Distorsiuni în spațiu și timp

Mai mult de 200 de ani după Principia a fost publicat, lumea era încă fără o înțelegere a gravitației mecanism. Introduceți Albert Einstein—un om care a fost de a schimba lumea în atât de multe moduri. Dar înainte de a ajunge la munca lui, va trebui să mai facem un ocol.,

nu poți spune dacă te miști (într-un ritm constant)

în 1632, chiar înainte ca Newton să-și publice acum celebra lucrare, Galileo Galilei a scris despre mișcarea relativă a obiectelor familiare în timpul său: navele. dacă vă aflați într-o cameră închisă pe o navă care navighează cu o viteză constantă și călătoria este perfect netedă, obiectele se comportă așa cum ar fi pe uscat. Nu există niciun experiment fizic pe care să-l poți efectua pentru a spune dacă te miști sau staționezi (presupunând că nu tragi cu ochiul dintr-un hublou)., Aceasta este ideea de bază din spatele relativității și este același motiv pentru care nu simțim mișcarea planetei noastre în jurul soarelui sau mișcarea sistemului nostru solar prin galaxie.

Spatiul si timpul sunt legate

Aproape 300 de ani după Galilei, Einstein a meditat consecințele relativității în contextul de un factor important: viteza luminii., Nu era singura persoană care se gândea la aceste subiecte—alți fizicieni la acea vreme erau conștienți că există întrebări fără răspuns pe acest front. Dar a fost Einstein care a formulat o teorie—teoria specială a relativityGLOSSARYspecial relativityEinstein teoria lui cu privire la relația dintre spațiu și timp, constanta de viteza luminii, și faptul că fizica trebuie să fie aceeași în toate uniforme membre de mișcare—să explice fenomene existente și crearea de noi previziuni., La început, relativitatea specială nu pare să aibă prea mult de-a face cu gravitația, dar a fost o piatră de temelie esențială pentru Einstein pentru înțelegerea gravitației.experimentele din timpul lui Einstein au arătat că viteza luminii părea să fie constantă. Nu contează cât de repede încercați și prinde din urmă, lumina pare întotdeauna să zip departe de tine la aproape 300.000.000 de metri pe secundă.de ce este important acest lucru ? Ei bine, să ne imaginăm construirea unui ceas din lumină în sine., Două oglinzi sunt plasate unul față de celălalt, iar o „bifă” a ceasului este timpul necesar pentru ca o particulă de lumină să călătorească dintr-o parte în alta și înapoi.

Acum să ne imaginăm că prietenul tău, care e pe o nava spatiala zipping trecut Pământ, are una dintre aceste ceasuri., Pentru prietenul tău, ceasul pare să funcționeze normal-particulele de lumină călătoresc în sus și în jos, așa cum era de așteptat, iar timpul se desfășoară în mod obișnuit. Dar din perspectiva voastră, privind trecerea navei, lumina se mișcă atât în sus, cât și în jos și în lateral, odată cu nava. Lumina parcurge o distanță mai mare cu fiecare bifă.,

Deci, dacă, pentru călător spațiu, lumina călătorește la cei 300,000,000 m/s dar are doar pentru a călători în sus și în jos; și la Pământ observator, lumina călătorește la cei 300,000,000 m/s, dar trebuie să călătorească mai mult, diagonala distanță; apoi pentru Pământ observator, ceas durează mai mult pentru a „bifa”.,

Acest efect este numit timp dilationGLOSSARYtime dilationThe încetinirea timp pentru un observator în raport cu altul. Cu cât călătoriți mai repede prin spațiu, cu atât călătoriți mai lent în timp.

perspectiva contează

dar al cărui timp este într-adevăr încetinit? Este persoana de pe Pământ, uitam prietenul său zip trecut în nava ei? Sau astronautul, care susține că stă nemișcată în timp ce pământul zboară?

destul de Ciudat, ambele puncte de vedere sunt valabile—dar numai în timp ce ambele sunt în mișcare constantă.pentru a ilustra ,să presupunem că atunci când astronautul a părăsit Pământul, ea și prietena ei aveau aceeași vârstă. Când pleacă, nava spațială accelerează departe de pământ. Când se întoarce, nava spațială decelerează pentru a evita o aterizare accidentală. În ambele pleacă și se întorc, nava își schimbă cadru de referenceGLOSSARYframe de referenceThe mediul fizic de un observator care implică starea lor de mișcare., O persoană care călătorește într-o mașină se află într-un cadru de referință diferit decât cineva care călătorește într-o mașină care merge cu o viteză sau direcție diferită sau un pieton pe marginea drumului sau cineva care călătorește deasupra capului într-un avion etc., iar astronautul nostru poate simți schimbarea mișcării. Experimentele efectuate în interiorul navei spațiale în timpul accelerării și decelerării ar arăta că ceva se schimbă. Acest lucru rupe simetria situației, iar când nava spațială va ateriza pe Pământ, astronautul nostru va fi într-adevăr mai tânăr decât omologul său pământean.,

efectele sunt vizibile doar dacă călătoreau foarte, foarte repede—dar este adevărat să spunem că atunci când astronauții și piloții de vânătoare de astăzi se vor întoarce dintr-o misiune de mare viteză, ei vor îmbătrâni cu puțin mai puțin decât noi ceilalți în timpul acelei misiuni.cele patru dimensiuni ale spațiului-timp rezultă din aceasta, în loc să ne gândim la trei dimensiuni ale spațiului și la o dimensiune separată a timpului, le putem considera ca fiind patru dimensiuni ale „spațiului-timp”. Cu cât călătoriți mai repede prin spațiu, cu atât călătoriți mai lent în timp și invers.,o altă consecință a relativității speciale este că obiectele în mișcare rapidă par să se contracte în mărime, în direcția mișcării lor. (Și din nou, acest lucru este răsturnat în funcție de perspectiva din care vă uitați.)

