Η γενική σχετικότητα είναι μια περίπλοκη θεωρία, αλλά η φαντασία των αντικειμένων που πέφτουν μπορεί να βοηθήσει στον εντοπισμό των περιγραμμάτων της. (Εδώ, οι δορυφόροι GPS εμφανίζονται γύρω από τη Γη - το GPS εξαρτάται από τη σχετικότητα για να δώσει ακριβείς θέσεις.)
(Εικόνα: © NASA)
Πολ Σάτερ είναι αστροφυσικός στο Το Πανεπιστήμιο του Οχάιο και ο επικεφαλής επιστήμονας στο Επιστημονικό κέντρο COSI. Ο Sutter είναι επίσης οικοδεσπότης του "Ρωτήστε έναν Spaceman" και "Διαστημικό ραδιόφωνο, "και οδηγεί AstroTours σε όλο τον κόσμο. Ο Sutter συνέβαλε σε αυτό το άρθρο Οι ειδικές φωνές του Space.com: Op-Ed & Insights.
Η γενική σχετικότητα είναι ένα από τα μεγαλύτερα κατορθώματα της ανθρώπινης κατανόησης, που καθίσταται ακόμη πιο εντυπωσιακό από το γεγονός ότι προήλθε από τη γόνιμη φαντασία και τη βαθιά μαθηματική λαμπρότητα ενός μόνο νου. Η ίδια η θεωρία είναι το τελευταίο και πιο επίμονο από τα «κλασικά» (δηλαδή όχι κβαντικά) μοντέλα της φύσης και η αδυναμία μας να βρούμε κάτι πιο εξελιγμένο τα τελευταία εκατό χρόνια είναι μια συνεχής υπενθύμιση του πόσο dang έξυπνος Albert Ο Αϊνστάιν ήταν.
Μια άλλη απόδειξη για την ιδιοφυΐα του Αϊνστάιν έρχεται στα μπερδεμένα μακαρόνια σύνθετων, αλληλοσυνδεόμενων εξισώσεων που αποτελούν την πλήρη θεωρία. Ο Αϊνστάιν έφτιαξε ένα όμορφο μηχάνημα, αλλά δεν μας άφησε ακριβώς ένα εγχειρίδιο χρήστη. Μπορούμε να εντοπίσουμε την πορεία του στα επτά χρόνια βασανιστηρίων που οδήγησαν στην τελική μορφή της θεωρίας, αλλά αυτή η πορεία ανάπτυξης καθοδηγείται από τόση διαίσθηση του Αϊνστάιν που είναι δύσκολο για εμάς τους θνητούς να κάνουμε τα ίδια τυφλά άλματα ιδιοφυΐα που έκανε.
Απλώς για να φτάσουμε στο σπίτι, η γενική σχετικότητα είναι τόσο περίπλοκη που όταν κάποιος ανακαλύπτει μια λύση στις εξισώσεις, παίρνουν τη λύση που πήρε το όνομά τους και γίνονται ημι-θρυλικές από μόνες τους. Υπάρχει ένας λόγος που ο Karl Schwarzschild - ο τύπος που κατάλαβε τη γεωμετρία των μαύρων τρυπών - είναι ένα οικιακό όνομα (ή τουλάχιστον, ένα όνομα τμήματος φυσικής). [Θεωρία της Γενικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν: Μια απλοποιημένη εξήγηση]
Η γεωμετρία είναι το πεπρωμένο
Ο απόλυτος πυρήνας της γενικής σχετικότητας, και ένα απολύτως αποδεκτό εναλλακτικό όνομα για αυτό, είναι η γεωμετροδυναμική. Προχωρήστε, πείτε το δυνατά - είναι διασκεδαστικό. Ο τρόπος με τον οποίο η γενική σχετικότητα διαμορφώνει τη βαρύτητα είναι μέσω των δυναμικών μηχανισμών του ίδιου του χωροχρόνου. Σύμφωνα με τη θεωρία, η παρουσία ύλης και ενέργειας μεταβάλλει τη θεμελιώδη γεωμετρία χωροχρόνου που περιβάλλει αυτές τις ουσίες και η αλλοιωμένη γεωμετρία επηρεάζει την κίνηση.
Αυτή η σχέση προέρχεται από την πιο σημαντική, θεμελιώδη, δεν μπορεί να αγνοηθεί - αυτή η έννοια που βασίζεται σε ολόκληρη τη θεωρία της γενικής σχετικότητας: την αρχή της ισοδυναμίας (Ε.Π.). Αυτή η αρχή είναι η υπόθεση ότι η αδρανειακή μάζα (πόση ώρα χρειάζεται για να μετακινήσετε ένα αντικείμενο) είναι η ίδια ιδιότητα με τη βαρυτική μάζα (πόσο ένα αντικείμενο ανταποκρίνεται στη βαρύτητα). Και αυτό είναι το κλειδί που ξεκλειδώνει ολόκληρο το βαρυτικό shebang.
