Gravitace není síla?

Websters specificky definuje sílu jako gravitační interakci (definice 4b). Na střední škole jsme se všichni učili, že gravitace je síla.

Vzhledem k nedostatku konsensu mezi úřady by mohlo být poučenější, méně kontroverzní a stejně pravdivé tvrzení:

Obecně je relativita gravitací fiktivní síla.

V klasické mechanice nejsou fiktivní síly považovány za„ skutečné “síly. Nikdo, ani relativisté, však neobcházejí tvrzení, že „Coriolisova síla není síla“.

Otázka gravitace, která je silou nebo ne, nemá nic společného s obecnou relativitou. Pokud si myslíte, že setrvačné síly jsou síly, pak gravitace je síla. Pokud si myslíte, že setrvačné síly nejsou síly, pak gravitace není síla.

Komentáře

• Koncept je lépe vyjádřen, když nahradíte “ fiktivní “ s “ inerciální “ , “ zjevný “ nebo “ pseudo “ . Pod GR gravitace jako síla je zdánlivá síla , která vzniká v zrychleném referenčním rámci. Odstředivá síla je “ fiktivní síla “ , ale byla by užitečným konstruktem, pokud je vaším referenčním rámcem uvnitř ráfku rotující pneumatiky jízdního kola. Označení síly jako fiktivní neznamená, že je to zakázáno nebo zbytečný koncept, pouze to, že se jedná o artefakt vámi zvoleného referenčního rámce.

V GR existují vždy dva úhly pohledu — místní a globální. V místním pohledu se podíváte do sousedství bodu a vytvoříte volně padající rámeček. Poté bude pohyb konstantní rychlostí zcela přímočarý, takže nevidíte gravitaci. Při tomto pohledu na gravitace to není „síla“, což znamená, že obecně nepřispívá k lokálnímu zakřivení cest časoprostorového času.

V globálním pohledu vidíte příchozí částice z nekonečna vychýlené polem a vy říkáte, že působila síla, pokud je částice vychýlena. V tomto úhlu pohledu je každá výchylka silou ze své podstaty.

Globálním úhlem pohledu je způsob, jakým se s gravitací zachází v teorii kvantového pole nebo teorii strun. Lokálním hlediskem je pohled na Einsteina a není žádným překvapením, že by to zdůraznil ve svých veřejných poznámkách.

Odpověď zní „záleží na vaší filozofické definici síly, ať už si vezmete místní pohled nebo globální pohled.„Dávám přednost globálnímu pohledu, protože je kvantitativnější, proto říkám, že gravitace je síla, ale nesouhlasím s lidmi, kteří zastávají jiný názor, protože je také cenný.

Pokud mluvíme o tom, co řekl Einstein, pak způsob, jakým Einstein definoval gravitační pole a gravitační sílu v GTR, je ten, že je dán spojením , s jeho komponentami podle Christoffelových symbolů: $$ \ Gamma ^ {\ alpha} _ {\ mu \ nu} = \ frac {1} {2} g ^ {\ alpha \ beta} \ left [g _ {\ mu \ beta, \ alpha} + g _ {\ nu \ alpha, \ beta} -g _ {\ mu \ nu, \ beta} \ right] $$, kde čárky označují částečné derivace a metrika $ g _ {\ mu \ nu} $ se hraje role gravitačního potenciálu.

Ale to se zcela liší od newtonovské gravitační síly.

V newtonovské mechanice máte „skutečné“ síly a „setrvačné“ (aka ) fiktivní „) síly, s tím rozdílem, že inerciální síly můžete nechat zmizet přijetím inerciálního rámce. Například Newtonovy zákony v rovnoměrně rotujícím ref rámce erence zavádějí odstředivé a Coriolisovy síly, které jsou úměrné hmotnosti objektu, na který působí, a lze je odstranit změnou na setrvačný, a tedy nerotující rám.

Jinými slovy, setrvačné síly jsou „chyba“ výběru neinerciálního referenčního rámce.

Podle výše uvedené definice je gravitace setrvačná síla. Podobně jako v newtonovském případě lze zmizení změnit změnou referenčního rámce – ale je zde také velký rozdíl: v newtonovském rámci jsou setrvačné rámce globální , a tak setrvačné síly mizí všude . V GTR to již neplatí: obecně existují pouze lokální setrvačné rámce, takže je můžete nechat zmizet pouze lokálně.

