ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเป็นทฤษฎีที่ซับซ้อน แต่การนึกภาพวัตถุที่ตกลงมาสามารถช่วยติดตามรูปร่างของมัน (ที่นี่ดาวเทียมจีพีเอสจะแสดงรอบโลก - จีพีเอสขึ้นอยู่กับสัมพัทธภาพเพื่อให้ตำแหน่งที่ถูกต้อง)
(ภาพ: © NASA)
Paul Sutter เป็นนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ที่ มหาวิทยาลัยแห่งรัฐโอไฮโอ และหัวหน้านักวิทยาศาสตร์ที่ ศูนย์วิทยาศาสตร์ COSI. ซัทเทอร์ยังเป็นเจ้าภาพของ "ถามนักบินอวกาศ"และ"วิทยุอวกาศ, "และโอกาสในการขาย AstroTours รอบโลก. ซัทเทอร์สนับสนุนบทความนี้ เสียงผู้เชี่ยวชาญของ Space.com: Op-Ed & Insights.
ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเป็นหนึ่งในความสำเร็จที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของความเข้าใจของมนุษย์ทำให้ทุกอย่างน่าประทับใจมากขึ้นจากข้อเท็จจริงที่ว่ามันผุดขึ้นมาจากจินตนาการที่อุดมสมบูรณ์ ทฤษฎีนี้เป็นรูปแบบสุดท้ายและถาวรที่สุดของรูปแบบธรรมชาติ (เช่นไม่ใช่แบบควอนตัม) และการไร้ความสามารถของเราที่จะเกิดขึ้นกับสิ่งที่มีความซับซ้อนมากขึ้นกว่าร้อยปีที่ผ่านมาเป็นเครื่องเตือนความจำอย่างต่อเนื่อง ไอน์สไตน์เคยเป็น
ข้อพิสูจน์อีกอย่างหนึ่งเกี่ยวกับอัจฉริยะของไอน์สไตน์คือสปาเก็ตตี้ที่พันกันซับซ้อนที่เชื่อมโยงกันซึ่งประกอบกันเป็นทฤษฎีทั้งหมด Einstein สร้างเครื่องจักรที่สวยงาม แต่เขาก็ไม่ได้ทิ้งคู่มือผู้ใช้ของเราไว้ เราสามารถติดตามเส้นทางของเขาในเจ็ดปีของการทรมานตนเองที่นำไปสู่รูปแบบขั้นสุดท้ายของทฤษฎี แต่เส้นทางการพัฒนานั้นได้รับคำแนะนำจากสัญชาตญาณลำไส้ของไอน์สไตน์มากจนยากสำหรับเราที่จะเป็นมนุษย์ อัจฉริยะที่เขาทำ
เพียงแค่ขับรถกลับบ้านจุดสัมพัทธภาพทั่วไปนั้นซับซ้อนมากจนเมื่อใครบางคนค้นพบคำตอบของสมการพวกเขาได้คำตอบที่ตั้งชื่อพวกมันและกลายเป็นกึ่งตำนานในสิทธิ์ของพวกเขาเอง มีเหตุผลที่คาร์ลชวาร์สชิลด์ - คนที่รู้รูปทรงเรขาคณิตของหลุมดำ - เป็นชื่อครัวเรือน (หรืออย่างน้อยก็ชื่อแผนกฟิสิกส์) [ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein: คำอธิบายที่ง่าย]
เรขาคณิตคือโชคชะตา
แก่นแท้ของสัมพัทธภาพทั่วไปและชื่อทางเลือกที่ยอมรับได้อย่างสมบูรณ์ก็คือ เอาเลยพูดออกมาดัง ๆ - มันสนุกดี วิธีที่แรงโน้มถ่วงของแบบจำลองทฤษฏีสัมพัทธภาพทั่วไปคือผ่านการเสี้ยวแบบไดนามิกของกาลอวกาศ ตามทฤษฎีแล้วการปรากฏตัวของสสารและพลังงานจะเปลี่ยนแปลงรูปทรงเรขาคณิตของเวลาอวกาศพื้นฐานโดยรอบสารเหล่านั้นและเรขาคณิตที่เปลี่ยนไปนั้นมีอิทธิพลต่อการเคลื่อนที่
