הגאונות של איינשטיין: תיאור הגיאומטריה של מרחב-זמן

לווייני gps

תורת היחסות הכללית היא תיאוריה מורכבת, אך דמיון עצמים נופלים יכול לסייע במעקב אחר קווי המתאר שלה. (כאן מוצגים לווייני GPS ברחבי כדור הארץ - GPS תלוי ביחסות כדי לתת מיקומים מדויקים.) (אשראי תמונה: נאס'א)



פול סאטר הוא אסטרופיסיקאי ב אוניברסיטת מדינת אוהיו והמדען הראשי ב מרכז המדע COSI . סאטר מארח גם את ' תשאל איש חלל 'ו' רדיו חלל , 'ומוביל AstroTours מסביב לעולם. סאטר תרם מאמר זה קולות המומחים של demokratija.eu: עדכון ותובנות .



תורת היחסות הכללית היא אחד ההישגים הגדולים ביותר של הבנה אנושית, שהרשימה עוד יותר את העובדה שהיא נבעה מהדמיון הפורה והברק המתמטי של מוח אחד בלבד. התיאוריה עצמה היא האחרונה והמתמשכת מבין מודלי הטבע ה'קלאסיים '(כלומר, לא קוונטיים), וחוסר היכולת שלנו להמציא משהו מתוחכם יותר במאה השנים האחרונות היא תזכורת מתמדת עד כמה אלברט החכם. איינשטיין היה.

עדות נוספת לגאונותו של איינשטיין באה בספגטי הסבוך של משוואות מורכבות המחוברות זו לזו המרכיבות את כל התיאוריה. איינשטיין עשה מכונה יפה, אבל הוא לא בדיוק השאיר לנו מדריך למשתמש. אנו יכולים לעקוב אחר דרכו בשבע שנות העינויים העצמיים שהובילו לצורה הסופית של התיאוריה, אך מסלול ההתפתחות הזה הונחה על ידי כל כך הרבה מהאינטואיציה של המעיים של איינשטיין, שקשה לנו רק בני תמותה לבצע אותן קפיצות עיוורות של גאונות שהוא עשה.



רק כדי להסיע את העניין הביתה, היחסות הכללית כל כך מורכבת, שכאשר מישהו מגלה פתרון למשוואות, הוא מקבל את הפתרון הקרוי על שמם והופך לאגדי למחצה בפני עצמו. יש סיבה שקרל שוורצילד - הבחור שהבין את הגיאומטריה של החורים השחורים - הוא שם ביתי (או לפחות, שם המחלקה לפיזיקה). [תורת היחסות הכללית של איינשטיין: הסבר פשוט]

גיאומטריה היא גורל

הגרעין המוחלט של תורת היחסות הכללית , ושם חלופי מקובל בהחלט עליו, הוא גיאומטרודינמיקה. קדימה, אמרו זאת בקול - זה כיף. האופן שבו תורת היחסות הכללית מדגמנת את כוח הכבידה היא באמצעות התהליכים הדינאמיים של הזמן-מרחב עצמו. על פי התיאוריה, נוכחות החומר והאנרגיה משנה את הגיאומטריה הבסיסית של זמן-מרחב המקיפה את אותם חומרים, וכי שינוי הגיאומטריה משפיע על התנועה.

מערכת יחסים זו נובעת מהתפיסה החשובה, היסודית ביותר, שאי אפשר להתעלם ממנה, העומדת בבסיס כל תורת היחסות הכללית: ה עקרון השוויון (א.פ.). עקרון זה הוא ההנחה שמסה אינרציאלית (כמה מומפה נדרשת כדי להזיז אובייקט) היא אותה תכונה כמו מסת הכבידה (כמה אובייקט מגיב לכוח הכבידה). וזה המפתח שפותח את כל השבט הכבידה.



באמצעות שוויון זה, אנו יכולים לדמיין תרחיש שיסייע לדמיין את הקשר בין הגיאומטריה לכוח הכבידה. העמידו פנים שאתם מסתובבים גבוה מעל כדור הארץ, צופים בשלווה ביבשות ובאוקיינוסים מתגלגלים מתחת לנקודת התצפית שלכם.

ואז אתה פותח קופסת זבל.

כאשר פיסות הפסולת מרחפות ממך, אתה מהרהר בהשלכות של מה שעשית זה עתה. בטח, יצרת כעת ענן של פסולת שעלולה להיות מסוכנת המהווה סיכון גדול ללוויינים ולמשימות עתידיות. אבל עם השתקפות נוספת, המוח שלך נרגע. אתה עושה ניסוי מדעי, ועקרון השקילות מבטיח שכל פיסות הפסולת האלה, ללא קשר לצורתן או למסתן, יתחקו באופן מושלם אחר השפעות כוח הכבידה של כדור הארץ, ללא צורך בחישובים אחרים. זה משהו ייחודי לכוח הכבידה, הודות ל- E.P. [ מדוע היחסות נכונה: העדות לתורת איינשטיין ]

לכופף את החוקים



צפה במה שקורה לזבל שזרקת לחלל. חלקם, במקרה טהור, עשויים להתחיל בקו אופקי לחלוטין. אך כשהאובייקטים נופלים לכדור הארץ, הם עוקבים אחר קווים ישרים הפונים ימינה למרכז הגלובוס. אם תסתכל עליהם מקרוב, תראה שככל שהם יורדים כלפי מטה, הם יתכנסו בהדרגה. אם הם יכלו לעבור דרך כדור הארץ המוצק, בסופו של דבר הם היו מתנגשים במרכז.