Acest lucru rezultă din distorsiune de timp—la urma urmei, puteți măsura lungimea de ceva de cantitatea de spațiu ceva calatoreste prin timp (de exemplu, de ani-lumină, lumina-secunde). Și în timp ce este dificil să ne imaginăm măsurarea lungimii unui obiect în mișcare din perspectiva altcuiva, contracția lungimii este un efect real, fizic, și nu doar un rezultat al măsurătorilor imprecise.,spre deosebire de diferențele de vârstă care pot apărea din dilatarea timpului, nu există efecte reziduale datorate contracției lungimii odată ce obiectul în mișcare și Observatorul sunt reunite.descrierea gravitației de către Einstein duce la situații la fel de bizare ca relativitatea specială—inclusiv călătoria în timp!

accelerația și gravitația pot fi indistinguizabile

Imaginați-vă că vă treziți într-o navă spațială, accelerând prin spațiu., Așa cum ești împins înapoi pe scaunul unei mașini care accelerează, nava spațială care accelerează te împinge în partea opusă celei spre care accelerează. La o anumită rată de accelerare, un set de cântare vă poate spune că cântăriți Exact la fel ca atunci când sunteți acasă pe Pământ.

Este acolo orice experiment fizic ai putea face în limitele de nava ta pentru a spune dacă într-adevăr au fost accelerarea prin spațiu (presupunând că nu au existat windows-ului să se uite la), sau dacă, în schimb, ai fost într-o navă spațială staționare pe suprafața Pământului? Einstein a spus că nu—doar ca Galileo imaginat indistinguishability între o persoană din interiorul neted corabie (închis, fără ferestre) și o persoană de pe pământ, Einstein a realizat că efectele de accelerația gravitațională și au fost imposibil de distins de asemenea., Aceasta se numește principiul echivalențeiglosarieefectele de a fi într-un câmp gravitațional sunt indistinguizabile de efectele de a fi într-un cadru de referință accelerat.

Space warps în mișcare accelerată,

după ce Einstein a formulat principiul de echivalență, gravitația a devenit mai puțin misterios., El și-ar putea aplica cunoștințele despre accelerație pentru a înțelege mai bine gravitația.este posibil să știți că accelerația nu înseamnă întotdeauna o schimbare a vitezei, ca atunci când accelerați într-o mașină, împingându-vă în spatele scaunului. Poate însemna, de asemenea, o schimbare de direcție, ca atunci când mergeți în jurul unui sens giratoriu, făcându-vă să vă aplecați spre partea laterală a mașinii. pentru a extinde acest lucru mai departe, să ne imaginăm o plimbare cilindrică de carnaval în care tu și colegii tăi pasageri sunteți fixați pe suprafața exterioară. Cilindrul este rotit din ce în ce mai repede până când accelerația se ușurează și mișcarea rămâne constantă., Dar chiar și odată ce viteza este constantă, simți în continuare mișcarea accelerată—te simți prins de marginea exterioară a călătoriei.

Dacă acest filare plimbare a fost suficient de mare și se deplasează cu o viteză suficient de mare, ai începe să observați unele mai bizare efecte în interiorul plimbare în sine, nu doar din punctul de vedere al cuiva stând în afara ei., cu fiecare rotație, cei de la marginea cursei parcurg întreaga circumferință a cilindrului—în timp ce în centru, nu există aproape nicio mișcare. Deci, dacă cineva stătea chiar în centrul călătoriei (probabil ținut de o bretele, oprindu—l să cadă la margine), ar observa toate acele efecte ciudate pe care le-am văzut în cadrul relativității speciale-că cei de pe margine se vor contracta în lungime, iar ceasurile lor vor bifa într-un ritm mai lent.,

gravitația este curbura spațiului-timp

principiul echivalenței ne spune că efectele gravitației și accelerației sunt indistinguizabile. Gândindu-ne la exemplul călătoriei cilindrice, vedem că mișcarea accelerată poate deforma spațiul și timpul. Aici Einstein a conectat punctele pentru a sugera că gravitația este deformarea spațiului și a timpului. Gravitatea este curbura universului, cauzată de corpuri masive, care determină calea pe care obiectele o călătoresc. Această curbură este dinamică, mișcându-se pe măsură ce acele obiecte se mișcă.,

Această teorie, general relativityGLOSSARYgeneral relativityEinstein teoria lui de greutate, prezice totul, de la orbitele unor stele pentru a coliziunii dintre asteroizi de mere care se încadrează de la o ramură la pământ—tot ceea ce am ajuns să așteptăm de la o teorie a gravitației.,

spațiu-timp se ocupă de masă, spunându-i cum să se miște… Masa mânere spațiu-timp, spunându-i cât de curba de Fizicianul John Wheeler