Χρησιμοποιώντας αυτήν την ισοδυναμία, μπορούμε να φανταστούμε ένα σενάριο που θα βοηθήσει στην οπτικοποίηση της σύνδεσης μεταξύ γεωμετρίας και βαρύτητας. Προσποιηθείτε ότι είστε σε τροχιά ψηλά πάνω από τη Γη, παρακολουθώντας γαλήνια τις ηπείρους και τους ωκεανούς να κυλούν κάτω από το πλεονεκτικό σας σημείο.
Τότε ανοίγετε ένα κουτί σκουπιδιών.
Καθώς τα κομμάτια των συντριμμιών απομακρύνονται από εσάς, συλλογίζεστε τις συνέπειες αυτού που μόλις κάνατε. Σίγουρα, τώρα δημιουργήσατε ένα σύννεφο δυνητικά επικίνδυνων συντριμμιών που ενέχει σημαντικό κίνδυνο για τους δορυφόρους και τις μελλοντικές αποστολές. Αλλά μετά από περαιτέρω σκέψη, το μυαλό σας χαλαρώνει. Κάνετε ένα επιστημονικό πείραμα, και η αρχή της ισοδυναμίας εγγυάται ότι όλα αυτά τα κομμάτια των συντριμμιών, ανεξάρτητα από το σχήμα ή τη μάζα τους, θα εντοπίσουν τέλεια τα αποτελέσματα της βαρύτητας της Γης, χωρίς την ανάγκη για άλλους υπολογισμούς. Αυτό είναι κάτι μοναδικό στη δύναμη της βαρύτητας, χάρη στο E.P. [Γιατί είναι αλήθεια η σχετικότητα: Η απόδειξη για τη θεωρία του Αϊνστάιν]
Κάμψη των κανόνων
Παρακολουθήστε τι συμβαίνει στα σκουπίδια που πετάξατε στο διάστημα. Μερικοί, από καθαρή τύχη, μπορεί να ξεκινήσουν σε μια τέλεια οριζόντια γραμμή. Αλλά καθώς τα αντικείμενα πέφτουν στη Γη, ακολουθούν ευθείες γραμμές που κατευθύνονται προς το κέντρο του πλανήτη. Εάν τα παρακολουθείτε προσεκτικά, θα δείτε ότι καθώς κατευθύνονται προς τα κάτω, θα συγκλίνουν σταδιακά. Αν μπορούσαν να περάσουν από τη συμπαγή Γη, τελικά θα συγκρούονταν στο κέντρο.
Άλλα κομμάτια σκουπιδιών μπορεί να ξεκινούν σε μια τέλεια κατακόρυφη γραμμή με στόχο τη Γη, σε απόσταση μεταξύ τους ομοιόμορφα. Και θα πέσουν. Αλλά ο τυχερός στο μπροστινό μέρος της γραμμής θα πέσει ελαφρώς πιο γρήγορα, λόγω της ελαφρώς πιο κοντά του στη Γη, με την τελευταία γραμμή να υστερεί ελαφρώς πίσω. Έτσι, καθώς τα κομμάτια των συντριμμιών συνέχισαν να κατεβαίνουν, θα αποκλίνουν αργά στην κάθετη γραμμή τους.
Σε ορισμένες περιπτώσεις, έχουμε συγκλίνουσες, στενότερες διαδρομές. Σε άλλες περιπτώσεις, αποκλίνουμε, διαδίδουμε τροχιές. Και στις δύο περιπτώσεις, οι διαδρομές ξεκινούν απόλυτα παράλληλες ή ομοιόμορφες αλλά αλλάζουν χαρακτήρα s. Αυτά τα μεταβαλλόμενα μονοπάτια είναι ακριβώς αυτά που οι μαθηματικοί χρησιμοποιούν τη γλώσσα "καμπυλότητας" για να περιγράψουν, και αυτή είναι η γλώσσα της γεωμετρίας.
Ding, ding, ding. Εκεί είναι. Η αρχή της ισοδυναμίας σας λέει ότι τα μονοπάτια της πτώσης σκουπιδιών σας ενημερώνουν άμεσα για τη φύση της βαρύτητας και αυτά τα ίδια μονοπάτια αποκαλύπτουν μια περίπλοκη γεωμετρία του υποκείμενου χωροχρόνου. Με άλλα λόγια, αυτή η βαρύτητα είναι η γεωμετρία του χωροχρόνου.
