Painovoima ei ole voimaa?

Websterit määrittelevät voima nimenomaisesti painovoiman vuorovaikutukseksi (määritelmä 4b). Meille kaikille opetettiin lukiossa, että painovoima oli voima.

Koska viranomaisilla ei ole yksimielisyyttä, se voi olla rakentavampi, vähemmän kiistanalainen ja yhtä totta:

Yleisesti suhteellisuusteoriassa painovoima on kuvitteellinen voima.

Klassisessa mekaniikassa fiktiivisiä voimia ei pidetä” todellisina ”voimina. Kukaan, edes relativistit, ei kuitenkaan väitä, että ”Coriolis-voima ei ole voima”.

Painovoiman kysymyksellä, joka on voima vai ei, ei ole mitään tekemistä yleisen suhteellisuusteorian kanssa. Jos uskot, että hitausvoimat ovat voimia, niin painovoima on voima. Jos uskot, että hitausvoimat eivät ole voimia, niin painovoima ei ole voima.

Kommentit

• Käsite välitetään paremmin, jos korvaat ” kuvitteellinen ” ” inertiaalinen ” , ” näennäinen ” tai ” näennäinen ” . GR: n alla painovoima voimana on näennäinen voima , joka syntyy nopeutetussa viitekehyksessä. Keskipakovoima on ” kuvitteellinen voima ” , mutta se olisi hyödyllinen rakenne, jos viitekehyksesi on pyörivän pyörän renkaan sisäpuolella. Voiman merkitseminen kuvitteelliseksi ei tarkoita, että se on kielletty tai hyödytön käsite, vaan se, että se on artefakti valitsemastasi viitekehyksestä.

GR: ssä on aina kaksi näkökulmaa – paikallinen ja globaali. Paikallisessa näkökulmassa katsot pisteen naapurustoon ja teet vapaasti putoavan kehyksen, ja sitten liike on kokonaan suorina tasaisella nopeudella, jotta et näe painovoimaa. Tällä tavalla katsot se, painovoima ei ole ”voima”, eli se ei ”anna yleensä kovariaanssista vaikutusta hiukkasetila-aika-polkujen paikalliseen kaarevuuteen.

Globaalista näkökulmasta näet saapuvan hiukkanen äärettömästä, jonka kenttä on taipunut, ja sanot, että voima on toiminut, jos hiukkanen taipuu. Tässä näkökulmassa jokainen taipuma on määritelmän mukainen voima.

Globaali näkökulma on tapa, jolla painovoimaa käsitellään kvanttikenttäteoriassa tai merkkijonoteoriassa. Paikallinen näkökulma on Einsteinille koituva oivallus, eikä ole mikään yllätys, että hän korostaisi sitä julkisissa huomautuksissaan.

Vastaus on ”riippuu filosofisesta voimanmäärityksestäsi, otatko paikallinen näkymä tai globaali näkymä.”Pidän parempana globaalista näkökulmasta, koska se on enemmän kvantti, joten sanon, että painovoima on voima, mutta en ole eri mieltä ihmisten kanssa, jotka suhtautuvat toiseen näkemykseen, koska se on myös arvokas.

No, jos puhumme siitä, mitä Einstein sanoi, niin tapa, jolla Einstein määritteli painovoimakentän ja painovoiman GTR: ssä, on se, että se antaa yhteyden ja sen komponentit Christoffel-symboleilla: $$ \ Gamma ^ {\ alpha} _ {\ mu \ nu} = \ frac {1} {2} g ^ {\ alpha \ beta} \ left [g _ {\ mu \ beta, \ alpha} + g _ {\ nu \ alpha, \ beta} -g _ {\ mu \ nu, \ beta} \ right] $$ missä pilkut tarkoittavat osittaisia johdannaisia ja metriikka $ g _ {\ mu \ nu} $ toistetaan gravitaatiopotentiaalin rooli.

Mutta tämä eroaa melkoisesti Newtonin painovoimasta.

