عبقرية أينشتاين: وصف هندسة الزمكان

النسبية العامة هي نظرية معقدة ، ولكن تخيل الأجسام الساقطة يمكن أن يساعد في تتبع معالمها. (هنا ، يتم عرض أقمار GPS الصناعية حول الأرض - يعتمد GPS على النسبية لإعطاء مواقع دقيقة.)

(الصورة: © NASA)

بول سوتر فيزيائي فلكي في جامعة ولاية أوهايو وكبير العلماء في مركز علوم COSI. Sutter هو أيضا المضيف "اسأل رائد فضاء"و"راديو الفضاء"ويؤدي AstroTours حول العالم. سوتر سوت هذا المقال ل أصوات خبراء Space.com: Op-Ed & Insights.

النسبية العامة هي واحدة من أعظم مآثر الفهم الإنساني ، والتي جعلت الأمر أكثر إثارة للإعجاب من حقيقة أنها انبثقت من الخيال الخصيب والتألق الرياضي المتشدد لعقل واحد فقط. النظرية نفسها هي الأخيرة والأكثر ثباتًا من النماذج "الكلاسيكية" (أي ليست كمومية) للطبيعة ، وعدم قدرتنا على التوصل إلى أي شيء أكثر تعقيدًا على مدى المائة عام الماضية هو تذكير دائم بكيفية دانج ألبرت الذكي كان آينشتاين.

هناك دليل آخر على عبقرية آينشتاين يأتي في السباغيتي المتشابكة للمعادلات المعقدة والمترابطة التي تشكل النظرية الكاملة. صنع آينشتاين آلة جميلة ، لكنه لم يترك لنا دليل المستخدم بالضبط. يمكننا تتبع طريقه في سبع سنوات من التعذيب الذاتي الذي أدى إلى الشكل النهائي للنظرية ، ولكن طريق التنمية هذا كان يسترشد بالكثير من حدس أينشتاين المعوي لدرجة أنه من الصعب بالنسبة لنا فقط أن نصنع نفس القفزات العمياء عبقري فعله.

فقط للوصول إلى هذه النقطة ، فإن النسبية العامة معقدة للغاية عندما يكتشف شخص ما حلًا للمعادلات ، يحصل على الحل المسمى بعدها ويصبح شبه أسطوري في حد ذاته. هناك سبب لأن كارل شوارزشيلد - الرجل الذي اكتشف هندسة الثقوب السوداء - هو اسم مألوف (أو على الأقل ، اسم قسم الفيزياء). [نظرية آينشتاين في النسبية العامة: شرح مبسط]

الهندسة هي قدر

الجوهر المطلق للنسبية العامة ، والاسم البديل المقبول تمامًا لها ، هو الديناميكا الهندسية. انطلق ، قلها بصوت عالٍ - إنها ممتعة. الطريقة التي تشكل بها النسبية العامة الجاذبية هي من خلال المكائد الديناميكية للزمكان نفسه. وفقًا للنظرية ، فإن وجود المادة والطاقة يغير هندسة الزمكان الأساسية المحيطة بهذه المواد ، وأن الهندسة المتغيرة تؤثر على الحركة.

تأتي هذه العلاقة من المفهوم الأهم والأساسي الذي لا يمكن تجاهله - الذي يكمن وراء نظرية النسبية العامة بالكامل: مبدأ التكافؤ (EP). هذا المبدأ هو افتراض أن الكتلة بالقصور الذاتي (مقدار الجاذبية اللازمة لتحريك الجسم) هي نفس خاصية كتلة الجاذبية (كم يستجيب الجسم للجاذبية). وهذا هو المفتاح الذي يفتح كامل الجاذبية.

باستخدام هذا التكافؤ ، يمكننا تخيل سيناريو للمساعدة على تصور العلاقة بين الهندسة والجاذبية. تظاهر بأنك تدور في أعالي الأرض ، تشاهد القارات والمحيطات تتدحرج تحت نقطة المراقبة الخاصة بك.

ثم تفتح علبة خردة.

بينما تطفو قطع الحطام بعيدًا عنك ، تفكر في تداعيات ما فعلته للتو. بالتأكيد ، لقد قمت الآن بإنشاء سحابة من الحطام المحتمل أن يشكل خطرًا كبيرًا على الأقمار الصناعية والمهام المستقبلية. ولكن بعد مزيد من التفكير ، يخفف عقلك. أنت تجري تجربة علمية ، ويضمن مبدأ التكافؤ أن كل أجزاء الحطام هذه ، بغض النظر عن شكلها أو كتلتها ، ستتبع آثار جاذبية الأرض تمامًا ، دون الحاجة إلى أي حسابات أخرى. هذا شيء فريد لقوة الجاذبية بفضل EP. [لماذا صحيح النسبية: الدليل على نظرية أينشتاين]

ثني القواعد

شاهد ما يحدث للخردة التي قذفتها في الفضاء. البعض ، بالصدفة النقية ، قد يبدأ بخط أفقي مثالي. ولكن عندما تسقط الأجسام على الأرض ، فإنها تتبع خطوطًا مستقيمة تتجه مباشرة إلى مركز الكرة الأرضية. إذا كنت تراقبهم عن كثب ، فسوف ترى أنه عندما يتجهون إلى أسفل ، فسوف يتقاربون تدريجيًا. إذا تمكنوا من المرور عبر الأرض الصلبة ، فسوف يصطدمون في النهاية في المركز.

