Die allgemeine Relativitätstheorie ist eine komplexe Theorie, aber die Vorstellung fallender Objekte kann helfen, ihre Konturen zu verfolgen. (Hier werden GPS-Satelliten um die Erde gezeigt - GPS hängt von der Relativitätstheorie ab, um genaue Positionen zu erhalten.)
(Bild: © NASA)
Paul Sutter ist Astrophysiker bei Die Ohio State University und der Chefwissenschaftler bei COSI Wissenschaftszentrum. Sutter ist auch Gastgeber von "Fragen Sie einen Raumfahrer" und "Weltraumradio, "und führt AstroTours auf der ganzen Welt. Sutter hat diesen Artikel dazu beigetragen Expertenstimmen von Space.com: Op-Ed & Insights.
Die allgemeine Relativitätstheorie ist eine der größten Leistungen des menschlichen Verständnisses. Umso beeindruckender ist die Tatsache, dass sie aus der fruchtbaren Vorstellungskraft und der hartnäckigen mathematischen Brillanz nur eines Geistes hervorgegangen ist. Die Theorie selbst ist das letzte und beständigste der "klassischen" (dh nicht quantenbezogenen) Naturmodelle, und unsere Unfähigkeit, in den letzten hundert Jahren etwas Anspruchsvolleres zu entwickeln, ist eine ständige Erinnerung daran, wie verdammt klug Albert ist Einstein war.
Ein weiterer Beweis für Einsteins Genie sind die verwickelten Spaghetti komplexer, miteinander verbundener Gleichungen, aus denen die vollständige Theorie besteht. Einstein hat eine schöne Maschine gebaut, aber er hat uns nicht gerade ein Benutzerhandbuch hinterlassen. Wir können seinen Weg in den sieben Jahren selbstverschuldeter Folter verfolgen, die zur endgültigen Form der Theorie führten, aber dieser Entwicklungsweg wurde von so viel Einsteins Darmintuition geleitet, dass es für uns Sterbliche schwierig ist, die gleichen blinden Sprünge zu machen Genie, das er tat.
Um auf den Punkt zu kommen, ist die allgemeine Relativitätstheorie so komplex, dass jemand, der eine Lösung für die Gleichungen entdeckt, die nach ihm benannte Lösung erhält und selbst halb-legendär wird. Es gibt einen Grund, warum Karl Schwarzschild - der Typ, der die Geometrie der Schwarzen Löcher herausgefunden hat - ein bekannter Name (oder zumindest ein Name der Physikabteilung) ist. [Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie: Eine vereinfachte Erklärung]
Geometrie ist Schicksal
Der absolute Kern der allgemeinen Relativitätstheorie und ein durchaus akzeptabler alternativer Name dafür ist die Geometrodynamik. Sagen Sie es laut - es macht Spaß. Die allgemeine Relativitätstheorie modelliert die Schwerkraft durch die dynamischen Machenschaften der Raumzeit selbst. Nach der Theorie verändert das Vorhandensein von Materie und Energie die grundlegende Raum-Zeit-Geometrie, die diese Substanzen umgibt, und diese veränderte Geometrie beeinflusst die Bewegung.
Diese Beziehung ergibt sich aus dem wichtigsten, grundlegendsten Konzept, das der gesamten Theorie der allgemeinen Relativitätstheorie zugrunde liegt: dem Äquivalenzprinzip (E.P.). Dieses Prinzip ist die Annahme, dass die Trägheitsmasse (wie viel Kraft benötigt wird, um ein Objekt zu bewegen) dieselbe Eigenschaft hat wie die Gravitationsmasse (wie viel ein Objekt auf die Schwerkraft reagiert). Und dies ist der Schlüssel, der den gesamten Gravitations-Shebang freischaltet.
Mit dieser Äquivalenz können wir uns ein Szenario vorstellen, um den Zusammenhang zwischen Geometrie und Schwerkraft zu veranschaulichen. Stellen Sie sich vor, Sie kreisen hoch über der Erde und beobachten gelassen die Kontinente und Ozeane, die unter Ihrem Aussichtspunkt rollen.
Dann öffnest du eine Schachtel Müll.
Während die Trümmer von Ihnen wegschweben, denken Sie über die Auswirkungen dessen nach, was Sie gerade getan haben. Sicher, Sie haben jetzt eine Wolke potenziell gefährlicher Trümmer erstellt, die ein großes Risiko für Satelliten und zukünftige Missionen darstellt. Aber bei weiterer Überlegung entspannt sich Ihr Geist. Sie führen ein wissenschaftliches Experiment durch, und das Äquivalenzprinzip garantiert, dass all diese Trümmerteile, unabhängig von ihrer Form oder Masse, die Auswirkungen der Erdgravitation perfekt verfolgen, ohne dass weitere Berechnungen erforderlich sind. Das ist etwas Einzigartiges für die Schwerkraft, dank des E.P. [Warum Relativitätstheorie wahr ist: Der Beweis für Einsteins Theorie]
Regeln biegen
Beobachten Sie, was mit dem Müll passiert, den Sie in den Weltraum geworfen haben. Einige beginnen rein zufällig in einer perfekt horizontalen Linie. Wenn die Objekte auf die Erde fallen, folgen sie geraden Linien in Richtung des Mittelpunkts des Globus. Wenn Sie sie genau beobachten, werden Sie feststellen, dass sie nach und nach konvergieren, wenn sie nach unten gehen. Wenn sie durch die feste Erde gehen könnten, würden sie schließlich genau in der Mitte kollidieren.
