Thuyết tương đối rộng là một lý thuyết phức tạp, nhưng tưởng tượng các vật rơi có thể giúp theo dõi các đường viền của nó. (Ở đây, các vệ tinh GPS được hiển thị xung quanh Trái đất - GPS phụ thuộc vào tính tương đối để đưa ra các vị trí chính xác.)
(Ảnh: © NASA)
Paul nói là một nhà vật lý thiên văn tại Đại học bang Ohio và nhà khoa học trưởng tại Trung tâm khoa học COSI. Sutter cũng là chủ của "Hỏi một người không gian"và"Đài phát thanh không gian, "và dẫn AstroTours vòng quanh thế giới. Sutter đã đóng góp bài viết này cho Tiếng nói chuyên gia của Space.com: Op-Ed & Insights.
Thuyết tương đối rộng là một trong những chiến công lớn nhất của sự hiểu biết của con người, khiến mọi người ấn tượng hơn bởi thực tế là nó xuất phát từ trí tưởng tượng màu mỡ và sáng chói toán học chỉ bằng một tâm trí. Bản thân lý thuyết này là mô hình cuối cùng và bền bỉ nhất của các mô hình tự nhiên "cổ điển" (tức là không lượng tử), và việc chúng ta không thể đưa ra bất cứ điều gì tinh vi hơn trong hàng trăm năm qua là một lời nhắc nhở liên tục về việc Albert thông minh như thế nào Einstein đã.
Một minh chứng khác cho thiên tài của Einstein xuất hiện trong mỳ spaghetti rối rắm của các phương trình phức tạp, liên kết với nhau tạo nên lý thuyết đầy đủ. Einstein đã tạo ra một cỗ máy tuyệt đẹp, nhưng ông không chính xác để lại cho chúng tôi hướng dẫn sử dụng. Chúng ta có thể theo dõi con đường của anh ta trong bảy năm tự hành hạ bản thân dẫn đến hình thức cuối cùng của lý thuyết, nhưng con đường phát triển đó được dẫn dắt bởi rất nhiều trực giác ruột thịt của Einstein đến nỗi chúng ta khó có thể thực hiện được những bước nhảy mù quáng tương tự thiên tài mà anh đã làm.
Chỉ cần lái xe về nhà, thuyết tương đối rộng phức tạp đến mức khi ai đó phát hiện ra một giải pháp cho các phương trình, họ có được giải pháp được đặt theo tên của họ và trở thành bán huyền thoại theo cách riêng của họ. Có một lý do mà Karl Schwarzschild - người tìm ra hình học của các lỗ đen - là một tên hộ gia đình (hoặc ít nhất, là một tên khoa vật lý). [Lý thuyết tương đối tổng quát của Einstein: Một giải thích đơn giản]
Hình học là định mệnh
Cốt lõi tuyệt đối của thuyết tương đối rộng, và một tên thay thế hoàn toàn chấp nhận được cho nó, là hình học địa lý. Hãy tiếp tục, nói to lên - thật vui. Cách mà thuyết tương đối rộng mô hình lực hấp dẫn là thông qua các động lực động của chính không-thời gian. Theo lý thuyết, sự hiện diện của vật chất và năng lượng làm thay đổi hình học không gian-thời gian cơ bản xung quanh các chất đó và sự thay đổi hình học đó ảnh hưởng đến chuyển động.
Mối quan hệ này xuất phát từ khái niệm quan trọng nhất, cơ bản nhất, không thể bỏ qua - khái niệm này dựa trên toàn bộ lý thuyết tương đối rộng: nguyên tắc tương đương (E.P.). Nguyên tắc này là giả định rằng khối lượng quán tính (cần bao nhiêu oomph để di chuyển một vật) có cùng tính chất với khối lượng hấp dẫn (một vật thể phản ứng với trọng lực bao nhiêu). Và đây là chìa khóa mở ra toàn bộ shebang hấp dẫn.
Sử dụng sự tương đương đó, chúng ta có thể tưởng tượng một kịch bản để giúp hình dung kết nối giữa hình học và trọng lực. Giả vờ bạn đang quay quanh trên Trái đất, bình tĩnh ngắm nhìn các lục địa và đại dương cuộn dưới điểm thuận lợi của bạn.
Sau đó, bạn mở ra một hộp rác.
Khi các mảnh vụn trôi ra khỏi bạn, bạn suy ngẫm về sự phân nhánh của những gì bạn vừa làm. Chắc chắn, bây giờ bạn đã tạo ra một đám mây mảnh vụn nguy hiểm tiềm ẩn nguy cơ lớn đối với các vệ tinh và các nhiệm vụ trong tương lai. Nhưng khi phản ánh thêm, tâm trí của bạn giảm bớt. Bạn đang thực hiện một thí nghiệm khoa học và nguyên tắc tương đương đảm bảo rằng tất cả các mảnh vụn này, bất kể hình dạng hoặc khối lượng của chúng, sẽ theo dõi hoàn hảo các tác động của lực hấp dẫn của Trái đất, mà không cần bất kỳ tính toán nào khác. Đó là một cái gì đó độc đáo đối với lực hấp dẫn, nhờ vào E.P. [Tại sao thuyết tương đối đúng: Bằng chứng cho lý thuyết của Einstein]
Uốn quy tắc
Xem những gì xảy ra với rác bạn ném vào không gian. Một số, do cơ hội thuần túy, có thể bắt đầu trong một đường ngang hoàn hảo. Nhưng khi các vật thể rơi xuống Trái đất, chúng đi theo những đường thẳng hướng thẳng về trung tâm địa cầu. Nếu bạn quan sát chúng kỹ, bạn sẽ thấy rằng khi chúng hướng xuống dưới, chúng sẽ dần dần hội tụ. Nếu chúng có thể đi qua Trái đất rắn, cuối cùng chúng sẽ va chạm vào chính giữa.
