La relatività generale è una teoria complessa, ma immaginare oggetti che cadono può aiutare a tracciarne i contorni. (Qui, i satelliti GPS sono mostrati intorno alla Terra - Il GPS dipende dalla relatività per fornire posizioni precise.)
(Immagine: © NASA)
Paul Sutter è un astrofisico a La Ohio State University e il capo scienziato di Centro scientifico COSI. Sutter è anche ospite di "Chiedi a un astronauta" e "Space Radio, "e conduce AstroTours Intorno al mondo. Sutter ha contribuito a questo articolo Voci degli esperti di Space.com: Op-Ed & Insights.
La relatività generale è una delle più grandi imprese dell'intelligenza umana, resa ancora più impressionante dal fatto che è nata dall'immaginazione fertile e ha perseguitato lo splendore matematico di una sola mente. La stessa teoria è l'ultimo e il più persistente dei modelli "classici" (cioè non quantistici) della natura e la nostra incapacità di inventare qualcosa di più sofisticato negli ultimi cento anni è un costante promemoria di come sia intelligente Albert Einstein era.
Un altro testamento del genio di Einstein è rappresentato dagli ingarbugliati spaghetti di equazioni complesse e interconnesse che compongono la teoria completa. Einstein ha realizzato una bellissima macchina, ma non ci ha lasciato esattamente un manuale dell'utente. Possiamo tracciare il suo percorso nei sette anni di torture autoinflitte che hanno portato alla forma finale della teoria, ma quella via di sviluppo è stata guidata da tanta intuizione dell'intestino di Einstein che è difficile per noi semplici mortali fare gli stessi salti ciechi di genio che ha fatto.
Solo per portare a casa il punto, la relatività generale è così complessa che quando qualcuno scopre una soluzione alle equazioni, ottengono la soluzione che prende il loro nome e diventano semi-leggendari a sé stanti. C'è una ragione per cui Karl Schwarzschild - il ragazzo che ha capito la geometria dei buchi neri - è un nome familiare (o almeno, un nome di dipartimento di fisica). [La teoria della relatività generale di Einstein: una spiegazione semplificata]
La geometria è il destino
Il nucleo assoluto della relatività generale, e un nome alternativo perfettamente accettabile, è la geometrodinamica. Vai avanti, dillo ad alta voce - è divertente. Il modo in cui la relatività generale modella la gravità è attraverso le macchinazioni dinamiche dello stesso spazio-tempo. Secondo la teoria, la presenza di materia ed energia altera la geometria fondamentale spazio-temporale che circonda quelle sostanze e che la geometria alterata influenza il movimento.
Questa relazione deriva dal più importante, fondamentale, impossibile ignorare questo concetto alla base dell'intera teoria della relatività generale: il principio di equivalenza (E.P.). Questo principio è l'assunto che la massa inerziale (quanta gronda ci vuole per muovere un oggetto) è la stessa proprietà della massa gravitazionale (quanto un oggetto risponde alla gravità). E questa è la chiave che sblocca l'intero shebang gravitazionale.
Usando questa equivalenza, possiamo immaginare uno scenario per aiutare a visualizzare la connessione tra geometria e gravità. Fai finta di essere in orbita sopra la Terra, guardando serenamente i continenti e gli oceani che rotolano sotto il tuo punto di osservazione.
Quindi apri una scatola di spazzatura.
Mentre i frammenti di detriti fluttuano via da te, mediti sulle conseguenze di ciò che hai appena fatto. Certo, ora hai creato una nuvola di detriti potenzialmente pericolosi che rappresentano un grave rischio per i satelliti e le missioni future. Ma dopo un'ulteriore riflessione, la tua mente si allenta. Stai facendo un esperimento scientifico e il principio di equivalenza garantisce che tutti questi frammenti di detriti, indipendentemente dalla loro forma o massa, tracceranno perfettamente gli effetti della gravità terrestre, senza la necessità di altri calcoli. È qualcosa di unico per la forza di gravità, grazie a E.P. [Perché la relatività è vera: l'evidenza della teoria di Einstein]
Piegare le regole
Guarda cosa succede alla spazzatura che hai gettato nello spazio. Alcuni, per puro caso, possono iniziare in una linea perfettamente orizzontale. Ma mentre gli oggetti cadono sulla Terra, seguono delle linee rette che si dirigono verso il centro del globo. Se li osservi attentamente, vedrai che mentre scendono verso il basso, convergeranno gradualmente. Se potessero passare attraverso la Terra solida, alla fine si scontrerebbero proprio al centro.
