Skjevheter i rom og tid

Mer enn 200 år etter Principia ble publisert, var verden fortsatt uten en forståelse av tyngdekraften er mekanisme. Skriv inn Albert Einstein—en mann som var til å forandre verden på så mange måter. Men før vi kommer til hans arbeid, er vi nødt til å ta en mer omvei.,

Du kan ikke si om du er i bevegelse (konstant)

I 1632, selv før Newton ut sin nå berømte verk, Galileo Galilei skrev om den relative bevegelse av objekter som kjent i sin tid: skip.

Hvis du er i et lukket rom på et skip som seiler på en konstant hastighet og turen er helt glatt, objekter oppfører seg som de ville på land. Det er ingen fysiske eksperiment du kan utføre for å fortelle om du er i bevegelse eller i ro (forutsatt at du ikke er titte ut av et koøye)., Dette er den sentrale ideen bak relativitetsteorien, og er den samme grunnen til at vi ikke føler for jordens bevegelse rundt solen, eller vårt solsystem er bevegelse gjennom galaksen.

tid og rom er knyttet

Nesten 300 år etter at Galileo, Einstein tenkte konsekvensene av relativitetsteorien i konteksten av en viktig faktor: lysets hastighet., Han var ikke den eneste personen som var grunnet på disse emnene—andre fysikere på den tiden var klar over at det var ubesvarte spørsmål på denne fronten. Men det var Einstein som formulerte en teori—hans teori om spesialtilbud på hoteller i relativityGLOSSARYspecial relativityEinstein teori om forholdet mellom tid og rom, utholdenhet av lysets hastighet, og det faktum at fysikken må være det samme i alle uniform states of motion—å forklare eksisterende fenomener og opprette nye spådommer., Ved første, spesielle relativitetsteorien kan ikke synes å ha mye å gjøre med tyngdekraften, men det var et viktig springbrett for Einstein for å forstå alvoret.

du går klokker kryss saktere

Eksperimenter under Einsteins tid hadde vist at lysets hastighet, viste seg å være konstant. Uansett hvor fort du prøve og fange opp, lyset alltid vises zip bort fra deg på nesten 300,000,000 meter per sekund.

Hvorfor er dette viktig? Vel, la oss tenke oss å bygge en klokke ut av lyset i seg selv., To speil er plassert rett overfor hverandre, og en «hake» clock er den tiden det tar for en partikkel av lys til å reise fra den ene siden til den andre og tilbake.

la oss Nå forestille deg at din venn, som er på et romskip til å fly forbi Jorden, har en av disse klokkene., For din venn, klokken ser ut til å fungere normalt—partikler av lys reise opp og ned, som forventet, og tiden går i sin vanlige måte. Men fra ditt perspektiv, ser skip passerer, lyset beveger seg både opp og ned og til siden, med skipet. Lyset reiser en lengre avstand med hvert kryss.,

Så hvis, for plass reisende, lys reiser på 300,000,000 m/s, men bare for å reise opp og ned, og Jordnære observatør, lys reiser på 300,000,000 m/s, men må reise lengre, diagonal avstand, så for Jordnære observatør, klokken tar lengre tid å «tick».,

Denne effekten kalles tid dilationGLOSSARYtime dilationThe bremse ned av tid for en observatør i forhold til en annen. Jo raskere du reiser gjennom verdensrommet, jo saktere du reiser gjennom tid.

Perspektiv saker

Men hvis tid er virkelig bremset ned? Er det personen som er på Jorden, ser hans venn zip forbi i hennes romskip? Eller astronaut, som hevder hun bor fortsatt mens Jorden flyr av?

Merkelig nok, kan begge synspunkter er gyldig—men kun når begge er i konstant bevegelse.

for Å illustrere, la oss anta at når astronaut forlot Jorden, hun og hennes venninne var på samme alder. Når hun går, romskip akselererer bort fra Jorden. Når hun kommer tilbake, romskip decelerates for å unngå en kræsjlanding. I begge forlate og komme tilbake, romskip endringer rammen av referenceGLOSSARYframe av referenceThe fysiske miljøet av en observatør som involverer deres tilstand av bevegelse., En person på reise i en bil er i en annen referanseramme enn noen på reise i en bil som kjører i en annen hastighet eller retning, eller en fotgjenger på siden av veien, eller noen som reiser overhead i et fly, etc., og vår astronaut kan føle endring av bevegelse. Eksperimenter utført inne i romskipet under akselerasjon og retardasjon, ville vise at noe er i endring. Dette bryter symmetrien i situasjonen, og når romskipet lander tilbake på Jorden, vår astronaut virkelig vil være yngre enn henne Earthbound motstykke.,

effektene er bare synlige hvis de var på reise veldig, veldig fort—men det er likevel riktig å si at når dagens astronauter og jagerfly piloter tilbake fra en high-speed misjon, de vil ha alderen en teeny-bitte litt mindre enn resten av oss gjorde i løpet av dette oppdraget.

