Relativitatea generală este o teorie complexă, dar imaginarea obiectelor care se încadrează poate ajuta la urmărirea contururilor sale. (Aici, sateliții GPS sunt afișați în jurul Pământului - GPS-ul depinde de relativitate pentru a oferi poziții precise.)
(Imagine: © NASA)
Paul Sutter este astrofizician la Universitatea de Stat din Ohio iar omul de știință șef la Centrul de științe COSI. Sutter este, de asemenea, gazda de "Întrebați un Spaceman" și "Radio spațială, "și conduce AstroTours in jurul lumii. Sutter a contribuit cu acest articol Vocile experților Space.com: Op-Ed și Insights.
Relativitatea generală este una dintre cele mai mari fapte ale înțelegerii umane, făcută cu atât mai impresionantă prin faptul că a pornit din imaginația fertilă și a strălucirea matematică a unei singure minți. Teoria în sine este ultima și cea mai persistentă a modelelor „clasice” (adică nu cuantice) ale naturii, iar incapacitatea noastră de a veni cu ceva mai sofisticat în ultimele sute de ani este o amintire constantă despre cât de inteligent este Albert Einstein a fost.
Un alt test al geniului lui Einstein vine în spaghetele încurcate de ecuații complexe, interconectate, care alcătuiesc teoria completă. Einstein a făcut o mașină frumoasă, dar nu ne-a lăsat exact manualul de utilizare. Îi putem urmări calea în cei șapte ani de tortură autoinfluită care a dus la forma finală a teoriei, dar acea cale de dezvoltare a fost ghidată de o mare parte din intuiția intestinului lui Einstein, încât ne este greu să simțim muritori să facem aceleași salturi orbe din geniu pe care l-a făcut.
Doar pentru a conduce acasă punctul, relativitatea generală este atât de complexă, încât atunci când cineva descoperă o soluție la ecuații, obține soluția numită după ei și devine semi-legendară la propriu. Există un motiv pentru care Karl Schwarzschild - tipul care și-a dat seama de geometria găurilor negre - este un nume al gospodăriei (sau cel puțin, un nume al departamentului de fizică). [Teoria Einstein a relativității generale: o explicație simplificată]
Geometria este destinul
Nucleul absolut al relativității generale și o denumire alternativă perfect acceptabilă pentru aceasta este geometrodinamica. Continuați, spuneți-l cu voce tare - este distractiv. Modul în care relativitatea generală modelează gravitația este prin mecanizarea dinamică a spațiului-timp în sine. Conform teoriei, prezența materiei și a energiei modifică geometria fundamentală în spațiu-timp care înconjoară aceste substanțe, iar această geometrie modificată influențează mișcarea.
Această relație provine din cel mai important, fundamental, nu poate ignora acest concept care stă la baza întregii teorii a relativității generale: principiul echivalenței (E.P.). Acest principiu este presupunerea că masa inerțială (cât de mult oomph este nevoie pentru a muta un obiect) este aceeași proprietate ca masa gravitațională (cât de mult un obiect răspunde la gravitație). Și aceasta este cheia care deblochează întregul shebang gravitațional.
Folosind această echivalență, putem imagina un scenariu care să ajute la vizualizarea conexiunii dintre geometrie și gravitație. Pretinde că orbitezi deasupra Pământului, urmărind senin continentele și oceanele să se rostogolească sub punctul tău de vedere.
Apoi deschideți o cutie de gunoi.
Pe măsură ce bucățile de reziduuri plutesc departe de tine, te gândești la ramificările a ceea ce tocmai ai făcut. Sigur, acum ați creat un nor de resturi potențial periculoase, care prezintă un risc major pentru sateliți și misiunile viitoare. Dar, în urma unei reflecții suplimentare, mintea ta se ușurează. Faceți un experiment științific, iar principiul echivalenței garantează că toate aceste bucăți de resturi, indiferent de forma sau masa lor, vor urmări perfect efectele gravitației Pământului, fără a fi nevoie de alte calcule. Aceasta este ceva unic forței gravitației, datorită E.P. [De ce Relativitatea este adevărată: Dovada pentru teoria lui Einstein]
Îndoirea regulilor
Uită-te ce se întâmplă cu junk-ul pe care l-ai aruncat în spațiu Unii, din pură întâmplare, pot porni într-o linie perfect orizontală. Dar pe măsură ce obiectele cad pe Pământ, ele urmează linii drepte îndreptându-se chiar spre centrul globului. Dacă îi urmăriți îndeaproape, veți vedea că pe măsură ce se îndreaptă în jos, vor converge treptat. Dacă ar putea trece prin Pământul solid, în cele din urmă, se vor ciocni chiar în centrul.
