Vääristymiä tilaa ja aikaa

yli 200 vuotta sen jälkeen, kun Principia julkaistiin, maailma oli vielä ilman ymmärrystä vetovoiman mekanismi. Anna Albert Einstein-mies, joka oli muuttaa maailmaa niin monella tavalla. Mutta ennen kuin pääsemme hänen töihinsä, meidän täytyy mennä vielä yksi kiertotie.,

Et voi kertoa, jos olet liikkeellä (vakionopeudella)

Vuonna 1632, jopa ennen kuin Newton julkaisi hänen nyt kuuluisa työtä, Galileo Galilei kirjoitti suhteellinen liike esineitä tuttu hänen aikanaan: alukset.

Jos olet suljetussa huoneessa aluksessa, joka purjehtii vakionopeudella ja kyyti on täysin sujuvaa, esineet käyttäytyvät kuten maalla. Ei fyysinen kokeilu voisit suorittaa kertoa olitpa liikkuvat tai paikallaan (olettaen, että olet ei kurkistaa ulos ikkunasta)., Tämä on suhteellisuusteorian ydinajatus, ja se on sama syy, miksi emme tunne planeettamme liikettä auringon ympäri tai aurinkokuntamme liikettä galaksin läpi.

Avaruus ja aika ovat yhteydessä toisiinsa

Lähes 300 vuotta sen jälkeen, kun Galileo, Einstein pohti seurauksia suhteellisuusteoria yhteydessä tärkeä seikka: valon nopeus., Hän ei ollut ainoa henkilö, joka pohti näitä aiheita—muut fyysikot olivat tuolloin tietoisia siitä, että tällä rintamalla oli vastaamattomia kysymyksiä. Mutta se oli Einstein, joka on muotoiltu teoria—hänen teorian erityinen relativityGLOSSARYspecial relativityEinstein teoria koskien suhdetta tilaa ja aikaa, pysyvyys valon nopeudella, ja se, että fysiikka on oltava sama kaikissa yhtenäinen valtioiden ja liike—selittää olemassa olevia ilmiöitä ja luoda uusia ennusteita., Aluksi erityisellä suhteellisuusteorialla ei ehkä näytä olevan juuri mitään tekemistä painovoiman kanssa, mutta se oli Einsteinille välttämätön ponnahduslauta painovoiman ymmärtämiseen.

Liikkuvat kellot rasti hitaammin

Kokeiden aikana Einsteinin aika oli osoittanut, että valon nopeus näytti olevan vakio. Ei ole väliä kuinka kovaa yrität ja kiinni, valo näkyy aina zip päässä lähes 300,000,000 metriä sekunnissa.

miksi tämä on tärkeää? Kuvitellaan, että rakennamme kellon itse valosta., Kaksi peiliä asetetaan vastakkain, ja ”rasti” kello on aika, joka kuluu hiukkanen valon matkustaa yhdeltä puolelta toiselle ja takaisin.

Nyt kuvitella, että ystäväsi, joka on avaruusalus zipping aiemmin Maan päällä, on yksi nämä kellot., Ystäväsi, kello näyttää toimivan normaalisti—hiukkaset valon matkustaa ylös ja alas, kuten lämpötila, ja aika etenee tavanomaiseen tapaan. Mutta teidän näkökulmasta, katsella laivan ohi, valo liikkuu sekä ylös ja alas ja sivulle, varustettu alus. Valo kulkee pidemmän matkan jokaisen Punkin kanssa.,

Joten jos, tilaa matkustajalle, valo kulkee 300000000 m/s, mutta on vain matkustaa ylös ja alas; ja Arkipäiväinen tarkkailija, valo kulkee 300000000 m/s, mutta täytyy matkustaa enää, diagonaalinen etäisyys; sitten Earthbound tarkkailija, kello kestää kauemmin ”rasti”.,

tätä vaikutusta kutsutaan ajanlaajenemiseksi (time dilationGLOSSARYtime dilation). Mitä nopeammin matkustat avaruudessa, sitä hitaammin kuljet ajassa.

perspektiivillä on merkitystä

mutta kenen aika oikeasti hidastuu? Onko se ihminen maan päällä, joka katsoo ystävänsä ajelehtivan ohi avaruusaluksessaan? Tai astronautti, joka väittää pysyvänsä paikallaan, kun maa lentää ohi?

