Narušení prostoru a času

Více než 200 let po Principia byla zveřejněna, byl svět stále ještě bez pochopení gravitace mechanismus. Zadejte Alberta Einsteina-muže, který měl změnit svět tolika způsoby. Ale než se dostaneme k jeho práci, budeme muset vzít ještě jednu objížďku.,

nemůžete říct, pokud jste v pohybu (konstantní rychlostí)

V roce 1632, ještě předtím, než Newton publikoval jeho nyní-slavný práce, Galileo Galilei napsal o relativní pohyb objektů známé v jeho době: lodě.

Pokud jste v uzavřené místnosti na lodi plující konstantní rychlostí a jízda je dokonale hladká, objekty se chovají jako na zemi. Neexistuje žádný fyzikální experiment můžete provést říci, zda jste v pohybu nebo stacionární (za předpokladu, že nejste vykukoval z okénka)., To je základní myšlenka relativity a je to stejný důvod, proč necítíme pohyb naší planety kolem Slunce nebo pohyb naší sluneční soustavy galaxií.

Prostor a čas jsou propojeny

Téměř 300 let poté, co Galileo, Einstein uvažoval důsledky teorie relativity v souvislosti důležitým faktorem je rychlost světla., Nebyl jediným člověkem, který o těchto tématech přemýšlel-ostatní fyzici si tehdy byli vědomi, že na této frontě jsou nezodpovězené otázky. Ale byl to Einstein, kdo formuloval teorii—svou teorii speciální relativityGLOSSARYspecial relativityEinstein teorie o vztahu mezi prostorem a časem, stálost rychlosti světla, a skutečnost, že fyzika musí být stejné ve všech jednotných států v pohybu—vysvětlit existující jevy a vytvořit nové předpovědi., Zpočátku se zdá, že zvláštní relativita nemá mnoho společného s gravitací, ale pro Einsteina to byl zásadní odrazový můstek pro pochopení gravitace.

pohyblivé hodiny tikají pomaleji

experimenty během Einsteinova času ukázaly, že rychlost světla se zdá být konstantní. Bez ohledu na to, jak rychle se budete snažit a dohnat, světlo se vždy zobrazí na zip od vás na téměř 300,000,000 metrů za sekundu.

proč je to důležité? Představme si, že postavíme hodiny ze světla., Dvě zrcadla jsou umístěny naproti sobě, a „tikání“ hodin je čas potřebný pro částice světla cestovat z jedné strany na druhou a zpět.

Teď si představte, že váš přítel, který je na kosmické lodi proletěl kolem Země, má jednu z těchto hodin., Pro vašeho přítele se zdá, že hodiny fungují normálně-částice světla cestují nahoru a dolů, jak se očekávalo, a čas pokračuje obvyklým způsobem. Ale z vašeho pohledu, pozoroval lodi kolem, světlo se pohybuje jak nahoru a dolů a do strany, s lodí. Světlo cestuje delší vzdálenost s každým klíštětem.,

Takže pokud, pro vesmírné cestovatele, světlo se pohybuje 300,000,000 m/s, ale pouze se pohybovat nahoru a dolů; a pro Pozemské pozorovatele, světlo se pohybuje 300,000,000 m/s, ale musí cestovat delší, diagonální vzdálenost, pak pro Pozemské pozorovatele, hodiny trvá déle, „klíště“.,

tento efekt se nazývá časová dilataceglosářčasová dilatacezpomalení času pro jednoho pozorovatele ve vztahu k druhému. Čím rychleji cestujete vesmírem, tím pomaleji cestujete časem.

perspektiva záleží

ale jehož čas je skutečně zpomalen? Je to ten člověk na zemi, který sleduje, jak jeho přítel zipuje v její kosmické lodi? Nebo astronaut, který tvrdí, že zůstává v klidu, zatímco země letí kolem?

kupodivu jsou oba pohledy platné—ale pouze v případě, že jsou oba v neustálém pohybu.

pro ilustraci předpokládejme, že když astronaut opustil zemi, ona a její přítel byli ve stejném věku. Když odejde, kosmická loď se zrychlí od země. Když se vrátí, kosmická loď zpomalí, aby se zabránilo havárii přistání. Při odchodu i návratu mění kosmická loď svůj rámec referenceglosářskéhofyzikální prostředí pozorovatele, které zahrnuje jejich pohybový stav., Osoba cestující v jednom autě je v různé referenční rámec, než někoho, kdo cestuje v autě jiné rychlosti, nebo směru, nebo chodce na silnici, nebo někoho, kdo cestuje nad hlavou v letadle, atd., a náš astronaut může cítit změnu pohybu. Experimenty prováděné uvnitř kosmické lodi během zrychlení a zpomalení by ukázaly, že se něco mění. To narušuje symetrii situace, a když kosmická loď přistane zpět na Zemi, náš astronaut bude opravdu mladší než její pozemský protějšek.,

účinky jsou patrné pouze tehdy, když cestovali opravdu, opravdu rychle-ale stále je pravda, že když se dnešní astronauti a stíhací piloti vrátí z vysokorychlostní mise, budou mít ve věku malinký-o něco méně než my ostatní během této mise.