Upozornění : moderní léčba obecné relativity tuto definici nepřijímá. Mnoho z nich (např. Misner, Thorne a Wheeler) záměrně neidentifikuje ani „gravitaci“, ani „gravitační pole“ s jakýmkoli konkrétním matematickým objektem, nikoli spojením, ani zakřivením, ani ničím jiným. Ale pak (pro MTW) není technicky správné říci, že gravitace je také zakřivení v časoprostoru, ale spíše odkazuje „neurčitě, kolektivně“ „na všechny tyto geometrické konstrukce.

Gravitace není síla. Vypadá to jako síla, protože objekty s ne – nulová klidová hmota má vždy nenulovou časově podobnou složku k jejich 4-rychlostnímu tangenciálnímu vektoru k jejich světové linii v časoprostorovém potrubí. Jinými slovy, žádná mater, jak rychle nebo pomalu se pohybujete Pokud se podíváte na cokoli v prostoru, vaše časová souřadnice může vypadat s ohledem na tyto věci menší nebo větší, ale nikdy nula. Dokud máte hmotu, nemůžete zastavit tok času pro vás, dokonce ani zrychlením, v plochém nebo dokonce zakřiveném časoprostoru.

Protože se nemůžete zastavit včas, je-li čas zakřivený masivním objektem, jako je Země, vás bude pohyb v zakřiveném čase stále narážet. Skutečnou silou je elektromagnetická přitažlivost mezi částicemi zemské kůry (a sedadlem vaší židle, zemí vašeho domu atd.), Která vám brání jít až do středu Země.

Dobré knihy, které mi pomohly to opravdu pochopit (a nádherné schéma v odpovědi 18. července 13 v 12:31 od uživatele Calmarius), jsou Struktura velkého měřítka časoprostoru od Stephena Hawkinga, Gravitace Misner, Thorne and Wheeler, Spacetime and Geometry Carrol, Introduction to Smooth Manifolds Lee, mimo jiné, plus sedění v kurzech topologie a diferenciálních potrubí na mé místní univerzitě.

Sakra, podívejte se na obal gravitace : ukazuje mravence plazící se po jablku počínaje jeho rovníkem s jejich počáteční tečné vektory zcela paralelní navzájem na rovníku jablka. Jak se plazí dopředu a nikdy nemění směr ve svém vlastním referenčním rámci, co se stane, když nemohou zastavit své vlastní procházení, stejně jako nemůžete zastavit plynutí vlastního času? Setkají se v horní části jablka! Žádná síla je nepřitahovala, jen sledovali jejich cestu zakřiveným povrchem jablka a narazily do sebe, jako by je přitahovala nějaká takzvaná „gravitace“.

Věřím, že tento pohled na gravitaci je mnohem přesnější než pohled „síly“, protože všechny dosavadní experimenty potvrzují mnohem lepší přesnost. Konkrétně odhalili newtonovskou „gravitační sílu“. Nic takového neexistuje. Zvýšení přesnosti našich měření navíc neobnoví obnovení chápání gravitace jako síly, jako jsou skutečné síly, ale tlačí ještě dále od ní.Proto je myšlenka „sjednocení„ čtyř “„ sil “„ matematicky nesmyslná a je buď chromým pokusem o popularizaci vědy, nebo se většina fyziků opravdu potřebuje naučit nějakou matematiku. Neznám teorii strun a vše ostatní „kvantová gravitace“ mizí, ale pokud skutečně vyplývají ze „sjednocení čtyř sil“, je třeba je vyhodit do koše a někdo opravdu musí začít zasáhnout matematické knihy.

