Relativiti umum adalah teori yang kompleks, tetapi membayangkan objek jatuh dapat membantu mengesan konturnya. (Di sini, satelit GPS ditunjukkan di sekitar Bumi - GPS bergantung pada relativiti untuk memberikan kedudukan yang tepat.)
(Imej: © NASA)
Paul Sutter adalah ahli astrofizik di Universiti Negeri Ohio dan ketua saintis di Pusat sains COSI. Sutter juga tuan rumah "Tanya Spaceman"dan"Radio Angkasa, "dan petunjuk AstroTours seluruh dunia. Sutter menyumbang artikel ini kepada Suara Pakar Space.com: Op-Ed & Wawasan.
Relativiti umum adalah salah satu prestasi pengertian manusia yang paling hebat, yang semakin mengagumkan oleh fakta bahawa ia berasal dari imaginasi yang subur dan kecemerlangan matematik hanya dengan satu pemikiran. Teori itu sendiri adalah yang terakhir dan paling berterusan dari model "klasik" (iaitu, bukan kuantum), dan ketidakupayaan kita untuk menghasilkan apa-apa yang lebih canggih selama seratus tahun yang lalu adalah peringatan berterusan betapa pintarnya Albert Einstein pernah.
Bukti lain untuk genius Einstein datang dalam spageti kusut dari persamaan kompleks yang saling berkaitan yang membentuk teori penuh. Einstein membuat mesin yang cantik, tetapi dia tidak meninggalkan kami manual pengguna. Kita dapat menelusuri jalannya dalam tujuh tahun penyiksaan yang ditimbulkan sendiri yang membawa kepada bentuk akhir teori, tetapi jalan pengembangan itu dipandu oleh begitu banyak intuisi usus Einstein sehingga sukar bagi kita hanya manusia untuk melakukan lompatan buta yang sama genius yang dia lakukan.
Hanya untuk menjadikannya inti, relativiti umum sangat rumit sehingga apabila seseorang mencari jalan keluar untuk persamaan, mereka mendapat penyelesaian yang dinamakan dan menjadi separa legenda dengan sendirinya. Ada sebab bahawa Karl Schwarzschild - lelaki yang mengetahui geometri lubang hitam - adalah nama rumah tangga (atau sekurang-kurangnya, nama jabatan fizik). [Teori Relativiti Umum Einstein: Penjelasan Ringkas]
Geometri adalah takdir
Inti mutlak relativiti umum, dan nama alternatif yang boleh diterima, adalah geometrodinamik. Teruskan, katakan dengan lantang - memang menyeronokkan. Cara relativiti umum memodelkan graviti adalah melalui pemesinan dinamik ruang-waktu itu sendiri. Menurut teori, kehadiran jirim dan tenaga mengubah geometri ruang-waktu asas yang mengelilingi bahan-bahan tersebut, dan geometri yang diubah mempengaruhi pergerakan.
Hubungan ini berasal dari konsep yang paling penting, asas, tidak boleh diabaikan-konsep ini yang mendasari keseluruhan teori relativiti umum: prinsip kesetaraan (E.P.). Prinsip ini adalah anggapan bahawa jisim inersia (berapa banyak oomph yang diperlukan untuk menggerakkan objek) adalah sifat yang sama dengan jisim graviti (berapa banyak objek bertindak balas terhadap graviti). Dan ini adalah kunci yang membuka keseluruhan shebang graviti.
Dengan menggunakan kesetaraan itu, kita dapat membayangkan senario untuk membantu menggambarkan hubungan antara geometri dan graviti. Berpura-pura anda mengorbit tinggi di atas Bumi, dengan tenang menyaksikan benua dan lautan bergelombang di bawah sudut pandang anda.
Kemudian anda membuka kotak sampah.
Apabila serpihan serpihan menjauh dari anda, anda merenungkan kesan dari apa yang baru anda lakukan. Pasti, anda kini telah mencipta awan puing yang berpotensi berbahaya yang menimbulkan risiko besar kepada satelit dan misi masa depan. Tetapi setelah difikirkan lebih jauh, fikiran anda mereda. Anda melakukan eksperimen sains, dan prinsip kesetaraan menjamin bahawa semua serpihan ini, tidak kira bentuk dan jisimnya, akan dapat mengesan kesan graviti Bumi dengan sempurna, tanpa memerlukan pengiraan lain. Itu sesuatu yang unik dari gaya graviti, berkat E.P. [Mengapa Relativiti Benar: Bukti Teori Einstein]
Membengkokkan peraturan
Tonton apa yang berlaku pada sampah yang anda buang ke angkasa. Sebilangan, secara kebetulan, mungkin bermula dalam garis mendatar yang sempurna. Tetapi ketika benda-benda itu jatuh ke Bumi, benda-benda itu mengikuti garis lurus yang menuju ke pusat dunia. Sekiranya anda memerhatikan mereka dengan teliti, anda akan melihat bahawa ketika mereka menuju ke bawah, mereka secara beransur-ansur akan berkumpul. Sekiranya mereka dapat melalui Bumi yang padat, mereka akhirnya akan bertabrakan di tengah-tengahnya.
