Bendrasis reliatyvumas yra sudėtinga teorija, tačiau krintančių objektų įsivaizdavimas gali padėti atsekti jo kontūrus. (Čia GPS palydovai rodomi aplink Žemę - GPS nurodo tikslumą, kad nustatytų tikslias vietas.)
(Vaizdas: © NASA)
Paulius Sutteris yra astrofizikas Ohajo valstijos universitetas ir vyriausiasis mokslininkas COSI mokslo centras. Sutteris taip pat yra „Paklauskite erdvėlaivio"ir"Kosminis radijas, “ir veda „AstroTours“ aplink pasauli. Sutteris prisidėjo prie šio straipsnio „Space.com“ ekspertų balsai: op-ed ir įžvalgos.
Bendrasis reliatyvumas yra vienas didžiausių žmogaus supratimo žygdarbių, kurį dar labiau sužavėjo tai, kad jis kilo iš vaisingos vaizduotės ir apgaulingo tik vieno proto matematinio spindesio. Pati teorija yra paskutinis ir atkakliausias iš „klasikinių“ (ty ne kvantinių) gamtos modelių, o mūsų nesugebėjimas sugalvoti ko nors sudėtingesnio per pastaruosius šimtą metų yra nuolatinis priminimas, kaip dangus išmanusis Albertas Einšteinas buvo.
Kitas Einšteino genijaus liudijimas yra susivėlę sudėtingų, tarpusavyje susijusių lygčių, sudarančių visą teoriją, spagečiai. Einšteinas pagamino gražią mašiną, tačiau jis tiksliai nepaliko mums vartotojo vadovo. Jo kelią galime atsekti per septynerius savaime kankinamų kankinimų, atvedusių į galutinę teorijos formą, kelią, tačiau tuo vystymosi keliu vadovavosi tiek Einšteino žarnyno intuicija, kad mums, paprasčiausiems mirtingiesiems, sunku padaryti tuos pačius akluosius šuolius. genijus, kurį jis padarė.
Bendras reliatyvumas, tik važiuojant namo, yra toks sudėtingas, kad kai kas nors suranda lygčių sprendimą, jis gauna sprendimą, pavadintą jų vardu, ir savaime tampa pusiau legendiniu. Yra priežastis, kad Karlas Schwarzschildas - vaikinas, kuris išsiaiškino juodųjų skylių geometriją - yra buitinis vardas (ar bent jau fizikos skyriaus pavadinimas). [Einšteino bendrojo reliatyvumo teorija: supaprastintas paaiškinimas]
Geometrija yra likimas
Absoliutus bendrojo reliatyvumo branduolys ir jam visiškai priimtinas alternatyvus pavadinimas yra geometrodinamika. Eik į priekį, pasakyk tai garsiai - tai smagu. Bendrasis reliatyvumas modeliuoja gravitaciją per pačios erdvės laiko dinamines machinacijas. Remiantis teorija, materijos ir energijos buvimas keičia pagrindinę erdvės-laiko geometriją, supančią tas medžiagas, ir ta pakitusi geometrija daro įtaką judėjimui.
Šis santykis kyla iš svarbiausio, pagrindinio, kurio negalima ignoruoti - šios koncepcijos, kuria grindžiama visa bendrojo reliatyvumo teorija: lygiavertiškumo principo (E. P.). Šis principas yra prielaida, kad inercinė masė (kiek oomph reikia norint pajudinti objektą) yra tokia pati savybė kaip ir gravitacinė masė (kiek objektas reaguoja į gravitaciją). Ir tai yra raktas, kuris atrakina visą gravitacinį skiautelę.
Naudodamiesi tuo ekvivalentu, mes galime įsivaizduoti scenarijų, kuris padėtų vizualizuoti geometrijos ir gravitacijos ryšį. Apsimesti, ar skrieji aukštai virš žemės, ramiai stebėdamas, kaip žemynai ir vandenynai riedės po tavo tašką.
Tada atidarote dėžę šiukšlių.
Kai nuo jūsų nutekės šiukšlių gabaliukai, apmąstysite to, ką ką tik padarėte, padarinius. Žinoma, jūs dabar sukūrėte potencialiai pavojingų šiukšlių debesį, kuris kelia didelę riziką palydovams ir būsimoms misijoms. Bet po tolesnio apmąstymo jūsų protas palengvėja. Jūs darote mokslinį eksperimentą, o lygiavertiškumo principas garantuoja, kad visos šios šiukšlių dalys, nesvarbu, kokia jų forma ar masė, puikiai atsektų Žemės gravitacijos padarinius ir nereikės atlikti jokių kitų skaičiavimų. Tai kažkas išskirtinio sunkio jėgos dėka, E.P. [Kodėl reliatyvumo tiesa: Einšteino teorijos įrodymai]
Taisyklių sulenkimas
Stebėkite, kas nutinka šlamšto, kurį išmetėte į kosmosą. Kai kurie, atsitiktinai, gali prasidėti visiškai horizontalia linija. Objektams nukritus į Žemę, jie eina tiesiomis linijomis, einančiomis tiesiai į Žemės rutulio centrą. Jei atidžiai juos stebėsite, pamatysite, kad jie žemyn žemyn pamažu suartės. Jei jie galėtų praeiti per tvirtą Žemę, jie galų gale susidurtų pačiame centre.
