогнози на теория. Пространството и времето трябва да се разглеждат заедно; не можете да пренебрегнете one.u
С други думи, гравитацията е геометрията на пространството-времето. Геометродинамика.
Научете повече, като слушате епизода "" Сериозно, какво е гравитацията? (Част 3) "в подкаста" Попитай космонавта ", достъпен в iTunes и в мрежата на http://www.askaspaceman.com. Благодаря на 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. и @shrenic_shah за въпросите, довели до това парче! Задайте своя собствен въпрос в Twitter чрез #AskASpaceman или като следвате Пол @ PaulMattSutter и facebook.com/PaulMattSutter. Следвайте ни @Spacedotcom, Facebook и Google+. Оригинална статия в Space.com.