Newtonilaisessa mekaniikassa sinulla on ”todellisia” voimia ja ”inertia” (alias ” fiktiiviset ”) voimat, ero on siinä, että voit tehdä inertiavoimat katoamaan hyväksymällä inertiakehyksen. Esimerkiksi Newtonin lait yhdenmukaisesti pyörivässä viitteessä erenssikehykset esittävät keskipako- ja Coriolis-voimia, jotka ovat verrannollisia toimineen kohteen massaan ja jotka voidaan poistaa muuttamalla inertiaaliseksi ja siten pyörimättömäksi kehykseksi.

Toisin sanoen inertiaaliset voimat ovat ”vika” ei-inertiaalisen viitekehyksen valinnassa.

Yllä olevan määritelmän mukaan painovoima on inertiavoima. Samoin kuin Newtonin tapaus, se voidaan saada katoamaan muuttamalla viitekehystä – mutta siinä on myös suuri ero: Newtonin kehyksessä inertiakehykset ovat globaaleja , joten inertiavoimat häviävät kaikkialla . GTR: ssä tämä ei ole enää asia: yleensä on vain paikallisia inertiakehyksiä, joten voit tehdä niistä vain paikallisesti katoavat.

Varoitus : modernin yleisen suhteellisuusteorian hoidot eivät hyväksy tätä määritelmää. Monet niistä (esim. Misner, Thorne ja Wheeler) eivät tarkoituksellisesti tunnista ”painovoimaa” tai ”painovoimakenttää”. minkään tietyn matemaattisen objektin kanssa, ei yhteyttä, ei kaarevuutta eikä mitään muuta. Mutta silloin (MTW: n osalta) ei ole teknisesti oikein sanoa, että painovoima on myös aika-ajan kaarevuus, vaan viittaa pikemminkin ”epämääräisesti, kollektiivisesti ”kaikille näille geometrisille rakenteille.

Painovoima ei ole voima. Se näyttää voimalta, koska kohteet, joilla ei ole -nollalla lepomassalla on aina nollasta poikkeava aikamainen komponentti niiden 4-nopeuksisella tangenttivektorilla niiden maailmanlinjaan avaruusaikayksikössä. Toisin sanoen, ei materia kuinka nopeasti tai hitaasti liikut Aikakoordinaatti voi näyttää pienemmältä tai isommalta näiden asioiden suhteen, mutta ei koskaan nolla. Niin kauan kuin sinulla on massa, et voi pysäyttää ajan virtausta puolestasi edes kiihtymättä, tasaisessa tai jopa kaarevassa avaruudessa.

Koska et voi pysähtyä ajoissa, jos väli time on kaareva Maan kaltaisen massiivisen esineen avulla liike kaarevan ajan läpi törmää sinut jatkuvasti sitä vastaan. Todellinen voima on sähkömagneettinen vetovoima maapallon kuorihiukkasten (ja tuolisi istuimen, talosi maan jne.!) Välillä, joka estää sinua menemästä aina maan keskelle.

Hyvät kirjat, jotka auttoivat minua todella ymmärtämään tämän (ja upea kaavio vastauksessa 18. heinäkuuta 13, klo 12:31, käyttäjä Calmarius), ovat Stephen Hawkingin Suuren avaruusajan rakenne , Gravitaatio kirjoittanut Misner, Thorne ja Wheeler, avaruusaika ja geometria , Carrol, Lee muun muassa Johdatus sileisiin jakotukkeihin , sekä istuminen topologian ja tasauspyörästön kursseilla paikallisessa yliopistossa.

Hitto, vain katso gravitaation kansi : se näyttää muurahaisia ryömimästä omenalle päiväntasaajaltaan niiden alkuperäiset tangenttivektorit ovat täysin yhdensuuntaisia keskenään omenan päiväntasaajalla. Kun ne indeksoivat eteenpäin muuttamatta koskaan suuntaansa omassa viitekehyksessään, mitä tapahtuu, jos he eivät voi lopettaa omaa indeksointiaan, aivan kuten Et voi estää omaa aikaa kulumasta? He tapaavat omenan huipulla! Mikään voima ei houkutellut heitä, he vain seurasivat polkua omenan kaarevan pinnan läpi ja törmäsivät toisiinsa, aivan kuin jotkut ns. ”painovoima” olisi houkutellut heitä.

