Obecná relativita je komplexní teorie, ale představa padajících objektů může pomoci sledovat její obrysy. (Zde jsou satelity GPS zobrazeny kolem Země - GPS závisí na relativitě a poskytuje přesné polohy.)
(Obrázek: © NASA)
Paul Sutter je astrofyzik na Státní univerzita v Ohiu a hlavní vědec na Vědecké centrum COSI. Sutter je také hostitelem „Zeptejte se Spacemana" a "Vesmírné rádio“a vede AstroTours okolo světa. Sutter přispěl k tomuto článku Odborné hlasy Space.com: Op-Ed & Insights.
Obecná relativita je jedním z největších výkonů lidského porozumění, o to působivějším, že vycházela z úrodné představivosti a doprovázeného matematického brilantu jediné mysli. Teorie sama o sobě je poslední a nejtrvalejší z „klasických“ (tj. Nekvantových) modelů přírody a naše neschopnost přijít s čímkoli sofistikovanějším za posledních sto let je neustálou připomínkou toho, jak šikovný Albert Einstein byl.
Další svědectví o Einsteinově genialitě přichází v propletených spagetech složitých vzájemně propojených rovnic, které tvoří úplnou teorii. Einstein vyrobil krásný stroj, ale on nám přesně neopustil uživatelskou příručku. Můžeme vysledovat jeho cestu v sedmi letech sebepoškozeného mučení, které vedlo k konečné podobě teorie, ale tato cesta vývoje byla vedena tolik Einsteinovy intuice, že je pro nás těžké smrtelníky udělat stejné slepé skoky génius, který udělal.
Obecně řečeno, relativní relativita je tak složitá, že když někdo objeví řešení rovnic, dostane řešení pojmenované podle nich a stane se polořadovkou legendární. Důvodem je, že Karl Schwarzschild - chlap, který přišel na geometrii černých děr - je jméno domácnosti (nebo alespoň název fyzického oddělení). [Einsteinova teorie obecné relativity: zjednodušené vysvětlení]
Geometrie je osud
Absolutním jádrem obecné relativity a dokonale přijatelným alternativním názvem je geometrodynamika. Jděte do toho, řekněte to nahlas - je to zábava. Způsob, jakým obecná relativita modeluje gravitaci, je skrze dynamické machinace samotného časoprostoru. Podle teorie přítomnost hmoty a energie mění základní prostorovou geometrii obklopující tyto látky a tato změněná geometrie ovlivňuje pohyb.
Tento vztah vychází z nejdůležitějšího, fundamentálního, nelze ignorovat - tohoto konceptu, který je základem celé teorie obecné relativity: principu ekvivalence (E.P.). Tento princip je předpoklad, že setrvačná hmota (kolik oomph to vyžaduje pohyb objektu) je stejná vlastnost jako gravitační hmota (jak hodně objekt reaguje na gravitaci). A to je klíč, který odemkne celý gravitační shebang.
Pomocí této ekvivalence si můžeme představit scénář, který pomůže vizualizovat spojení mezi geometrií a gravitací. Předstírejte, že obíháte vysoko nad Zemí, klidně sledujete kontinenty a oceány, které se valí pod váš výhodný bod.
Pak otevřete krabici nevyžádané pošty.
Jak se od vás vznáší úlomky úlomků, přemýšlíte o důsledcích toho, co jste právě udělali. Jistě, nyní jste vytvořili oblak potenciálně nebezpečného odpadu, který představuje velké riziko pro satelity a budoucí mise. Ale po dalším odrazu se vaše mysl uvolní. Děláte vědecký experiment a princip ekvivalence zaručuje, že všechny tyto kousky trosek, bez ohledu na jejich tvar nebo hmotnost, dokonale vysledují účinky zemské gravitace, aniž by bylo nutné provádět žádné další výpočty. To je něco jedinečného pro gravitační sílu, díky E.P. [Proč je Relativita pravdivá: Důkazy pro Einsteinovu teorii]
Ohýbání pravidel
Sledujte, co se stane s nevyžádanou věcí, kterou jste hodili do vesmíru. Někteří, čistě náhodou, mohou začít v dokonale vodorovné linii. Když však objekty padají na Zemi, sledují přímky směřující doprava do středu zeměkoule. Pokud je pozorně sledujete, uvidíte, že jak míří dolů, postupně se sbíhají. Pokud by mohli projít pevnou Zemí, nakonec by se srazili v samém středu.
