Generell relativitet er en kompleks teori, men å forestille seg fallende gjenstander kan bidra til å spore konturene. (Her vises GPS-satellitter rundt jorden - GPS avhenger av relativitet for å gi nøyaktige posisjoner.)
(Bilde: © NASA)
Paul Sutter er en astrofysiker hos Ohio State University og sjefforskeren kl COSI vitensenter. Sutter er også vert for "Spør en Spaceman"og"Space Radio, "og fører AstroTours jorden rundt. Sutter bidro denne artikkelen til Space.coms ekspertstemmer: Op-Ed & Insights.
Generell relativitet er en av de største bragdene i menneskets forståelse, gjort desto mer imponerende av det faktum at den sprang ut fra den fruktbare fantasien og den matematiske glansen av bare ett sinn. Teorien i seg selv er den siste og mest vedvarende av de "klassiske" (dvs. ikke-kvante) naturmodellene, og vår manglende evne til å komme med noe mer sofistikert de siste hundre årene er en konstant påminnelse om hvor dang smart Albert Einstein var.
Et annet testament til Einsteins geni kommer i den sammenfiltrede spaghettien fra komplekse, sammenkoblede ligninger som utgjør den fulle teorien. Einstein laget en vakker maskin, men han la oss ikke akkurat en bruksanvisning. Vi kan spore hans vei i de syv årene med selvpåført tortur som førte til teoriens endelige form, men den utviklingsveien ble styrt av så mye av Einsteins tarmintuisjon at det er vanskelig for oss bare dødelige å gjøre de samme blinde hoppene av geni som han gjorde.
Bare for å kjøre poenget hjem, er generell relativitet så kompleks at når noen oppdager en løsning på likningene, får de løsningen oppkalt etter seg og blir semi-legendarisk i seg selv. Det er en grunn til at Karl Schwarzschild - fyren som fant ut geometrien til sorte hull - er et husholdningsnavn (eller i det minste et navn på fysikkavdelingen). [Einsteins teori om generell relativitet: En forenklet forklaring]
Geometri er skjebnen
Den absolutte kjernen i generell relativitet, og et helt akseptabelt alternativt navn for det, er geometrodynamikk. Fortsett, si det høyt - det er gøy. Måten generell relativitet modellerer tyngdekraften på er gjennom de dynamiske maskineringene i selve rom-tiden. I følge teorien endrer tilstedeværelsen av materie og energi den grunnleggende rom-tidsgeometrien som omgir disse stoffene, og som endret geometri påvirker bevegelse.
Dette forholdet kommer fra det viktigste, grunnleggende, ikke-ignorere-dette konseptet som ligger til grunn for hele teorien om generell relativitet: ekvivalensprinsippet (E.P.). Dette prinsippet er antagelsen om at treghetsmasse (hvor mye oomph det tar å flytte et objekt) er den samme egenskapen som gravitasjonsmasse (hvor mye en gjenstand reagerer på tyngdekraften). Og dette er nøkkelen som låser opp hele tyngdekraften.
Ved å bruke den ekvivalensen kan vi forestille oss et scenario som hjelper til med å visualisere sammenhengen mellom geometri og tyngdekraft. Lat som om du går i bane høyt over jorden, ser på ser kontinenter og hav rulle under utsiktspunktet.
Så åpner du opp en eske med søppel.
Når bitene av søppel flyter bort fra deg, funderer du på konsekvensene av hva du nettopp gjorde. Jada, du har nå laget en sky av potensielt farlig rusk som utgjør en stor risiko for satellitter og fremtidige oppdrag. Men ved videre refleksjon letter tankene dine. Du holder på med et vitenskapelig eksperiment, og ekvivalensprinsippet garanterer at alle disse bitene av rusk, uansett form eller masse, perfekt vil spore effekten av jordens tyngdekraft, uten behov for andre beregninger. Det er noe unikt for tyngdekraften, takket være E.P. [Hvorfor relativitet er sant: beviset for Einsteins teori]
Bøyer reglene
Se hva som skjer med søppelet du kastet ut i verdensrommet. Noen vil av en tilfeldighet starte i en perfekt horisontal linje. Men når gjenstandene faller til Jorden, følger de rette linjer på vei rett mot sentrum av kloden. Hvis du følger dem nøye, vil du se at når de går nedover, vil de gradvis konvergere. Hvis de kunne passere gjennom den faste jorden, ville de til slutt kollidere i sentrum.
