Generel relativitet er en kompleks teori, men at forestille sig faldende genstande kan hjælpe med at spore konturerne. (Her vises GPS-satellitter rundt om på Jorden - GPS afhænger af relativitet for at give nøjagtige positioner.)
(Billede: © NASA)
Paul Sutter er en astrofysiker hos Ohio State University og den øverste videnskabsmand kl COSI videnskabscenter. Sutter er også vært for "Spørg en Spaceman"og"Space Radio, "og fører AstroTours jorden rundt. Sutter bidrog med denne artikel Space.com's ekspertstemmer: Op-Ed & Insights.
Generel relativitet er en af de største feats i menneskelig forståelse, der gøres endnu mere imponerende ved det faktum, at det sprang ud fra den frugtbare fantasi og dogged matematiske glans af kun et sind. Teorien i sig selv er den sidste og mest vedholdende af de "klassiske" (dvs. ikke-kvante) modeller af naturen, og vores manglende evne til at komme med noget mere sofistikeret i løbet af de sidste hundrede år er en konstant påmindelse om, hvor dang smart Albert er Einstein var.
Et andet testament til Einsteins geni kommer i den sammenfiltrede spaghetti af komplekse, sammenkoblede ligninger, der udgør den fulde teori. Einstein lavede en smuk maskine, men han efterlod os ikke nøjagtigt en brugermanual. Vi kan spore hans vej i de syv år med selvpåført tortur, der førte til teoriens endelige form, men denne udviklingsvej blev styret af så meget af Einsteins tarmintuition, at det er svært for os bare dødelige at gøre de samme blinde spring af geni, som han gjorde.
Bare for at køre punktet hjem, er den generelle relativitet så kompliceret, at når nogen opdager en løsning på ligningerne, får de løsningen opkaldt efter dem og bliver semi-legendarisk i sig selv. Der er en grund til, at Karl Schwarzschild - den fyr, der regnede ud geometrien med sorte huller - er et husholdningsnavn (eller i det mindste et fysikafdelingsnavn). [Einsteins teori om generel relativitet: En forenklet forklaring]
Geometri er skæbne
Den absolutte kerne af generel relativitet og et perfekt acceptabelt alternativt navn er geometrodynamik. Gå videre, sig det højt - det er sjovt. Den måde, hvorpå den generelle relativitet modellerer tyngdekraften, er gennem de dynamiske bearbejdninger i selve rum-tiden. Ifølge teorien ændrer tilstedeværelsen af stof og energi den grundlæggende rum-tidsgeometri, der omgiver disse stoffer, og at ændret geometri påvirker bevægelse.
Dette forhold stammer fra det vigtigste, grundlæggende, ikke-ignorere-dette begreb, der ligger til grund for hele teorien om generel relativitet: ligestillingsprincippet (E.P.). Dette princip er antagelsen om, at inertial masse (hvor meget oomph det tager at flytte et objekt) er den samme egenskab som gravitationsmasse (hvor meget et objekt reagerer på tyngdekraften). Og dette er nøglen, der låser op for hele tyngdekraften.
Ved hjælp af denne ækvivalens kan vi forestille os et scenarie, der hjælper med at visualisere forbindelsen mellem geometri og tyngdekraft. Læt som om du går i kredsløb højt over jorden og ser serent på kontinenterne og oceanerne ruller under dit udsigtspunkt.
Så åbner du en æske med skrammel.
Når affaldsstykkerne flyder væk fra dig, overvejer du konsekvenserne af, hvad du lige har gjort. Jo, du har nu oprettet en sky af potentielt farligt affald, der udgør en stor risiko for satellitter og fremtidige missioner. Men efter yderligere reflektion letter dit sind. Du laver et videnskabseksperiment, og ækvivalensprincippet garanterer, at alle disse snavs, uanset deres form eller masse, perfekt sporer virkningerne af Jordens tyngdekraft uden behov for andre beregninger. Det er noget unikt for tyngdekraften takket være E.P. [Hvorfor relativitet er sandt: Beviset for Einsteins teori]
Bøjning af reglerne
Se hvad der sker med det skrammel, du kastede ud i rummet. Nogle ved en tilfældig chance starter muligvis i en perfekt vandret linje. Men når objekterne falder til Jorden, følger de lige linjer, der kører lige mod midten af kloden. Hvis du følger dem nøje, ser du, at når de går nedad, vil de gradvist konvergere. Hvis de kunne passere gennem den faste jord, ville de til sidst kollidere i centrum.