Uskon, että tämä painovoimanäkymä on paljon tarkempi kuin sen ”voima” -näkymä, koska kaikki tähän mennessä tehdyt kokeet vahvistavat tämä paljon parempi tarkkuus. Ne ovat nimittäin purkaneet Newtonin ”painovoiman”. Tällaista ei ole olemassa. Lisäksi mittausten tarkkuuden lisääminen ei palauta käsitystä painovoimasta todellisten voimien kaltaisena voimana, mutta työntää vielä kauemmas siitä pois.Siksi ajatus ”neljän” ”voiman” yhdistämisestä ”on matemaattisesti hölynpölyä, ja se on joko ontto yritys tieteen popularisoimiseksi, tai useimpien fyysikkojen on todella opittava matematiikkaa. En tiedä merkkijonoteoriaa ja kaikkia muut ”kvanttipainovoima” -hahmot, mutta jos ne todella johtuvat ”neljän voiman yhdistämisestä”, ne on heitettävä roskakoriin, ja jonkun on todella aloitettava lyödä matematiikkakirjoja.

Kommentit

• Tervetuloa Physics.SE-sivustoon! Ehdotan seuraavaa: 1) Käy kiertueella ( mathematica.stackexchange.com/tour )! 2) Kun näet hyviä kysymyksiä ja vastauksia, äänestä ne napsauttamalla harmaita kolmioita , koska järjestelmän uskottavuus perustuu käyttäjien jakamiseen saamaan maineeseen heidän tietämyksensä. 3) Jos sinulla on hyvä kysymys, kysy se! Muista vain, jos teet niin ja saat tyydyttävän vastauksen hyväksyäksesi sen napsauttamalla vihreää valintamerkkiä.
• Ehdotan, että vaihdat ensimmäisen lauseen ” painovoima on ei voima klassisessa Einsteinin kuvassa ” tai jotain sellaista. Tämä on hyvä vastaus (+1 BTW), ja mielestäni painovoima geometrian suhteen on erittäin tyydyttävä älyllisesti, mutta yhä useammin huomaan, että näkemykseni näyttää olevan eräänlainen ” vanha ihminen ’ n näkökulma ”. Mitä ikinä me geometreja ajattelemme, ’ ei voida sivuuttaa sitä tosiasiaa, että merkittävä osa tämän sukupolven ’ fyysikoista ajattelee todellista voimaa, välittäjä pomo tasaisella, tyhjällä taustalla. Henkilökohtaisesti kamppailen filosofisesti ” tyhjän taustan ” kanssa, mutta en ’ usko. …
• …. voidaan antaa tarkka kuva fyysisen yhteisön ajattelusta mainitsematta voimanäkökulmaa mahdollisena vaihtoehtona. Kunnes toimiva kvanttigravitaatioteoria on hyväksytty, emme yksinkertaisesti tiedä ’ emme tiedä onko se vai ei ’ t. BTW Pidän todella lauseestasi muurahaisista, jotka vain törmäävät toisiinsa – Minun täytyy muistaa tuo.

GR: n puitteissa painovoima ei todellakaan ole voima, koska se on seurausta Newtonin ensimmäisestä laista toisen sijasta.

Jokaisella aika-ajan pisteellä on oma nopeustilansa, ja tarvitset rinnakkaisen kuljetuksen (ja siten yhteyden eli painovoimakentän) voidaksesi edes määritellä, mitä tarkoitat, kun sanot kehon liikkuvan ilman kiihtyvyyttä. / p>

Yleisemmässä mielivaltaisissa toisen asteen järjestelmissä (ts. jos unohdetaan Newtonin lait) kiihtyvyyskenttien avaruudessa on affinirakenne. Yhteys on yksi tapa valita nollapiste ja tee siitä vektoritila, jotta sinulla on käsitys voimien (tai pikemminkin kiihtyvyyskenttien) lisäämisestä. Tästä näkökulmasta painovoima olisi todellakin voima kuin mikä tahansa muu, mutta erityinen siltä osin kuin se saa sen, jota kutsutaan nollaksi.

Kommentit

• Tämä on jälleen kysymys paikallisesta vs. globaalista.
• GR: n mukaan painovoima ei ole voima, mutta sitten massiiviset esineet romahtavat itsekseen. Sitten sinun on keksittävä uusi matemaattinen korjaustoimenpide ja hakkerointi, kuten heikosti voimakas voima, joka toimii atomiskaalassa, joka työntää massahiukkasia vetämästä ja romahtamasta yhteen. Se muuttuu hakkerisemmaksi ja ruma. Kauhea kouristus ja hämmennys.

