Gravitația nu este forță?

Webster definește în mod specific forța ca interacțiune gravitațională (definiția 4b). Cu toții am fost învățați în liceu că gravitația era o forță.

Având în vedere lipsa consensului dintre autorități, o afirmație mai edificatoare, mai puțin controversată și la fel de adevărată ar putea fi:

În relativitatea generală, gravitația este o fictivă .

În mecanica clasică, forțele fictive nu sunt considerate forțe„ reale ”. Cu toate acestea, nimeni, nici măcar relativiștii, nu pretinde că „forța Coriolis nu este o forță”.

Problema gravitației fiind o forță sau nu nu are nimic de-a face cu relativitatea generală. Dacă credeți că forțele inerțiale sunt forțe, atunci gravitația este o forță. Dacă credeți că forțele inerțiale nu sunt forțe, atunci gravitația nu este o forță.

Comentarii

• Conceptul este transmis mai bine dacă înlocuiți ” fictiv ” cu ” inerțial ” , ” aparent ” , sau ” pseudo ” . Sub GR gravitația ca forță este o forță aparentă care apare într-un cadru de referință accelerat . Forța centrifugă este o ” forță fictivă ” , dar ar fi o construcție utilă dacă cadrul dvs. de referință este în interiorul jantei unei anvelope rotative pentru biciclete. Etichetarea unei forțe ca fictivă nu înseamnă că este interzisă sau un concept inutil, ci doar că este un artefact al cadrului dvs. de referință ales.

În GR, există întotdeauna două puncte de vedere — local și global. În punctul de vedere local, te uiți într-un cartier al unui punct și faci un cadru care cade liber, iar apoi mișcarea este în întregime în linii drepte la viteză constantă, astfel încât să nu vezi gravitația. În acest mod de a privi gravitația nu este o „forță”, ceea ce înseamnă că nu aduce o contribuție în general covariantă la curbura locală a căilor particule spațiu-timp.

În punct de vedere global, vedeți o intrare particulă din infinit deviată de un câmp și spuneți că o forță a acționat dacă particula este deviată. În acest punct de vedere, fiecare deviere este o forță prin definiție.

Punctul de vedere global este modul în care gravitația este tratată în teoria câmpului cuantic sau teoria șirurilor. Punctul de vedere local este înțelegerea datorată lui Einstein și nu este o surpriză că ar sublinia acest lucru în remarcile sale publice.

Răspunsul este „depinde de definiția ta filosofică a forței, indiferent dacă iei vedere locală sau o viziune globală.„Prefer viziunea globală, deoarece este mai mult cuantică, așa că spun că gravitația este o forță, dar nu sunt de acord cu persoanele care iau opinia cealaltă, deoarece este și valoroasă.

Ei bine, dacă vorbim despre ceea ce a spus Einstein, atunci modul în care Einstein a definit câmpul gravitațional și forța gravitațională în GTR este că este dat de conexiune , cu componentele sale după simbolurile Christoffel: $$ \ Gamma ^ {\ alpha} _ {\ mu \ nu} = \ frac {1} {2} g ^ {\ alpha \ beta} \ left [g _ {\ mu \ beta, \ alpha} + g _ {\ nu \ alpha, \ beta} -g _ {\ mu \ nu, \ beta} \ right] $$ unde virgulele indică derivate parțiale și metrica $ g _ {\ mu \ nu} $ redă rolul potențialului gravitațional.

Dar acest lucru este destul de diferit de forța gravitațională newtoniană.

În mecanica newtoniană, aveți forțe „reale” și „inerțiale” (alias ” forțe fictive „), diferența fiind că puteți face ca forțele inerțiale să dispară adoptând un cadru inerțial. De exemplu, legile lui Newton într-un ref cadrele de erenție introduc forțe centrifuge și Coriolis care sunt proporționale cu masa obiectului asupra căruia se poate acționa și pot fi îndepărtate schimbându-se într-un cadru inerțial și, prin urmare, care nu se rotește.

Cu alte cuvinte, forțele inerțiale sunt „vina” alegerii unui cadru de referință non-inerțial.

Prin definiția de mai sus, gravitația este o forță inerțială. În mod similar cu cazul newtonian, acesta poate fi făcut să dispară prin schimbarea cadrului de referință – dar există și o mare diferență: în cadrul newtonian, cadrele inerțiale sunt globale și deci forțele inerțiale dispar pretutindeni . În GTR, acest lucru nu mai este cazul: există doar cadre inerțiale locale în general și, prin urmare, îl puteți face să dispară doar local.

