Как объяснить кажущееся ускорение за счет расширения Вселенной и инерциальных систем отсчета?

В ньютоновской физике объект A наблюдает ускорение объекта B именно тогда, когда A наблюдает результирующую силу, действующую на B. Как следует понимать воспринимаемое ускорение при наблюдаемом расширении Вселенной? Можно ли отнести его к силе? Означает ли это, что не существует такой вещи, как «инерциальная система отсчета»?

Мысленный эксперимент: Два сферических объекта A и B покоятся в пустом пространстве и заряжены таким образом, что результирующая сила между ними (гравитационная и электромагнитная) равна нулю. Таким образом, между ними нет наблюдаемой силы или ускорения, и поэтому движение невозможно. Поскольку электромагнитная сила и гравитационная сила обратно пропорциональны квадрату расстояния, независимо от расстояния между ними, их силы, действующие друг на друга, всегда будут равны нулю.

По истечении определенного периода времени пространство между двумя объектами расширяется. Как мы объясним, что произошло? В каждый момент между ними не должно наблюдаться результирующей силы, но между ними также, по-видимому, существует относительное ускорение. Должен ли, следовательно, А полагать, что какая-то сила действовала на В?

Меня также интересует вопрос, следует ли считать, что эти два объекта существуют в одной и той же инерциальной системе отсчета. Поскольку между ними нет «настоящей» чистой силы, возможно, ответ «да». Тем не менее, поскольку между ними наблюдается ускорение, возможно, ответ будет «нет». Этот мысленный эксперимент может продемонстрировать, что существование идеальной инерциальной системы отсчета, хотя и не невозможное теоретически, является экспериментально наблюдаемой невозможностью.

«Два сферических объекта А и В покоятся в пустом пространстве и заряжены таким образом, что результирующая сила между ними (гравитационная и электромагнитная) равна нулю». Да, это правильно (с некоторыми оговорками). Смотрите мои комментарии к @Dale.
«По истечении определенного периода времени пространство между двумя объектами расширилось». Правильный. Расширение пространства означает, что правильные расстояния между сопутствующими наблюдателями (которые видят вселенную изотропной) увеличиваются пропорционально масштабному коэффициенту. Вы можете представить таких (незаряженных) наблюдателей между A и B, и, поскольку они не чувствуют электростатической силы, их собственное расстояние увеличилось бы. Другими словами, они будут участвовать в расширении Вселенной (в отличие от A и B).
«Меня также интересует вопрос, следует ли считать, что эти два объекта существуют в одной и той же инерциальной системе отсчета». Нет, не в том же. В FLRW-пространстве-времени вы можете принять локальные инерциальные системы отсчета в окрестностях A и B, но не ту, которая покрывает обе. Обратите внимание, что это не так в нашей неоднородной Вселенной.

Ответы (3)

Два сферических объекта A и B покоятся в пустом пространстве и заряжены таким образом, что результирующая сила между ними (гравитационная и электромагнитная) равна нулю.

Ответ Дейла, кажется, предполагает, что это невозможно в общей теории относительности, потому что гравитация не является силой, но я думаю, что это неправильно или, по крайней мере, вводит в заблуждение.

Если космологическая постоянная равна нулю, существует семейство точных решений ОТО, описывающих относительно покоящиеся черные дыры с пропорциональными зарядами и массами, так что между ними нет чистой относительной силы. Нет никаких причин (я думаю), что вы не могли бы заменить черные дыры кусками обычной материи.

Если космологическая постоянная положительна, то помимо обычной силы притяжения существует эффективная сила отталкивания, пропорциональная р (нет 1 / р 2 ). В принципе должно быть возможно противодействовать этому, уменьшая заряд тел, хотя на практике это нереально, поскольку это было бы неустойчивым равновесием. Я предполагаю для остальной части этого ответа, что это возможно.

По истечении определенного периода времени пространство между двумя объектами расширяется.

Нет, не расширится. Это ключевое недоразумение. Мы построили эту систему статической, и она статична. Расстояние между объектами не изменится со временем.

