Allmän relativitet är en komplex teori, men att föreställa fallande föremål kan hjälpa till att spåra dess konturer. (Här visas GPS-satelliter runt jorden - GPS beror på relativitet för att ge exakta positioner.)
(Bild: © NASA)
Paul Sutter är en astrofysiker på Ohio State University och huvudforskaren på COSI vetenskapscenter. Sutter är också värd för "Fråga en Spaceman"och"Space Radio, "och leder AstroTours runt världen. Sutter bidrog med denna artikel till Space.coms expertröster: Op-Ed & Insights.
Allmän relativitet är en av de största funktionerna för mänsklig förståelse, som görs desto mer imponerande av det faktum att den spratt ut från den bördiga fantasin och den fulla matematiska glansen på bara ett sinne. Teorin i sig är den sista och mest ihållande av de "klassiska" (dvs icke-kvant) modellerna av naturen, och vår oförmåga att komma med något mer sofistikerat under de senaste hundra åren är en ständig påminnelse om hur dang smart Albert Einstein var.
Ett annat bevis på Einsteins geni kommer i den trassliga spaghettin av komplexa, sammankopplade ekvationer som utgör den fulla teorin. Einstein gjorde en vacker maskin, men han lämnade oss inte en användarmanual exakt. Vi kan spåra hans väg under de sju åren med självförstört tortyr som ledde till teorins slutliga form, men den utvecklingsvägen styrdes av så mycket av Einsteins tarmintuition att det är svårt för oss bara dödliga att göra samma blinda hopp av geni som han gjorde.
Bara för att köra hem punkten är den allmänna relativiteten så komplicerad att när någon upptäcker en lösning på ekvationerna, får de lösningen uppkallad efter dem och blir semi-legendarisk i sig. Det finns en anledning till att Karl Schwarzschild - killen som tänkte på geometrin för svarta hål - är ett hushållsnamn (eller åtminstone ett fysikavdelningsnamn). [Einsteins teori om allmän relativitet: En förenklad förklaring]
Geometri är ödet
Den absoluta kärnan i allmän relativitet, och ett helt acceptabelt alternativt namn för det, är geometrodynamik. Gå vidare, säg det högt - det är kul. Hur generell relativitet modellerar tyngdkraften är genom själva rymdtidens dynamiska bearbetningar. Enligt teorin förändrar närvaron av materia och energi den grundläggande rymdgeometri som omger dessa ämnen, och att förändrad geometri påverkar rörelse.
Detta förhållande kommer från det viktigaste, grundläggande, inte-ignorera-detta koncept som ligger till grund för hela teorin om allmän relativitet: ekvivalensprincipen (E.P.). Denna princip är antagandet att tröghetsmassan (hur mycket oomph det tar för att flytta ett objekt) är samma egenskap som gravitationsmassan (hur mycket ett objekt svarar på tyngdkraften). Och det här är nyckeln som låser upp hela gravitations-shebang.
Med hjälp av denna ekvivalens kan vi föreställa oss ett scenario som hjälper till att visualisera kopplingen mellan geometri och tyngdkraften. Låtsas om att du kretsar högt över jorden, ser serentivt på kontinenterna och oceanerna rullar under din utsiktspunkt.
Sedan öppnar du upp en låda med skräp.
När bitarna av skräp flyter bort från dig funderar du på förverkningarna av vad du just gjorde. Visst har du nu skapat ett moln av potentiellt farligt skräp som utgör en stor risk för satelliter och framtida uppdrag. Men vid ytterligare reflektion underlättas ditt sinne. Du gör ett vetenskapligt experiment, och ekvivalensprincipen garanterar att alla dessa bitar av skräp, oavsett form eller massa, perfekt kommer att spåra effekterna av jordens tyngdkraft, utan behov av andra beräkningar. Det är något som är unikt för tyngdkraften, tack vare E.P. [Varför relativitet är sant: bevisen för Einsteins teori]
Böja reglerna
Se vad som händer med skräpet du kastade ut i rymden. Vissa kan, av ren slump, börja i en perfekt horisontell linje. Men när föremålen faller till jorden, följer de raka linjer mot höger mot jordklotet. Om du tittar på dem noggrant ser du att när de går neråt så kommer de gradvis att konvergera. Om de kunde passera genom den fasta jorden skulle de så småningom kollidera i centrum.
