Общая теория относительности - сложная теория, но воображение падающих объектов может помочь проследить его контуры. (Здесь спутники GPS показаны вокруг Земли - GPS зависит от относительности, чтобы дать точные координаты.)
(Изображение: © NASA)
Пол Саттер является астрофизиком в Государственный университет Огайо и главный ученый в COSI научный центр, Саттер тоже хозяинСпроси космонавта" а также "Космическое Радио"и приводит AstroTours по всему миру. Саттер предоставил эту статью Экспертные голоса Space.com: Op-Ed & Insights.
Общая теория относительности является одним из величайших подвигов человеческого понимания, еще более впечатляющим из-за того, что оно возникло из плодородного воображения и упрямого математического блеска всего лишь одного разума. Сама теория является последней и наиболее устойчивой из «классических» (то есть, не квантовых) моделей природы, и наша неспособность придумать что-либо более изощренное за последние сто лет является постоянным напоминанием о том, как чертовски умный Альберт Эйнштейн был.
Еще одно свидетельство гениальности Эйнштейна - запутанные спагетти сложных взаимосвязанных уравнений, составляющих полную теорию. Эйнштейн сделал красивую машину, но он точно не оставил нам руководство пользователя. Мы можем проследить его путь в течение семи лет пыток, совершенных самим собой, которые привели к окончательной форме теории, но этот путь развития руководствовался настолько интуицией Эйнштейна, что нам, простым смертным, трудно совершать такие же слепые прыжки гений, который он сделал.
Просто чтобы понять суть, общая теория относительности настолько сложна, что, когда кто-то находит решение уравнений, он получает решение, названное в его честь, и становится полулегендарным сами по себе. Есть причина, по которой Карл Шварцшильд - парень, который выяснил геометрию черных дыр, - это имя нарицательное (или, по крайней мере, название физического отдела). [Теория общей теории относительности Эйнштейна: упрощенное объяснение]
Геометрия это судьба
Абсолютным ядром общей теории относительности и совершенно приемлемым альтернативным названием для нее является геометродинамика. Давай, скажи это вслух - это весело. Способ, которым общая теория относительности моделирует гравитацию, заключается в динамических махинациях самого пространства-времени. Согласно теории, присутствие вещества и энергии изменяет фундаментальную геометрию пространства-времени, окружающую эти вещества, и эта измененная геометрия влияет на движение.
Это соотношение происходит от самого важного, фундаментального, не подлежащего игнорированию, понятия, лежащего в основе всей теории общей теории относительности: принципа эквивалентности (Е.П.). Этот принцип предполагает, что инерционная масса (сколько сил требуется для перемещения объекта) - это то же свойство, что и гравитационная масса (насколько объект реагирует на гравитацию). И это ключ, который открывает весь гравитационный шебанг.
Используя эту эквивалентность, мы можем представить сценарий, который поможет визуализировать связь между геометрией и гравитацией. Представьте, что вы двигаетесь по орбите высоко над Землей, безмятежно наблюдая, как континенты и океаны катятся под вашей точкой наблюдения.
Затем вы открываете ящик с мусором.
Когда частицы мусора уплывают от вас, вы размышляете о последствиях того, что вы только что сделали. Конечно, вы создали облако потенциально опасных обломков, которые представляют серьезную опасность для спутников и будущих миссий. Но после дальнейших размышлений ваш разум успокаивается. Вы проводите научный эксперимент, и принцип эквивалентности гарантирует, что все эти осколки, независимо от их формы или массы, будут отлично отслеживать влияние гравитации Земли без каких-либо других вычислений. Это нечто уникальное для силы тяжести, благодаря Е.П. [Почему теория относительности верна: свидетельство теории Эйнштейна]
Изгибая правила
Посмотрите, что происходит с мусором, который вы выбросили в космос. Некоторые, по чистой случайности, могут начинать с совершенно горизонтальной линии. Но когда объекты падают на Землю, они следуют прямым линиям, направленным прямо к центру земного шара. Если вы внимательно посмотрите на них, вы увидите, что, когда они направляются вниз, они постепенно сходятся. Если бы они могли пройти сквозь твердую Землю, они в конечном итоге столкнулись бы в самом центре.