Komentáře

• Vítejte na Physics.SE! Navrhuji následující: 1) Projděte prohlídku ( mathematica.stackexchange.com/tour )! 2) Když uvidíte dobré otázky a odpovědi, hlasujte je kliknutím na šedé trojúhelníky , protože důvěryhodnost systému je založena na reputaci získané sdílením uživatelů jejich znalosti. 3) Pokud máte dobrou otázku, zeptejte se jí! Jen si pamatujte, pokud tak učiníte, a dostanete uspokojivou odpověď, abyste ji přijali kliknutím na zelené zaškrtnutí.
• Navrhuji, abyste změnili první větu na “ gravitace je ne síla v klasickém einsteinovském obrázku “ nebo něco podobného. To je dobrá odpověď (+1 BTW) a gravitace z hlediska geometrie mi připadá intelektuálně extrémně uspokojivá, ale stále častěji zjišťuji, že můj pohled vypadá jako “ starý člověk ‚ s hledisko „. Cokoli si my geometři myslíme, nelze ‚ t ignorovat skutečnost, že významná část této generace ‚ fyziků myslí na skutečnou sílu, zprostředkovaný bosonem v plochém, prázdném pozadí. Já osobně bojuji filosoficky s “ prázdným pozadím „, ale ‚ tomu nevěřím. …
• …. lze podat přesný obraz o tom, co si fyzická komunita myslí, aniž by jako možnou alternativu uvedl hledisko síly. Dokud nebude přijata proveditelná teorie kvantové gravitace, jednoduše nevíme, jestli je, nebo není ‚ t. BTW Opravdu se mi líbí tvoje věta o mravencích, kteří do sebe narážejí – musím si ‚ zapamatovat.

V rámci GR gravitace ve skutečnosti není silou, protože je důsledkem Newtonova prvního zákona místo druhého.

Každý bod v časoprostoru přichází s připojeným vlastním rychlostním prostorem a potřebujete paralelní transport (a tedy spojení aka gravitační pole), abyste mohli dokonce definovat, co máte na mysli, když říkáte, že tělo se pohybuje bez zrychlení.

V obecnějším nastavení libovolných systémů druhého řádu (tj. pokud zapomeneme na Newtonovy zákony) nese prostor zrychlovacích polí afinní strukturu. Spojení je jedním ze způsobů, jak zvolit nulový bod a udělejte to ve vektorovém prostoru, abyste měli představu o přidání sil (nebo spíše zrychlovacích polí). Z tohoto hlediska by gravitace byla skutečně silou jako každá jiná, ale speciální, pokud by získala sen jako ten, kterému se říká nula.

Komentáře

• Toto je opět otázka lokálního vs. globálního.
• Podle GR gravitace není síla, ale potom se do sebe zhroutí masivní objekty. Pak musíte vymyslet nový matematický lék a hacknout, jako je slabě silná síla působící v atomovém měřítku, která tlačí částice hmotou od tažení a zhroucení k sobě. Je to hackernější a ošklivější. Hrozná konvoluce a zmatení.

Pokud by gravitace byla síla, potom by nebyl gravitační čas dilatace.

Předpokládejme tedy, že gravitace je síla, která táhne všechno dolů. Máme věž s jedním pozorovatelem dole a nahoře.

Pozorovatel nahoře odhodí dvě koule a čeká $ t $ mezi těmito dvěma kapkami. Dolní pozorovatel by měřil stejný časový interval $ t $ mezi těmito dvěma poklesy.

Ve skutečnosti však existuje rozdíl mezi těmito dvěma časy, dolní pozorovatel měří menší čas kvůli dilataci. Tento efekt potvrzuje mnoho experimentů . Abychom měli dilataci času, potřebujeme zrychlující se referenční rámec.

Důvodem dilatace času je, že rovina simultánnosti pozorovatele míjí kolem ostatních pozorovatelů jinou rychlostí, než je rychlost jeho hodin.

V následující tabulce můžete vidět světovou linii zrychlujícího pozorovatele zvýrazněnou modře (zrychlující se s konstantní správnou akcelerací). Radiální čáry jsou její roviny simultánnosti za 0,2 s, 0,4 s, … na jeho hodinách. Ostatní hyperboly jsou světové linie bodů, které zůstávají v klidu v rámci tohoto pozorovatele také zrychlují, ale s jinou rychlostí. Červené tečky jsou události, kdy hodiny každého bodu zasáhnou 1 s.

Můžete vidět, kdy hodiny modrého pozorovatele zasáhly 1 s, ve stejnou dobu hodiny na body vpravo jsou předány před 1 sekundou, zatímco hodiny vlevo zaostávají. K dosažení dilatace není potřeba žádné zakřivení, stačí zrychlit.

Takže souhrnně, když stojíte na Zemi, jsou ve zrychlovacím referenčním rámci, který zrychluje nahoru, a gravitace je jen fiktivní síla, stejná síla, jakou cítíte v autě nebo vlaku, když zrychluje.

Tak proč se Země nerozpadá, pokud věci se na něm zrychlují? Protože časoprostor je zakřivený. Je to zakřivený tak setrvační pozorovatelé padající směrem ke středu Země. My, kteří se „vznášíme“ v tomto poli, však v tomto zakřiveném souřadnicovém systému zrychlujeme nahoru.

