Ведро Ньютона [дубликат]

Ведро Ньютона

Этот мысленный эксперимент изначально принадлежит сэру Исааку Ньютону. У нас есть сфера воды, свободно плавающая в непрозрачной коробке в межгалактическом пространстве, удерживаемая поверхностным натяжением и не вращающаяся относительно далеких галактик. Теперь мы заставляем коробку и воду вращаться вокруг некоторой оси, и мы замечаем, что сфера сплющивается в сплюснутый сфероид.

Откуда вода знает, что она вращается?

ПРИМЕЧАНИЕ. Ньютон считал, что это доказывает концепцию абсолютного вращения относительно предпочтительной пространственной системы отсчета. Возможно, в наши дни мы можем сделать лучше или по-другому?

Просто для ясности, это вопрос о (ведро в) общей теории относительности?
Для полной ясности, могу ли я попросить людей решить следующую проблему? Во Вселенной, в которой не было никакой материи, кроме водной сферы, позволяет ли общая теория относительности различать «невращающееся» и «вращающееся» состояние сферы? Если да, то почему это не возвращает понятие абсолютного пространства?

Ответы (5)

Дорогой Найджел, Ньютону пришлось постулировать абсолютное пространство. На самом деле, он использовал свое понимание физики, чтобы поддержать идею о «духе», который наполняет пространство — парадигме, которой этот величайший ученый и преданный христианин был так же увлечен, как и самой физикой. Абсолютное пространство определяло геометрию повсюду, за исключением того, что оно не знало никакой предпочтительной скорости; он знал только о предпочтительных ускорениях.

Инерциальные системы в классической физике

Законы физики Ньютона были справедливы только в инерциальных системах отсчета. Если законы имеют обычный вид в одной системе отсчета, можно показать, что они имеют одинаковую форму и во всех системах отсчета, движущихся с постоянной скоростью в одном и том же направлении. Но можно также показать, что форма законов меняется, если мы переключаемся на другую систему, которая ускоряется или вращается, потому что эта система не является инерциальной.

Различие между инерциальной и неинерциальной системами отсчета, несомненно, является основным постулатом классической механики, и это также чрезвычайно хорошо установлено экспериментами. Ведро Ньютона — это один из простых способов показать, что вращающиеся и невращающиеся кадры просто различаются, поэтому гипотеза (предполагаемая между строк вашего вопроса) о том, что между всеми кадрами существует «полная демократия», независимо от их вращения, моментально фальсифицируется.

Специальная теория относительности

Подобные «абсолютные структуры», заполняющие пространство и время, сохранились и в теории относительности, несмотря на первоначальное увлечение Эйнштейна так называемым принципом Маха, который де-факто хотел отрицать, что вращающееся ведро ведет себя иначе, чем невращающееся. Общая теория относительности в конечном итоге отвергла принцип Маха, хотя можно увидеть некоторые отдельные эффекты — воспоминания — предсказанные общей теорией относительности, подобные тем, которые обсуждались Махом.

В специальной теории относительности существует «метрический тензор» во всем пространстве-времени, который сообщает всем ведрам — и всем другим объектам — вращаются они (и ускоряются) или нет. Если они не вращаются, метрика будет задана

η ( Икс , у , г , т ) знак равно диаг ( 1 , + 1 , + 1 , + 1 )
Я выбрал условное обозначение случайным образом. Однако если преобразовать эту метрику в инерциальную систему отсчета — вращающуюся или ускоряющуюся, — то метрический тензор превратится в другой, а именно в набор из 10 непостоянных функций.

Общая теория относительности

То же самое верно и в общей теории относительности, где метрический тензор становится динамичным и может искривляться из-за присутствия тяжелых объектов. По-прежнему верно, что метрика в невращающихся кадрах будет даваться выражением

г с 2 знак равно с 2 г т 2 + г Икс 2 + г у 2 + г г 2
это просто другой способ записи метрики η несколькими строками выше. Однако если преобразовать этот метрический тензор во вращающуюся систему отсчета, получится другой метрический тензор. Отклонение от метрики плоского пространства можно интерпретировать как «гравитационное поле». Принцип эквивалентности гарантирует, что действие гравитационных полей неотличимо от действия сил инерции, возникающих в результате вращения или ускорения.

Таким образом, дополнительные поправки в метрическом тензоре будут знать все о центробежных, центростремительных и кориолисовых силах, которые, помимо многих других эффектов, ответственны за изменение формы поверхности воды.