Jos painovoima olisi voima, ei olisi painovoima-aikaa. laajeneminen.

Oletetaan siis, että painovoima on voima, joka vetää kaiken alaspäin. Meillä on torni, jonka alaosassa ja yläosassa on yksi tarkkailija.

Yläosassa oleva tarkkailija pudottaa kaksi palloa, jotka odottavat $ t $ kahden pudotuksen välissä. Pohjan tarkkailija mittaa saman aikavälin $ t $ kahden putoamisen välillä.

Mutta todellisuudessa näiden kahden ajan välillä on eroa, pohja tarkkailija mittaa pienemmän ajan laajentumisen vuoksi. Tämä vaikutus vahvistetaan monilla kokeilla . Tarvitsemme nopeutuvan viitekehyksen, jotta meillä olisi ajan laajentuminen.

Aikalaajennuksen syy on, että tarkkailijan samanaikaisuustaso pyyhkäisee muiden tarkkailijoiden ohi eri nopeudella kuin hänen kellonsa nopeus.

Seuraavassa taulukossa voit nähdä kiihtyvän tarkkailijan maailmanlinja korostettuna sinisellä (kiihtyy jatkuvasti jatkuvalla kiihtyvyydellä). Säteittäiset viivat ovat sen samanaikaisuustasot kellollaan 0,2 s, 0,4 s … Tämän tarkkailijan kehyksessä ne myös kiihtyvät, mutta eri nopeudella: punaiset pisteet ovat tapahtumia, kun jokaisen pisteen kellot osuvat 1 sekuntiin.

Näet, kun sinisen tarkkailijan kello osuu 1: een, samaan aikaan kellot oikealla olevat pisteet ohitetaan sekunnin ajan sitten, kun taas vasemmalla olevat kellot ovat jäljessä. Laajentumisen aikaansaamiseksi ei tarvita kaarevuutta, vaan kiihdytä.

Yhteenvetona, kun seisot maan päällä, sinä ovat oikeastaan kiihtyvässä viitekehyksessä, joka kiihtyy ylöspäin, ja painovoima on vain kuvitteellinen voima, sama voima, jonka tunnet autossa tai junassa, kun se kiihtyy.

Miksi maapallo ei hajoa, jos asiat kiihtyvät sitä kohti ylöspäin? Koska avaruusaika on kaareva. Se on kaareva niin inertiaalisia tarkkailijoita putoamassa kohti maapallon keskustaa. Mutta me, jotka ”leijumme” tällä kentällä, kiihtymme ylöspäin tässä kaarevassa koordinaatistossa.

Kommentit

• En ’ t noudata logiikkaasi täällä. Jos uskot ekvivalenssiperiaatteeseen, saat gravitaatiolaajennuksen. Mutta en ’ näe, miten se liittyy loogisesti kysymykseen siitä, onko painovoima voima.
• @BenCrowell logiikkani koskee voimakenttää vs. kaarevuus. Molemmat täyttävät vastaavuusperiaatteen. Et voi tuntea, liikuttaako salaperäinen voima kaikkia hiukkasia kehossasi. Aivan kuten et voi tuntea sitä ollessasi vapaassa pudotuksessa. Jos painovoima on voimakenttä ja seisot maassa, et kiihdy, koska voimat kumoavat toisensa. Sama tapahtuu tarkkailijan kanssa tornin yläosassa. Ei suhteellista liikettä, kellot ovat synkronoituja. Mutta todellisuudessa kellot eivät ole synkronoituja. Joten sinun on oltava kiihtyvässä kehyksessä, ja painovoima voi olla vain kuvitteellinen voima.

Painovoima on voima. Näyttää siltä, että minun on valaistava ihmisiä täällä uudestaan uudella viestillä ennen lähtöä.

