Адноснасць, спрошчаная

Чарвячныя адтуліны - гэта масты ў касмічным часе, паводле прагнозаў агульнай адноснасці.

Калі казаў Эйнштэйна, ён хацеў вырашыць праблему гравітацыі: адно было, што гэтага зрабіць проста немагчыма, а другое - ніхто не паверыць яму, нават калі ён зробіць гэта. У адказ ён стварыў сваё найвялікшае дасягненне - тэорыю агульнай адноснасці.

Агульная адноснасць зрабіла для гравітацыі тое, што нават Ньютан не мог зрабіць для гэтага - даў ёй тлумачэнне, механізм, дзякуючы якому рэчы падаюць, арбіта і скажае час. На самай справе стварэнне агульнай адноснасці прадугледжвала супрацьстаянне Ньютану і яго ідэям гравітацыі, апошні які назваў яго загадкавай сілай, якая збліжала прадметы. Сапраўды, нават сам Ньютан не разумеў, як гэта будзе працаваць (у тым, што сіла дзейнічае праз пустую прастору) і жорстка раскрытыкаваў уласную тэорыю гравітацыі.

Але, нягледзячы на ​​пытанні, якія засталіся без адказу, формулы Ньютана для гравітацыі ўсё яшчэ выкарыстоўваліся дзесяцігоддзямі для дакладнага прагназавання руху планет як асновы універсальных законаў фізікі і адпраўкі людзей на Месяц. Каб зразумець агульную адноснасць, мы павінны коратка зірнуць на гравітацыю Ньютона і месца, дзе яно не хапае.

Пяро і шар для боўлінга падаюць з аднолькавай хуткасцю, калі знаходзяцца ўнутры вакууму, выключаючы супраціў паветра.

Ньютанаўская гравітацыя была сфармулявана галоўным чынам для тлумачэння двух рэчаў. Першым было пытанне, чаму прадметы рознай вагі будуць адначасова ўдараць аб зямлю пры падзенні. Звярніце ўвагу на слова "ўпаў", а не "выкінуты". Кідаючы прадметы, гэта дадасць дадатковай энергіі, калі б яе проста не скінулі. Калі б не супраціўленне паветра, напрыклад, кавалак тканіны і ваза прыляцілі б у той жа час на зямлю. Але гэты эксперымент працуе з прадметамі, якія не адчуваюць такога супраціўлення паветра, як пяро або пясок тканіны. Дзве пароды рознай велічыні і вагі будуць адначасова прызямляцца на зямлю.

Другім пытаннем, якім Ньютан паспрабаваў заняцца, было арбіты, і чаму Месяц абышоў Зямлю, а Зямля вакол Сонца. У канчатковым выніку адказ Ньютана на тое, што гравітацыя была сілай, прапарцыйнай масе аб'екта. Чым больш масы быў прадмет, тым мацней яго гравітацыйная цяга.

Але, як мы ўжо згадвалі раней, праблема гравітацыі Ньютона - гэта дзеянне на адлегласці. Сілы залежаць ад масы аб'ектаў і ад адлегласці паміж двума аб'ектамі. Праблема ў тым, што сіла не мае носьбіта, яна праяўляе сябе ў пустым прасторы. Гэта таксама праблема, паколькі яна парушае "абмежаванне хуткасці" Сусвету. Гэта значыць, нічога не можа прайсці хутчэй, чым хуткасць святла. Калі б аб'ект змяніў становішча ва Сусвеце, сіла, якую яны аказвалі на аб'екты вакол іх, змянілася б імгненна, парушыўшы гэтую абмежаванне хуткасці.

Спрабуючы вырашыць праблему гравітацыі, Эйнштэйн упершыню выступіў з адмысловай адноснасцю, тэорыяй, якая складалася толькі з прадметамі, якія рухаюцца наперад па прамой лініі і з пастаяннай хуткасцю. Аднак не атрымалася ўключыць паскарэнне, і Эйнштэйн імкнуўся стварыць тэорыю, якая магла б прымяняцца больш шырока. Такім чынам нарадзіўся тэрмін агульнай адноснасці.

У пачатку 1900-х гадоў Эйнштэйн правёў мыслячы эксперымент. Ён глядзеў у акно, калі ўяўляў, як з даху падае чалавек. Калі чалавек падаў, ён адчуваў бы бязважкасць. Але што рабіць, калі гэты чалавек знаходзіўся ў ліфце? Ліфт рухаўся б такой самай хуткасцю, што і чалавек, і ён зноў адчуў бы бязважкасць.