Andre uønskede bit kan starte i en perfekt lodret linje rettet mod Jorden, jævnt fordelt fra hinanden. Også de ville falde. Men den heldige foran på linjen ville falde lidt hurtigere på grund af dens lidt tættere nærhed til Jorden, hvor den sidste i linjen hænger lidt bagefter. Så da stykker rester fortsatte med deres nedstigning, vil de langsomt afvige i deres lodrette linje.
I nogle tilfælde får vi konvergerende, indsnævrende stier. I andre tilfælde får vi divergerende og sprede baner. I begge tilfælde starter stier som perfekt parallelle eller ensartede, men ændrer karakterer. Disse skiftende stier er nøjagtigt, hvad matematikerne bruger sproget "krumning" til at beskrive, og det er geometriens sprog.
Ding, ding, ding. Der er det. Ækvivalensprincippet fortæller dig, at banerne for faldende junk direkte informerer dig om tyngdekraften, og at de samme stier afslører en kompliceret geometri af den underliggende rum-tid. Med andre ord, denne tyngdekraft er geometrien i rum-tid.
Geometrodynamics.
Strækker vores hjerner
t "tiden" i rumtid er meget vigtig for den fulde teori. Du har sandsynligvis set videnskabsmuseets demo eller grafik, der ledsager en artikel om generel relativitet, der viser, hvad der ligner en strakt gummiplade. En tung kugle, der repræsenterer en planet eller stjerne eller sort hul eller hvad som helst, placeres i midten og trækker stoffet ned. Rulning af andre kugler på arket afslører "påvirkning" af tyngdekraften: De prøver at følge lige linjer, men deres stier bliver afbøjet af den underliggende krumning.
Denne demonstration er helt fin som en første introduktion til børnehaven, men vi er godt forbi børnehaven nu. Der er ingen "down" i reel rumtid, og kurven sker i fire dimensioner, ikke to. Det er lidt sværere at visualisere, og derfor trækker vi normalt tilbage til den enklere demo.
Det er sandt, at en massiv genstand forvrænger det statiske rum i nærheden, men det er kun halvdelen af billedet. Masse påvirker også tidsdimensionen, og den gør det ved at ændre de mulige baner, som et forbipasserende objekt er i stand til.
Hvert objekt har det, der kaldes en lyskegle, eller et sæt mulige destinationer, som objektet kan nå frem til at rejse langsommere end lysets hastighed. Forestil dig at køre sammen med en plet af støv, når det løber af solen. Det har en række fremtidige muligheder, givet af dens lette kegle. Men når støvet kommer i nærheden af solen, vipper tyngdekraften i den kæmpe ildkugle støvets lyskegle mod selve solen. . Støvet har nu en ny, mere specifik fremtid tildelt det: Nogle destinationer er uden for grænserne (de er uden for den nye lyskegle), mens andre nu har åbnet op.
Dette kan virke som at opdele hår, men den statiske bøjning af plads og ændring af lyskegler vises i matematikken for den generelle relativitet på separate steder, og kun ved at kombinere de to effekter får vi de fulde (og præcise!) Forudsigelser af teori. Rum og tid skal begge overvejes sammen; du kan ikke ignorere one.u
Med andre ord, tyngdekraften er rum-tidens geometri. Geometrodynamics.
Lær mere ved at lytte til episoden "" Seriøst, hvad er tyngdekraften? (Del 3) "på podcasten" Spørg en Spaceman ", tilgængelig på iTunes og på nettet på http://www.askaspaceman.com. Tak til 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. og @shrenic_shah for de spørgsmål, der førte til dette stykke! Stil dit eget spørgsmål på Twitter ved hjælp af #AskASpaceman eller ved at følge Paul @ PaulMattSutter og facebook.com/PaulMattSutter Følg os @Spacedotcom, Facebook og Google+ Original artikel på Space.com.