Подводя итог, можно сказать, что ведро и все другие объекты знают, как себя вести и вращаются ли они, потому что они взаимодействуют с метрическим тензором, заполняющим все пространство-время и позволяющим отличить прямые линии (или мировые линии) от кривых линий. (или мировые линии) в любой точке. Важно понимать, что метрический тензор, хотя и позволяет отличить ускоряющиеся (изогнутые) линии от неускоряющихся (прямых), не может отличить «движущиеся объекты» от «объектов в покое». Это принцип относительности, лежащий в основе обеих знаменитых теорий Эйнштейна, но в таком общем виде он был верен уже в механике Ньютона — и реализован самим Галилеем.

Итак, вы говорите, что в случае вращения молекулы воды (кроме тех, что находятся на оси вращения) не следуют геодезическим из-за межмолекулярных сил, удерживающих сфероид неповрежденным. И в чем разница?
Уважаемый Найджел, если вы просмотрите мой комментарий, то увидите, что там нет ничего о молекулах воды или межмолекулярных силах, так что совершенно очевидно, что я не говорю то, что вы мне приписываете, или это не очевидно ? Не лучше ли читать ответы вместо того, чтобы пытаться заставить людей говорить совсем другие ответы, которые вы могли априори предпочесть?
Я ответил на ваш вопрос, как ведро определяет, крутится оно или нет. Он определяет его по метрическому тензору, заполняющему пространство. Если он не вращается, законы физики просты и диктуют, что поверхность воды плоская, чтобы свести к минимуму потенциальную энергию воды. Если ведро вращается, возникают дополнительные центробежные силы, которые могут быть получены из метрического тензора, преобразованного в каркас вращающегося ведра. Эти центробежные силы растут от оси и в сочетании с гравитационной силой «вниз» приводят к искривлению формы поверхности.
Таким образом, молекулы воды «знают», что они вращаются, потому что они не находятся в локальной инерциальной системе отсчета (это легко выяснить). В своей собственной системе отсчета они вычисляют метрический тензор, который работает и имеет все те дополнительные компоненты, о которых вы упомянули. Итак, они выясняют, что находятся в каком-то силовом поле (центробежном или странном цилиндрическом гравитационном поле, как упоминал kakemonsteret). Надеюсь, теперь я понял ваш ответ.
Большое спасибо, Найджел, намного лучше! Кстати, поверхность будет плоской до тех пор, пока вода действительно не начнет вращаться, т.е. пока ее не толкнет центробежная сила. Точно так же, если вы остановите ведро, вы должны дождаться, пока остановится сама вода, и только тогда она восстановит плоскую поверхность. Возьмем последний пример: поверхность какое-то время вогнута. Но гравитация в конечном итоге способна сделать поверхность плоской из-за сил, которые вы можете понять. Ситуация полностью аналогична, когда поверхность становится вогнутой: сначала она может быть плоской, но вращающаяся вода видит другую, вогнутую, «естественную поверхность».
Обратите внимание, что Любош говорит об оригинальном мысленном эксперименте Ньютона с ведрами и подвесными шнурами, а не о моем обновлении 21-го века!
Я бы сказал, что в ОТО решение проблемы вращающейся воды требует некоторых предположений, таких как асимптотическая плоскостность, потому что любая сила Кориолиса не подчиняется предположениям о локальности, и вы всегда сможете найти инерциальную систему отсчета, которая возникает в достаточно маленьком пространстве-времени. Объем, в котором силы Кориолиса не обнаруживаются.
Дорогой Джерри, я думаю, что ошибочно думать, что асимптотические условия являются «причиной» любого поведения ведра. Асимптотические условия должны быть связаны с локальными через геометрию, которая подчиняется законам физики, как и любая другая часть физики. Особенно, если они пространственно-подобно разделены, просто неправильно говорить, что дальняя геометрия является «причиной», а локальная — ее «следствием». Более естественно говорить об обратном. На ведро влияет только локальная геометрия, метрический тензор вокруг него. Способ расширения этой геометрии имеет некоторую свободу.

Ответы, которые уже были опубликованы, верны, но @kakemonsteret поднимает в комментариях дополнительный вопрос, на который стоит ответить:

Допустим, вы вращаетесь где-то в открытом космосе, можете ли вы знать, что вращаетесь, то есть можете ли вы исключить, что силы, которые вы чувствуете, не вызваны распределением массы где-то?

Этот вопрос касается некоторых идей о принципе Маха и его связи с общей теорией относительности, которая представляет собой несколько сложный предмет. Но в общей теории относительности есть хорошо известный эффект, имеющий прямое отношение к этому вопросу: эффект Лензе-Тирринга .

