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/ NetNews Usenet Archive 1992 #31 / NN_1992_31.iso / spool / sci / physics / 21547 < prev    next >
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Text File  |  1992-12-22  |  5.7 KB  |  107 lines

  1. Newsgroups: sci.physics
  2. Path: sparky!uunet!stanford.edu!CSD-NewsHost.Stanford.EDU!times.stanford.edu!zowie
  3. From: zowie@daedalus.stanford.edu (Craig "Powderkeg" DeForest)
  4. Subject: Re: Curved space?
  5. In-Reply-To: jtbell@hubcap.clemson.edu's message of Mon, 21 Dec 1992 05:24:33 GMT
  6. Message-ID: <ZOWIE.92Dec21145136@daedalus.stanford.edu>
  7. Sender: news@CSD-NewsHost.Stanford.EDU
  8. Organization: Stanford Center for Space Science and Astrophysics
  9. References: <BzL73K.9xr@usenet.ucs.indiana.edu> <BzL7As.A81@usenet.ucs.indiana.edu>
  10.     <1992Dec21.052433.8033@hubcap.clemson.edu>
  11. Date: 21 Dec 92 14:51:36
  12. Lines: 93
  13.  
  14. In article <bar> mkohlhaa@silver.ucs.indiana.edu (mike) writes:
  15.    I've heard "the shortest distance between two points is not necessarily
  16.    a straight line."  I'm not as knowledgable about physics as most of you
  17.    probably are, and would like a explanation to this interesting
  18.    statement. 
  19.  
  20. It all depends on how you define `straight line'.  The most straightforward
  21. way is to *define* a straight line to be the shortest distance between two
  22. points, come Hell or high water.  Then the definition rests on your idea 
  23. of what constitutes distance.  To construct a straight line, you start at
  24. one endpoint and construct a random curve between the two points, integrating
  25. the metric as you go, then adjust the curve until you get a minumum.
  26.  
  27. Now, we're used to dealing with 3D Euclidean space on a day-to-day basis, so
  28. we're used to the Pythagorean metric ds = sqrt(dx^2 + dy^2 + dz^2) so that
  29. the shortest distance between any two points is just the straight integral:
  30. sqrt( (\delta x)^2 + (\delta y)^2 + (\delta z)^2).  
  31.  
  32. This particular choice of metric makes lines behave a certain way:  
  33. triangles always have 180 degrees of internal angle; you can construct a new
  34. straight line by displacing every point on an old one by the same distance 
  35. and direction; etc.
  36.  
  37. In common usage, when we describe a line as straight, we are often referring
  38. to these secondary attributes, rather than the strict minimization of 
  39. distance.
  40.  
  41. When we consider the spaces that result from *other* metrics than the 
  42. Pythagorean metric, we're frequently at a loss to describe the secondary 
  43. behaviour of `straight' lines in the alternate space.  For example, consider
  44. a 2-D space in which all distances are longer near the origin:
  45.  
  46.     ds = sqrt(dx^2 + dy^2) * (1 + 1/(1+x^2+y^2))
  47.  
  48. Here we've multiplied the normal metric by a term that is near 1 far from the
  49. origin, and really big near the origin.  Far from the origin, this space
  50. behaves a lot like Euclidean space.  However, near the origin strange things
  51. happen.  For example, it's possible to make a closed figure with only two
  52. endpoints.  I can't draw it in ASCII, but imagine an endpoint at (1,0) and
  53. another at (-1,0).  If you draw a Euclidean straight line between them, along
  54. the X-axis, it'll go through the origin, and be extra long because of the
  55. penalty near the origin.  So the Euclidean line isn't `straight' in this
  56. space.  You need to bend it around, either up or down, to get away from the
  57. origin.  You're done when the amount of extra Euclidean distance you get by
  58. going out of your way, is equal to the savings you get by not being near the
  59. origin.  There are two such lines, one above and one below the origin.  If you
  60. draw both of 'em, you get a diagram that looks like a flying saucer or a
  61. galaxy seen edge on.  A circle around the origin, will have a different 
  62. radius (longer) than in a Euclidean space.
  63.  
  64. So the figure looks curved on your diagram, even though it's got two straight
  65. lines on it.  There're two reasons:  first, you've chosen `strange' coordinates
  66. to describe the space (Cartesian coordinates probably aren't the most natural
  67. for this space); and second, straight lines behave differently than you're
  68. used to, because of the different metric.
  69.  
  70. One way of understanding curved spaces is to `embed' 'em in a larger space.
  71. The idea is that (with exceptions), for a 2-D space, you can think of points 
  72. in the space as being on a curved 2-D surface sitting in a 3-D space. 
  73. You have the 3D Euclidean metric and an equation of constraint that describes
  74. the surface.  Plugging-in the equation of constraint, into the metric, 
  75. yields the 2-D `curved' metric.  For example, with the one above:
  76.  
  77.     ds = sqrt(dx^2 + dy^2 + (dx^2+dy^2)/(1+x^2+y^2))
  78.  
  79. we can write dz^2 = (dx^2+dy^2)/(x^2+y^2) and notice that our new expression
  80. for ds is just the 3D-Euclidean metric, subject to the constraint above, which
  81. defines a curved 2-D surface in the 3-D Euclidean space.
  82.  
  83. To figure out what it looks like, we examine the differential
  84. constraint.  First notice that everything is radial, so we just need
  85. to figure out how z varies with r.  Remembering that r = sqrt(x^2+y^2), 
  86. you get dz = dr/(1+r), which integrates to z = ln(r+1).
  87.  
  88. So our non-Euclidean space can be described as a curved 2-D surface, embedded
  89. in a larger 3-D space with the Euclidean metric (which we like).  Did you see
  90. the movie, `The Black Hole'?  Remember those green line diagrams at the
  91. beginning, with a flat plane and a big stretched hole in it?  That's what
  92. we're thinkin' about, except with a floor at the bottom of the hole.
  93.  
  94. Straight lines in the 2-D space are not straight lines in the 3-D embedding
  95. space. 
  96.  
  97. Oh yeah -- another simple 2-D curved space is described by the surface of the
  98. Earth.  It's embedded in 3-D space as a sphere.  On small enough scales, 
  99. it's flat, but on large enough scales, the curvature matters, so that, eg,
  100. it's possible to draw a triangle on the surface of the Earth, with a 
  101. total interior angle of 270 degrees.  But, within the space defined by the
  102. Earth (ie walking on its surface), the shortest distance to, say, Sweden
  103. *is* a straight line:  you just point yourself towards Sweden, and
  104. walk that way.
  105. --
  106. DON'T DRINK SOAP! DILUTE DILUTE! OK!
  107.