Andra bitar med skräp kan börja i en perfekt vertikal linje riktad mot jorden, jämnt fördelade från varandra. De skulle också falla. Men den lyckliga framme på linjen skulle falla något snabbare på grund av dess något närmare jorden, med den sista i raden som ligger något bakom. Så när bitar av skräp fortsatte sin nedgång, skulle de sakta divergera i sin vertikala linje.
I vissa fall får vi konvergerande, smalare spår. I andra fall får vi divergerande, spridande banor. I båda fallen börjar vägar som perfekt parallella eller enhetliga men ändrar karaktär. Dessa förändrade vägar är exakt vad matematikerna använder språket "krökning" för att beskriva, och det är språket för geometri.
Ding, ding, ding. Där är det. Ekvivalensprincipen säger att banorna med fallande skräp informerar dig direkt om tyngdkraften och att samma vägar avslöjar en komplicerad geometri för den underliggande rymdtiden. Med andra ord, den tyngdkraften är geometri för rymdtid.
Geometrodynamics.
Sträcker våra hjärnor
t "tiden" i rymden är mycket viktig för hela teorin. Du har antagligen sett vetenskapsmuseets demo eller grafik som åtföljer en artikel om allmän relativitet som visar hur det ser ut som ett sträckt gummiark. En tung boll, som representerar en planet eller en stjärna eller ett svart hål eller vad som helst, placeras i mitten och drar tyget ner. Att rulla andra bollar på arket avslöjar "påverkan" av tyngdkraften: De försöker följa raka linjer, men deras vägar avböjs av den underliggande krökningen.
Den demon är helt bra som en första introduktion till dagis, men vi är väl förbi dagis nu. Det finns ingen "ner" i verklig rymdtid, och krökningen sker i fyra dimensioner, inte två. Det är lite svårare att visualisera, varför vi brukar dra sig tillbaka till en enklare demo.
Det är sant att ett massivt objekt snedvrider det statiska utrymmet i närheten, men det är bara halva bilden. Mass påverkar också tidsdimensionen, och den gör det genom att förändra de möjliga banorna som ett förbipasserande objekt kan.
Varje objekt har det som kallas en ljuskotte, eller en uppsättning möjliga destinationer som objektet kan nå långsammare än ljusets hastighet. Föreställ dig att cykla tillsammans med en dammfläck när den rasar vid solen. Det har en rad framtida möjligheter, givet av dess ljuskotte. Men när dammet kommer nära solen lutar allvarligheten hos den jättefyrboll dammets ljuskotte mot själva solen. . Dammet har nu en ny, mer specifik framtid tilldelad: Vissa destinationer är utanför gränserna (de ligger utanför den nya ljuskotten), medan andra nu har öppnat sig.
Detta kan verka som att man delar hårstrån, men statisk böjning av rymden och förändring av ljuskottar visas i matematiken för den allmänna relativiteten på separata platser, och endast genom att kombinera de två effekterna får vi de fulla (och exakta!) Förutsägelserna om teori. Utrymme och tid måste båda beaktas tillsammans; du kan inte ignorera one.u
Med andra ord, tyngdekraften är geometri för rymdtid. Geometrodynamics.
Läs mer genom att lyssna på avsnittet "" Seriöst, vad är tyngdkraften? (Del 3) "på podcasten" Ask A Spaceman ", tillgänglig på iTunes och på webben på http://www.askaspaceman.com. Tack till 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. och @shrenic_shah för frågorna som ledde till detta stycke! Ställ din egen fråga på Twitter med #AskASpaceman eller genom att följa Paul @ PaulMattSutter och facebook.com/PaulMattSutter Följ oss @Spacedotcom, Facebook och Google+. Originalartikel på Space.com.
