Forvridninger i tid og rum

Mere end 200 år efter Principia blev offentliggjort, verden var stadig uden en forståelse af gravity ‘ s mekanisme. Indtast Albert Einstein-en mand, der skulle ændre verden på så mange måder. Men før vi kommer til hans arbejde, bliver vi nødt til at tage endnu en omvej.,

kan Du ikke fortælle, hvis du flytter (ved en konstant hastighed)

I 1632, selv før Newton offentliggjorde sit berømte arbejde, Galileo Galilei skrev om den relative bevægelse af objekter bekendt i sin tid: skibe.

Hvis du er i et lukket rum på et skib, der sejler med konstant hastighed, og turen er perfekt glat, opfører objekter sig som de ville på land. Der er ikke noget fysisk eksperiment, du kan udføre for at fortælle, om du bevæger dig eller står stille (forudsat at du ikke kigger ud af en porthole)., Dette er den centrale id.bag relativitet, og er den samme grund til, at vi ikke føler vores planets bevægelse omkring solen, eller vores solsystem bevægelse gennem galaksen.

tid og Rum, som er linket

Næsten 300 år efter Galileo, Einstein tænkte over konsekvenserne af relativitetsteorien i forbindelse med en vigtig faktor: lysets hastighed., Han var ikke den eneste person, der overvejede disse emner—andre fysikere på det tidspunkt var klar over, at der var ubesvarede spørgsmål på denne front. Men det var Einstein, der formulerede en teori—hans teori om særlige relativityGLOSSARYspecial relativityEinstein ‘ s teori om forholdet mellem rum og tid, konstansen af lysets hastighed, og den kendsgerning, at fysik skal være den samme i alle medlemsstater ensartet bevægelse—til at forklare eksisterende fænomener og skabe nye forudsigelser., Først synes speciel relativitet måske ikke at have meget at gøre med tyngdekraften, men det var en vigtig springbræt for Einstein for at forstå tyngdekraften.

bevægelige ure krydser langsommere

eksperimenter i Einsteins tid havde vist, at lysets hastighed syntes at være konstant. Uanset hvor hurtigt du forsøger at indhente, lys altid synes at zipip væk fra dig på næsten 300.000.000 meter i sekundet.

hvorfor er dette vigtigt? Nå, lad os forestille os at konstruere et ur ud af selve lyset., To spejle er placeret overfor hinanden, og et” kryds ” af uret er den tid det tager for en partikel af lys at rejse fra den ene side til den anden og tilbage.

lad os Nu forestille mig, at din ven, der er på et rumskib suser forbi Jorden, har en af disse ure., For din ven ser uret ud til at fungere normalt-lyspartiklerne rejser op og ned som forventet, og tiden fortsætter på sin sædvanlige måde. Men fra dit perspektiv, når du ser skibet passere forbi, bevæger lyset sig både op og ned og til siden med skibet. Lyset bevæger sig en længere afstand med hvert kryds.,

Så hvis, for den plads rejsende, lyset bevæger sig på 300,000,000 m/s, men kun har til at rejse op og ned; og at de Jordbundne observatør, lyset bevæger sig på 300,000,000 m/s, men skal rejse længere, diagonal afstand; derefter for den Jordbundne observatør, uret tager længere tid at “kryds”.,

denne effekt kaldes tidsudvidelseglossarytime dilationden aftagende tid for en observatør i forhold til en anden. Jo hurtigere du rejser gennem rummet, jo langsommere rejser du gennem tiden.

perspektiv betyder noget

men hvis tid er virkelig bremset? Er det den person på Jorden, ser sin ven zipip forbi i hendes rumskib? Eller astronauten, der hævder, at hun bliver stille, mens jorden flyver forbi?

mærkeligt nok er begge synspunkter gyldige—men kun mens begge er i konstant bevægelse.

for at illustrere, lad os antage, at da astronauten forlod Jorden, var hun og hendes ven i samme alder. Når hun forlader, accelererer rumskibet væk fra jorden. Når hun vender tilbage, bremser rumskibet for at undgå en nødlanding. Ved både at forlade og vende tilbage ændrer rumskibet sin referencerammeglossaryframe of referenceethe physical environment of an observer, der involverer deres bevægelsestilstand., En person, der rejser i en bil i en anden referenceramme, end en person, der rejser i bil, gå en anden hastighed eller retning, eller en fodgænger på den side af vejen, eller en person, der rejser overhead i et fly, osv., og vores astronaut kan mærke bevægelsesændringen. Eksperimenter udført inde i rumskibet under acceleration og deceleration ville vise, at noget ændrer sig. Dette bryder symmetrien i situationen, og når rumskibet lander tilbage på jorden, vil vores astronaut virkelig være yngre end hendes jordbundne modstykke.,

virkningerne er kun mærkbare, hvis de rejste virkelig, virkelig hurtigt—men det er stadig sandt at sige, at når dagens astronauter og jagerpiloter vender tilbage fra en højhastighedsmission, vil de have alderen en teeny-lille smule mindre end resten af os gjorde under denne mission.

de fire dimensioner af rumtid

efter dette, snarere end at tænke på tre dimensioner af rummet og en separat dimension af tiden, kan vi betragte dem som fire dimensioner af “rumtid”. Jo hurtigere du rejser gennem rummet, jo langsommere rejser du gennem tiden og omvendt.,

Bevægelige objekter kontrakt i rum

en Anden konsekvens af den specielle relativitetsteori er, at hurtigt bevægende objekter ser ud til kontrakten i størrelse, i retning af deres bevægelse. (Og igen bliver dette vendt rundt afhængigt af hvilket perspektiv du ser fra.)