Các mẩu rác khác có thể bắt đầu theo một đường thẳng đứng hoàn hảo nhắm vào Trái đất, cách đều nhau. Họ cũng sẽ rơi. Nhưng người may mắn ở phía trước của dòng sẽ giảm nhanh hơn một chút, do nó nằm gần Trái đất hơn một chút, với dòng cuối cùng bị tụt lại phía sau một chút. Vì vậy, khi các mảnh vụn tiếp tục hạ xuống, chúng sẽ từ từ chuyển hướng theo hàng dọc.
Trong một số trường hợp, chúng ta có được sự hội tụ, thu hẹp những con đường mòn. Trong các trường hợp khác, chúng ta có được sự phân kỳ, lan truyền quỹ đạo. Trong cả hai trường hợp, các đường dẫn bắt đầu hoàn toàn song song hoặc đồng nhất nhưng thay đổi ký tự s. Những đường dẫn thay đổi này chính xác là những gì các nhà toán học sử dụng ngôn ngữ "độ cong" để mô tả, và đó là ngôn ngữ của hình học.
Ding ding ding. Nó đây rồi Nguyên tắc tương đương cho bạn biết rằng các đường đi của rác rơi trực tiếp thông báo cho bạn về bản chất của trọng lực và những đường dẫn tương tự cho thấy một hình dạng phức tạp của không-thời gian bên dưới. Nói cách khác, trọng lực đó là hình học của không-thời gian.
Hình học.
Kéo dài bộ não của chúng ta
"Thời gian" trong không-thời gian rất quan trọng đối với lý thuyết đầy đủ. Bạn có thể đã xem bản demo hoặc đồ họa của bảo tàng khoa học kèm theo một bài viết về thuyết tương đối rộng cho thấy những gì trông giống như một tấm cao su kéo dài. Một quả bóng nặng, đại diện cho một hành tinh hoặc ngôi sao hoặc lỗ đen hoặc bất cứ thứ gì, được đặt ở trung tâm, kéo vải xuống. Lăn các quả bóng khác trên tấm cho thấy "ảnh hưởng" của trọng lực: Họ cố gắng đi theo các đường thẳng, nhưng đường đi của chúng bị lệch bởi độ cong bên dưới.
Bản demo đó hoàn toàn tốt khi giới thiệu mẫu giáo đầu tiên, nhưng bây giờ chúng ta cũng đã qua mẫu giáo. Không có "xuống" trong không-thời gian thực, và sự uốn cong đang diễn ra theo bốn chiều chứ không phải hai. Khó hình dung hơn một chút, đó là lý do tại sao chúng ta thường rút lui về bản demo đơn giản hơn.
Đúng là một vật thể to lớn làm biến dạng không gian tĩnh trong vùng lân cận của nó, nhưng đó chỉ là một nửa bức tranh. Khối lượng cũng ảnh hưởng đến chiều thời gian, và nó làm như vậy bằng cách thay đổi quỹ đạo có thể mà một vật thể đi qua có khả năng.
Mọi vật thể đều có cái gọi là hình nón ánh sáng, hoặc một tập hợp các điểm đến có thể mà vật thể có thể di chuyển chậm hơn tốc độ ánh sáng. Hãy tưởng tượng đi cùng với một hạt bụi khi nó chạy đua bởi mặt trời. Nó có một loạt các khả năng trong tương lai, được đưa ra bởi hình nón nhẹ của nó. Nhưng khi bụi đến gần mặt trời, trọng lực của quả cầu lửa khổng lồ đó nghiêng hình nón ánh sáng của bụi về phía mặt trời. Bụi hiện có một tương lai mới, cụ thể hơn được gán cho nó: Một số điểm đến nằm ngoài giới hạn (chúng nằm ngoài hình nón ánh sáng mới), trong khi những điểm khác hiện đã mở ra.
Điều này có vẻ giống như chia tóc, nhưng sự uốn cong tĩnh của không gian và sự thay đổi của nón ánh sáng xuất hiện trong toán học của thuyết tương đối rộng ở những nơi riêng biệt và chỉ bằng cách kết hợp hai hiệu ứng, chúng ta mới có được dự đoán đầy đủ (và chính xác!) học thuyết. Không gian và thời gian cả hai phải được xem xét cùng nhau; bạn không thể bỏ qua một.u
Nói cách khác, trọng lực là hình học của không-thời gian. Hình học.
Tìm hiểu thêm bằng cách nghe tập "" Nghiêm túc, Trọng lực là gì? (Phần 3) "trên podcast" Ask A Spaceman ", có sẵn trên iTunes và trên web tại http://www.askaspaceman.com. Cảm ơn 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. và @shrenic_shah cho những câu hỏi dẫn đến câu hỏi này! trên Twitter bằng cách sử dụng #AskASpaceman hoặc theo dõi Paul @ PaulMattSutter và facebook.com/PaulMattSutter. Hãy theo dõi chúng tôi @Spacesotcom, Facebook và Google+. Bài viết gốc trên Space.com.
