Algemene relativiteit is een complexe theorie, maar het voorstellen van vallende objecten kan helpen de contouren ervan te traceren. (Hier worden GPS-satellieten rond de aarde getoond - GPS hangt af van de relativiteit om nauwkeurige posities te geven.)
(Afbeelding: © NASA)
Paul Sutter is astrofysicus bij De Ohio State University en de hoofdwetenschapper bij COSI wetenschapscentrum. Sutter is ook gastheer van "Vraag een Spaceman'en'Space Radio, "en leidt AstroTours rond de wereld. Sutter heeft dit artikel bijgedragen Space.com's Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Algemene relativiteit is een van de grootste prestaties van het menselijk begrip, des te indrukwekkender omdat het voortkwam uit de vruchtbare verbeeldingskracht en de onwankelbare wiskundige genialiteit van slechts één geest. De theorie zelf is de laatste en meest hardnekkige van de 'klassieke' (dwz niet-kwantum) natuurmodellen, en ons onvermogen om met iets geavanceerder te komen in de afgelopen honderd jaar is een constante herinnering aan hoe verdomd slim Albert Einstein was.
Een ander bewijs van het genie van Einstein komt in de verwarde spaghetti van complexe, onderling verbonden vergelijkingen die de volledige theorie vormen. Einstein heeft een prachtige machine gemaakt, maar hij heeft ons niet echt een gebruikershandleiding nagelaten. We kunnen zijn pad volgen in de zeven jaar van zelf aangebrachte martelingen die leidden tot de uiteindelijke vorm van de theorie, maar die ontwikkelingsroute werd geleid door zoveel intuïtie van Einstein dat het voor ons, gewone stervelingen, moeilijk is om dezelfde blinde sprongen te maken van geniaal dat hij deed.
Gewoon om het punt naar huis te brengen, de algemene relativiteitstheorie is zo complex dat wanneer iemand een oplossing voor de vergelijkingen ontdekt, ze de naar hen genoemde oplossing krijgen en op zichzelf semi-legendarisch worden. Er is een reden dat Karl Schwarzschild - de man die de geometrie van zwarte gaten heeft bedacht - een begrip is (of in ieder geval de naam van een natuurkunde-afdeling). [Einsteins algemene relativiteitstheorie: een vereenvoudigde uitleg]
Meetkunde is het lot
De absolute kern van algemene relativiteit, en een perfect acceptabele alternatieve naam ervoor, is geometrodynamica. Ga je gang, zeg het hardop - het is leuk. De manier waarop algemene relativiteit de zwaartekracht modelleert, is door de dynamische machinaties van de ruimtetijd zelf. Volgens de theorie verandert de aanwezigheid van materie en energie de fundamentele ruimte-tijdgeometrie die deze stoffen omringt, en die veranderde geometrie beïnvloedt beweging.
Deze relatie komt voort uit het belangrijkste, fundamentele, niet te negeren-concept dat ten grondslag ligt aan de hele theorie van algemene relativiteitstheorie: het equivalentieprincipe (E.P.). Dit principe is de aanname dat de traagheidsmassa (hoeveel oomph er nodig is om een object te verplaatsen) dezelfde eigenschap is als de zwaartekrachtmassa (hoeveel een object reageert op de zwaartekracht). En dit is de sleutel die de hele zwaartekrachtsklus ontgrendelt.
Met die gelijkwaardigheid kunnen we ons een scenario voorstellen om de verbinding tussen geometrie en zwaartekracht te visualiseren. Doe net alsof je hoog boven de aarde cirkelt en kijk rustig naar de continenten en oceanen die onder je uitkijkpunt rollen.
Dan open je een doos met rommel.
Terwijl de brokstukken van je weg drijven, denk je na over de gevolgen van wat je net hebt gedaan. Natuurlijk heb je nu een wolk van potentieel gevaarlijk puin gecreëerd dat een groot risico vormt voor satellieten en toekomstige missies. Maar bij nader inzien wordt uw geest rustiger. Je doet een wetenschappelijk experiment, en het equivalentieprincipe garandeert dat al deze brokstukken, ongeacht hun vorm of massa, de effecten van de zwaartekracht van de aarde perfect zullen traceren, zonder dat er andere berekeningen nodig zijn. Dat is iets unieks voor de zwaartekracht, dankzij de E.P. [Waarom Relativity's True: The Evidence for Einstein's Theory]
De regels buigen
Kijk wat er gebeurt met de rommel die je de ruimte in hebt gegooid. Sommigen beginnen bij toeval in een perfect horizontale lijn. Maar als de objecten naar de aarde vallen, volgen ze rechte lijnen die recht naar het midden van de wereld gaan. Als je ze goed in de gaten houdt, zie je dat als ze naar beneden gaan, ze geleidelijk zullen samenkomen. Als ze door de vaste aarde zouden kunnen gaan, zouden ze uiteindelijk in het midden botsen.
