Zašto stvari padaju?

Zašto kamenje s planine pada na zemlju? Zašto išta pada? Pa, rečeno nam je da je kriva neuhvatljiva sila gravitacije. Dakle, tu ga imamo, stvari padaju jer ih privlači središte zemlje.

Pa, ne baš. Vidite što sam učinio tamo? Naizgled rješenje nije bilo samo puko prenošenje prethodnog problema. Zašto bi se išta uopće privlačilo prema središtu zemlje? Osim, nisu.

Einstein je formulirao svoju Opću teoriju u dobi od 36 godina

Dobrodošli na Einsteinov princip opće relativnosti. Stvari padaju ne zato što ih nešto privlači, već zato što nisu.

Ovu bizarnu misao, moguću samo najdubljim slojevima mašte, koja zbunjuje velike umove do danas, Einstein je živo vizualizirao, vizualizaciju koju borimo da stvorimo i danas.

U ovom ću članku pokušati pogurati naše razumijevanje dalje prema možda onome o čemu je Einstein sanjao. Kao što je jednom rekao, „Svaka budala može znati. Poanta je razumjeti ”.

Prostor i vrijeme

U raspravi o fizici ili bilo kojoj znanosti potrebna je jasna i radna koncepcija dva najosnovnija sastojka svemira. Einsteinova teorija specijalne relativnosti, objavljena otprilike 10 godina prije opće relativnosti, bila je krajnje jednostavna, a opet revolucionarna. Zašto? Jer je u potpunosti preokrenuo pojmove prostora i vremena.

Oprostite na kontekstu, koji može izgledati dosadno, ali budite sigurni da je presudno za razumijevanje što je gravitacija.

Prostor i vrijeme, prije Einsteinove relativnosti, smatralo se apsolutnim. Pretpostavljam da će dva pomična sata, koja su pokrenuta istovremeno, mjeriti iste dužine i vremena. Drugim riječima, postojao bi potpun dogovor o tome koja je udaljenost pređena i koliko vremena je prošlo.

Einstein je dokazao da je ovaj koncept pogrešan. Prostor i vrijeme nisu apsolutni, oni su relativni. On je u svoju teoriju posebne relativnosti ugradio Minkowski-ovu teoriju četverodimenzionalnog prostora-vremena. Prostor i vrijeme nisu, dakle, više odvojeni. Postojao je prostor-vrijeme. Sve promjene kretanja objekta u prostoru izravno ometaju njegovo iskustvo vremena.

Neću ovdje objašnjavati Specijalnu relativnost. Zaslužuje svoj članak. Ali odlazak odavde je presudan u shvaćanju gravitacije. Dakle, da kažemo, prostor i vrijeme postoje kao jedan kontinuum prostora i vremena, a nije apsolutno, nego u odnosu na promatrača i promatrano gibanje.

Linije, zakrivljene i ravne

Razumijevanje ravnih linija ključ je gravitacije. Što je ravna linija? Po čemu se razlikuje ravna linija koja ga odvaja od neravnih? Pitanje se u početku može činiti blesavim i očitim, ali dopustite da vas upozorim, nije.

Zamislite dvije ravne, paralelne linije koje se nikada ne susreću. Sada zamislite zakrivljenu liniju. Sigurno znamo da je ravna linija potpuno drugačija od zakrivljene, ali ne uvijek.

Sferični globus

Pogledajte izbliza nešto sferično, nešto zakrivljeno, na primjer globus. Odvojite minutu i pogledajte sliku. Koje crte izgledaju ravno? Zemljopisne širine ili dužine? Iako se širinske linije mogu činiti ravne, one nisu. Zašto? Jer se okreću, a ravne linije, po njihovoj samoj definiciji, ne okreću se.

Dakle, ravne linije na ravnini nisu potpuno iste na sferi ili zakrivljenoj površini.

Važno je stvoriti ovu mentalnu razliku ravnih linija na površinama različite geometrije.

Imajući u vidu prethodno promatranje, pokušajmo zamisliti ravnu liniju na zakrivljenoj površini. Radi jednostavnosti, koristimo konus kao našu zakrivljenu površinu. Imajte na umu da se linija nikad ne smije skretati. Imate li sliku u glavi? Najvjerojatnije niste. Umjesto toga nabavite komadić papira s crtačem na njemu i presavijte ga u stožac. Otprilike bi trebao izgledati kao onaj na slici ispod.

