Геният на Айнщайн: Описване на геометрията на пространството-време

GPS сателити

Общата теория на относителността е сложна теория, но представянето на падащи обекти може да помогне да се проследят нейните контури. (Тук GPS сателитите се показват около Земята - GPS зависи от относителността, за да даде точни позиции.) (Изображение кредит: НАСА)





Пол Сътър е астрофизик в Държавният университет на Охайо и главният учен в Научен център COSI . Sutter също е домакин на „ Попитайте космическия човек ' и ' Космическо радио , 'и води AstroTours по света. Сътър допринесе за тази статия Експертните гласове на guesswhozoo.com: Op-Ed & Insights .

Общата теория на относителността е един от най -големите подвизи на човешкото разбиране, който става още по -впечатляващ от факта, че произхожда от плодотворното въображение и упорит математически блясък само на един ум. Самата теория е последният и най-устойчивият от „класическите“ (т.е. не-квантови) модели на природата и нашата неспособност да измислим нещо по-сложно през последните сто години е постоянно напомняне за това колко умен е Алберт Айнщайн беше.

Друго свидетелство за гения на Айнщайн идва в заплетените спагети от сложни, взаимосвързани уравнения, които съставляват пълната теория. Айнщайн направи красива машина, но не ни остави точно ръководство за потребителя. Можем да проследим пътя му през седемте години на самонараняване, които доведоха до окончателната форма на теорията, но този път на развитие беше ръководен от толкова много интуиция на Айнщайн, че за нас, простосмъртните, е трудно да правим същите слепи скокове гений, който направи.



Само за да подскажем, общата теория на относителността е толкова сложна, че когато някой открие решение на уравненията, той получава решението, кръстено на тях, и става полулегендарно. Има причина Карл Шварцшилд - човекът, който разбра геометрията на черните дупки - да е домакинство (или поне име на отдел по физика). [Теорията на Айнщайн за общата относителност: Опростено обяснение]

Геометрията е съдба

Абсолютното ядро ​​на обща теория на относителността , и напълно приемливо алтернативно име за него, е геометрична динамика. Давай, кажи го на глас - забавно е. Начинът, по който общата теория на относителността моделира гравитацията, е чрез динамичните машинации на самото пространство-време. Според теорията, наличието на материя и енергия променя фундаменталната геометрия на пространството-време около тези вещества и тази променена геометрия влияе върху движението.

Тази връзка възниква от най-важната, фундаментална, която не може да се пренебрегне-тази концепция, лежаща в основата на цялата теория на общата относителност: принцип на еквивалентност (Е.П.). Този принцип е предположението, че инерционната маса (колко омфа е необходима за преместване на обект) е същото свойство като гравитационната маса (колко обектът реагира на гравитацията). И това е ключът, който отключва цялата гравитационна група.



Използвайки тази еквивалентност, можем да си представим сценарий, който да ви помогне да визуализирате връзката между геометрията и гравитацията. Преструвайте се, че обикаляте високо над Земята и спокойно наблюдавате как континентите и океаните се търкалят под вашата гледна точка.

След това отваряте кутия с боклуци.

Докато парчетата отломки изплуват от вас, вие размишлявате върху разклоненията на това, което току -що сте направили. Разбира се, сега сте създали облак от потенциално опасни отломки, които представляват голям риск за спътниците и бъдещите мисии. Но при по -нататъшно размисъл умът ви се успокоява. Правите научен експеримент и принципът на еквивалентност гарантира, че всички тези парченца отломки, независимо от тяхната форма или маса, ще проследят перфектно ефектите на земната гравитация, без да са необходими никакви други изчисления. Това е нещо уникално за силата на гравитацията, благодарение на E.P. [ Защо относителността е вярна: доказателства за теорията на Айнщайн ]



Превишаване на правилата

Гледайте какво се случва с боклуците, които сте изхвърлили в космоса. Някои, по чиста случайност, могат да започнат в идеално хоризонтална линия. Но когато обектите падат на Земята, те следват прави линии, насочени надясно към центъра на земното кълбо. Ако ги наблюдавате внимателно, ще видите, че когато се насочат надолу, те постепенно ще се сближат. Ако можеха да преминат през твърдата Земя, в крайна сметка ще се сблъскат в самия център.

Други парчета боклуци могат да започнат в идеално вертикална линия, насочена към Земята, равномерно раздалечени една от друга. Те също ще паднат. Но късметлията в предната част на линията ще падне малко по -бързо, поради малко по -близката си близост до Земята, като последната в опашката малко изостава. Така че, докато парчетата отломки продължават да се спускат, те бавно ще се разминават във вертикалната си линия.

В някои случаи получаваме сближаващи се, стесняващи се пътеки. В други случаи получаваме разминаващи се, разпространяващи се траектории. И в двата случая пътеките започват като идеално успоредни или еднакви, но променят символа s. Тези променящи се пътища са точно това, което математиците използват езика на „кривината“, за да опишат, а това е езикът на геометрията.

Динг, динг, динг. Ето го. Принципът на еквивалентност ви казва, че пътищата на падащите боклуци директно ви информират природата на гравитацията , и същите тези пътища разкриват сложна геометрия на основното пространство-време. С други думи, тази гравитация е геометрията на пространството-време.

Геометродинамика.

Разтягане на мозъка ни

t „Времето“ в пространството-време е много важно за пълната теория. Вероятно сте виждали демонстрация или графика на научния музей, придружаваща статия за общата теория на относителността, показваща това, което прилича на опънат каучуков лист. Тежка топка, представляваща планета или звезда или черна дупка или каквото и да е, е поставена в центъра, като дърпа тъканта надолу. Търкалянето на други топки по листа разкрива „влиянието“ на гравитацията: те се опитват да следват прави линии, но пътищата им се отклоняват от основната кривина.

Тази демонстрация е напълно добре като първо въведение в детската градина, но вече сме минали детската градина. В реално пространство-време няма „надолу“ и извиването се случва в четири измерения, а не в две. Визуализирането е малко по -трудно, поради което обикновено се оттегляме 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 става чрез промяна на възможните траектории, на които е способен преминаващ обект.

Всеки обект има това, което се нарича светлинен конус, или набор от възможни дестинации, до които обектът може да достигне по -бавно от скоростта на светлината. Представете си, че карате заедно с петънце прах, докато бяга по слънцето. Той има редица бъдещи възможности, дадени от светлия му конус. Но когато прахът се приближава до слънцето, гравитацията на тази гигантска огнена топка наклонява светлинния конус на праха към самото слънце. .Прахът вече има ново, по-специфично бъдеще, определено за него: Някои дестинации са извън границите (те са извън новия светъл конус), докато други вече се отвориха.

Това може да изглежда като цепене на косми, но статичното огъване на пространството и промяната на светлинните конуси се появяват в математиката на общата теория на относителността 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-време. Геометродинамика.

Научете повече, като слушате епизода '' Сериозно, какво е гравитацията? (Част 3) “ в подкаста „Ask A Spaceman“, достъпен на iTunes и в мрежата на http://www.askaspaceman.com . Благодарение 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 Б. и @shrenic_shah за въпросите, които доведоха до това парче! Задайте свой собствен въпрос в Twitter, като използвате #AskASpaceman или като следвате Пол @PaulMattSutter и facebook.com/PaulMattSutter . Последвай ни @Spacedotcom , Facebook и Google+ . Оригинална статия на guesswhozoo.com .