čtyři rozměry časoprostoru

Následující z této, spíše než myslet na tři rozměry prostoru a jeden samostatný rozměr času, můžeme je považovat za čtyři dimenze „časoprostor“. Čím rychleji cestujete vesmírem, tím pomaleji cestujete časem a naopak.,

Pohybující se objekty smlouvu ve vesmíru

Dalším důsledkem speciální teorie relativity je, že rychle pohybující se objekty se objeví na zakázku ve velikosti, ve směru jejich pohybu. (A opět se to otočí podle toho, z jakého pohledu se díváte.)

To vyplývá z narušení času—koneckonců, můžete změřit délku něco o částku prostoru něco, co cestuje časem (např. světelných let, světelných sekund). A i když je obtížné si představit měření délky pohybujícího se objektu z pohledu někoho jiného, kontrakce délky je skutečný, fyzický efekt, a ne jen výsledek nepřesných měření.,

Na rozdíl od věkových rozdílů, které mohou vzniknout při dilataci času, neexistují žádné zbytkové účinky způsobené kontrakcí délky, jakmile se pohyblivý objekt a pozorovatel znovu spojí.

pochopení gravitace

Einsteinův popis gravitace vede k situacím stejně bizarním jako zvláštní relativita-včetně cestování časem!

zrychlení a gravitace mohou být nerozeznatelné

Představte si, že se probudíte v kosmické lodi a zrychlíte vesmírem., Stejně jako jste zatlačeni zpět na sedadlo zrychlujícího auta, zrychlující se kosmická loď vás tlačí na stranu naproti té, ke které se zrychluje. Při určité rychlosti zrychlení vám sada stupnic může říct, že vážíte přesně stejně jako vy, když jste doma na Zemi.

existuje nějaký fyzikální experiment můžete udělat v mezích své kosmické lodi, aby zjistit, zda jste opravdu byli zrychluje prostorem (za předpokladu, že tam byly bez oken, aby se podívat ven z), nebo v případě, místo toho jste uvnitř kosmické lodi v klidu na povrchu Země? Einstein řekl, že ne—stejně jako Galileo představoval indistinguishability mezi osobou uvnitř hladký-plachtění loď (omezeno bez oken) a člověk na zemi, Einstein si uvědomil, že účinky zrychlení a gravitace byly k nerozeznání., To se nazývá princip ekvivalence. princip rovnostisekvivalence. účinky bytí v gravitačním poli jsou nerozeznatelné od účinků toho, že jsou ve zrychleném referenčním rámci.

Prostor smrští v rámci zrychleného pohybu

Jednou Einstein byl formulován princip ekvivalence gravitace se stala méně tajemný., Mohl by uplatnit své znalosti zrychlení, aby lépe porozuměl gravitaci.

možná víte, že zrychlení neznamená vždy změnu rychlosti, jako když zrychlíte v autě a tlačíte vás na zadní sedadlo. Může to také znamenat změnu směru, jako když jedete kolem kruhového objezdu, což způsobí, že se nakloníte ke straně automobilu.

Chcete-li to dále rozšířit, představme si válcovou karnevalovou jízdu, kde jste vy a vaši spolucestující připoutáni k vnějšímu povrchu. Válec se otáčí rychleji a rychleji, dokud se zrychlení nezmírní a pohyb zůstane konstantní., Ale i když je rychlost konstantní, stále cítíte zrychlený pohyb—máte pocit, že jste připoutáni k vnějšímu okraji jízdy.

Pokud spinning jízda byla dost velká a pohybuje dostatečně rychle, rychlost, měl by jste začít všímat některé bizarní efekty uvnitř samotné jízdě, ne jen z pohledu někoho, kdo stojí mimo něj.,

při každé rotaci cestují ti na okraji jízdy po celém obvodu válce-zatímco v samém středu není téměř žádný pohyb. Takže pokud někdo stál v samém centru jízdy (možná v držení rovnátka, je zastavit z pádu na okraj), všimli by si, všechny ty podivné efekty, které jsme viděli v rámci speciální teorie relativity—že ty na okraji bude smlouva na délku, a jejich hodiny budou tikat pomaleji.,

Gravitace je zakřivení časoprostoru

princip ekvivalence nám říká, že účinky gravitace a zrychlení jsou k nerozeznání. Při přemýšlení o příkladu válcové jízdy vidíme, že zrychlený pohyb může deformovat prostor a čas. Právě zde Einstein spojil tečky, aby naznačil, že gravitace je deformací prostoru a času. Gravitace je zakřivení vesmíru způsobené masivními těly, které určuje cestu, kterou objekty cestují. Toto zakřivení je dynamické, pohybující se, jak se tyto objekty pohybují.,

Tato teorie, obecné relativityGLOSSARYgeneral relativityEinstein teorie gravitace předpovídá, vše z oběžné dráhy hvězdy, aby kolize asteroidů na jablka padající z větve k zemi—vše, co jsme si zvykli očekávat od teorie gravitace.,

Spacetime grips hmotnost, říkat to, jak se pohybovat… Hmotnost rukojeti časoprostoru, říkat to, jak se křivka Fyzik John Wheeler