Есть ли доказательства того, что гравитация искривляет пространство, или это просто самое удобное объяснение? [дубликат]

Я нашел отрывок Вайнберга, но чтобы процитировать его, мне нужно сделать это в ответ (слишком длинный). Итак, вот оно.

Мы видели в этой главе, что отличие от нуля тензора$R_{\lambda \mu \nu \kappa}$является истинным выражением присутствия гравитационного поля. Мы также видели в главе 1, что Гаусс был вынужден ввести гауссову кривизну$K = -R/2$как истинная мера отклонения двумерной геометрии от геометрии Евклида, и что Риман впоследствии ввел тензор кривизны$R_{\lambda \mu \nu \kappa}$обобщить понятие кривизны на три или более измерений. Поэтому неудивительно, что Эйнштейн и его последователи рассматривали эффекты гравитационного поля как вызывающие изменение геометрии пространства и времени. Одно время даже надеялись, что остальную физику можно будет свести к геометрической формулировке, но эта надежда натолкнулась на разочарование, и геометрическая интерпретация теории тяготения свелась к простой аналогии, которая задерживается в нашем языке в такие термины, как «метрика», «аффинная связность» и «кривизна», но в остальном бесполезен. Важно уметь предсказывать изображения на фотопластинках астрономов, частоты спектральных линий и т. д., а это просто невозможно. Неважно, приписываем ли мы эти предсказания физическому влиянию гравитационных полей на движение планет и фотонов или искривлению пространства и времени. (Читатель должен быть предупрежден, что эти взгляды неортодоксальны и могут встретить возражения со стороны многих общих релятивистов.)

Я мог бы дополнить то, что сказал Вайнберг, но... Ну, я не понимаю, почему. Я думаю, что это довольно ясно и здорово.

В науке нет стопроцентного доказательства; по крайней мере, не для хорошей науки. Это всегда вопрос наиболее точной/описательной/полезной теории. Например, ньютоновская гравитация «истинна» в той мере, в какой она очень эффективна в огромном разнообразии ситуаций. Общая теория относительности (ОТО) включает в себя все точности ньютоновской гравитации, а затем также объясняет огромное количество дополнительных явлений, в которых ньютоновская гравитация терпит неудачу. Мы думаем, что есть места, где ОТО неполна: когда вам нужно также описывать вещи на квантово-механических шкалах . Есть также некоторые причуды о «темном секторе» ( темная материя и темная энергия).), что мы действительно не понимаем. Но для всех намерений и целей ОТО может удовлетворительно объяснить все наблюдаемые явления гравитации, включая широкий спектр «тестов ОТО» — что, что очень важно, не может сделать ни одна другая теория .

В то же время описание гравитации с помощью общей теории относительности по своей сути является описанием «искривленного» пространства-времени. « Метрика » ОТО по своей сути и неразрывно связана с описанием самой геометрии пространства-времени 3+1, которое, исключительно исходя из этого, описывает всю результирующую гравитационную динамику. Описание ОТО эффективно синонимично описанию искривленного пространства-времени. Насколько мне известно, это также уникально для GR. Таким образом, демонстрируя точность ОТО, демонстрируется правомерность рассмотрения гравитации как искривленного пространства-времени. Как описано в этом первом абзаце, это все еще должно подвергаться той же интерпретации, что в настоящее время это лучшее описание наблюдаемых свойств Вселенной.

Тесты общей теории относительности (краткое изложение, подробности см. в Википедии)