Kumma kyllä, molemmat näkökulmat ovat voimassa—mutta vain, kun molemmat osapuolet ovat jatkuvassa liikkeessä.

havainnollistaakseen oletetaan, että astronautin lähtiessä maasta hän ja hänen ystävänsä olivat samanikäisiä. Lähtiessään avaruusalus kiihdyttää pois maasta. Palattuaan alus hidastuu välttääkseen pakkolaskun. Sekä lähtevät ja palaavat, avaruusalus muuttaa sen runko referenceGLOSSARYframe ja referenceThe fyysisen ympäristön tarkkailija, joka liittyy niiden tilan liikkeen., Henkilö matkustaa yksi auto on eri viitekehyksestä kuin joku matkustaa autossa menossa eri nopeus tai suunta, tai jalankulkijan puolella tietä, tai joku matkalla yläpuolella lentokoneessa, jne. astronautti voi tuntea liikkeen muutoksen. Avaruusaluksen sisällä tehdyt kokeet kiihdytyksen ja hidastumisen aikana osoittaisivat, että jokin muuttuu. Tämä rikkoo symmetrian tilannetta, ja kun avaruusalus laskeutuu takaisin Maan päällä, meidän astronautti todella on nuorempi kuin hänen Arkipäiväinen vastine.,

vaikutukset ovat havaittavissa vain, jos he olivat matkalla todella, todella nopeasti—mutta se on silti totta, että kun nykypäivän astronautit ja lentäjät palaavat nopea tehtävä, he joutuvat ikäinen pikkuinen, pikkuisen vähemmän kuin muualla meidän aikana oli tehnyt tehtävänsä.

neljä ulottuvuutta aika-avaruus

Seuraavat tästä, pikemminkin kuin ajatella kolme ulottuvuutta tilaa ja yksi erillinen ulottuvuus, voimme pitää niitä neljä ulottuvuutta ”aika-avaruus”. Mitä nopeammin matkustat avaruudessa, sitä hitaammin matkustat ajassa ja päinvastoin.,

Liikkuvat kohteet sopimuksen avaruudessa

Toinen seuraus erityinen suhteellisuusteoria on, että nopeasti liikkuvat kohteet näyttävät olevan sopimuksen koko, suuntaan niiden liikkeen. (Ja jälleen, tämä käännetään ympäri riippuen siitä, kenen näkökulmasta katsot.)

Tästä seuraa vääristymä aika—sen jälkeen, kun kaikki, voit mitata pituus jotain paljon tilaa jotain kulkee aika (esim. valo-vuotta, valo-sekuntia). Ja vaikka se on hankala kuvitella, mitataan pituus liikkuva objekti jonkun toisen näkökulmasta, pituus supistuminen on todellinen, fyysinen vaikutus, ja ei vain tulos epätarkkoja mittauksia.,

toisin Kuin iän erot, joita voi syntyä, aika dilation, ei ole jäljellä vaikutuksia, koska pituus supistuminen, kun liikkuva kohde ja tarkkailija ovat jälleen yhdessä.

gravitaation ymmärtäminen

Einsteinin kuvaus painovoimasta johtaa tilanteisiin aivan yhtä eriskummallisiin tilanteisiin kuin erityinen suhteellisuusteoria – aikamatka mukana!

Kiihtyvyys ja painovoima voidaan erottaa

Kuvittele herääväsi avaruusalus, nopeuttaa läpi avaruuden., Vain koska olet työntää takaisin istuimen kiihtyvä auto, nopeuttaa avaruusalus työntää sinut vastakkaisella puolella yksi, se kiihtyy kohti. Tietyllä kiihdytystahdilla vaaka voisi kertoa, että painat täsmälleen saman verran kuin kotona maan päällä.