Altri frammenti di spazzatura potrebbero iniziare in una linea perfettamente verticale rivolta verso la Terra, uniformemente distanziati l'uno dall'altro. Anche loro sarebbero caduti. Ma quello fortunato nella parte anteriore della linea cadrebbe leggermente più veloce, a causa della sua vicinanza leggermente più vicina alla Terra, con l'ultimo in linea leggermente indietro. Quindi, man mano che i detriti continuavano la loro discesa, divergevano lentamente nella loro linea verticale.
In alcuni casi, otteniamo percorsi convergenti e restringenti. In altri casi, divergiamo, diffondiamo traiettorie. In entrambi i casi, i percorsi iniziano come perfettamente paralleli o uniformi ma cambiano i caratteri. Questi percorsi mutevoli sono esattamente ciò che i matematici usano per descrivere il linguaggio della "curvatura", e questo è il linguaggio della geometria.
Ding, ding, ding. Eccolo. Il principio di equivalenza ti dice che i percorsi della caduta della spazzatura ti informano direttamente sulla natura della gravità, e quegli stessi percorsi rivelano una complicata geometria dello spazio-tempo sottostante. In altre parole, quella gravità è la geometria dello spazio-tempo.
Geometrodinamica.
Allungando il nostro cervello
Il "tempo" nello spazio-tempo è molto importante per la teoria completa. Probabilmente hai visto la demo o la grafica del museo della scienza che accompagna un articolo sulla relatività generale che mostra quello che sembra un foglio di gomma allungato. Una palla pesante, che rappresenta un pianeta o una stella o un buco nero o qualsiasi altra cosa, è posta al centro, tirando il tessuto verso il basso. Rotolare altre palline sul foglio rivela "l'influenza" della gravità: provano a seguire linee rette, ma i loro percorsi vengono deviati dalla curvatura sottostante.
Quella demo va benissimo come prima introduzione all'asilo, ma ora siamo ben lontani dall'asilo. Non c'è "down" nello spazio-tempo reale e la curvatura sta avvenendo in quattro dimensioni, non in due. È un po 'più difficile da visualizzare, motivo per cui di solito ci ritiriamo nella demo più semplice.
È vero che un oggetto enorme distorce lo spazio statico nelle sue vicinanze, ma questa è solo metà dell'immagine. La massa influisce anche sulla dimensione del tempo, e lo fa alterando le possibili traiettorie di cui è capace un oggetto di passaggio.
Ogni oggetto ha un cosiddetto cono di luce, o un insieme di possibili destinazioni che l'oggetto potrebbe raggiungere viaggiando più lentamente della velocità della luce. Immagina di cavalcare con un granello di polvere mentre corre vicino al sole. Ha una serie di possibilità future, date dal suo cono di luce. Ma mentre la polvere si avvicina al sole, la gravità di quella gigantesca palla di fuoco inclina il cono di luce della polvere verso il sole stesso. La polvere ora ha un nuovo futuro più specifico assegnato ad essa: alcune destinazioni sono vietate (sono al di fuori del nuovo cono di luce), mentre altre si sono ora aperte.
Questo può sembrare una divisione dei peli, ma la flessione statica dello spazio e l'alterazione dei coni di luce compaiono nella matematica della relatività generale in luoghi separati, e solo combinando i due effetti si ottengono le previsioni complete (e precise!) Del teoria. Lo spazio e il tempo devono essere entrambi considerati insieme; non puoi ignorare one.u
In altre parole, la gravità è la geometria dello spazio-tempo. Geometrodinamica.
Scopri di più ascoltando l'episodio "" Seriamente, che cos'è la gravità? (Parte 3) "sul podcast" Chiedi a un astronauta ", disponibile su iTunes e sul Web all'indirizzo http://www.askaspaceman.com. Grazie ad 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. e @shrenic_shah per le domande che hanno portato a questo pezzo! Poni la tua domanda su Twitter usando #AskASpaceman o seguendo Paul @ PaulMattSutter e facebook.com/PaulMattSutter. Seguiteci su @Spacedotcom, Facebook e Google+. Articolo originale su Space.com.