Atenție : tratamentele moderne ale relativității generale nu adoptă această definiție. Multe dintre ele (de exemplu, Misner, Thorne și Wheeler) nu identifică intenționat nici „gravitația”, nici „câmpul gravitațional” cu un anumit obiect matematic, nu conexiunea, nu curbura și nimic altceva. Dar atunci (pentru MTW) nu este corect din punct de vedere tehnic să spunem că nici gravitația este curbura spațiu-timp, ci se referă mai degrabă „într-un fel vag, colectiv „la toate aceste construcții geometrice.

Gravitația nu este o forță. Arată ca o forță deoarece obiectele cu non -masa de repaus zero are întotdeauna o componentă de timp diferită de zero la vectorul lor tangent cu 4 viteze la linia lumii lor în colectorul spațiu-timp. Cu alte cuvinte, indiferent cât de repede sau de lent vă mișcați re Apropiat de orice prin spațiu, coordonatele dvs. de timp pot părea mai mici sau mai mari în ceea ce privește acele lucruri, dar niciodată zero. Atâta timp cât aveți masă, nu puteți opri fluxul de timp pentru dvs., nici măcar prin accelerare, în spațiu-timp plat sau chiar curbat.

Deoarece nu vă puteți opri în timp, dacă spațiul timp este curbat de un obiect masiv precum Pământul, mișcarea dvs. prin timpul curbat vă va continua să vă lovească de el. Forța reală este atracția electromagnetică dintre particulele de scoarță ale Pământului (și scaunul scaunului, solul casei dvs., etc!) Împiedicându-vă să mergeți până în centrul Pământului.

Cărțile bune care m-au ajutat să înțeleg cu adevărat acest lucru (și minunata diagramă din răspunsul 18 iulie 13 la 12:31 de către utilizatorul Calmarius) sunt Structura pe scară largă a spațiului timpiu de Stephen Hawking, Gravitație de Misner, Thorne și Wheeler, Spacetime și Geometry de Carrol, Introducere în colectoare netede de Lee, printre alții, plus cursuri de topologie și colectoare diferențiale la universitatea mea locală.

Heck, doar priviți coperta din Gravitație : arată furnicile care se târăsc pe un măr începând de la ecuatorul său cu vectorii lor tangențiali inițiali total paraleli unul cu celălalt la ecuatorul mărului. Pe măsură ce se târăsc înainte, fără a schimba direcția în propriul cadru de referință, ce se întâmplă dacă nu își pot opri propriul târâtor, la fel ca nu vă puteți opri propriul timp să treacă? Se întâlnesc în partea de sus a mărului! Nici o forță nu i-a atras, ei doar și-au urmat calea prin suprafața curbată a mărului și ciocnit unul în celălalt, la fel ca și cum așa-numita „gravitație” i-ar fi atras.

Cred că această viziune a gravitației este mult mai precisă decât viziunea „forței” asupra ei, deoarece toate experimentele de până acum confirmă această precizie mult mai bună. Și anume au dezmembrat „forța gravitațională” newtoniană. Nu există așa ceva. Mai mult, creșterea preciziei măsurătorilor noastre nu va restabili înțelegerea gravitației ca o forță precum forțele adevărate, dar va împinge și mai departe de ea.Acesta este motivul pentru care ideea de „unificare a„ celor patru ”„ forțe ”„ este o absurditate matematică și este fie o încercare de popularizare a științei, fie majoritatea fizicienilor chiar au nevoie să învețe ceva matematică. Nu știu teoria șirurilor și toate celelalte modele ale „gravitației cuantice”, dar dacă rezultă cu adevărat din „unirea celor patru forțe”, trebuie să fie aruncate în coșul de gunoi și cineva chiar trebuie să înceapă să lovească cărțile de matematică.