Единственная причина, по которой Вселенная расширяется, заключается в том, что (по неизвестным причинам, возможно, связанным с инфляцией) она расширялась в прошлом и не была достаточно плотной, чтобы гравитация могла остановить и обратить вспять внешнюю инерцию. В последнее время сила отталкивания, обусловленная космологической постоянной, стала достаточно большой, чтобы иметь значение, но в этой системе мы противодействовали и этому. Нет ничего другого, что могло бы увеличить расстояние между объектами. Вселенная не хочет расширяться. Не существует физического процесса, обеспечивающего расширение путем вставки пространства между объектами. Я написал другой ответ об этом.

Я согласен с вашим ответом за одним исключением: «Мы построили эту систему статической, и она статична. Расстояние между объектами не изменится со временем». Надлежащее расстояние будет меняться со временем, потому что а ¨ меняется со временем из-за уменьшения плотности вещества (мы говорим о Λ доминирует во вселенной FRW).

При наличии неоднородной гравитации пространство-время искривлено и глобальных инерциальных систем отсчета нет. Инерциальные системы охватывают только области, которые достаточно малы, чтобы можно было пренебречь всеми приливными эффектами.

Локальные инерциальные системы отсчета существуют, и их легко идентифицировать. Это системы отсчета, в которых все объекты с акселерометрами*, показывающими ноль, движутся по прямым линиям относительно системы отсчета.

Локальная гравитационная сила, как и все силы инерции, не регистрируется акселерометрами, поэтому в локальной инерциальной системе отсчета гравитационной силы нет. Таким образом, невозможно сбалансировать гравитационную силу и электростатическую силу, как описано. В инерциальной системе отсчета будет только электростатическая сила, и, следовательно, между ними существует реальная результирующая сила. Это приведет к большему ускорению, чем обычно происходит из-за расширения.

На больших расстояниях пространство-время искривляется и нет возможности использовать инерциальную систему отсчета. Уравнения движения можно записать в какой-нибудь неинерциальной системе отсчета. Когда вы это сделаете, вы получите некоторые термины, которые можно интерпретировать как силу инерции, иногда называемую фиктивной силой. Обычно мы этим не занимаемся, а просто приписываем так называемые символы Кристоффеля системе координат, а не силе. Но при желании это можно сделать, и даже Эйнштейн хотя бы однажды применил такой подход.

* Под «акселерометром» я подразумеваю тип с 6 степенями свободы, который измеряет ускорение и вращение по всем трем осям.