ความสัมพันธ์นี้เกิดขึ้นจากแนวคิดพื้นฐานที่สำคัญที่สุดไม่สามารถเพิกเฉยได้ซึ่งเป็นรากฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทั้งหมด: หลักการความเท่าเทียม (E.P. ) หลักการนี้เป็นข้อสันนิษฐานที่ว่ามวลเฉื่อย (อุ้มเท่าไหร่ที่ใช้ในการเคลื่อนย้ายวัตถุ) เป็นคุณสมบัติเดียวกับมวลโน้มถ่วง (เท่าไหร่วัตถุตอบสนองต่อแรงโน้มถ่วง) และนี่คือกุญแจสำคัญที่จะปลดล็อคกลุ่มแรงโน้มถ่วงทั้งหมด
การใช้ความเท่าเทียมนั้นเราสามารถจินตนาการถึงสถานการณ์ที่จะช่วยให้เห็นภาพการเชื่อมต่อระหว่างรูปทรงเรขาคณิตและแรงโน้มถ่วง แกล้งทำเป็นว่าคุณกำลังโคจรอยู่สูงเหนือพื้นโลกเฝ้าดูทวีปและมหาสมุทรอย่างสงบนิ่งภายใต้จุดชมวิวของคุณ
จากนั้นคุณเปิดกล่องขยะ
เมื่อเศษเศษเล็กเศษน้อยลอยไปจากคุณคุณก็จะไตร่ตรองถึงสิ่งที่คุณเพิ่งทำไป แน่นอนว่าตอนนี้คุณได้สร้างกลุ่มเมฆที่อาจเป็นอันตรายซึ่งก่อให้เกิดความเสี่ยงที่สำคัญต่อดาวเทียมและภารกิจในอนาคต แต่เมื่อใคร่ครวญเพิ่มเติมจิตใจของคุณก็จะสงบลง คุณกำลังทำการทดลองทางวิทยาศาสตร์และหลักการเท่าเทียมกันรับรองได้ว่าเศษซากเหล่านี้ทั้งหมดไม่ว่ารูปร่างหรือมวลของพวกมันจะติดตามผลกระทบของแรงโน้มถ่วงของโลกได้อย่างสมบูรณ์แบบโดยไม่จำเป็นต้องคำนวณอื่นใด นั่นเป็นสิ่งที่พิเศษสำหรับแรงโน้มถ่วงเนื่องจาก E.P [ทำไมสัมพัทธภาพที่แท้จริง: หลักฐานสำหรับทฤษฎีของไอน์สไตน์]
ดัดกฎ
ดูสิ่งที่เกิดขึ้นกับขยะที่คุณโยนลงในช่องว่าง บางคนอาจมีจุดเริ่มต้นในแนวนอนอย่างสมบูรณ์โดยบังเอิญ แต่เมื่อวัตถุตกลงสู่พื้นโลกพวกมันจะเดินทางไปตามเส้นตรงมุ่งตรงไปยังจุดศูนย์กลางของโลก หากคุณดูพวกเขาอย่างใกล้ชิดคุณจะเห็นว่าเมื่อพวกเขามุ่งหน้าลงพวกเขาจะมาบรรจบกัน หากพวกเขาสามารถผ่านโลกที่มั่นคงได้ในที่สุดพวกเขาก็จะชนกันที่ศูนย์กลาง
เศษขยะอื่น ๆ อาจเริ่มต้นในแนวตั้งอย่างสมบูรณ์แบบเล็งไปยังโลกเว้นระยะห่างเท่ากันจากกัน พวกเขาก็จะตกเช่นกัน แต่ผู้โชคดีที่อยู่ด้านหน้าของแถวจะลดลงเร็วกว่าเล็กน้อยเนื่องจากอยู่ใกล้กับโลกมากขึ้นเล็กน้อยโดยแถวสุดท้ายอยู่ด้านหลังเล็กน้อย ดังนั้นเมื่อชิ้นส่วนของเศษซากยังคงสืบเชื้อสายมาพวกเขาจะค่อยๆแยกตัวออกเป็นแนวดิ่ง
ในบางกรณีเราได้รับการลู่เข้าแคบ ๆ ในกรณีอื่น ๆ เราจะได้รับการเบี่ยงเบนวิถีการแพร่กระจาย ในทั้งสองกรณีเส้นทางจะเริ่มต้นอย่างสมบูรณ์แบบขนานหรือเหมือนกัน แต่เปลี่ยนอักขระ s เส้นทางที่เปลี่ยนแปลงเหล่านี้เป็นสิ่งที่นักคณิตศาสตร์ใช้ภาษาของ "ความโค้ง" เพื่ออธิบายและนั่นคือภาษาของเรขาคณิต
Ding, ding, ding นั่นไง หลักการความเท่าเทียมจะบอกคุณว่าเส้นทางของการทิ้งขยะจะแจ้งให้คุณทราบโดยตรงเกี่ยวกับธรรมชาติของแรงโน้มถ่วงและเส้นทางเดียวกันนั้นจะเผยให้เห็นรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อนของอวกาศ - เวลา กล่าวอีกนัยหนึ่งแรงโน้มถ่วงนั้นเป็นเรขาคณิตของอวกาศ - เวลา