De fire dimensjonene til romtid

Følgende fra dette, heller enn å tenke på tre dimensjoner av rom og en egen dimensjon av tid, kan vi betrakte dem som fire dimensjoner av «romtid». Jo raskere du reiser gjennom verdensrommet, jo saktere du reiser gjennom tid, og vice versa.,

objekter som Beveger seg kontrakt på plass

en Annen konsekvens av spesielle relativitetsteorien er at objekter i rask bevegelse vises til kontrakt i størrelse, i retning av sin bevegelse. (Og igjen, dette blir snudd rundt avhengig av hvor perspektiv du ser på det fra.)

Dette følger av forvrengning av gang—tross alt, kan du måle lengden av noe av beløpet på plass noe som reiser gjennom tid (f.eks. lys-årene, lys-sekunder). Og mens det er vanskelig å forestille seg måle lengden av et motiv i bevegelse fra andres perspektiv, lengde sammentrekning er en reell, fysisk effekt, og ikke bare et resultat av upresis målinger.,

i Motsetning til den alder forskjeller som kan oppstå fra tid dilatasjon, det er ingen gjenværende effekter på grunn av lengde sammentrekning når objektet i bevegelse og observatør er gjenforent.

Forstå alvoret

Einsteins beskrivelse av tyngdekraften fører til situasjoner akkurat som bisarre som spesielle relativitetsteorien—time travel inkludert!

Akselerasjon og tyngdekraften kan være umulig å skille

Tenk deg å våkne opp i et romskip, akselererer gjennom rommet., Akkurat som du er presses tilbake i setet av en akselererende bil, den akselererende romskip presser deg til motsatt side en det er akselererende mot. Til en viss pris for akselerasjon, et sett av vekter kunne fortelle deg at du veier akkurat det samme som du gjør når du er hjemme på Jorden.

Er det noen fysiske eksperimenter du kan gjøre innenfor rammene av romskipet ditt til å fortelle om du virkelig var akselererende gjennom rommet (forutsatt at det var ingen vinduer å se ut fra), eller hvis stedet du var inne i et romskip i ro på overflaten av Jorden? Einstein sa nei—akkurat som Galileo forestilt indistinguishability mellom en person inne i en glatt-seilskip (begrenset uten vinduer) og en person på land, Einstein innså at effekten av akselerasjon og tyngdekraften var umulig å skille dem også., Dette kalles ekvivalens principleGLOSSARYequivalence principleThe effekter av å være i et gravitasjonsfelt er umulig å skille dem fra effektene av å være i en akselerert referanseramme.

Plass fordreier under akselerert bevegelse

Når Einstein hadde formulert ekvivalens prinsippet, gravitasjon ble mindre mystisk., Han kunne anvende sin kunnskap om akselerasjon for å bedre forstå alvoret.

Du kan vite at akselerasjon betyr ikke alltid en endring i hastighet, for eksempel når du hastigheten opp i en bil, presser du på baksiden av ditt sete. Det kan også bety en endring av retning, som når du går rundt i en rundkjøring, forårsaker du å lene seg mot den siden av bilen.

for Å utvide dette ytterligere, la oss tenke oss en sylindrisk carnival tur hvor du og dine medpassasjerer er festet til den ytre overflaten. Sylinderen er rotert raskere og raskere til akselerasjon letter og bevegelse holder seg konstant., Men selv når hastigheten er konstant, er du fortsatt føler akselerert bevegelse—du føler deg selv som blir festet til den ytre kanten av turen.

Hvis dette spinning turen var stort nok, og beveger seg på en rask nok pris, ville du begynne å legge merke til noen merkelige effekter inne turen i seg selv, ikke bare fra synspunkt av noen som står utenfor den.,

Med hver rotasjon, de som er på kanten av turen reiser hele omkretsen av sylinder—mens du er i sentrum, det er knapt noen bevegelse i det hele tatt. Så hvis noen sto i sentrum av turen (kanskje holdt med en spenne, stoppe dem fra å falle til kant), de vil legge merke til alle de rare effekter vi så under spesielle relativitetsteorien—at de som er på kanten, vil kontrakten i lengde, og klokkene vil hake ved en lavere pris.,

Tyngdekraften er krumningen av romtid

ekvivalens prinsippet forteller oss at effekten av gravitasjon og akselerasjon er umulig å skille. I å tenke eksempel på den sylindriske tur, ser vi at akselerert bevegelse kan deformere tid og rom. Det er her at Einstein koblet prikkene til å foreslå at tyngdekraften er fordreining av tid og rom. Tyngdekraften er krumningen av universet, forårsaket av massive legemer, som avgjør hvilken vei som objekter reise. At kurvaturen er dynamiske, flytter som de objekter beveger seg.,

Denne teorien, general relativityGLOSSARYgeneral relativityEinstein teori om gravitasjon, spår alt fra går i bane rundt stjerner for å kollisjon av asteroider til epler faller ned fra en gren til jorden—alt vi har kommet til å forvente fra en teori om tyngdekraften.,

Romtid grep masse, forteller hvordan det å flytte… Masse grep romtid, fortelle det hvordan kurven Fysiker John Wheeler