Yleinen suhteellisuusteoria on monimutkainen teoria, mutta putoavien esineiden kuvitteleminen voi auttaa seuraamaan sen muotoja. (Tässä GPS-satelliitit näytetään maan ympärillä - GPS riippuu suhteellisuudesta, jotta saadaan tarkat sijainnit.)
(Kuva: © NASA)
Paul Sutter on astrofysiikka Ohion osavaltion yliopisto ja päätutkija COSI-tiedekeskus. Sutter on myös isäntä "Kysy avaruusasemalta"ja"Avaruusradio, "ja johtaa AstroTours maailman ympäri. Sutter kirjoitti tämän artikkelin Space.com: n asiantuntijaäänet: Op-Ed & Insights.
Yleinen suhteellisuusteoria on yksi ihmisen ymmärryksen suurimpia hittejä, mikä tekee siitä vieläkin vaikuttavamman, että se syntyi vain yhden mielen hedelmällisestä mielikuvituksesta ja matemaattisesta kirkkaudesta. Itse teoria on viimeinen ja pysyvin luonnon "klassisista" (ts. Ei-kvantti) malleista, ja kyvyttömyytemme keksiä jotain hienostuneempaa viimeisen sadan vuoden aikana on jatkuva muistutus siitä, kuinka dang smart Albert Einstein oli.
Toinen Einsteinin nerokkuuden todistus on monimutkaisten, toisiinsa kytkettyjen yhtälöiden sotkeutuneet spagetit, jotka muodostavat koko teorian. Einstein teki kauniin koneen, mutta hän ei jätä tarkalleen meille käyttöopasta. Voimme jäljittää hänen polunsa seitsemän vuoden aikana itsensä aiheuttamasta kidutuksesta, joka johti teorian lopulliseen muotoon, mutta tätä kehityspolkua ohjasi niin paljon Einsteinin suoliston intuitiosta, että meille pelkille kuolevaisille on vaikea tehdä samoja sokeita hyppyjä nero, jonka hän teki.
Pelkästään kotiin ajamiseksi yleinen suhteellisuusteoria on niin monimutkainen, että kun joku löytää ratkaisun yhtälöihin, hän saa ratkaisunsa nimeltään ratkaisun ja tulee itsessään puolilegendaariseksi. On syytä, että Karl Schwarzschild - kaveri, joka selvitti mustien reikien geometrian - on kotitalouden nimi (tai ainakin fysiikan laitoksen nimi). [Einsteinin teoria yleisestä suhteellisuudesta: yksinkertaistettu selitys]
Geometria on kohtalo
Yleisen suhteellisuussuhteen ehdoton ydin ja sille täysin hyväksyttävä vaihtoehtoinen nimi on geometrodynamiikka. Mene eteenpäin, sano se ääneen - se on hauskaa. Tapa, jolla yleinen suhteellisuustekijä mallinntaa painovoimaa, tapahtuu itse avaruus-ajan dynaamisten machinaatioiden kautta. Teorian mukaan aineen ja energian läsnäolo muuttaa näitä aineita ympäröivää perus-avaruus-geometriaa, ja muutettu geometria vaikuttaa liikkeeseen.
Tämä suhde syntyy tärkeimmästä, perustavanlaatuisesta, jota ei voida sivuuttaa - tämä käsite, joka perustuu koko yleisen suhteellisuusteorian teoriaan: ekvivalenttisuusperiaate (E.P.). Tämä periaate on oletus, että inertiaalimassa (kuinka suuri oomph vie objektin liikuttamiseen) on sama ominaisuus kuin gravitaatio massa (kuinka paljon esine reagoi painovoimaan). Ja tämä on avain, joka avaa koko painovoima-akselin.
Tätä vastaavuutta käyttämällä voimme kuvitella skenaarion, joka auttaa visualisoimaan geometrian ja painovoiman välistä yhteyttä. Kuvittele kiertäväsi korkealla maan yläpuolella ja katselee vilpittömästi maanosien ja valtamerten rullaavan näkökulmasi alla.
Sitten avaa ruutu roskaa.
Kun roskien bitit leijuvat pois sinusta, pohdit juuri tekemäsi seurauksia. Toki, olet nyt luonut pilven potentiaalisesti vaarallisista roskista, jotka aiheuttavat suuren riskin satelliiteille ja tuleville operaatioille. Mutta myöhemmässä pohdinnassa mielesi helpottuu. Olet tekemässä tieteellistä kokeilua, ja ekvivalenttisuusperiaate takaa, että kaikki nämä roskien bitit, muodoltaan tai massaltaan riippumatta, jäljittävät täydellisesti Maan painovoiman vaikutukset ilman mitään muita laskelmia. Se on jotain ainutlaatuista painovoimalle, kiitos E.P. [Miksi relatiivisuus on totta: todisteet Einsteinin teoriasta]
Venyttää sääntöjä
Katso mitä tapahtuu roskalle, jonka heitit avaruuteen. Jotkut puhtaasti sattumalta voivat aloittaa täysin vaakasuorassa linjassa. Mutta kun esineet putoavat maan päälle, ne seuraavat suoraa linjaa, joka suuntautuu suoraan maapallon keskustaan. Jos seuraat niitä tarkkaan, huomaat, että kun he suuntaavat alaspäin, ne asteittain lähentyvät. Jos he voisivat kulkea kiinteän maan läpi, ne törmäävät lopulta aivan keskelle.