• «Прецессия перигелия Меркурия» (динамика): орбита Меркурия не является идеально замкнутым эллипсом, а вместо этого «прецессирует» (слегка вращается). Экзотические динамические эффекты также наблюдались космическими миссиями и в динамике звезд, движущихся вблизи массивной черной дыры в нашем галактическом центре .
• «Отклонение света солнцем» (линзирование): наблюдается отклонение пути света массивными объектами. Это наблюдалось в свете одиночных звезд, движущихся за Солнцем, но с тех пор было распространено на примеры полностью искаженных или дублированных изображений галактик или тонких статистических эффектов на большие поля далеких галактик . Причина отклонения (как читается ОТО) буквально заключается в искривлении пространства -времени, вызывающем отклонение всех объектов (даже фотонов без массы покоя).
• «Гравитационное красное смещение» (путешествие света): частота света «смещается в красную сторону», поскольку он меняет свою глубину в гравитационных потенциальных ямах. Точно так же уже давно наблюдаются эффекты задержки искривленного пространства-времени , и это очень важный компонент работы GPS .
• Двойной пульсар (гравитационные волны): Орбитальный распад двойного пульсара Халса-Тейлора соответствует излучению гравитационных волн с невероятной точностью и получил Нобелевскую премию. Гравитационные волны — это в буквальном смысле бегущая рябь в пространстве-времени, способная переносить энергию.
• Космология: Расширение пространства, и особенно инфляция, очень хорошо и естественно вписываются в контекст ОТО — потому что они явно описывают само пространство-время, а не только объекты внутри него. Единственные альтернативные объяснения, которые у нас есть для этих наблюдений, чрезвычайно запутаны и требуют множества различных инструментов для разных режимов (например, изменение массы/скорости света и т. д. может как бы объяснить наблюдения за расширением, но вам нужно что-то еще, чтобы объяснить однородность и еще что-то). для задачи горизонта или монополя и т. д.). Это еще один пример использования динамического, гибкого пространства-времени .

В самом ближайшем будущем мы ожидаем непосредственного обнаружения гравитационных волн с помощью массивов пульсаров и наземных лазерных интерферометров . Это было бы «гвоздем в гроб» для интерпретации гравитации как пространства-времени.

Существует вполне реальное явление под названием «гравитационное линзирование», при котором свет отклоняется от своей первоначальной траектории достаточно массивным скоплением материи (которое искривляет пространство-время вокруг себя). Более того, он изгибается не так, как предсказывает простое применение ньютоновских идей, как любезно указал Роб Джеффрис. Достаточно ли этих доказательств? "="

https://en.wikipedia.org/wiki/Гравитационная_линза

Следует отличать обычное значение кривизны (называемое внешней кривизной) от математического значения кривизны, используемого в общей теории относительности (внутренняя кривизна). Внутренняя кривизна иногда может быть представлена ​​как внешняя кривизна, но, вообще говоря, это бесполезно, и очень жаль, что популярные отчеты склонны сосредотачиваться на этом виде представления.

Внутренняя кривизна не означает, что что-то «согнуто» в обычном смысле. Это означает, что теоремы евклидовой геометрии неприменимы к пространству, а теоремы специальной теории относительности неприменимы к пространству-времени (за исключением локального приближения).

Мы можем убедиться в этом, признавая тот повседневный факт, что часы на спутниках GPS не идут в ногу с идентичными часами на Земле. Законы физики на спутниках GPS такие же, как и на Земле, поэтому локальная скорость света на спутнике GPS такая же, как и на Земле. Из этого следует, что это влияет на метр, и что длина окружности орбиты спутников не может быть точно$2\pi R$, как это было бы в случае круговой орбиты в евклидовой геометрии. Именно это мы подразумеваем под внутренней кривизной.

Наука не позволяет нам быть уверенными в том, что есть вещи , а скорее в том, что произойдет : научное знание и «истина» больше касаются последствий , импликаций и отношений, чем того, «какими вещи являются на самом деле».

Цель построения теорий состоит в том, чтобы попытаться описать модели причин и следствий , чтобы мы могли экстраполировать их на области, которые мы еще не исследовали, и/или лучше понять, как то, что мы получаем, исследуя эти области, связано с тем, что мы делаем. уже исследовали. То есть для того, чтобы мы могли задать вопрос в форме «каковы будут последствия, если я сделаю X?» и иметь возможность получить заслуживающий доверия ответ даже без обязательного фактического выполнения X (что может быть неосуществимо).