Jiné kousky nevyžádané pošty by mohly začít v dokonale svislé linii zaměřené na Zemi, rovnoměrně od sebe vzdálené. Také oni padnou. Ten, kdo měl štěstí na přední straně čáry, by však spadl o něco rychleji kvůli jeho mírně těsnější blízkosti Země, přičemž poslední řádek mírně zaostával. Takže, jak úlomky pokračovaly v jejich sestupu, pomalu se odklonily ve svislé linii.
V některých případech se sbíháme a zužujeme stezky. V jiných případech se dostáváme do divergentních a rozšiřujících se trajektorií. V obou případech začínají cesty jako dokonale rovnoběžné nebo jednotné, ale mění se znaky. Tyto měnící se cesty jsou přesně to, co matematici používají k popisu jazyka „zakřivení“, a to je jazyk geometrie.
Ding, ding, ding. Je to tady. Princip ekvivalence vám říká, že cesty padajícího odpadu vás přímo informují o povaze gravitace a tyto stejné cesty odhalují komplikovanou geometrii základního prostoru-čas. Jinými slovy, tato gravitace je geometrie časoprostoru.
Geometrodynamika.
Protahování mozků
„Čas“ v časoprostoru je pro úplnou teorii velmi důležitý. Pravděpodobně jste viděli demo nebo grafiku vědeckého muzea, které doprovází článek o obecné relativitě a ukazuje, jak vypadá protažený gumový list. Ve středu je umístěna těžká koule představující planetu nebo hvězdu nebo černou díru nebo cokoli jiného a tahá látku dolů. Válcování dalších koulí na plachtu odhaluje „vliv“ gravitace: Snaží se sledovat rovné čáry, ale jejich cesty se vychýlí podle zakřivení.
Toto demo je naprosto v pořádku jako první, úvod do mateřské školy, ale nyní jsme již v mateřské škole. V reálném časoprostoru neexistuje „dolů“ a zakřivení se děje ve čtyřech rozměrech, ne ve dvou. Vizualizace je o něco těžší, proto obvykle ustupujeme k jednoduššímu demu.
Je pravda, že masivní objekt zkresluje statický prostor ve své blízkosti, ale to je jen polovina obrázku. Hmota také ovlivňuje dimenzi času, a to tak, že mění možné trajektorie, které předávající objekt dokáže.
Každý objekt má tzv. Světelný kužel nebo soubor možných cílů, které by objekt mohl dosáhnout cestování pomaleji než rychlost světla. Představte si, že jezdíte spolu se skvrnami prachu, jak se točí kolem slunce. Má řadu budoucích možností daných světelným kuželem. Ale jakmile se prach přiblíží ke slunci, gravitace této obrovské ohnivé koule nakloní světelný kužel prachu směrem k samotnému slunci. . Prach má nyní přidělenou novou, konkrétnější budoucnost: Některé destinace jsou mimo limity (jsou mimo nový světelný kužel), zatímco jiné se nyní otevřely.
Může to vypadat jako rozštěpení chloupků, ale statické ohýbání prostoru a změna světelných kuželů se objevují v matematice obecné relativity na samostatných místech, a pouze kombinací těchto dvou efektů dostaneme úplné (a přesné!) Předpovědi teorie. Prostor a čas musí být posuzovány společně; nemůžete ignorovat one.u
Jinými slovy, gravitace je geometrie časoprostoru. Geometrodynamika.
Zjistěte více posloucháním epizody „“ Vážně, co je gravitace? (Část 3) „na podcastu„ Zeptejte se Spacemana “, který je k dispozici na iTunes a na webu http://www.askaspaceman.com. Díky Andrewu P., Joyce S., @ Luft08, Ben W., Ter B., Colin E, Christopher F., Maria A., Brett K., bryguytheflyguy, @ MarkRiepe, Kenneth L., Allison K., Phil B. a @shrenic_shah za otázky, které k tomuto kusu vedly! na Twitteru pomocí #AskASpaceman nebo sledováním Paul @ PaulMattSutter a facebook.com/PaulMattSutter. Sledujte nás @ @ Pacedotcom, Facebook a Google+. Původní článek o Space.com.