Andere Schrottstücke könnten in einer perfekt vertikalen Linie beginnen, die auf die Erde gerichtet ist und gleichmäßig voneinander beabstandet ist. Auch sie würden fallen. Aber der Glückliche an der Spitze der Linie würde aufgrund seiner etwas engeren Nähe zur Erde etwas schneller fallen, wobei der letzte in der Linie etwas zurückbleibt. Während die Trümmerstücke ihren Abstieg fortsetzten, divergierten sie langsam in ihrer vertikalen Linie.
In einigen Fällen kommt es zu konvergierenden, sich verengenden Pfaden. In anderen Fällen kommt es zu divergierenden, sich ausbreitenden Flugbahnen. In beiden Fällen beginnen die Pfade als perfekt parallel oder einheitlich, ändern jedoch die Zeichen. Diese sich ändernden Pfade sind genau das, was die Mathematiker mit der Sprache der "Krümmung" beschreiben, und das ist die Sprache der Geometrie.
Ding Ding Ding. Da ist es. Das Äquivalenzprinzip besagt, dass die Pfade des fallenden Mülls Sie direkt über die Natur der Schwerkraft informieren und dieselben Pfade eine komplizierte Geometrie der zugrunde liegenden Raumzeit offenbaren. Mit anderen Worten, diese Schwerkraft ist die Geometrie der Raumzeit.
Geometrodynamik.
Wir strecken unser Gehirn
Die "Zeit" in der Raumzeit ist für die vollständige Theorie sehr wichtig. Sie haben wahrscheinlich die Demo oder Grafik des Wissenschaftsmuseums gesehen, die einem Artikel über die allgemeine Relativitätstheorie beigefügt ist und zeigt, wie eine gespannte Gummiplatte aussieht. Ein schwerer Ball, der einen Planeten oder Stern oder ein Schwarzes Loch oder was auch immer darstellt, wird in der Mitte platziert und zieht den Stoff nach unten. Das Rollen anderer Kugeln auf dem Blatt zeigt den "Einfluss" der Schwerkraft: Sie versuchen, geraden Linien zu folgen, aber ihre Wege werden durch die zugrunde liegende Krümmung abgelenkt.
Diese Demo ist als erste Einführung in den Kindergarten vollkommen in Ordnung, aber wir sind jetzt weit hinter dem Kindergarten. In der realen Raumzeit gibt es kein "Down", und die Krümmung erfolgt in vier Dimensionen, nicht in zwei. Es ist etwas schwieriger zu visualisieren, weshalb wir uns normalerweise auf die einfachere Demo zurückziehen.
Es ist wahr, dass ein massives Objekt den statischen Raum in seiner Nähe verzerrt, aber das ist nur die Hälfte des Bildes. Masse beeinflusst auch die Dimension der Zeit, und zwar durch Ändern der möglichen Flugbahnen, zu denen ein vorbeifahrendes Objekt fähig ist.
Jedes Objekt hat einen sogenannten Lichtkegel oder eine Reihe möglicher Ziele, die das Objekt langsamer als mit Lichtgeschwindigkeit erreichen könnte. Stellen Sie sich vor, Sie fahren mit einem Staubfleck mit, während er durch die Sonne rast. Es hat eine Reihe von zukünftigen Möglichkeiten, die durch seinen Lichtkegel gegeben sind. Aber wenn sich der Staub der Sonne nähert, neigt die Schwerkraft dieses riesigen Feuerballs den Lichtkegel des Staubes zur Sonne. Dem Staub ist jetzt eine neue, spezifischere Zukunft zugewiesen: Einige Ziele sind verboten (sie befinden sich außerhalb des neuen Lichtkegels), während andere sich jetzt geöffnet haben.
Dies mag wie Haarspalterei erscheinen, aber die statische Biegung des Raums und die Veränderung der Lichtkegel erscheinen in der Mathematik der allgemeinen Relativitätstheorie an verschiedenen Stellen, und nur durch die Kombination der beiden Effekte erhalten wir die vollständigen (und genauen!) Vorhersagen der Theorie. Raum und Zeit müssen beide zusammen betrachtet werden; Sie können one.u nicht ignorieren
Mit anderen Worten, die Schwerkraft ist die Geometrie der Raumzeit. Geometrodynamik.
Erfahren Sie mehr, indem Sie sich die Episode "Ernsthaft, was ist Schwerkraft?" Anhören. (Teil 3) "im Podcast" Ask A Spaceman ", verfügbar bei iTunes und im Internet unter http://www.askaspaceman.com. Dank an 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. und @shrenic_shah für die Fragen, die zu diesem Stück geführt haben! Stellen Sie Ihre eigene Frage auf Twitter mit #AskASpaceman oder indem Sie Paul @ PaulMattSutter und facebook.com/PaulMattSutter folgen. Folgen Sie uns @Spacedotcom, Facebook und Google+. Originalartikel auf Space.com.