פיסות זבל אחרות עשויות להתחיל בקו אנכי לחלוטין המכוון לעבר כדור הארץ, במרווחים אחידים זה מזה. גם הם היו נופלים. אבל המזל בחזית הקו היה נופל מעט יותר מהר, בשל קרבתו מעט לכדור הארץ, כשהאחרון בתור מפגר מעט מאחור. לכן, ככל שחתיכות הפסולת המשיכו בירידתן, הן היו מתפוגגות באיטיות בקו האנכי שלהן.

במקרים מסוימים, אנו מקבלים שבילים מתכנסים ומצטמצמים. במקרים אחרים, אנו מקבלים מסלולים מתפזרים ומתפשטים. בשני המקרים נתיבים מתחילים כמקבילים או אחידים לחלוטין אך משנים אופי. הנתיבים המשתנים האלה הם בדיוק מה שהמתמטיקאים משתמשים בלשון ה'עקמומיות 'כדי לתאר, וזו שפת הגיאומטריה.

דינג, דינג, דינג. הנה זה. עקרון השקילות אומר לך כי נתיבי הזבל הנופלים מודיעים לך ישירות על כך אופי הכבידה , ואותם נתיבים חושפים גיאומטריה מסובכת של זמן המרחב הבסיסי. במילים אחרות, כוח הכבידה הוא הגיאומטריה של זמן-מרחב.

גיאומטרודינמיקה.

מותח את המוח שלנו

ה'זמן 'בחלל-זמן חשוב מאוד לתאוריה המלאה. סביר להניח שראית את הדגמת מוזיאון המדע או את הגרפיקה המלווה מאמר בנושא תורת היחסות הכללית המראה מה שנראה כמו יריעת גומי מתוחה. כדור כבד, המייצג כוכב לכת או כוכב או חור שחור או כל דבר אחר, ממוקם במרכז, מושך את הבד כלפי מטה. גלגול כדורים אחרים על הסדין חושף את 'השפעת' כוח הכבידה: הם מנסים לעקוב אחר קווים ישרים, אך נתיביהם נסטים על ידי העקמומיות הבסיסית.

ההדגמה הזו בסדר גמור כהקדמה ראשונה לגן, אבל כבר עברנו הרבה את הגן. אין 'למטה' בזמן-זמן אמיתי, והקימור מתרחש בארבעה ממדים, לא בשניים. זה קצת יותר קשה לדמיין, ולכן אנחנו בדרך כלל נסוגים להדגמה הפשוטה יותר.

נכון שאובייקט מסיבי מעוות את המרחב הסטטי בסביבתו, אבל זה רק חצי מהתמונה. המסה משפיעה גם על ממד הזמן, והיא עושה זאת על ידי שינוי המסלולים האפשריים שאובייקט חולף מסוגל לעשות.

לכל אובייקט יש מה שנקרא חרוט אור, או קבוצה של יעדים אפשריים שהאובייקט יכול להגיע אליהם בנסיעה איטית יותר ממהירות האור. תארו לעצמכם לרכוב יחד עם כתם של אבק כפי שהוא מרוץ על ידי השמש. יש לו מגוון אפשרויות עתידיות, הניתנות בחרוט האור שלו. אך ככל שהאבק מתקרב לשמש, כוח הכבידה של כדור האש הענק הזה מטה את חרוט האור של האבק לעבר השמש עצמה. לאבק יש עתיד חדש וספציפי יותר המוקצה לו: חלק מהיעדים הם מחוץ לתחום (הם מחוץ לחרוט האור החדש), בעוד שאחרים נפתחו כעת.

זה אולי נראה כמו פיצול שערות, אך הכיפוף הסטטי של החלל ושינוי קונוסי האור מופיעים במתמטיקה של היחסות הכללית במקומות נפרדים, ורק על ידי שילוב של שתי האפקטים אנו מקבלים את התחזיות המלאות (והמדויקות!) של תֵאוֹרִיָה. יש לשקול את המרחב והזמן יחד; אתה לא יכול להתעלם מ- one.u

במילים אחרות, כוח הכבידה הוא הגיאומטריה של זמן-מרחב. גיאומטרודינמיקה.

למידע נוסף על ידי האזנה לפרק '' ברצינות, מהי הכבידה? (חלק 3) ' בפודקאסט 'שאל איש חלל', זמין ב- iTunes ובאינטרנט ב http://www.askaspaceman.com . תודה לאנדרו פ ', ג'ויס ס', @Luft08, בן וו ', טר ב', קולין E, כריסטופר פ ', מריה א', ברט ק ', bryguytheflyguy, @MarkRiepe, קנת ל', אליסון ק ', פיל B. ו- @shrenic_shah על השאלות שהובילו ליצירה זו! שאל את השאלה שלך בטוויטר באמצעות #AskASpaceman או עקוב אחרי פול @PaulMattSutter ו facebook.com/PaulMattSutter . עקוב אחרינו @Spacedotcom , פייסבוק ו Google+ . מאמר מקורי בנושא demokratija.eu .