Konusna geodezija, Izvor: Wolfram

Vidite sada? Kako izgleda naša ravna linija sada? Imali smo ravnu liniju na koordinatnoj ravnini, ali na konusu nema ravne linije. Pa, ravna linija očito je na konusu jer smo sve što smo napravili samo presavijanje papira, ali jednom kada je presavijen u konus, više ne liči na ravnu crtu.

Dopustite mi da vam predstavim geodeziku. Ravna linija na zakrivljenoj površini je geodezijska. To znači da svaka ravna linija koja se crta na zakrivljenoj površini ostaje ravna, ali ne izgleda ravno.

Prostorno-vremenska geodezija

Sada kada razumijemo koncept svemira i vremena i geodezike, razumijevanje gravitacije nadomak je nama. Započinjemo vizualizacijom nekih grafova. Zamislite grafikon prostora u odnosu na vrijeme, slično grafu na slici iznad. Sada razmislite što prava crta na grafikonu prostor-vrijeme predstavlja. Predstavlja kretanje objekta tijekom vremena. Crta predstavlja zbroj svih pojedinačnih događaja u prostoru i vremenu.

Grafikon razmaka i vremena

U ovom grafu neka koordinata y prikazuje promjene kroz prostor, a koordinata x predstavlja promjene u vremenu. Ovaj grafikon služi kao prostorno-vremenski dijagram za stacionarni objekt.

Što bi se dogodilo kad biste uzeli ovaj graf i savili ga u stožac?

Rezultat bi, kako se i očekivalo, bio vrlo sličan našem prethodnom promatranju konusa.

Dakle, što to podrazumijeva?

Ako pogledamo liniju na konusu, vidimo da su događaji iz prostora i vremena izmijenjeni. Vidimo da se linija postupno spušta. Statički objekt u ravnom prostoru-vremenu zadržava svoj prostorni položaj kroz vrijeme, kao što se vidi na raširenom grafu. Ali kao što se vidi na grafu presavijenom u konus, statički objekt u zakrivljenom prostoru-vremenu propada kroz prostor, tijekom vremena. Vidite poantu? Objekt i scenarij su u oba slučaja jedno te isto, a sve što se promijenilo je geometrija prostora-vremena, njegov oblik, njegova zakrivljenost. Potonje opažanje simptom je onoga što nazivamo gravitacijom.

Dakle, postoji mogućnost da gravitacija nije tajanstvena sila, već samo zakrivljeni prostorno-vremenski kontinuum. To bi objasnilo kako i zašto stvari padaju, bez pretpostavke postojanja bilo kakve sile, pritiska ili potezanja.

Objekt, statički ili pokretni, naizgled privlači neki drugi objekt ne zato što postoji sila koja se zove gravitacija, već zato što ti predmeti jednostavno slijede svoju geodetsku prostor-vrijeme. Ravne linije u zakrivljenom prostoru-vremenu.

Zaključak

Sve o čemu sam do sada raspravljao u članku bio je samo puki misaoni eksperiment za Einsteina. To mu je dalo do znanja da je jabuka pala na Newton, ne zato što ju je povlačila zemlja, već zato što je uvijek slijedila njezinu geodetsku svemirsku i vremensku atmosferu.

Međutim, ovo postavlja još jedno pitanje. Kako i zašto je zakrivljen prostor? Einstein je iznio teoriju da se masa savija prostor-vrijeme. Opisan je u vjerojatno najelegantnijoj jednadžbi, poznatoj kao jednadžba polja.

Einsteinova jednadžba polja

Tako se rodila Opća relativnost i do danas je položila svaki test. Einstein je ispravno redefinirao gravitaciju, koja je tijekom čitave ljudske povijesti zbunjivala znanstvenike.

Shvatite da u ravnom prostoru-vremenu stvari ne bi padale, ne bi bilo vremena. Ali zbog sunca i zemlje i svega ostalog u svemiru prostor-vrijeme je zakrivljen, što stvara ono što vidimo kao gravitaciju i iskustvo kao vrijeme.

Gravitacija nije sila, ona je prostor-vrijeme.