Мне трудно понять ваш комментарий о том, что невозможно сбалансировать гравитационную и электростатическую силы. Что, если мы немного изменим сценарий, так что мы объект А и мы хотим быть в инерциальной системе отсчета с объектом Б. Если наши отношения массы к заряду в самый раз, то уравнения ньютоновской физики говорят нам, что должно быть быть не чистой силой, действующей на нас, и, следовательно, не чистым движением. Таким образом, мы не наблюдаем никакой силы, действующей на нас, поэтому мы вместе находимся в одной и той же инерциальной системе отсчета. Однако со временем наше расстояние расходится.
В инерциальной системе отсчета нет гравитационной силы. Таким образом, нет ничего, чтобы уравновесить электростатическую силу. Сила 0 не может уравновесить никакую силу, отличную от 0. Инерциальные системы отсчета основаны не на силе между объектами, а только на наличии акселерометров. В идеале акселерометры будут показывать ноль, но даже если они этого не делают, вы можете немного посчитать и использовать их для определения инерциальной системы отсчета.
к Вопрос 1 Вопрос 2 р 2 "=" м 1 м 2 г р 2 . Если Вопрос 1 Вопрос 2 м 1 м 2 "=" г к тогда между ними нет силы. Мы можем инициализировать их вместе в состоянии покоя, они остаются в покое (пока не наблюдается расширение), и сторонний наблюдатель сказал бы, что они не действуют друг на друга. Наверняка они также скажут, что никакой чистой силы не наблюдается?
Вы пытаетесь использовать ньютоновскую гравитацию в космологии. Это не работает. Они не совместимы. В космологических масштабах гравитацию приходится описывать с помощью общей теории относительности, а в ОТО гравитация локально является фиктивной силой. Его нет в локальных инерциальных системах отсчета. Часть вашего замешательства связана с неспособностью уважать эту несовместимость.
Спасибо за вашу помощь в прояснении моей путаницы. Вы хотите сказать, что не существует такой конфигурации заряда и массы, которая гарантировала бы, что два объекта, инициированные рядом друг с другом в состоянии покоя, останутся в состоянии покоя по отношению друг к другу?
Не в инерциальной системе отсчета, нет. Вы можете сделать это только с помощью неинерционных систем отсчета. Тогда гравитация проявляется как фиктивная сила
@Dale Вы говорите, что приливная сила из-за положительного значения второй производной масштабного коэффициента в принципе не может быть уравновешена электростатической силой?
@timm Я говорил о местной (не приливной) гравитации. Я недостаточно обдумал твою идею. Возможно ли иметь такую ​​договоренность, я не знаю. Это, конечно, не было бы так просто, как две точечные массы/заряды.
Может показаться очевидным обсуждение такого воображаемого эксперимента на основе модели идеальной жидкости, то есть без локальных инерциальных систем. Баланс сил должен быть возможен, если A и B заряжены соответственно. Однако только в течение короткого периода времени, потому что приливная сила, которая разделяет А и В, непостоянна.
@timm, вы бы не хотели использовать идеальную модель жидкости, потому что давление жидкости было бы третьим взаимодействием. Вы бы хотели использовать заряженную пыль, чтобы не было давления жидкости. Единственное «давление» будет связано с тензором энергии электромагнитного напряжения. Казалось бы, такие решения должны существовать, но они могут быть неустойчивыми.
@Dale Я говорю о «модели идеальной жидкости», на которой основаны уравнения Фридмана, см. en.wikipedia.org/wiki/Friedmann_equations . Давление (p в тензоре энергии напряжения) в нашей реальной Вселенной отрицательно из-за темной энергии/космологической постоянной, соответственно. что является причиной ускоренного расширения нашей вселенной и, следовательно, приливной силы, о которой я упоминал. Это давление, которое вы называете «давление жидкости», не является положительным давлением, создаваемым жидкостью, как вы, кажется, имеете в виду. Его знак не фиксирован, а зависит от составляющих Вселенной.
@timm а, да, понял. Тогда мы думаем о том же тензоре энергии напряжения. Давление было бы чисто электростатическим. Я не уверен, что это будет стабильно, но, возможно, это будет.

Я не вижу, чтобы эта история принципиально отличалась от случая вращающихся систем отсчета в ньютоновской механике. Ньютоновская механика описывает движение объектов в инерциальной ньютоновской системе отсчета. Если у вас есть вращающаяся рамка, у вас есть «псевдосилы». Это аспекты уравнений движения, которые должным образом описывают движение во вращающейся системе отсчета. Так уж получилось, что во вращающейся системе отсчета эти дополнительные члены выглядят как силы, поскольку они представляют собой умножение некоторого значения на массу (точно так же, как Ф "=" м а срок). Мы называем их псевдосилами, потому что на самом деле это не силы, они просто достаточно похожи на них, чтобы мы воздействовали на них.

Точно так же вы можете скорректировать искривленное пространство-время в ньютоновской физике с помощью достаточного количества преобразований. В конечном итоге вы записываете все дополнительные термины, и они не дают вам сырого понимания, которое может дать GR, но вы можете это сделать. Некоторые из этих терминов будут выглядеть как м а термин, и мы могли бы назвать их псевдосилами. Другие не могут (я сам не занимался математикой, но мое чутье подсказывает, что многие преобразования приведут к тому, что вещи будут выглядеть не так аккуратно).

Так что реальность такова, что должны быть некоторые поправки к ньютоновской физике, чтобы объяснить кривизну пространства-времени. Обращаетесь ли вы с ними как с уродливой массой поправочных терминов или перефразируете их в общей теории относительности, чтобы получить больше информации, решать вам.

Как объяснить кажущееся ускорение за счет расширения Вселенной и инерциальных систем отсчета?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v