On olemassa fyysinen kokeilu voisi tehdä rajoissa avaruusalus kertoa, onko olet todella olivat nopeuttaa läpi avaruuden (olettaen, että ei ollut ikkunoita katsoa ulos), tai jos, sen sijaan, että olit sisällä avaruusalus paikallaan Maan pinnalta? Einstein sanoi, että ei—aivan kuten Galileo kuvitellut indistinguishability välillä henkilö sisällä sileä-purjehdus aluksen (ainoastaan ilman ikkunoita) ja henkilö maalla, Einstein tajusi, että vaikutukset kiihtyvyys ja painovoima olivat erottamattomat myös., Tätä kutsutaan vastaavuus principleGLOSSARYequivalence principleThe vaikutuksia on painovoimakenttä on mahdoton erottaa vaikutukset on nopeutettu viitekehys.

Tilaa loimien alle nopeutettu motion

Kun Einstein oli muotoiltu vastaavuuden periaate, painovoima tuli vähemmän salaperäinen., Hän osasi soveltaa kiihtyvyyden tuntemustaan ymmärtääkseen painovoiman paremmin.

saatat tietää, että kiihtyvyys ei aina tarkoita, muutoksen nopeus, kun nopeus auto, työntää sinut takaisin paikkasi. Se voi tarkoittaa myös suunnanmuutosta, kuten liikenneympyrän kiertämistä, jolloin kallistuu auton kylkeen.

laajentaa tätä pidemmälle, kuvitellaan, lieriömäinen karnevaali ratsastaa, jossa sinun ja muiden matkustajien on kiinnitetty ulomman pinnan. Sylinteriä pyöritetään nopeammin ja nopeammin, kunnes kiihtyvyys helpottaa ja liike pysyy vakiona., Mutta silloinkin, kun nopeus on vakio, tunnet yhä kiihtyvälle liikkeelle—tunnet itsesi on kiinnitetty ulkoreunaan ratsastaa.

Jos tämä spinning ratsastaa oli tarpeeksi suuri ja liikkuu tarpeeksi nopeasti korko, sinun alkaa huomata joitakin outoja vaikutuksia sisällä ratsastaa itse, ei vain näkökulmasta joku seisoo sen ulkopuolella.,

jokaisen kierto, ne reunalla ratsastaa matkustaa koko kehän sylinterin—vaikka aivan keskustassa, siellä on tuskin mitään liikettä lainkaan. Joten jos joku seisoi aivan keskellä ratsastaa (ehkä hallussa ahdin, estää niitä putoamasta reunaan), he olisivat huomanneet, että kaikki ne oudot vaikutukset näimme nojalla erityinen suhteellisuusteoria—että ne reunalla on sopimuksen pituus, ja niiden kellot on rasti hitaammin.,

Painovoima on kaarevuus aika-avaruus

vastaavuuden periaate kertoo, että vaikutukset painovoima ja kiihtyvyys ovat erottamattomat. Kun mietimme esimerkiksi lieriömäistä kyytiä, näemme, että nopeutettu liike voi poimuttaa tilaa ja aikaa. Juuri tässä Einstein yhdisti pisteet siten, että painovoima viittaa avaruuden ja ajan vääntymiseen. Gravitaatio on maailmankaikkeuden kaarevuus, joka johtuu massiivisista kappaleista, mikä määrittää reitin, jolla esineet kulkevat. Tuo kaarevuus on dynaamista, liikkuvaa, kun ne esineet liikkuvat.,

Tämä teoria, yleinen relativityGLOSSARYgeneral relativityEinstein on teorian painovoima, ennustaa kaikki radat tähdet törmäävät asteroidit omenoiden sivuliikkeen maan—kaiken, mitä olemme tottuneet teorian painovoiman.,

Spacetime grips mass, jossa kerrotaan, miten liikutaan… Massa tarttuu aika-avaruus, kertoo se, kuinka käyrä Fyysikko John Wheeler