قد تبدأ أجزاء أخرى من النفايات في خط رأسي مثالي موجه نحو الأرض ، متباعدًا بشكل منفصل عن بعضها البعض. هم أيضا سوف يسقطون. لكن الشخص المحظوظ في مقدمة الخط سيسقط بشكل أسرع قليلاً ، بسبب قربه قليلاً من الأرض ، مع تأخر الأخير في الخط قليلاً. لذا ، بينما واصلت قطع الحطام نزولها ، فإنها تتباعد ببطء في خطها الرأسي.

في بعض الحالات ، نحصل على مسارات متقاربة وتضيق. في حالات أخرى ، نحصل على مسارات متباعدة ومتباعدة. في كلتا الحالتين ، تبدأ المسارات بشكل متوازي أو موحد تمامًا ولكنها تغير الأحرف. هذه المسارات المتغيرة هي بالضبط ما يستخدمه علماء الرياضيات لغة "الانحناء" لوصفها ، وهذه هي لغة الهندسة.

دينغ دينغ دينغ. ذلك هو. يخبرك مبدأ التكافؤ بأن مسارات السقوط غير المرغوب فيها تخبرك مباشرة عن طبيعة الجاذبية ، وتلك المسارات نفسها تكشف هندسة معقدة للزمان الأساسي. وبعبارة أخرى ، أن الجاذبية هي هندسة الزمكان.

الديناميكا الهندسية.

تمدد عقولنا

إن "الوقت" في الزمكان مهم جدًا للنظرية الكاملة. ربما تكون قد شاهدت عرضًا توضيحيًا أو رسمًا في متحف العلوم يرافق مقالة عن النسبية العامة تظهر ما يشبه ورقة مطاطية ممتدة. يتم وضع كرة ثقيلة ، تمثل كوكبًا أو نجمًا أو ثقبًا أسود أو أيا كان ، في المنتصف ، وتسحب القماش لأسفل. يكشف تدحرج الكرات الأخرى على الورقة "تأثير" الجاذبية: يحاولون اتباع خطوط مستقيمة ، لكن مساراتهم تنحرف عن طريق الانحناء الأساسي.

هذا العرض التوضيحي جيد تمامًا باعتباره مقدمة أولية لرياض الأطفال ، لكننا تجاوزنا رياض الأطفال الآن. لا يوجد "انخفاض" في الوقت الحقيقي ، ويتم الانحناء بأربعة أبعاد ، وليس بعدين. من الصعب قليلاً تصور هذا هو السبب في أننا عادة ما نتراجع إلى عرض أبسط.

صحيح أن الجسم الضخم يشوه الفضاء الثابت في محيطه ، لكن هذا نصف الصورة فقط. تؤثر الكتلة أيضًا على بُعد الوقت ، وهي تفعل ذلك عن طريق تغيير المسارات الممكنة التي يمكن لجسم ممرها.

يحتوي كل كائن على ما يسمى مخروط ضوئي ، أو مجموعة من الوجهات المحتملة التي يمكن أن يصل إليها الجسم وهو يسير أبطأ من سرعة الضوء. تخيل الركوب مع بقعة من الغبار أثناء سباقها مع الشمس. لديها مجموعة من الاحتمالات المستقبلية ، نظرا لمخروطها الخفيف. ولكن مع اقتراب الغبار من الشمس ، فإن جاذبية كرة النار العملاقة تميل مخروط ضوء الغبار نحو الشمس نفسها. للغبار الآن مستقبل جديد أكثر تحديدًا مخصصًا له: بعض الوجهات محظورة (فهي خارج المخروط الضوئي الجديد) ، بينما انفتحت أخرى الآن.

قد يبدو هذا وكأنه تقسيم الشعر ، لكن الانحناء الثابت للفضاء وتغيير المخاريط الضوئية يظهر في رياضيات النسبية العامة في أماكن منفصلة ، وفقط من خلال الجمع بين التأثيرين ، نحصل على التنبؤات الكاملة (والدقيقة!) نظرية. يجب مراعاة المكان والزمان معًا ؛ لا يمكنك تجاهل واحد

وبعبارة أخرى ، الجاذبية هي هندسة الزمكان. الديناميكا الهندسية.

تعرف على المزيد من خلال الاستماع إلى الحلقة "" بجدية ، ما هي الجاذبية؟ (الجزء 3) "على بودكاست" Ask A Spaceman "المتوفر على iTunes وعلى الويب على http://www.askaspaceman.com. بفضل Andrew P.، Joyce S.، @ Luft08، Ben W.، Ter B. ، Colin E ، Christopher F. ، Maria A. ، Brett K. ، bryguytheflyguy ،MarkRiepe ، Kenneth L. ، Allison K. ، Phil B. andshrenic_shah على الأسئلة التي أدت إلى هذه القطعة! اطرح سؤالك الخاص على Twitter باستخدام #AskASpaceman أو باتباع Paul @ PaulMattSutter و facebook.com/PaulMattSutter. تابعنا علىSpacedotcom و Facebook و Google+. المقالة الأصلية على Space.com.