Tapa visualisoida kenttä sekä painovoiman että sähkömagneettisen suhteen on seuraava:

• Kuvittele rajoita tilaa akvaariona. Olet laittanut musteen akvaarion sisään. Mitä tiheämpi muste, sitä enemmän painovoimaa. Tämä on valon kulkeman kaarevan tilan / polun visualisointi. Massan sisältävässä hiukkasessa on mustetta sen ympärillä pallomaisella tavalla. Kaikilla pallomaisilla pinnoilla, joiden säde on d, on sama määrä mustetta, koska minkä tahansa pallomaisen pinnan pinta-ala on suhteessa neliömatkaan, kaikilla kenttävoimilla on kaavassa käänteinen neliöetäisyys. Objektit, joilla on massa iskuja musteella ja liikkuvat tiheämmällä musteella. Mitä enemmän hiukkasten massaa on, sitä tiheämpi on muste / kenttä tällä alueella.

Näin visualisoit 4. ulottuvuuden.

Anna nyt mennä Kun valitset subjektiivisesti viitekehyksen, jos et valitse globaalia viitekehystä, jätät huomiotta kaikkien maailmankaikkeuden / maailmanlaajuisten massiivisten hiukkasten musteen ja sisällytät objektin vain paikalliseen. Tämä tarkoittaa, että on olemassa absoluuttinen viitekehys, se on viitekehys, joka ottaa huomioon universumin kaikkien massiivisten hiukkasten ”musteen” / painovoiman. Mutta emme voi päästä tälle absoluution tasolle, joten saamme todellakin suhteellisen absoluuttisen. Tämä tarkoittaa sitä, että otamme laskelmissamme huomioon vain merkittävät massat ja jätämme huomiotta pienet. Näin tapahtuu, kun valitset kehykseksi auringon. Ohitat pienen musteen / painovoiman jakauman muista tähdistä ja galakseista liian kaukana auringosta. Saat laskennan, joka sisältää virheitä, mutta on kuitenkin erittäin tarkka.

Kun kiihtyy, jos sillä on massaa , yksi on vuorovaikutuksessa painovoiman / kentän globaalin jakauman kanssa, joka vetää yhden alkuasentoon (ja tähän koko järjestelmän alkutilaan) .Tämä on inertiaalisen voiman lähde. Se on todellinen ja riippumatta valitsemastasi viitekehyksestä . Valitsemasi viitekehys on yksinkertaisesti vain kuinka paljon globaalista musteesta haluat jättää huomiotta ja hyväksyä virheeksi laskennassasi. Kun globaalia mustetta on liikaa (maan massa, auringon massa), soitat virhe inertiaalinen ja huolehdi siitä omassa tietokoneessasi samoin.

Tämä on myös mekaniikkaa, jonka tulee jatkuvasti päättää kaksoisparadoksista. Kiinnität viitekehyksen kaikkien universumin massahiukkasten globaaliin viitekehykseen, sitten yksi veli liikkuu ”enemmän” ja on vuorovaikutuksessa ”enemmän” musteen / painovoiman kanssa kuin ”enemmän” paikallaan oleva, joka on vuorovaikutuksessa ”vähemmän” kanssa. painovoima. Kaksoisparadoksi on johdonmukaisesti perusteltu ja looginen nyt . Ehdottomasti suhteellinen ei voi koskaan perustella tätä perusilmiötä.

Newtonsin toinen laki testipartikkelin gravitaatiotilalla. $ m $:

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

Missä $ m_i $ on inertiamassa ja $ m_g $ on painovoima.Kokeilusta tiedetään pitkään, että $ m_i = m_g $ (äärimmäiseen tarkkuuteen), mutta tämä tarkoittaa, että yllä oleva yhtälö on riippumaton testipartikkelin massasta: joten sen liikerata riippuu vain painosta M kenttä ”ja alkuehdot. Joten kaikki kohteet, joilla on samat perusedellytykset, putoavat samalla nopeudella (vanha sulka-kolikkokokeilu).

Tämä avaa mahdollisuuden kuvata gravitaatiota geometrisena ominaisuutena. Vapaiden putoavien hiukkasten yleiset suhteellisuusteurat ovat sitten geodeettisia (vapaita liikkeitä) massan M synnyttämässä kurvatussa tilassa. Yleisessä suhteellisuusteollisuudessa ei tarvita painovoimaa, koska painovoimakentän vaikutus on täysin kuvattu neljän ulottuvuuden avaruusaika. Joten yleisessä suhteellisuudessa ei ole gravitaatiovoimaa klassisessa merkityksessä.