Другие куски мусора могут начинаться по совершенно вертикальной линии, направленной к Земле, равномерно отстоящей друг от друга. Они тоже упадут. Но счастливчик в передней части линии будет падать немного быстрее, из-за его чуть более близкой близости к Земле, а последний в линии немного отстает. Таким образом, по мере того, как осколки продолжали опускаться, они медленно расходились по своей вертикальной линии.
В некоторых случаях мы получаем сходящиеся, сужающиеся тропы. В других случаях мы получаем расходящиеся, расширяющиеся траектории. В обоих случаях пути начинаются как совершенно параллельные или однородные, но меняют символ s. Эти изменяющиеся пути - именно то, что математики используют для описания языка «кривизны», и это язык геометрии.
Динь, динь, динь. Вот оно Принцип эквивалентности говорит вам, что пути падающего мусора напрямую информируют вас о природе гравитации, и те же самые пути раскрывают сложную геометрию базового пространства-времени. Другими словами, эта гравитация - это геометрия пространства-времени.
Геометродинамика.
Растягивая наш мозг
«Время» в пространстве-времени очень важно для полной теории. Вы, наверное, видели демонстрацию или график музея науки, сопровождающие статью об общей теории относительности, показывающую то, что выглядит как растянутый резиновый лист. Тяжелый шар, представляющий планету, или звезду, или черную дыру, или что-то еще, помещается в центр, вытягивая ткань вниз. При вращении других шариков на листе обнаруживается «влияние» гравитации: они пытаются следовать по прямым линиям, но их траектории отклоняются из-за искривления.
Эта демонстрация прекрасно подходит в качестве первого вступления в детский сад, но мы уже прошли детский сад. В реальном пространстве-времени нет «вниз», и искривление происходит в четырех измерениях, а не в двух. Это немного сложнее визуализировать, поэтому мы обычно отступаем к более простой демонстрации.
Это правда, что массивный объект искажает статическое пространство в непосредственной близости, но это только половина картины. Масса также влияет на измерение времени, и это происходит путем изменения возможных траекторий, на которые способен проходящий объект.
Каждый объект имеет то, что называется световым конусом, или набор возможных мест назначения, которых объект может достичь, путешествуя медленнее, чем скорость света. Представьте, что вы едете вместе с пылинкой, когда она мчится под солнцем. У этого есть диапазон будущих возможностей, предоставленных его световым конусом. Но когда пыль приближается к солнцу, сила тяжести этого гигантского огненного шара наклоняет световой конус пыли к самому солнцу. У пыли теперь есть новое, более определенное будущее: некоторые места назначения запрещены (они находятся за пределами нового светового конуса), в то время как другие уже открылись.
Это может показаться расщеплением волосков, но статическое изгибание пространства и изменение световых конусов появляются в математике общей теории относительности в отдельных местах, и только путем объединения двух эффектов мы получаем полные (и точные!) Предсказания теория. Пространство и время должны рассматриваться вместе; Вы не можете игнорировать one.u
Другими словами, гравитация - это геометрия пространства-времени. Геометродинамика.
Узнайте больше, слушая эпизод "" Серьезно, что такое гравитация? (Часть 3) »в подкасте« Спроси космонавта », доступном в iTunes и на веб-сайте http://www.askaspaceman.com. Спасибо Эндрю П., Джойс С., @ Luft08, Бен В., Тер Б., Колин Э., Кристофер Ф., Мария А., Бретт К., bryguytheflyguy, @MarkRiepe, Кеннет Л., Эллисон К., Фил Б. и @shrenic_shah за вопросы, которые привели к этой части! Задайте свой вопрос в Твиттере, используя #AskASpaceman или подписавшись на Paul @ PaulMattSutter и facebook.com/PaulMattSutter. Подпишитесь на нас @Spacedotcom, Facebook и Google+. Оригинальная статья на Space.com.