Comentarii

• Bine ați venit la Physics.SE! Vă sugerez următoarele: 1) Faceți turul ( mathica.stackexchange.com/tour )! 2) Când vedeți întrebări și răspunsuri bune, votați-le făcând făcând clic pe triunghiurile gri , deoarece credibilitatea sistemului se bazează pe reputația câștigată de partajarea utilizatorilor cunoștințele lor. 3) Dacă aveți o întrebare bună, puneți-o! Amintiți-vă dacă faceți acest lucru și obțineți un răspuns satisfăcător pentru a-l accepta făcând clic pe bifa verde.
• Vă sugerez să schimbați prima frază în ” gravitatea este nu o forță în imaginea clasică einsteiniană ” sau ceva de genul acesta. Acesta este un răspuns bun (+1 BTW) și consider gravitația în termeni de geometrie extrem de satisfăcătoare din punct de vedere intelectual, dar din ce în ce mai mult consider că punctul meu de vedere pare să fie un fel de ” persoană în vârstă ‘ punctul de vedere „. Orice credem noi geometrii, nu putem ‘ t ignora faptul că o proporție semnificativă din această generație ‘ se gândește la o forță reală, mediată de un boson într-un fundal plat, gol. Personal mă lupt filosofic cu ” fundal gol „, dar nu cred ‘ …
• …. se poate da o imagine exactă a ceea ce gândește comunitatea fizică fără a menționa punctul de vedere al forței ca o posibilă alternativă. Până când nu este acceptată o teorie cuantitativă a gravitației, pur și simplu nu ‘ t știm dacă este sau nu ‘ t. BTW îmi place foarte mult propoziția dvs. despre furnici care tocmai se lovesc una de alta – ‘ va trebui să-mi amintesc de asta.

În cadrul GR, gravitația nu este într-adevăr o forță întrucât este „o consecință a primei legi a lui Newton în loc de a doua.

Fiecare punct din spațiu-timp vine cu propriul său spațiu de viteză atașat și aveți nevoie de transportul paralel (și, prin urmare, de o conexiune cunoscută sub numele de câmp gravitațional) pentru a putea chiar defini la ce vă referiți atunci când spuneți că un corp se mișcă fără accelerație.

În cadrul mai general al sistemelor arbitrare de ordinul doi (adică dacă uităm de legile lui Newton), spațiul câmpurilor de accelerație are o structură afină. O conexiune este o modalitate de a alege un punct zero și transformați-l într-un spațiu vectorial, astfel încât să puteți avea noțiunea de adunare de forțe (sau mai degrabă câmpuri de accelerație). Din acest punct de vedere, gravitația ar fi într-adevăr o forță ca oricare alta, dar specială în măsura în care devine ca cel care se numește zero.

Comentarii

• Aceasta este o chestiune din nou locală față de globală.
• Potrivit lui GR, gravitația nu este o forță, dar apoi obiecte masive se vor prăbuși în ele însele. Apoi, trebuie să inventați noi remedii matematice și hack-uri, cum ar fi forța slab puternică, care acționează la scară atomică, care împinge particulele cu masă să se tragă și să se prăbușească. Devine mai smucit și mai urât. Convoluție și ofuscare teribile.

Dacă gravitația ar fi o forță, atunci nu ar exista timp gravitațional dilatare.

Deci, să presupunem că gravitația este o forță care atrage totul în jos. Avem un turn cu un observator în partea de jos și de sus.

Observatorul din partea de sus aruncă două bile așteptând $ t $ între cele două picături. Observatorul inferior ar măsura același interval de timp $ t $ între cele două căderi.

Dar, în realitate, există o diferență între cele două ori, observatorul inferior măsoară o perioadă mai mică de timp datorită dilatării. Acest efect este confirmat de numeroase experimente . Pentru a avea dilatarea timpului, avem nevoie de un cadru de referință accelerat.

Motivul dilatării timpului este că planul simultaneității unui observator trece pe lângă alți observatori cu o rată diferită de rata ceasului său.

În graficul următor puteți vezi linia lumii a unui observator accelerat evidențiată cu albastru (accelerând cu o accelerație corectă constantă). Liniile radiale sunt planurile sale de simultaneitate la 0,2s, 0,4s, … pe ceasul său. Celelalte hiperbole sunt linii mondiale de puncte care rămân în repaus în cadrul acestui observator, ele accelerează, de asemenea, dar cu o rată diferită. Punctele roșii sunt evenimentele când ceasurile fiecărui punct au lovit 1s.

Puteți vedea când ceasul observatorului albastru a lovit 1s, în același moment ceasurile de la punctele din dreapta sunt trecute cu 1 secundă în urmă, în timp ce ceasurile din stânga rămân în urmă. Nu este necesară o curbură pentru a obține dilatare, ci doar accelerați.

Deci, pentru a rezuma, când stați pe Pământ, sunt de fapt într-un cadru de referință accelerat care accelerează în sus, iar gravitația este doar o forță fictivă, aceeași forță pe care o simți într-o mașină sau tren, când accelerează.