Ehkä viimeinen kohta kohti ”Yleinen suhteellisuusteoria vs Newtonin fysiikka”: Newtonin liikkeen ja painovoiman ilmaisun yhtälö on tarkka matala energia yleisen relativistisen geodeettisen yhtälön raja. Tarkoittaessasi, jos herätät General Relativiyn ilmaisuja pienille massoille / matalille energioille, saat Newtonin fysiikan yhtälöt. Tässä mielessä sanoisin, että klassinen painovoima on paljon monimutkaisemman gravitaatioteorian matala energiaraja. Klassinen painovoima ei sovi kuvaamaan kaikkia painovoiman vaikutuksia fyysisenä vaikutuksena. Alhaisella energialla / pienillä massoilla Newtonin / klassinen fysiikka tekee hienoa luonnettamme kuvaavaa työtä, mutta korkeammilla energioilla tarvitaan erityistä ja yleistä suhteellisuusteoria luonnemme / kokeidemme kuvaamiseksi.

”Mikä painovoima todella on” on fyysinen kysymys. Sen kuvaaminen voimalla (klassisessa fyysisessä mielessä) ei sovi kuvaamaan luontoa sellaisena kuin näemme ja mitataan sitä.

Einstien on oikeassa yhdessä asiassa, painovoima ei ole F = ma: n määrittelemä voima, mutta painovoima on voima, jos määrität voiman johtuvan energiasta.

Energia on piilossa yhtälössä F = ma kahdesti. Kerran Voimassa ja kerran kiihdytyksessä. Näin energia ilmaistaan tässä yhtälössä. Jos kyseessä on liike, siihen liittyy energiaa.

Onko Einstein oikeassa avaruus-ajan kaarevuudessa, joka aiheuttaa painovoimaa? En tiedä, mutta jos se on aika-ajan kaarevuus, niin aika-ajan kaarevuuden on kyettävä luomaan energiaa.

”Voima” on seurausta massaan vaikuttavasta energiasta. ”Massa” määritetään massan painopainopainolla. Painovoima on energia tai energialähde.

F = ma: lla on energian syöttö, joka on ”a” ja energian tuotos ”F”

Jos energia tulee yhtälöstä, energian on mentävä sisään, energian on oltava molemmin puolin.

Massa on väliaine, jota käytetään energian laskemiseen kiihtyvyyden mukaan, ja se on painovoiman kiihtyvyys jota käytetään ”massan” laskemiseen.

Joten painovoimasta tuleva energia ilmaistaan vakiokiihtyvyytenä. Energian ja massan tulo yhdessä antaa massapainon. Painona varastoitu energia voidaan siirtää toiseen mutta painovoima näyttää pystyvän tuomaan energian massaan.

Joten jos Einstein ei ole käsitellyt painovoiman energiaa, hänellä on ollut vaikea ymmärtää sitä. Mikä tahansa painovoiman lähde, painovoima on kiihtyvyys eikä voima. Voima on massa kiihtyvyydellä missä painovoima on vain kiihtyvyys.

Tässä kaikki on, että massa kiihtyy samalla nopeudella, mikä synnyttää erilaisen voiman kaikkiin asioihin kaikkina aikoina, mikä johtaa valtaviin voimanvaihteluihin.

Kuinka painovoima voi olla vakio ja silti käyttää rajoittamatonta määrää voimaa milloin tahansa? Painovoima ei ole ta voimaa, vaan kiihtyvyys tuottaa voimaa.

Sama käyttäytyminen havaitaan sähkömagneettisissa kentissä ja se selittää monia painovoiman käyttäytymisiä. Jos painovoiman kenttä on erilainen, se on silti yhteydessä toisiinsa. selittää myös gyroskooppiset vaikutukset. Kun pyörität metallimassaa, keskipakovoima luo eron kehräävän metallin ulkopuolelta ja sisäpuolelta. Latautumalla metalli kohdistuu ”painopisteeseen”. Voisi olla jotain erilaista, mutta painovoiman massa käyttäytyy paljon kuin massa magneettikentissä.