Alte bucăți de gunoi s-ar putea porni într-o linie perfect verticală orientată către Pământ, distanțate uniform unele de altele. Și ei ar cădea. Dar cel norocos din fața liniei ar cădea puțin mai repede, din cauza apropierii sale ușor mai aproape de Pământ, ultima dintre linii rămânând ușor în urmă. Așa că, pe măsură ce bucățile de resturi își continuau coborârea, ele se vor abate încet în linia lor verticală.
În unele cazuri, obținem trasee convergente și înguste. În alte cazuri, obținem traiectorii divergente, răspândite. În ambele cazuri, traseele încep ca fiind perfect paralele sau uniforme, dar schimbă caracterul. Aceste căi care se schimbă sunt exact ceea ce matematicienii folosesc limbajul „curburii” pentru a descrie și acesta este limbajul geometriei.
Ding, ding, ding. Iata. Principiul de echivalență vă spune că căile de cădere a gunoiului vă informează direct despre natura gravitației, iar aceleași căi dezvăluie o geometrie complicată a spațiului-timp de bază. Cu alte cuvinte, acea gravitate este geometria spațiului-timp.
Geometrodynamics.
Întinzându-ne creierul
„Timpul” în spațiu-timp este foarte important pentru teoria completă. Probabil ați văzut demonstrația sau graficul muzeului științei care însoțește un articol despre relativitatea generală care arată cum arată o foaie de cauciuc întinsă. O bilă grea, reprezentând o planetă sau o stea sau o gaură neagră sau orice altceva, este plasată în centru, trăgând țesătura în jos. Rularea altor bile pe foaie relevă „influența” gravitației: Încearcă să urmeze linii drepte, dar traseele lor devin deviate de curbura de bază.
Această demonstrație este perfectă ca o primă introducere, la grădiniță, dar acum am trecut cu bine la grădiniță. Nu există „coborâre” în spațiu-timp real, iar curba se întâmplă în patru dimensiuni, nu în două. Este puțin mai greu de vizualizat, motiv pentru care ne retragem de obicei în cea mai simplă demonstrație.
Este adevărat că un obiect masiv denaturează spațiul static din vecinătatea sa, dar asta este doar jumătate din imagine. Masa afectează, de asemenea, dimensiunea timpului și o face prin modificarea posibilelor traiectorii de care este capabil un obiect care trece.
Fiecare obiect are ceea ce se numește un con de lumină sau un set de destinații posibile pe care obiectul ar putea ajunge să călătorească mai lent decât viteza luminii. Imaginați-vă că mergeți împreună cu o pulbere de praf în timp ce aleargă la soare. Are o serie de posibilități viitoare, date de conul său de lumină. Dar, în timp ce praful se apropie de soare, gravitatea acelei bile de foc uriașe înclină conul de lumină al prafului înspre soare. . Praful are acum un viitor nou, mai specific, atribuit: Unele destinații sunt în afara limitelor (sunt în afara noului con de lumină), în timp ce altele s-au deschis acum.
Acest lucru poate părea ca părul împărțit, dar îndoirea statică a spațiului și modificarea conurilor de lumină apar în matematica relativității generale în locuri separate și numai prin combinarea celor două efecte obținem predicțiile complete (și exacte!) Ale teorie. Spațiul și timpul trebuie să fie luate în considerare împreună; nu poți ignora unul.u
Cu alte cuvinte, gravitația este geometria spațiului-timp. Geometrodynamics.
Aflați mai multe ascultând episodul "" Serios, Ce este gravitatea? (Partea 3) "pe podcastul" Ask A Spaceman ", disponibil pe iTunes și pe web la adresa http://www.askaspaceman.com. Mulțumesc lui 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. și @shrenic_shah pentru întrebările care au dus la această piesă! Puneți-vă propria întrebare! pe Twitter folosind #AskASpaceman sau urmând Paul @ PaulMattSutter și facebook.com/PaulMattSutter. Urmați-ne @Spacedotcom, Facebook și Google+. Articolul original pe Space.com.