Atunci de ce Pământul nu se destramă, dacă lucrurile se accelerează în sus pe el? Deoarece spațiul-timp este curbat. Este curbat observatorii atât de inerțiali care cad spre centrul Pământului. Dar noi, care „plutim” în acest câmp, accelerăm în sus în acest sistem de coordonate curbate.

Comentarii

• Nu ‘ nu vă urmați logica aici. Dacă credeți în principiul echivalenței, atunci obțineți dilatație gravitațională a timpului. Dar nu ‘ nu văd cum se conectează logic la întrebarea dacă gravitația este o forță.
• @BenCrowell logica mea este despre câmpul de forță vs. lucru cu curbura. Ambele îndeplinesc principiul echivalenței. Nu poți simți dacă o forță misterioasă mișcă toate particulele din corpul tău. Așa cum nu o poți simți atunci când ești în cădere liberă. Dacă gravitația este un câmp de forță și stați pe pământ, nu accelerați, deoarece forțele se anulează reciproc. La fel se întâmplă și cu observatorul din vârful turnului. Fără mișcare relativă, ceasurile sunt sincronizate. Dar, în realitate, ceasurile nu sunt sincronizate. Deci, trebuie să vă aflați într-un cadru accelerat, iar gravitația poate fi doar o forță fictivă.

Gravitatea este o forță. Se pare că trebuie să iluminez oamenii din nou cu o altă postare înainte să plec.

Modul de a vizualiza câmpul atât pentru gravitație, cât și pentru electromagnetic este acesta:

• Imaginați-vă spațiul limitat ca acvariu. Ați introdus cerneala în interiorul acvariului. Cu cât cerneala este mai densă, cu atât mai multă gravitație. Aceasta este vizualizarea spațiului / căii curbate pe care o parcurge lumina. O particulă cu masă are cerneală în jurul ei distribuită sferic. Orice suprafață sferică cu raza d are aceeași cantitate de cerneală, deoarece aria oricărei suprafețe sferice este proporțională cu distanța pătrată, orice forță de câmp are o distanță pătrată inversă în formulă. Obiecte cu impact masic cu cerneala și se deplasează în zona cu cerneală mai densă. Cu cât sunt mai multe particule cu masă, cu atât este mai densă cerneala / câmpul din acea zonă.

Așa se vizualizează a 4-a dimensiune.

Acum, să mergem Când vă alegeți subiectiv cadrul de referință dacă nu alegeți cadrul de referință global, ignorați cerneala din toate particulele masive din univers / global și includeți obiectul numai în local. Aceasta înseamnă că există un cadru de referință absolut, este cadrul de referință care ia în considerare „cerneala” / gravitația tuturor particulelor masive din univers. Dar nu putem ajunge la acest nivel de absolvire, așa că devenim într-adevăr relativ absolut. Aceasta înseamnă că luăm în considerare doar masele semnificative din calculul nostru și le ignorăm pe cele mici. Aceasta se întâmplă atunci când alegeți soarele ca cadru. de referințe. Ignorați distribuția mică a cernelii / gravitației de la alte stele și galaxii prea departe de soare. Obțineți calcule care conțin erori, dar totuși foarte precise.

Când cineva accelerează, dacă cel care are masă , se interacționează cu distribuția globală a gravitației / câmpului trăgând unul în poziția inițială (și această stare inițială a întregului sistem). Aceasta este sursa forței inerțiale. Este reală și este indiferent de alegerea cadrului de referință Alegerea cadrului de referință este pur și simplu cât de mult din cerneala globală doriți să ignorați și să acceptați ca eroare în calculul dvs. Când cerneala globală este prea mare (masa pământului, masa soarelui), numiți eroare inerțială și aveți grijă de ea în calculatorul dvs. de asemenea.

Aceasta este, de asemenea, mecanica de a raționa în mod consecvent despre paradoxul gemenei. Fixezi cadrul de referință la cadrul global de referință al tuturor particulelor cu masă din univers, apoi un frate se mișcă „mai mult” și interacționează cu „mai multă” cerneală / gravitație decât cel mai „staționar” care interacționează cu „mai puțin” gravitatie. Paradoxul gemenei este motivat în mod constant și este logic acum . Absolut relativ nu poate argumenta niciodată despre acest fenomen de bază.

