snedvridningar i rymden och tiden

mer än 200 år efter att Principien publicerades var världen fortfarande utan förståelse för gravitationens mekanism. Ange Albert Einstein – en man som skulle förändra världen på så många sätt. Men innan vi kommer till hans arbete måste vi ta en omväg till.,

du kan inte berätta om du flyttar (med konstant hastighet)

1632, även innan Newton publicerade sitt nu kända arbete, skrev Galileo Galilei om den relativa rörelsen av föremål som är bekanta i sin tid: fartyg.

om du är i ett stängt rum på ett fartyg som seglar med konstant hastighet och resan är helt slät, beter sig föremål som de skulle på land. Det finns inget fysiskt experiment du kan utföra för att berätta om du rör dig eller stationär (förutsatt att du inte tittar ut ur ett porthole)., Detta är kärntanken bakom relativitetsteorin, och är av samma anledning som vi inte känner vår planets rörelse runt solen, eller vårt solsystems rörelse genom galaxen.

tid och rum är länkade

nästan 300 år efter Galileo funderade Einstein på relativitetens konsekvenser i samband med en viktig faktor: ljusets hastighet., Han var inte den enda personen som funderade på dessa ämnen-andra fysiker vid den tiden var medvetna om att det fanns obesvarade frågor på denna front. Men det var Einstein som formulerade en teori-hans teori om speciell relativitetglossaryspecial relativityeinsteins teori om förhållandet mellan tid och rum, ljusets hastighet och det faktum att fysiken måste vara densamma i alla enhetliga rörelsetillstånd—för att förklara befintliga fenomen och skapa nya förutsägelser., Först kan speciell relativitet inte tyckas ha mycket att göra med gravitationen, men det var en viktig språngbräda för Einstein för att förstå gravitationen.

flytta klockor kryssa långsammare

experiment under Einsteins tid hade visat att ljusets hastighet verkade vara konstant. Oavsett hur snabbt du försöker komma ikapp, verkar ljuset alltid zip bort från dig på nästan 300.000.000 meter per sekund.

Varför är detta viktigt? Tja, låt oss föreställa oss att bygga en klocka ur ljuset själv., Två speglar placeras mittemot varandra, och en” tick ” av klockan är den tid det tar för en partikel av ljus att resa från ena sidan till den andra och tillbaka.

låt oss nu föreställa oss att din vän, som är på ett rymdskepp zippa förbi jorden, har en av dessa klockor., För din vän verkar klockan fungera normalt-ljuspartiklarna reser upp och ner, som förväntat, och tiden fortsätter på vanligt sätt. Men ur ditt perspektiv, titta på fartyget passera, ljuset rör sig både upp och ner och åt sidan, med fartyget. Ljuset färdas ett längre avstånd med varje bock.,

så om, för rymdresenären, ljus färdas på en stationär plats

300,000,000 m / s men behöver bara resa upp och ner; och till den jordbundna observatören färdas ljuset på 300,000,000 m / s, men måste resa ett längre diagonalt avstånd; sedan för den jordbundna observatören tar klockan längre tid att ”ticka”.,

denna effekt kallas tidsdilatationglossarytime dilationThe saktar ner tiden för en observatör i förhållande till en annan. Ju snabbare du reser genom rymden, desto långsammare reser du genom tiden.

Perspective matters

men vars tid verkligen saktas ner? Är det personen på jorden som tittar på sin vän zip förbi i sitt rymdskepp? Eller astronauten, som hävdar att hon stannar stilla medan jorden flyger förbi?

konstigt nog är båda synpunkterna giltiga—men bara när båda är i konstant rörelse.

för att illustrera, låt oss anta att när astronauten lämnade jorden var hon och hennes vän i samma ålder. När hon lämnar, accelererar rymdskeppet bort från jorden. När hon återvänder, decelererar rymdskeppet för att undvika en kraschlandning. I både att lämna och återvända ändrar rymdskeppet sin referensramlossaryframe av referenceden fysiska miljön hos en observatör som involverar deras rörelsetillstånd., En person som reser i en bil är i en annan referensram än någon som reser i en bil som går en annan hastighet eller riktning, eller en fotgängare vid sidan av vägen, eller någon som reser över huvudet i ett plan, etc., och vår astronaut kan känna förändringen av rörelse. Experiment som utförs inuti rymdskeppet under acceleration och retardation skulle visa att något förändras. Detta bryter symmetrin i situationen, och när rymdskeppet landar tillbaka på jorden, kommer vår astronaut verkligen att vara yngre än hennes jordbundna motsvarighet.,

effekterna är bara märkbara om de reser riktigt, riktigt snabbt – men det är fortfarande sant att säga att när dagens astronauter och stridspiloter återvänder från ett höghastighetsuppdrag, kommer de att ha åldrat en liten liten bit mindre än resten av oss gjorde under det uppdraget.