Potongan sampah yang lain mungkin bermula pada garis menegak yang sempurna yang menuju ke Bumi, yang jaraknya sama rata antara satu sama lain. Mereka juga akan jatuh. Tetapi yang bertuah di bahagian depan garis akan jatuh sedikit lebih cepat, kerana jaraknya yang agak dekat dengan Bumi, dengan garis terakhir yang sedikit ketinggalan. Oleh kerana, serpihan puing-puing itu terus turun, mereka perlahan-lahan akan menyimpang pada garis menegak mereka.
Dalam beberapa kes, kita mendapat jalan penyimpangan dan penyempitan. Dalam kes lain, kita mengalami penyebaran, menyebarkan lintasan. Dalam kedua kes tersebut, jalan bermula selari atau seragam dengan sempurna tetapi mengubah watak s. Jalur perubahan ini betul-betul seperti yang digunakan oleh ahli matematik untuk menggunakan bahasa "curvature", dan itulah bahasa geometri.
Ding, ding, ding. Itu dia. Prinsip kesetaraan memberitahu anda bahawa jalan-jalan sampah jatuh secara langsung memberitahu anda tentang sifat graviti, dan jalan yang sama menunjukkan geometri rumit dari ruang-waktu yang mendasari. Dengan kata lain, graviti itu adalah geometri ruang-masa.
Geometrodinamik.
Meregangkan otak kita
"Masa" dalam ruang-waktu sangat penting untuk teori sepenuhnya. Anda mungkin pernah melihat demo atau grafik muzium sains yang menyertakan artikel mengenai relativiti umum yang menunjukkan rupa lembaran getah yang diregangkan. Bola berat, mewakili planet atau bintang atau lubang hitam atau apa sahaja, diletakkan di tengah, menarik kain ke bawah. Menggulung bola lain di atas lembaran menunjukkan "pengaruh" graviti: Mereka cuba mengikuti garis lurus, tetapi jalan mereka terpesong oleh kelengkungan yang mendasari.
Demo itu baik-baik saja sebagai pengenalan tadika pertama, tetapi sekarang kita sudah lewat tadika. Tidak ada "turun" dalam ruang-waktu nyata, dan lekukan terjadi dalam empat dimensi, bukan dua. Agak sukar untuk dilihat, itulah sebabnya kita biasanya berundur ke demo yang lebih sederhana.
Memang benar bahawa objek besar menyimpang ruang statik di sekitarnya, tetapi hanya separuh gambarnya. Massa juga mempengaruhi dimensi masa, dan ia melakukannya dengan mengubah lintasan yang mungkin dilakukan oleh objek yang lewat.
Setiap objek memiliki apa yang disebut kerucut cahaya, atau sekumpulan kemungkinan tujuan yang dapat dicapai objek lebih lambat dari kecepatan cahaya. Bayangkan menunggang bersama setitik debu ketika berlari di bawah cahaya matahari. Ini memiliki berbagai kemungkinan masa depan, yang diberikan oleh kerucut cahaya. Tetapi ketika debu menghampiri matahari, gravitasi bola api raksasa itu memiringkan kon cahaya debu ke arah matahari itu sendiri. Debu kini mempunyai masa depan yang baru dan lebih spesifik yang diberikan kepadanya: Beberapa destinasi berada di luar had (mereka berada di luar kerucut cahaya baru), sementara yang lain kini telah dibuka.
Ini mungkin kelihatan seperti membelah rambut, tetapi lenturan ruang secara statik dan perubahan kerucut cahaya muncul dalam matematik relativiti umum di tempat yang berasingan, dan hanya dengan menggabungkan dua kesan, kita dapat memperoleh ramalan penuh (dan tepat!) teori. Ruang dan masa mesti dipertimbangkan bersama; anda tidak boleh mengabaikan one.u
Dengan kata lain, graviti adalah geometri ruang-masa. Geometrodinamik.
Ketahui lebih lanjut dengan mendengar episod "" Serius, Apa Itu Graviti? (Bahagian 3) "di podcast" Ask A Spaceman ", tersedia di iTunes dan di web di http://www.askaspaceman.com. Terima kasih kepada 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. dan @shrenic_shah untuk soalan yang membawa kepada bahagian ini! Ajukan soalan anda sendiri di Twitter menggunakan #AskASpaceman atau dengan mengikuti Paul @ PaulMattSutter dan facebook.com/PaulMattSutter. Ikuti kami @Spacedotcom, Facebook dan Google+. Artikel asal di Space.com.