Komentáře

• Nemám ‚ Zde se nedržte své logiky. Pokud věříte v princip ekvivalence, získáte gravitační dilataci času. Ale nechápu ‚ jak to logicky souvisí s otázkou, zda je gravitace síla.
• @BenCrowell moje logika je o silovém poli vs. zakřivení. Oba splňují zásadu rovnocennosti. Nemůžete cítit, jestli záhadná síla pohne všemi částicemi ve vašem těle. Stejně jako to necítíte, když jste ve volném pádu. Pokud je gravitace silové pole a vy stojíte na zemi, nezrychlujete, protože síly se navzájem ruší. Totéž se děje s pozorovatelem v horní části věže. Žádný relativní pohyb, hodiny jsou synchronizovány. Ve skutečnosti ale hodiny nejsou synchronizované. Musíte tedy být ve zrychlujícím se rámci a gravitace může být pouze fiktivní silou.

Gravitace je síla. Vypadá to, že tu musím lidi znovu osvětlit dalším příspěvkem, než odejdu.

Způsob, jak si vizualizovat pole gravitační i elektromagnetické je tento:

• Představte si uzavřený prostor jako akvárium. Vložili jste inkoust do akvária. Čím je inkoust hustší, tím větší je gravitace. Toto je vizualizace zakřiveného prostoru / cesty, kterou světlo cestuje. Částice s hmotou má kolem sebe inkoust distribuovaný sférickým způsobem. Jakákoli sférická plocha s poloměrem d má stejné množství inkoustu, protože plocha jakékoli sférické plochy je úměrná druhé mocnině, jakákoli síla pole má ve vzorci inverzní druhou mocninu. Objekty, které hromadně dopadnou na inkoust, se přesouvají do oblasti s hustším inkoustem. Čím více částic s hmotou je, tím hustší je inkoust / pole v této oblasti.

Takto si vizualizujete 4. dimenzi.

Nyní pojďme k vysvětlení setrvačné síly. Když si subjektivně vyberete referenční rámec, pokud nevyberete globální referenční rámec, ignorujete inkoust ze všech masivních částic ve vesmíru / globálním a zahrnete objekt pouze do svého místního. To znamená, že existuje absolutní referenční rámec, je to referenční rámec, který bere v úvahu „inkoust“ / gravitaci všech masivních částic ve vesmíru. Ale nemůžeme se dostat na tuto úroveň rozhřešení, takže se dostaneme relativně absolutně. To znamená, že v našem výpočtu vezmeme v úvahu pouze významné hmotnosti a zanedbáme ty malé. To se stane, když si jako rám vyberete slunce referencí. Ignorujete malé rozdělení inkoustu / gravitace od jiných hvězd a galaxií příliš daleko od slunce. Získáte výpočet, který obsahuje chyby, ale stále velmi přesný.

Když jeden zrychlí, má ten hmotu , člověk interaguje s globálním rozložením gravitace / pole a táhne člověka do počáteční polohy (a tohoto počátečního stavu celého systému). Toto je zdroj setrvačné síly. Je skutečný a bez ohledu na váš výběr referenčního rámce .Výběr referenčního rámce je prostě to, kolik z globálního inkoustu chcete ignorovat a přijmout jako chybu ve svém výpočtu. Když je globálního inkoustu příliš mnoho (hmota Země, hmota slunce), nazýváte chyba inerciální a postarat se o to ve vašem počítači také.

Toto je také mechanika, která důsledně uvažuje o paradoxu dvojčat. Opravíte referenční rámec pro globální referenční rámec všech částic s hmotou ve vesmíru, pak se jeden bratr pohybuje „více“ a interaguje s „více“ inkoustu / gravitace než „více“ stacionárního, který interaguje s „méně“ gravitace. Twin paradox je důsledně odůvodněný a nyní je logický . Absolutně relativní nikdy nemůže uvažovat o tomto základním jevu.

Newtonův druhý zákon se svým gravitačním zákonem uvádí pro testovanou částici $ m $:

$ m_i \ frac {d ^ 2 \ vec {x}} {dt ^ 2} = G \ frac {m_g M} {r ^ 2} \ vec {e_r} $.