Γεωμετροδυναμική.
Τεντώνοντας τον εγκέφαλό μας
t Ο "χρόνος" στο χωροχρόνο είναι πολύ σημαντικός για την πλήρη θεωρία. Ίσως έχετε δει την επίδειξη ή το γραφικό του μουσείου επιστημών να συνοδεύει ένα άρθρο σχετικά με τη γενική σχετικότητα που δείχνει τι μοιάζει με τεντωμένο λαστιχένιο φύλλο. Μια βαριά μπάλα, που αντιπροσωπεύει έναν πλανήτη ή ένα αστέρι ή μια μαύρη τρύπα ή οτιδήποτε άλλο, τοποθετείται στο κέντρο, τραβώντας το ύφασμα προς τα κάτω. Το κύλισμα άλλων μπαλών στο φύλλο αποκαλύπτει την «επίδραση» της βαρύτητας: Προσπαθούν να ακολουθήσουν ευθείες γραμμές, αλλά τα μονοπάτια τους παραμορφώνονται από την υποκείμενη καμπυλότητα.
Αυτό το demo είναι απόλυτα εντάξει ως πρώτη εισαγωγή στο νηπιαγωγείο, αλλά έχουμε περάσει από το νηπιαγωγείο τώρα. Δεν υπάρχει «κάτω» στον πραγματικό χωροχρόνο, και η καμπύλη συμβαίνει σε τέσσερις διαστάσεις, όχι σε δύο. Είναι λίγο πιο δύσκολο να απεικονιστεί, γι 'αυτό συνήθως υποχωρούμε στο απλούστερο demo.
Είναι αλήθεια ότι ένα τεράστιο αντικείμενο παραμορφώνει τον στατικό χώρο στην περιοχή του, αλλά αυτή είναι μόνο η μισή εικόνα. Η μάζα επηρεάζει επίσης τη διάσταση του χρόνου και το κάνει αλλάζοντας τις πιθανές τροχιές που μπορεί να περάσει ένα αντικείμενο που περνά.
Κάθε αντικείμενο έχει αυτό που λέγεται ελαφρύς κώνος, ή ένα σύνολο πιθανών προορισμών στους οποίους το αντικείμενο θα μπορούσε να φτάσει αργότερα από την ταχύτητα του φωτός. Φανταστείτε να οδηγείτε μαζί με μια κηλίδα σκόνης καθώς τρέχει δίπλα στον ήλιο. Έχει μια σειρά μελλοντικών δυνατοτήτων, δεδομένου του κώνου του. Αλλά καθώς η σκόνη πλησιάζει στον ήλιο, η βαρύτητα αυτής της γιγαντιαίας βολίδας γέρνει τον ελαφρύ κώνο της σκόνης προς τον ίδιο τον ήλιο. . Η σκόνη έχει τώρα ένα νέο, πιο συγκεκριμένο μέλλον που της έχει ανατεθεί: Ορισμένοι προορισμοί είναι εκτός ορίων (βρίσκονται εκτός του νέου κώνου φωτός), ενώ άλλοι έχουν ανοίξει τώρα.
Αυτό μπορεί να φαίνεται σαν να χωρίζει τρίχες, αλλά η στατική κάμψη του χώρου και η αλλαγή των κώνων φωτός εμφανίζονται στα μαθηματικά της γενικής σχετικότητας σε ξεχωριστά μέρη, και μόνο συνδυάζοντας τα δύο εφέ παίρνουμε τις πλήρεις (και ακριβείς!) Προβλέψεις του θεωρία. Ο χώρος και ο χρόνος πρέπει να εξεταστούν από κοινού. δεν μπορείτε να αγνοήσετε το one.u
Με άλλα λόγια, η βαρύτητα είναι η γεωμετρία του χωροχρόνου. Γεωμετροδυναμική.
Μάθετε περισσότερα ακούγοντας το επεισόδιο "" Σοβαρά, τι είναι η βαρύτητα; (Μέρος 3) "στο podcast" Ask A Spaceman ", διαθέσιμο στο iTunes και στον ιστό στη διεύθυνση http://www.askaspaceman.com. Χάρη στον 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. και @shrenic_shah για τις ερωτήσεις που οδήγησαν σε αυτό το κομμάτι! Κάντε τη δική σας ερώτηση στο Twitter χρησιμοποιώντας το #AskASpaceman ή ακολουθώντας τον Paul @ PaulMattSutter και το facebook.com/PaulMattSutter. Ακολουθήστε μας @Spacedotcom, Facebook και Google+. Αρχικό άρθρο στο Space.com.