A doua lege a lui Newtons cu legea sa a stărilor gravitaționale pentru o particulă de testare $ m $:

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

Unde $ m_i $ este masa inerțială și $ m_g $ este masa gravitațională.Din experiment se știe de mult timp că $ m_i = m_g $ (până la precizie extremă), dar acest lucru înseamnă că ecuația de mai sus este independentă de masa particulei de testare: deci traiectoria sa depinde doar de masa M „care generează gravitaționalul câmp „și condițiile inițiale. Deci, toate obiectele cu aceleași condiții inițiale cad cu aceeași viteză (vechiul experiment cu pene-monede).

Acest lucru deschide posibilitatea de a descrie gravitația ca o proprietate geometrică. În relativitatea generală, traiectoriile particulelor care cad libere sunt apoi geodezice (mișcări libere) în spațiul curbat generat de masa M. În relativitatea generală nu este nevoie de o forță gravitațională, deoarece efectul câmpului gravitațional este descris pe deplin prin intermediul curburii timpul spațial cu patru dimensiuni. Deci, în relativitatea generală nu există o forță gravitațională în sensul clasic.

Poate un ultim punct către „relativitatea generală vs fizica newtoniană”: ecuația newtoniană de mișcare și expresie pentru forța gravitațională este exact energia scăzută limita ecuației geodezice relativiste generale. Adică dacă evoliți expresiile General Relativiy pentru mase mici / energii mici, veți obține ecuațiile fizicii newtoniene. În acest sens aș spune că forța gravitațională clasică este limita de energie scăzută a teoriei gravitației mult mai complexă. Forța gravitațională clasică nu este potrivită pentru a descrie toate efectele gravitației ca efect fizic. La energii scăzute / mase mici fizica newtoniană / clasică face o treabă bună de a ne descrie natura, dar la energiile superioare este nevoie de relativitate specială și generală pentru a descrie natura noastră / experimentele.

„Ce este gravitatea cu adevărat” este o întrebare fizică. Descrierea ei cu o forță (în sens fizic clasic) nu este potrivită pentru a descrie natura așa cum o vedem și o măsurăm.

Einstien are dreptate în privința unui lucru, gravitația nu este o forță definită de F = ma, dar gravitația este o forță dacă definiți forța ca rezultând din energie.

Energia este ascunsă în ecuația F = ma de doua ori. O dată în Forță și o dată în accelerație. Așa se exprimă energia în această ecuație. Dacă este implicată mișcarea, este implicată energia.

Deci, are dreptate Einstein cu privire la curbura spațiu-timp care provoacă gravitația? Nu știu, dar dacă este o curbură spațiu-timp, atunci curbura spațiu-timp trebuie să poată crea energie.

„Forța” este rezultatul energiei care acționează asupra masei. este definit de greutatea masei în greutate. Gravitația este energie sau o sursă de energie.

F = ma are un aport de energie care este „a” și o ieșire de energie „F”

Dacă energia iese din ecuație, energia trebuie să intre, energia trebuie să fie pe ambele părți.

Masa este mediul utilizat pentru a calcula energia în termeni de accelerație și este accelerația gravitației care este folosit pentru calcularea „masei.”

Deci, energia din gravitație este exprimată ca o accelerație constantă. Produsul de energie și masa combinate este ceea ce dă greutatea masei. forma de energie prin mijloacele necesare. Dar gravitația pare a fi capabilă să pună energia în masă.

Deci, dacă Einstein nu s-a adresat energiei gravitației, va fi fost greu să o înțeleagă. Oricare ar fi sursa gravitației, gravitația este accelerația și nu forța. Forța este masa prin accelerație, unde gravitația este doar accelerație.

Lucrul despre asta este că toată masa accelerează în același ritm, ceea ce generează o forță diferită asupra tuturor lucrurilor în orice moment, rezultând enorme variații ale forței.

Cum poate gravitația să fie constantă și totuși să aplice un număr nelimitat de forță la un moment dat? Gravitația nu este „o forță, accelerația este cea care generează forța.

Același comportament este observat în câmpurile electromagnetice și explică multe comportamente ale gravitației. explică, de asemenea, efectele giroscopice. Pe măsură ce învârtiți o masă de metal, forța centrifugă creează o diferență de sarcină din exterior și din interiorul metalului care se rotește. Devenind încărcat, metalul se aliniază cu „câmpul de greutate”. Ar putea fi ceva diferit, dar masa din gravitație se comportă la fel ca masa din câmpurile magnetice.