de fyra dimensionerna av spacetime

Efter detta, snarare än att tänka på tre dimensioner av rymden och en separat dimension av tiden, kan vi betrakta dem som fyra dimensioner av ”spacetime”. Ju snabbare du reser genom rymden, desto långsammare reser du genom tiden och vice versa.,

flytta objekt kontrakt i rymden

en annan konsekvens av speciell relativitet är att snabbrörliga objekt verkar kontrakt i storlek, i riktning mot deras rörelse. (Och igen, detta vänds runt beroende på vems perspektiv du tittar från.)

detta följer av tidsförvrängningen—trots allt kan du mäta längden på något med mängden utrymme som något färdas genom tiden (t.ex. ljusår, ljus sekunder). Och medan det är svårt att föreställa sig att mäta längden på ett rörligt objekt från någon annans perspektiv, är längdkontraktion en riktig, fysisk effekt och inte bara ett resultat av oregistrerade mätningar.,

Till skillnad från åldersskillnaderna som kan uppstå från tidsutvidgning finns det inga kvarstående effekter på grund av längdkontraktion när det rörliga objektet och observatören återförenas.

förstå gravitationen

Einsteins beskrivning av gravitationen leder till situationer lika bisarra som speciella relativitets—tidsresor ingår!

Acceleration och gravitation kan vara oskiljbara

Tänk dig att vakna upp i ett rymdskepp och accelerera genom rymden., Precis som du trycks tillbaka i sätet på en accelererande bil, skjuter det accelererande rymdskeppet dig till sidan mittemot den som det accelererar mot. Vid en viss accelerationshastighet kan en uppsättning skalor berätta att du väger exakt samma som du gör när du är hemma på jorden.

finns det något fysiskt experiment du kan göra inom ramen för ditt rymdskepp för att berätta om du verkligen accelererade genom rymden (förutsatt att det inte fanns några fönster att se ut från), eller om du istället var inne i ett rymdskepp stationärt på jordens yta? Einstein sa nej – precis som Galileo föreställde sig oskiljbarheten mellan en person inuti ett smidigt segelfartyg (begränsat utan fönster) och en person på land, insåg Einstein att effekterna av acceleration och gravitation var oskiljbara också., Detta kallas principen om likvärdighet, dvs. principen om likabehandling av kvinnor och män, och effekterna av att befinna sig i ett gravitationsfält kan inte skiljas från effekterna av att befinna sig i en accelererad referensram.

Space warps under accelerated motion

När Einstein hade formulerat likvärdighetsprincipen blev gravitationen mindre mystisk., Han kunde tillämpa sin kunskap om acceleration för att bättre förstå gravitationen.

Du kanske vet att acceleration inte alltid betyder en hastighetsförändring, som när du påskyndar i en bil och trycker dig på baksidan av din plats. Det kan också innebära en förändring i riktning, som när du går runt en rondell, vilket gör att du lutar dig mot sidan av bilen.

för att förlänga detta ytterligare, låt oss föreställa oss en cylindrisk karnevalsresa där du och dina medpassagerare är fastsatta på ytterytan. Cylindern roteras snabbare och snabbare tills accelerationen lättar och rörelsen förblir konstant., Men även när hastigheten är konstant känner du fortfarande den accelererade rörelsen – du känner dig själv fastspänd på ytterkanten av resan.

om den här snurrande åkturen var tillräckligt stor och rörde sig tillräckligt snabbt, skulle du börja märka några bisarra effekter inuti själva åkturen, inte bara ur synvinkel av någon som stod utanför den.,

med varje rotation färdas de vid kanten av körningen hela omkretsen av cylindern-medan i mitten finns det knappast någon rörelse alls. Så om någon stod i centrum av resan (kanske hålls av en stag, hindrar dem från att falla till kanten), skulle de märka alla de konstiga effekterna vi såg under speciell relativitet—att de på kanten kommer att minska i längd, och deras klockor kommer att kryssa i långsammare takt.,

gravitation är krökningen av spacetime

ekvivalensprincipen berättar att effekterna av gravitation och acceleration är oskiljbara. När vi tänker på exemplet på den cylindriska åkturen ser vi att accelererad rörelse kan varpa utrymme och tid. Det är här som Einstein kopplade prickarna för att föreslå att gravitationen är skevhet av utrymme och tid. Gravity är universums krökning, orsakad av massiva kroppar, som bestämmer den väg som objekt reser. Den krökningen är dynamisk och rör sig när objekten rör sig.,

denna teori, allmän relativitetglossarygeneral relativityeinsteins gravitationsteori förutspår allt från stjärnornas banor till kollisionen av asteroider till äpplen som faller från en gren till jorden—allt vi har kommit att förvänta oss av en gravitationsteori.,

Spacetime griper massa och berättar hur man flyttar… Mass griper spacetime, berättar hur man kurva fysiker John Wheeler