Dette følger af tidsforvrængningen—når alt kommer til alt kan du måle længden af noget med den mængde plads, noget bevæger sig gennem tiden (f.eks. lysår, lys sekunder). Og selvom det er vanskeligt at forestille sig at måle længden af et bevægeligt objekt fra en andens perspektiv, er længdekontraktion en reel, fysisk effekt og ikke kun et resultat af upræcise målinger.,i modsætning til de aldersforskelle, der kan opstå ved tidsudvidelse, er der ingen restvirkninger på grund af længdekontraktion, når det bevægelige objekt og observatøren er genforenet.

forståelse af tyngdekraften

Einsteins beskrivelse af tyngdekraften fører til situationer lige så bi !arre som speciel relativitet—tidsrejser inkluderet!

Acceleration og tyngdekraft kan ikke skelnes

Forestil dig at vågne op i et rumskib, accelerere gennem rummet., Ligesom du skubbes tilbage i sædet på en accelererende bil, skubber det accelererende rumskib dig til siden modsat den, det accelererer mod. Med en vis accelerationshastighed kunne et sæt skalaer fortælle dig, at du vejer nøjagtigt det samme, som du gør, når du er hjemme på jorden.

Er der nogen fysisk eksperiment, du kan gøre inden for rammerne af dit rumskib til at fortælle, om du virkelig var hurtigere gennem rummet (forudsat der var ingen vinduer at se ud fra), eller hvis, i stedet, du var inde i et rumskib stille på overfladen af Jorden? Einstein sagde nej—lige så Galileo havde forestillet indistinguishability mellem en person inde i en glat-sejlskib (begrænset uden windows), og en person på land, Einstein indså, at virkningerne af acceleration og tyngdekraft var skelnes også., Dette kaldes ækvivalens principleglossaryækvivalensprincippetvirkningerne af at være i et tyngdefelt kan ikke skelnes fra virkningerne af at være i en accelereret referenceramme.

Plads forvridninger under accelereret bevægelse

Når Einstein havde formuleret den ækvivalens-princippet, tyngdekraften blev mindre mystisk., Han kunne anvende sin viden om acceleration for bedre at forstå tyngdekraften.

du ved måske, AT acceleration ikke altid betyder en ændring i hastighed, som når du fremskynder i en bil, skubber dig bag på dit sæde. Det kan også betyde en ændring i retning, som når du går rundt i en rundkørsel, hvilket får dig til at læne dig mod siden af bilen.

for at udvide dette yderligere, lad os forestille os en cylindrisk karnevalstur, hvor du og dine medpassagerer er fastgjort til den ydre overflade. Cylinderen drejes hurtigere og hurtigere, indtil accelerationen letter, og bevægelsen forbliver konstant., Men selv når hastigheden er konstant, føler du stadig den accelererede bevægelse-du føler dig fastgjort til yderkanten af turen.

Hvis dette spinning tur var stor nok, og bevæger sig hurtigt nok sats, du ville begynde at bemærke nogle bizarre effekter inde i selve turen, og ikke bare fra det synspunkt af en person står uden for det.,

med hver rotation rejser de i kanten af turen hele cylinderens omkreds—mens der i centrum er næppe nogen bevægelse overhovedet. Så hvis nogen stod i centrum af turen (måske holdt ved en bandage, stoppe dem fra at falde til kanten), de ville lægge mærke til alle de mærkelige effekter, vi så under specielle relativitetsteori—at de, på kanten kontrakt i længden, og deres ure vil sætte kryds i et langsommere tempo.,

tyngdekraft er krumningen af rumtid

ækvivalensprincippet fortæller os, at virkningerne af tyngdekraft og acceleration ikke kan skelnes. Når vi tænker på eksemplet med den cylindriske tur, ser vi, at accelereret bevægelse kan fordreje plads og tid. Det er her, Einstein forbandt prikkerne for at antyde, at tyngdekraften er vridning af rum og tid. Tyngdekraften er universets krumning, forårsaget af massive kroppe, der bestemmer den sti, som objekter rejser. Denne krumning er dynamisk, bevæger sig som disse objekter bevæger sig.,

Denne teori, generelt relativityGLOSSARYgeneral relativityEinstein ‘ s teori om tyngdekraften, forudsiger alt fra kredser om stjerner til sammenstød med asteroider at æbler, der falder fra en gren til jorden—alt det, vi er kommet til at forvente fra en teori om tyngdekraften.,

rumtid griber masse og fortæller det, hvordan man bevæger sig… Masse greb rumtid, der fortæller den, hvordan kurven Fysikeren John Wheeler