Andere stukjes rommel kunnen beginnen in een perfect verticale lijn die op de aarde is gericht, gelijkmatig van elkaar verwijderd. Ook zij zouden vallen. Maar de gelukkige aan de voorkant van de lijn zou iets sneller vallen vanwege de iets dichterbij de aarde liggende lijn, met de laatste in lijn iets achterop. Dus terwijl de stukjes puin hun afdaling voortzetten, zouden ze langzaam divergeren in hun verticale lijn.
In sommige gevallen krijgen we convergerende, versmallende paden. In andere gevallen krijgen we uiteenlopende, spreidingstrajecten. In beide gevallen beginnen paden als perfect parallel of uniform, maar veranderen ze van karakter. Deze veranderende paden zijn precies wat de wiskundigen de taal van "kromming" gebruiken om te beschrijven, en dat is de taal van de geometrie.
Ding, ding, ding. Daar is het. Het equivalentieprincipe vertelt je dat de paden van vallende rommel je direct informeren over de aard van de zwaartekracht, en diezelfde paden onthullen een gecompliceerde geometrie van de onderliggende ruimte-tijd. Met andere woorden, die zwaartekracht is de geometrie van ruimte-tijd.
Geometrodynamica.
Onze hersenen strekken
tDe "tijd" in ruimte-tijd is erg belangrijk voor de volledige theorie. Je hebt waarschijnlijk de demo of afbeelding van het wetenschapsmuseum gezien bij een artikel over algemene relativiteit dat laat zien wat eruitziet als een uitgerekte rubberen plaat. Een zware bal, die een planeet of ster of zwart gat of wat dan ook voorstelt, wordt in het midden geplaatst en trekt de stof naar beneden. Door andere ballen op het vel te rollen, wordt de 'invloed' van de zwaartekracht zichtbaar: ze proberen rechte lijnen te volgen, maar hun paden worden afgebogen door de onderliggende kromming.
Die demo is prima als een eerste introductie op de kleuterschool, maar we zijn nu ver voorbij de kleuterschool. Er is geen "down" in de echte ruimtetijd en het buigen gebeurt in vier dimensies, niet in twee. Het is iets moeilijker om te visualiseren, daarom trekken we ons meestal terug op de eenvoudigere demo.
Het is waar dat een enorm object de statische ruimte in zijn omgeving vervormt, maar dat is slechts de helft van het beeld. Massa beïnvloedt ook de dimensie van tijd, en doet dit door de mogelijke trajecten te veranderen waartoe een passerend object in staat is.
Elk object heeft een zogenaamde lichtkegel of een reeks mogelijke bestemmingen die het object langzamer kan bereiken dan de lichtsnelheid. Stel je voor dat je met een stofje rijdt terwijl het door de zon raast. Het heeft een scala aan toekomstige mogelijkheden, gegeven door zijn lichtkegel. Maar als het stof in de buurt van de zon komt, kantelt de zwaartekracht van die gigantische vuurbal de lichtkegel van het stof naar de zon zelf. Het stof heeft nu een nieuwe, meer specifieke toekomst toegewezen gekregen: sommige bestemmingen zijn verboden terrein (ze liggen buiten de nieuwe lichtkegel), terwijl andere nu zijn geopend.
Dit lijkt misschien splitsende haren, maar de statische buiging van de ruimte en het veranderen van lichtkegels verschijnen in de wiskunde van de algemene relativiteitstheorie op afzonderlijke plaatsen, en alleen door de twee effecten te combineren krijgen we de volledige (en nauwkeurige!) Voorspellingen van de theorie. Ruimte en tijd moeten beide samen worden beschouwd; je kunt er geen negeren. u
Met andere woorden, zwaartekracht is de geometrie van ruimte-tijd. Geometrodynamica.
Lees meer door te luisteren naar de aflevering "" Serieus, wat is zwaartekracht? (Deel 3) "op de podcast" Ask A Spaceman ", beschikbaar op iTunes en op internet op http://www.askaspaceman.com. Met dank aan 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. en @shrenic_shah voor de vragen die tot dit stuk hebben geleid! Stel je eigen vraag op Twitter met #AskASpaceman of door Paul @ PaulMattSutter en facebook.com/PaulMattSutter te volgen. Volg ons @Spacedotcom, Facebook en Google+. Origineel artikel op Space.com.