Geometrodynamics
การยืดสมองของเรา
t "เวลา" ในอวกาศเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งต่อทฤษฎีทั้งหมด คุณอาจเคยเห็นการสาธิตพิพิธภัณฑ์วิทยาศาสตร์หรือกราฟิคประกอบกับบทความเกี่ยวกับสัมพัทธภาพทั่วไปแสดงให้เห็นสิ่งที่ดูเหมือนแผ่นยางยืด ลูกบอลขนาดใหญ่ที่แสดงถึงดาวเคราะห์หรือดาวหรือหลุมดำหรืออะไรก็ตามวางอยู่ตรงกลางดึงผ้าลง กลิ้งลูกบอลอื่น ๆ บนแผ่นเผยให้เห็น "อิทธิพล" ของแรงโน้มถ่วง: พวกเขาพยายามที่จะติดตามเส้นตรง แต่เส้นทางของพวกเขาได้รับการเบี่ยงเบนโดยความโค้งพื้นฐาน
การสาธิตนั้นดีพอ ๆ กับการแนะนำอนุบาลครั้งแรก แต่ตอนนี้เราผ่านโรงเรียนอนุบาลมาแล้ว ไม่มีการ "ลง" ในเวลาจริงและการโค้งเกิดขึ้นในสี่มิติไม่ใช่สองมิติ มันยากกว่าเล็กน้อยในการมองเห็นซึ่งเป็นสาเหตุที่เรามักจะหนีไปที่ตัวอย่างที่ง่ายกว่า
เป็นเรื่องจริงที่วัตถุขนาดใหญ่บิดเบือนพื้นที่คงที่ในบริเวณใกล้เคียง แต่นั่นเป็นเพียงครึ่งหนึ่งของภาพ มวลก็มีผลต่อมิติของเวลาด้วยเช่นกันโดยการเปลี่ยนวิถีที่เป็นไปได้ที่วัตถุผ่านได้
วัตถุทุกชิ้นมีสิ่งที่เรียกว่ากรวยแสงหรือชุดของปลายทางที่เป็นไปได้ซึ่งวัตถุนั้นอาจเคลื่อนที่ช้ากว่าความเร็วแสง ลองจินตนาการถึงการขี่ไปพร้อมกับฝุ่นละอองในขณะที่แข่งกับดวงอาทิตย์ มันมีช่วงของความเป็นไปได้ในอนาคตที่กำหนดโดยกรวยแสง แต่เมื่อฝุ่นเข้ามาใกล้ดวงอาทิตย์แรงโน้มถ่วงของลูกไฟยักษ์ตัวนั้นจะเอียงกรวยแสงของฝุ่นไปทางดวงอาทิตย์ . ตอนนี้ฝุ่นมีอนาคตใหม่ที่เฉพาะเจาะจงมากขึ้นแล้ว: บางสถานที่นั้นมีขีด จำกัด (อยู่นอกกรวยแสงใหม่) ในขณะที่บางแห่งเปิดขึ้นแล้ว
นี่อาจดูเหมือนเส้นผมที่แยกออก แต่การดัดงอแบบคงที่ของพื้นที่และการเปลี่ยนแปลงของกรวยแสงปรากฏในคณิตศาสตร์ของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปในที่ต่าง ๆ และโดยการรวมสองเอฟเฟกต์เข้าด้วยกัน ทฤษฎี. พื้นที่และเวลาจะต้องพิจารณาร่วมกัน คุณไม่สามารถละเลย one.u
กล่าวอีกนัยหนึ่งแรงโน้มถ่วงเป็นเรขาคณิตของอวกาศ - เวลา Geometrodynamics
เรียนรู้เพิ่มเติมโดยการฟังตอน "" อย่างจริงจังแรงดึงดูดคืออะไร? (ตอนที่ 3) "ที่" Ask A Spaceman "พอดคาสต์ที่มีอยู่ใน iTunes และบนเว็บที่ http://www.askaspaceman.com ขอบคุณ 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. และ @shrenic_shah สำหรับคำถามที่นำไปสู่ส่วนนี้! บน Twitter โดยใช้ #AskASpaceman หรือติดตาม Paul @ PaulMattSutter และ facebook.com/PaulMattSutter ติดตามเราได้ที่ @ Spacedotcom, Facebook และ Google+ บทความต้นฉบับบน Space.com