Гэта Эйнштэйн зразумеў, што адбываецца. Насуперак тэорыі Ньютана, гравітацыйная сіла не цягнула прадметы ўніз. Замест гэтага прастора вакол іх была выгнутая, штурхаючы абодва прадмета да зямлі. Ён штурхаў, не цягнуў, што за гравітацыяй. Наступствы гэтага былі дзіўныя. Гэта азначала, што прастора была гнуткай, яе можна было скласці і выгнуцца. Эйнштэйн сабраў прастору і час у тое, што трапна называлі касмічны час.

Прынясенне любой масы ў космас скажае прастору вакол яе.

У той час як натуральны рух рэчаў заключаецца ў тым, каб ісці па найпростым шляху ў прасторы-часе, маса выгінае гэтую тканіну, каб мы рухаліся да цэнтраў большай масы. Гэта сіла, якую мы называем гравітацыяй.

Як гэта апісвае арбіты планет і лун? Ньютанаўская гравітацыя кажа, што сонца цягне нас унутр, але мы не трапляем у яго, таму што Зямля таксама рухаецца ў бок адначасова, калі яна цягнецца да Сонца, даючы нам эліптычную арбіту, якую мы бярэм вакол яе. Але, паводле агульнай адноснасці, велізарная маса Сонца выкручвае прастору вакол Зямлі, і гэтая прастора - гэта тое, што штурхае Зямлю да Сонца.

Больш шарык тут - сонца, ператвараючы прастору часу ў чару, што прымушае Зямлю рухацца кругавымі рухамі.

Ні адно з гэтых малюнкаў не дакладнае, як выглядае крывізна прасторы - тры вымярэнні, абгорнутыя чацвёртым прасторавым вымярэннем, - але наш розум не здольны ўявіць, як гэта сапраўды будзе выглядаць. Паколькі мы жывем у трох вымярэннях, мы можам толькі ўявіць 3 мерныя сітуацыі.

Дык адкуль мы ведаем, што агульная адноснасць існуе? Ёсць доказы гэтага ва ўсім Сусвеце. Тэорыя тлумачыцца не толькі нейтроннымі зоркамі і анамаліямі на арбіце Меркурыя, але яна правільна прадказвала чорныя дзіркі і здольнасць гравітацыі згінаць святло. Напрыклад, зорнае святло перакочваецца, калі праходзіць над сонцам. Яшчэ адзін цікавы момант, звязаны са святлом, заключаецца ў тым, што, калі ён адхіляецца вакол больш кампактных аб'ектаў, ён прыводзіць да некалькіх малюнкаў гэтага аб'екта. Гэтая часта сустракаемая з'ява называецца гравітацыйным лінзаваннем і дапамагае пацвердзіць агульную адноснасць.

Ці ведаеце вы, што час таксама можа быць скажоным? Час запавольваецца, чым бліжэй да аб'ектаў вельмі вялікай масы. Хтосьці, хто жыве ў высокім хмарачосе, выпрабаваў бы час хутчэй, чым хтосьці на зямлі.

Адноснасць таксама прадказвае, што паходжанне нашага Сусвету было гарачым і шчыльным, у выніку чаго выбух хутка пашыраецца. З тых часоў мы выявілі, што наш Сусвет на самай справе пашыраецца значна хутчэй, чым Эйнштэйн прадказваў.

Карацей кажучы, як выказаўся тэарэтычны фізік Джон Уілер, "касмічны час кажа пра тое, як рухацца, а матэрыя - як крывіць".

Што тычыцца выпрабавання двух падальных аб'ектаў рознай масы, адноснасць кажа нам, што яны стукнуліся аб падлогу адначасова, бо на іх не дзейнічае сіла.

Існуе значна больш да тэорыі агульнай адноснасці. Гэта быў адзін з найвялікшых падарункаў Эйнштэйна ў свеце і працягвае праходзіць кожны створаны намі тэст. Але на самай справе ён малюе досыць дзіўную карціну Сусвету - там, дзе могуць існаваць чарвяточныя прабоіны і паралельныя лініі могуць урэшце разыходзіцца. Мы ўсё яшчэ дапрацоўваем гэтую тэорыю і па гэты дзень. Мы працягваем выкарыстоўваць слова "гравітацыя" і працягваем думаць з пункту гледжання ньютанаўскай гравітацыі, таму што гэта наш розум прасцей зразумець, і пра гэта значна прасцей гаварыць, чым пра геадэзіку выгнутага касмічнага часу.