Почему специальная теория относительности не может описать гравитацию?

Принцип эквивалентности утверждает, что нет никакой разницы между ускоренной системой отсчета и ускорением от гравитационного поля. Поскольку специальная теория относительности может описывать ускоренные системы отсчета, зачем нам нужна общая теория относительности, чтобы объяснить гравитацию?

Принцип эквивалентности говорит об однородных гравитационных полях.
@Javier Если у нас есть частица в неоднородном гравитационном поле, можем ли мы не сказать, что частица движется так, как будто на нее действует локальное и мгновенное однородное гравитационное поле? Что принцип эквивалентности действителен локально в каждый момент времени?

Ответы (4)

Ну, вы можете использовать специальную теорию относительности для гравитации! Вслед за Мизнером, Торном и Уилером: если физик в ящике ускоряется по принципу эквивалентности, то физик не может с помощью локального эксперимента убедиться, что он не находится в гравитационном поле. Однако по тому же принципу физик в ящике в гравитационном поле не может убедить себя, что он не просто ускоряется; в таком заблуждении он может решать гравитационные проблемы, используя механизмы специальной теории относительности, если он работает в достаточно малых областях, где пространство-время по существу плоское (поскольку принцип эквивалентности выполняется только в бесконечно малых областях). Таким образом, разделив пространство-время на локально плоские участки, работая там со специальной теорией относительности, а затем снова собрав кусочки вместе, можно решить гравитационные проблемы (и это жизнеспособная и используемая стратегия). Но при этом обнаруживается, что динамика искривленного пространства-времени возникает естественным образом! Таким образом, общая теория относительности естественным образом возникает из специальной теории относительности и построена на ней, и можно сделать общую теорию относительности со специальной теорией относительности, если быть достаточно осторожным.

Это действительно интересно. Может ли ОТО быть полностью описана двумя постулатами СТО плюс постулатом принципа эквивалентности?
@RyderRude нужна последняя вещь: локальный характер физики. Чтобы SR держался, нужно иметь дело с небольшими локальными областями.

Принцип эквивалентности имеет очень ограниченную сферу применения. SR и GR эквивалентны, если вы находитесь в ящике и не имеете никаких входных данных, кроме измеренного ускорения, которое может быть связано либо с гравитацией, либо с увеличением скорости. Добавление дополнительной информации «нарушит» эквивалентность и приведет к тому, что пути GR и SR разойдутся. Классический пример — приливные силы, которые присутствуют, когда ускорение обусловлено силой тяжести, а не изменением скорости. Более интересным примером было бы, если бы у вас были часы в вашем ящике, сообщающие время другого неускоряющегося эталона. В гравитационном поле разница между этими часами и вашими часами будет фиксированной. Неускоряющаяся ссылка была бы (вероятно) быстрее, но разница в том, при какой скорости была бы быстрее, была бы исправлена. В действительно ускоряющейся системе отсчета часы из неускоряющегося эталона со временем будут становиться все быстрее и быстрее. SR не объяснил бы это, в то время как GR объяснил бы. (в примере игнорируется допплер).

Например: принцип эквивалентности гласит, что кто-то в состоянии покоя эквивалентен земле, ускоренной вверх с ускорением г .

Но Луна, Солнце и другие планеты должны через некоторое время остаться позади, чтобы соответствовать постоянному ускорению.

Итак, локальное требование справедливости принципа эквивалентности также означает: короткий временной интервал.

Чтобы освободиться от этого (а также и от пространственного) ограничения, нужны криволинейные координаты и ковариантные производные. Это область ГР.

Вы можете рассматривать гравитацию в специальной теории относительности как поле со спином 2 на фоне плоского пространства-времени: S.Deser, Gen Rel Grav 19 (1970), http://arxiv.org/abs/gr-qc/0411023 . Получившаяся в результате теория локально делает те же предсказания, что и ОТО, но глобально она ограничена пространством-временем с той же топологией, что и пространство Минковского, а это означает, что она не может описывать пространство-время, как черные дыры или космологические модели.

Клаудио Саспинский говорит в ответ:

Чтобы освободиться от этого (а также и от пространственного) ограничения, нужны криволинейные координаты и ковариантные производные. Это область ГР.

Нет, ОТО отличается от СТО плоскостностью пространства-времени.