Гениальность Эйнштейна: описание геометрии пространства-времени

Гениальность Эйнштейна: описание геометрии пространства-времени

Общая теория относительности - одно из величайших достижений человеческой мысли, все более впечатляющее из-за того, что она возникла из плодовитого воображения и укоренилась в математическом блеске всего лишь одного ума. Сама теория является последней и самой стойкой из «классических» (т. е. не квантовых) моделей природы, и наша неспособность придумать что-нибудь более сложное за последние сто лет - это постоянное напоминание о том, каким умным был Альберт Эйнштейн.

Еще одним свидетельством гения Эйнштейна являются запутанные сложные взаимосвязанные уравнения, которые составляют всю теорию. Эйнштейн сделал красивую машину, но он не оставил нам руководство пользователя. 

Довести до конца общую теорию относительности настолько сложно, что когда кто-то находит решение уравнений, они называются в их честь. Эти люди становятся легендами, как Карл Шварцшильд, который выяснил геометрию черных дыр.

Абсолютным ядром общей теории относительности является геометрическая динамика. То, как общая теория относительности моделирует гравитацию, - это динамические махинации самого пространства-времени. Согласно теории, присутствие материи и энергии изменяет фундаментальную пространственно-временную геометрию, окружающую этих веществ и что измененная геометрия влияет на движение.

Эта взаимосвязь происходит от самого важного, фундаментального  принципа теории- принципа эквивалентности - это предположение, что инертная масса (сколько энергии требуется для перемещения объекта) является тем же свойством, что и гравитационная масса (насколько объект реагирует на гравитацию). И это ключ, который открывает весь гравитационный шебанг.

Используя эту эквивалентность, мы можем визуализировать связь между геометрией и гравитацией. Представьте, что вы вращаетесь на орбите высоко над Землей, спокойно наблюдая, как континенты и океаны катятся с вашей точки зрения.

Затем вы откроете коробку с барахлом .

Кусочки обломков отплывают от вас. Вы проводите научный эксперимент и принцип эквивалентности гарантирует, что все эти кусочки мусора, независимо от их формы или массы, отлично покажут последствия гравитации Земли без необходимости каких-либо других расчетов. 

 Некоторые могут начать падать по горизонтальной линии. Но поскольку объекты падают на Землю, они следуют прямым линиям, направляющимся прямо в центр земного шара. Если вы будете внимательно следить за ними, вы увидите, что, когда они направляются вниз, постепенно сходятся. Если бы они прошли через твердую Землю, в конечном итоге столкнулись бы в самом центре.

Другие кусочки мусора могут начать падать по вертикальной линии, направленной на Землю, равномерно распределенной. Они тоже упадут. Но в передней части линии падал бы немного быстрее, из-за своей более близкой близости к Земле, а последняя в очереди немного отставала бы. Итак, когда кусочки мусора продолжают спускаться, они постепенно расходятся по своей вертикальной линии. 

В некоторых случаях мы получаем сходящиеся, сужающиеся тропы. В других случаях мы получаем расходящиеся, распространяющиеся траектории. В обоих случаях пути начинаются как идеально параллельные или однородные, но изменяются пути. Эти изменяющиеся пути - это именно то, что математики используют для описания языка «кривизны», и это язык геометрии. 

Принцип эквивалентности говорит, что пути падающего мусора прямо информируют вас о природе гравитации , и те же самые пути показывают сложную геометрию лежащего в основе пространства-времени. Другими словами, эта гравитация - это геометрия пространства-времени. 

«Время» в пространстве-времени очень важно для полной теории. Вероятно, вы видели демонстрацию общей теории относительности на примере вытянутого резинового листа. Тяжелый шар, представляющий собой планету или звезду, или черную дыру или что-то еще, помещается в центр, потянув ткань вниз. Прокатывание других шариков на листе показывает «влияние» силы тяжести: они пытаются следовать прямым линиям, но их пути отклоняются от основной кривизны.

Эта демонстрация совершенно прекрасна на уровне детского сада. В реальном пространстве-времени нет «вниз», а изгиб происходит в четырех измерениях, а не в двух. Это немного сложнее визуализировать, поэтому мы обычно прибегаем к более простой демонстрации.

Это правда, что массивный объект искажает статическое пространство в его окрестностях, но это только половина картины. Масса также влияет на размер времени и она делает это, изменяя возможные траектории, на которой способен проходить объект. 

Каждый объект имеет то, что называется световым конусом (пространства Минковского) или набор возможных мест назначения, по которым объект может движется медленнее, чем скорость света. Представьте себе, что вы едете вместе с пылинкой в сторону солнца. Она имеет ряд будущих возможностей, предоставляемых ее световым конусом (Пространства Минковского). Но когда пыль приближается к солнцу, гравитация этого гигантского огненного шара наклоняет легкий конус пыли к самому солнцу. . У пыли теперь есть новое, более конкретное будущее, назначенное ему: некоторые пункты назначения выходят за пределы (они находятся за пределами нового светового конуса), а другие теперь открываются.

Статический изгиб пространства и изменение световых конусов появляются в математике общей теории относительности в отдельных местах, и только путем комбинирования двух эффектов мы получаем полные и точные предсказания теории. Пространство и время должны рассматриваться вместе.

Другими словами, гравитация - это геометрия пространства-времени. Геометродинамика.

Общая теория относительности - сложная теория, но работа спутников GPS зависит от относительности, которая дает точные данные.

Источник: vk.com