Andre søppelbiter kan starte i en perfekt vertikal linje rettet mot Jorden, jevnt fordelt fra hverandre. Også de ville falle. Men den heldige foran linjen skulle falle litt raskere, på grunn av den litt nærmere nærheten til jorden, med den siste i linjen henger litt etter. Så når søppelbitene fortsatte sin nedstigning, ville de sakte avvike i sin vertikale linje.
I noen tilfeller får vi konvergerende, smalende løyper. I andre tilfeller får vi divergerende, spredende bane. I begge tilfeller starter stier som perfekt parallelle eller ensartede, men endrer karakter. Disse skiftende veiene er nøyaktig hva matematikerne bruker språket "krumning" for å beskrive, og det er språket for geometri.
Ding, ding, ding. Der er den. Ekvivalensprinsippet forteller deg at banene til fallende søppel direkte informerer deg om tyngdekraften, og at de samme banene avslører en komplisert geometri for den underliggende rom-tiden. Med andre ord, at tyngdekraften er geometrien for rom-tid.
Geometrodynamics.
Strekker hjernen vår
t "tiden" i romtid er veldig viktig for hele teorien. Du har sikkert sett vitenskapsmuseets demo eller grafikk som følger med en artikkel om generell relativitet som viser hvordan det ser ut som et strukket gummiark. En tung ball, som representerer en planet eller stjerne eller svart hull eller hva som helst, er plassert i midten og trekker stoffet ned. Å rulle andre baller på arket avslører "påvirkning" av tyngdekraften: De prøver å følge rette linjer, men banene deres blir avbøyd av den underliggende krumningen.
Den demoen er helt fin som en første barnehageintroduksjon, men vi er godt forbi barnehagen nå. Det er ingen "ned" i reell romtid, og kurven skjer i fire dimensjoner, ikke to. Det er litt vanskeligere å visualisere, og det er grunnen til at vi vanligvis trekker oss tilbake til den enklere demoen.
Det er sant at en massiv gjenstand forvrenger det statiske rommet i nærheten, men det er bare halve bildet. Masse påvirker også dimensjonen av tid, og den gjør det ved å endre de mulige banene et forbipasserende objekt er i stand til.
Hver gjenstand har det som kalles en lyskjegle, eller et sett med mulige destinasjoner som objektet kan komme til å reise langsommere enn lysets hastighet. Se for deg å sykle sammen med en flekk av støv når den løper av solen. Den har en rekke fremtidige muligheter, gitt av sin lyskjegle. Men når støvet kommer nær solen, vipper tyngdekraften til den gigantiske ildkulen støvets lyskegle mot selve solen. . Støvet har nå en ny, mer spesifikk fremtid tildelt det: Noen destinasjoner er utenfor grensen (de er utenfor den nye lyskjeglen), mens andre nå har åpnet seg.
Dette kan virke som å dele hår, men den statiske bøyningen av rommet og endring av lyskjegler vises i matematikken til generell relativitet på separate steder, og bare ved å kombinere de to effektene får vi de fulle (og nøyaktige!) Forutsigelsene av teori. Rom og tid må begge vurderes sammen; du kan ikke se bort fra one.u
Med andre ord, tyngdekraften er geometrien for rom-tid. Geometrodynamics.
Lær mer ved å lytte til episoden "" Seriøst, hva er gravitasjon? (Del 3) "på podcasten" Ask A Spaceman ", tilgjengelig på iTunes og på nettet på http://www.askaspaceman.com. Takk 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 spørsmålene som førte til dette stykket! Still ditt eget spørsmål på Twitter ved å bruke #AskASpaceman eller ved å følge Paul @ PaulMattSutter og facebook.com/PaulMattSutter. Følg oss @Spacedotcom, Facebook og Google+. Original artikkel på Space.com.