Kde $ m_i $ je setrvačná hmotnost a $ m_g $ je gravitační hmotnost.Z experimentu je dlouho známo, že $ m_i = m_g $ (do extrémní přesnosti), ale to znamená, že výše uvedená rovnice je nezávislá na hmotnosti testované částice: její trajektorie tedy závisí pouze na hmotnosti M „generující gravitační pole „a počáteční podmínky. Takže všechny objekty se stejnými počátečními podmínkami padají se stejnou rychlostí (starý experiment s peří-mince).

Tím se otevírá možnost popsat gravitaci jako geometrickou vlastnost. Obecně relativní trajektorie volně padajících částic jsou pak geodetické (volné pohyby) v zakřiveném prostoru generovaném hmotou M. Obecná relativita není nutná pro gravitační sílu, protože účinek gravitačního pole je plně popsán prostřednictvím zakřivení čtyřrozměrný časoprostor. Takže v obecné relativitě neexistuje žádná gravitační síla v klasickém smyslu.

Možná jeden poslední bod směrem k „General Relativity vs Newtonian Physics“: Newtonovská pohybová rovnice a vyjádření gravitační síly je přesná nízká energie mez obecné relativistické geodetické rovnice. To znamená, že pokud budete evolučně vyjadřovat Obecnou relativitu pro malé hmoty / nízké energie, dostanete rovnice Newtonovské fyziky. V tomto smyslu bych řekl, že klasická gravitační síla je limitem nízké energie mnohem složitější gravitační teorie. Klasická gravitační síla není vhodná k popisu všech účinků gravitace jako fyzického jevu. Při nízkých energiích / malých hmotnostech newtonovská / klasická fyzika popisuje práci s naší přírodou dobře, ale při vyšších energiích je k popisu naší přírody / experimentů zapotřebí speciální a obecná relativita.

„Jaká gravitace skutečně je“ je fyzická otázka. Jeho popis silou (v klasickém fyzickém smyslu) není vhodný k popisu přírody, jak ji vidíme a měříme.

Einstien má v jedné věci pravdu, gravitace není síla, jak je definována F = ma, ale gravitace je síla, pokud definujete sílu jako energii.

Energie je skrytá v rovnici F = mám dvakrát. Jednou ve Síle a jednou ve zrychlení. Takto je energie vyjádřena v této rovnici. Pokud je zapojen pohyb, je zapojena i energie.

Má tedy Einstein pravdu o časoprostorovém zakřivení způsobujícím gravitaci? Nevím, ale pokud se jedná o časoprostorové zakřivení, pak musí být časoprostorové zakřivení schopné vytvářet energii.

„Síla“ je výsledkem působení energie na hmotu. „Hmotnost“ je definována váhou hmoty v gravitaci. Gravitace je energie nebo zdroj energie.

F = ma má energetický vstup, který je „a“, a energetický výstup „F“

Pokud energie vyjde z rovnice, energie musí jít dovnitř, energie musí být na obou stranách.

Hmotnost je médium používané k výpočtu energie z hlediska zrychlení a je to gravitační zrychlení. který se používá k výpočtu „hmotnosti“.

Energie z gravitace se tedy vyjadřuje jako konstantní zrychlení. Produkt energie a hmotnosti je to, co udává hmotnost. Energii uloženou jako hmotnost lze přenést do jiného forma energie nezbytnými prostředky. Zdá se však, že gravitace dokáže energii přenést na hmotu.

Takže pokud Einstein energii gravitace neřeší, bude pro ni těžké pochopit. Ať už je zdrojem gravitace jakýkoli, gravitace je zrychlení a ne síla. Síla je hmota zrychlením, kde gravitace je jen zrychlení.

Jde o to, že veškerá hmota zrychluje stejnou rychlostí, což generuje na všechny věci vždy jinou sílu s výslednými enormními odchylkami síly.

Jak může být gravitace konstantní a přitom v daném okamžiku použít neomezený počet sil? Gravitace není síla, je to zrychlení, které generuje sílu.

Stejné chování je pozorováno v elektromagnetických polích a vysvětluje mnoho gravitačních chování. Pokud je gravitační pole jiné, stále spolu souvisí také vysvětluje gyroskopické efekty. Při otáčení kovové hmoty odstředivá síla vytváří rozdíl v náboji z vnějšku a zevnitř otáčejícího se kovu. Nabitím se kov vyrovná s „gravitačním polem“. Mohlo by to být něco jiného, ale hmotnost v gravitaci se chová podobně jako hmotnost v magnetických polích.