Muut roskaritit voivat alkaa täysin pystysuoraan linjaan, joka on suunnattu kohti maata, tasaisesti erillään toisistaan. He myöskin putoisivat. Mutta linjan edessä oleva onnekas putoaa hiukan nopeammin, koska se on lähempänä maata, ja viimeinen rivistä on hieman jäljessä. Joten kun roskat palautuivat laskeutumiseen, ne siirtyivät hitaasti pystysuoraan linjaansa.
Joissakin tapauksissa saamme lähentyvät, kapenevat polut. Muissa tapauksissa saamme eroavia, leviäviä suuntaviivoja. Molemmissa tapauksissa polut alkavat täysin yhdensuuntaisina tai yhdenmukaisina, mutta muuttavat merkkejä. Nämä muuttuvat polut ovat juuri niitä, joita matemaatikot käyttävät kuvaamaan "kaarevuuden" kieltä, ja se on geometrian kieli.
Ding, ding, ding. Siellä se on. Vastaavuusperiaate kertoo sinulle, että pudonneen roskan polut kertovat sinulle suoraan painovoiman luonteesta, ja samat polut paljastavat taustalla olevan avaruus-ajan monimutkaisen geometrian. Toisin sanoen tuo painovoima on avaruus-ajan geometria.
Geometrodynamics.
Venytämme aivomme
tAika-aika "aika" on erittäin tärkeä täydelle teorialle. Olet todennäköisesti nähnyt tiedemuseon esittelyn tai graafisen kuvan, joka liittyy artikkeliin yleisestä suhteellisuudesta, joka näyttää venytetyltä kumilevyltä. Raskas pallo, joka edustaa planeettaa tai tähtiä, mustaa reikää tai mitä tahansa, asetetaan keskelle vetämällä kangasta. Muiden pallojen vieriminen levylle paljastaa painovoiman "vaikutuksen": Ne yrittävät seurata suoria linjoja, mutta taustalla oleva kaarevuus suuntaa niiden polut.
Tämä demo on täysin hieno kuin ensimmäinen, päiväkodin esittely, mutta olemme jo menneet päiväkotiin. Todellisessa avaruus-ajassa ei ole "alaspäin" ja kaarevuus tapahtuu neljässä, ei kahdessa ulottuvuudessa. Sitä on hiukan vaikeampi visualisoida, minkä vuoksi pääsemme yleensä takaisin yksinkertaisempaan esittelyyn.
On totta, että massiivinen esine vääristää lähellä olevaa staattista tilaa, mutta se on vain puoli kuvaa. Massa vaikuttaa myös ajan mittaan, ja se tekee sen muuttamalla mahdollisia kulkureittejä, joihin kulkeva esine pystyy.
Jokaisella esineellä on ns. Valokartio tai joukko mahdollisia kohteita, joihin esine voisi päästä kulkemaan valon nopeutta hitaammin. Kuvittele ajamista yhdessä pölyn kanssa, kun se kilpailee auringon alla. Sillä on valikoima tulevaisuuden mahdollisuuksia, sen kevyt kartio antaa. Mutta kun pöly tulee lähellä aurinkoa, jättiläisen tulipallopaino kallistaa pölyn valokartion kohti itse aurinkoa. .Pölylle on nyt määritetty uusi, tarkempi tulevaisuus: Jotkut kohteet ovat raja-arvoista poikkeavia (ne ovat uuden valokartion ulkopuolella), kun taas toiset ovat nyt avanneet.
Tämä voi tuntua karvanhalkeamiselta, mutta tilan staattinen taipuminen ja valokeilan muuttaminen ilmenevät yleisen suhteellisuusteorian matematiikasta erillisissä paikoissa, ja vain yhdistämällä nämä kaksi efektiä saadaan täydelliset (ja tarkat!) Ennusteet teoria. Tilaa ja aikaa on tarkasteltava yhdessä; et voi sivuuttaa one.u
Toisin sanoen painovoima on avaruus-ajan geometria. Geometrodynamics.
Lisätietoja kuuntelemalla jaksoa "" Vakavasti, mikä on painovoima? (Osa 3) "" Ask A Spaceman "-podcastissa, saatavana iTunesissa ja verkossa osoitteessa http://www.askaspaceman.com. Kiitos 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. ja @shrenic_shah kysymyksiin, jotka johtivat tähän kappaleeseen! Kysy oma kysymys Twitterissä käyttämällä #AskASpaceman tai seuraamalla Paul @ PaulMattSutter ja facebook.com/PaulMattSutter. Seuraa meitä @Spacedotcom, Facebook ja Google+. Alkuperäinen artikkeli Space.com-sivustossa.