Kiti šiukšlių gabaliukai gali prasidėti visiškai vertikalioje linijoje, nukreiptoje į Žemę, tolygiai viena nuo kitos. Jie taip pat kris. Bet laimingasis linijos priekyje kris šiek tiek greičiau, nes yra šiek tiek arčiau Žemės, o paskutinis eilutėje šiek tiek atsilieka. Taigi, kai šiukšlių gabalai toliau nusileido, jie lėtai nukrypsta į savo vertikalią liniją.
Kai kuriais atvejais takai susiaurėja, susiaurėja. Kitais atvejais mes išsiskiriame, plinta trajektorijos. Abiem atvejais keliai prasideda kaip visiškai lygiagretūs ar vienodi, tačiau keičiasi charakteriai. Šie kintantys keliai yra būtent tai, ką matematikai apibūdindami vartoja „kreivumo“ kalbą, ir tai yra geometrijos kalba.
Ding, ding, ding. Štai jis. Lygiavertiškumo principas nurodo, kad krintančio šlamšto keliai tiesiogiai informuoja jus apie gravitacijos pobūdį, o tie patys keliai atskleidžia sudėtingą esminio erdvės laiko geometriją. Kitaip tariant, ta gravitacija yra erdvės-laiko geometrija.
Geometrodinamika.
Ištiesdami mūsų smegenis
„Laikas“ erdvės laike yra labai svarbus išsamiai teorijai. Tikriausiai esate matę mokslo muziejaus demonstracinę versiją ar grafiką, pridėtą prie bendrosios reliatyvumo straipsnio, kuriame parodyta, kaip atrodo ištemptas guminis lapas. Sunkus rutulys, vaizduojantis planetą ar žvaigždę, juodąją skylę ar bet ką, dedamas centre, traukiant audinį žemyn. Valcuojant kitus rutulius ant lapo, paaiškėja gravitacijos „įtaka“: Jie stengiasi laikytis tiesių linijų, tačiau jų kelius nukreipia apatinis išlinkimas.
Ši demonstracinė versija yra tobula kaip pirmasis įvadas į darželį, tačiau mes jau seniai lankėme darželį. Realiame erdvės laike nėra „žemyn“, o kreivė vyksta keturiose, o ne dviejose dimensijose. Šiek tiek sunkiau vizualizuoti, todėl dažniausiai atsitraukiame prie paprastesnės demonstracinės versijos.
Tiesa, kad masyvus objektas iškreipia netoliese esančią statinę erdvę, tačiau tai tik pusė paveikslo. Masė taip pat daro įtaką laiko matmeniui, ir tai daro pakeisdama galimas trajektorijas, kurias praeinantis daiktas gali.
Kiekvienas objektas turi tai, kas vadinama šviesos kūgiu, arba galimų krypčių rinkinį, kurį objektas galėtų pasiekti važiuodamas lėčiau nei šviesos greitis. Įsivaizduokite, kad važinėjate kartu su dulkių dėme, kai ji skrieja po saule. Jo lengvas kūgis suteikia daugybę ateities galimybių. O dulkėms artėjant prie saulės, to milžiniško ugnies kamuolio sunkumas nukreipia dulkių šviesos kūgį link pačios saulės. .Dulkėms dabar priskirta nauja, konkretesnė ateitis: Kai kurios kelionės tikslai yra neriboti (jie yra už naujojo šviesos kūgio ribų), o kiti dabar atsidarė.
Tai gali atrodyti kaip suskaidyti plaukai, tačiau statinis erdvės lenkimas ir šviesos kūgelių keitimas bendrojo reliatyvumo matematikoje pasireiškia atskirose vietose ir tik sujungę du efektus gauname išsamias (ir tikslias!) Prognozes. teorija. Erdvė ir laikas turi būti vertinami kartu; tu negali ignoruoti one.u
Kitaip tariant, gravitacija yra erdvės-laiko geometrija. Geometrodinamika.
Sužinokite daugiau, klausydamiesi epizodo "" Rimtai, kas yra gravitacija? (3 dalis) "podcast'e„ Ask A Spaceman ", pasiekiamą„ iTunes “ir internete http://www.askaspaceman.com. Ačiū 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. ir @shrenic_shah už klausimus, kurie paskatino šį kūrinį! Užduokite savo klausimą Twitteryje naudodamiesi #AskASpaceman arba sekdami Paul @ PaulMattSutter ir facebook.com/PaulMattSutter. Stebėkite mus @Spacedotcom, Facebook ir Google+. Originalus straipsnis Space.com.