Следовательно, хотя это часто можно услышать, идеи о том, что существуют «истинные» и «ложные» теории, на самом деле неверны: есть только лучшие и худшие теории с точки зрения возможности охвата большей области и делать меньше неверных выводов относительно этих последствий. — но ни одна теория не может быть уверена в том, что она охватит все, поскольку совокупность всех эмпирических исследований всегда будет только конечной. Вполне возможно (хотя у нас нет априорных оснований предполагать ), что, скажем, модель вещей как «пространство-время» на самом деле терпит неудачу, если бы вы каким-то образом сумели «преодолеть космический горизонт» — или даже просто если бы мы отправляемся на достаточное расстояние в космос сейчас .действительно быть маленькими гномами. Просто нет ничего однозначного в том, что касается экстраполяции паттернов последствий, которые мы видим.

Вы также можете думать об этом как о форме «сжатия данных», которую мы выполняем с помощью нашего интеллекта: теория сжимает большую сумму эмпирических данных — возможно, несовершенно — в небольшой убедительный набор генерирующих правил. Действительно, именно так работают правильные, тупые алгоритмы сжатия данных: они пытаются найти шаблоны, которые можно использовать для уменьшения размера фрагмента входных данных. И, как и в случае со сжатием данных, чем точнее и больше данных они могут получить, сохраняя при этом вывод разумного размера, тем лучше. Но сжатие не уникально: разные алгоритмы могут производить очень разные сжатые выходные данные, и точно так же может быть множество очень разных теорий, которые мы можем использовать для «сжатия» того, что у нас есть сейчас.

Следовательно, если и есть что-то, что наука говорит о том, «чем являются вещи», так это то, что они на самом деле сжимаемы как таковые с такой хорошей точностью.

Итак, вернемся к вопросу - "пространство" "исгибается" под действием силы тяжести или нет? Что ж, пространство — или, точнее, пространство-время — это конструкт человека , интеллектуальный конструкт или социальный конструкт: это то, что мы, люди, создали, чтобы попытаться сжать наши эмпирические данные, и оно работает довольно хорошо и позволяет нам экстраполировать эти косвенные выводы. связи. В этом отношении его поведение полностью определяется построенной нами теорией, так что ответ на ваш вопрос — да , гравитация изгибает — или, лучше сказать, изгибает — пространство-время, потому что это часть того «пространства-времени», которое мы описали. определил его и обнаружил, что делает его полезным в этом отношении . И это также наиболее широко применимыйтакая конструкция у нас есть до сих пор, но не обязательно самая удобная или самая полезная: в повседневной работе более простая ньютоновская система вполне адекватна.

Сообщение Dilithium Matrix довольно полезно и довольно информативно, если вас действительно волнует эпистемологическая (экспериментальная) ценность общей теории относительности. Ни один физик не должен слишком беспокоиться об экспериментальной фальсификации общей теории относительности, учитывая множество многочисленных экспериментов, в которых она прошла с честью. Если бы вас больше заботила согласованность математики, то любой математик, достойный своей степени, давно бы обнаружил это несоответствие в математике.

Что вас действительно волнует, так это интерпретация рассматриваемой теории, которая ближе к философскому вопросу, чем к физическому (хотя физика и философия часто пересекаются). Философы и физики уже давно обсуждают реальность пространства-времени, а также связь этих дискуссий с более современными теориями, такими как общая или специальная теория относительности. Были философы в отношении общей теории относительности, которые спорили о том, как интерпретировать общую теорию относительности .это существующее пространство-время, которое искривлено, или, если это более сложный набор отношений между материальными частицами. Максимум, что я смог почерпнуть из этих дискуссий, это то, что было неопределенно, следует ли нам интерпретировать общую теорию относительности таким образом, что пространство-время существует и объясняет движения материальных объектов, или же оно не существует, но физические отношения между материальными объектами порождают этот феномен.

Вот всеобъемлющая книга , в которой излагается это обсуждение как в историческом плане, так и в отношении, особенно, общей теории относительности. Вот пост из Стэнфордской энциклопедии философии , который также охватывает эту дискуссию вплоть до более позднего исследования динамики, не слишком увлекаясь математикой.

С уважением, первокурсник колледжа, идущий на второй курс