Представьте себе большую вращающуюся сферическую массивную оболочку. Локальные инерциальные системы отсчета внутри оболочки будут «таскаться» вращающейся массой, так что они вращаются относительно «неподвижных звезд» (т. е. инерциальных систем отсчета далеко за пределами оболочки). Итак, если бы вы жили внутри этой оболочки и чувствовали, что не вращаетесь, вы бы «на самом деле» вращались относительно неподвижных звезд. Если бы вы затем начали вращаться в противоположном направлении с правильной скоростью, вы могли бы сделать так, чтобы вы не вращались «на самом деле» относительно неподвижных звезд, но вы чувствовали, что вращаетесь.

Я поставил пугающие кавычки вокруг слова «действительно» по одной причине: в общей теории относительности наиболее естественным значением, приписываемым фразе «действительно вращающийся», является «вращение относительно вашей локальной инерциальной системы отсчета», то есть, если вы почувствуйте, как будто вы вращаетесь (или если ваше ведро Ньютона показывает, что вы вращаетесь), тогда вы вращаетесь. Но если вы определяете «настоящее вращение» как вращение относительно очень удаленных инерционных объектов, тогда да, вы можете чувствовать, что вращаетесь, даже если вы не «на самом деле вращаетесь», из-за того, что вас окружает множество вращающихся объектов. масса.

Излишне говорить (я полагаю), что все это очень принципиально: эффект перетаскивания кадров на практике очень мал.

Краткий обзор того, что написал Любош: Можно сказать, что такое инерциальная система отсчета, локально (в бесконечно малой окрестности любой точки пространства-времени) по отношению к локальному гравитационному полю (это то, которое «свободно падает»). . Ведро «знает», что оно вращается, потому что оно вращается относительно местной инерциальной системы отсчета, то есть потому, что оно «вращается относительно местного гравитационного поля».

Может ли ковш знать, вращается ли он или где-то далеко находится какое-то большое цилиндрическое распределение массы?
Извините, я не понимаю вашего вопроса. В ОТО у нас есть пространство-время, это решение уравнений поля Эйнштейна. Любое распределение масс влияет на это решение, поэтому любая масса будет влиять на локальное гравитационное поле и, следовательно, будет влиять на то, что такое локальная система отсчета (если, конечно, это не так, потому что масса и точка, на которую мы смотрим, навсегда разделены пространственноподобно). , Например).
Допустим, вы вращаетесь где-то в открытом космосе, можете ли вы знать, что вращаетесь, то есть можете ли вы исключить, что силы, которые вы чувствуете, не вызваны распределением массы где-то?
Откуда взялась бы сила Кориолиса, если бы у вас было цилиндрическое распределение массы в качестве источника поля? Возможно , это и есть механизм, по которому вы могли бы заметить разницу? Теперь интересно, что было бы, если бы ваш внешний массивный цилиндр крутился....
(Я вижу, что Тед Банн уловил этот момент в своем ответе).

Если это действительно относится к общей теории относительности, то это описание вращающегося тела в общей теории относительности. Поскольку этот вопрос затрагивает некоторые вопросы в моем стеке вопросов общей теории относительности, я сделаю несколько замечаний по этому поводу.

Общая теория относительности предлагает решение (которое мы можем пока считать обобщенной метрикой) при некоторых условиях: обычно материальные условия. Ваш основной сценарий — это ограниченная идеальная жидкость, которая понимается в ОТО. Другой аспект вашего состояния заключается в том, что оно вращается. Поиск в Google показывает, что для ограниченной материи полное вращательное решение ОТО может быть еще не известно. Механизм, с помощью которого он изучается, представляет собой возмущение невращающегося решения, основанного на решении Шварцшильда. Это модель вращающейся звезды и так далее.

Материя в растворе будет следовать метрике, искривляющей пространство-время внутри и вокруг жидкости. Поверхностное натяжение и другие подобные вещи должны быть включены в тензор энергии-импульса: если эти характеристики присутствуют, жидкость не идеальна, и поэтому на практике используется другой уровень приближения.

Я считаю, что этот сценарий вращения также генерирует (слабые) гравитационные волны!

Ньютон, без сомнения, переворачивается в гробу!

Причина, по которой Ведро знает, что оно вращается, заключается в том, что у Вселенной есть горизонт почти так же, как у Земли. Горизонт Земли представляет собой изогнутую линию, которая существует не только из-за перспективной геометрии, но и потому, что Земля искривлена. Поскольку Земля имеет двумерную поверхность, ее высота отклоняется от наблюдателя, поэтому независимо от того, насколько высока высота, все высоты будут стремиться к линии, которую мы называем Горизонтом. Поверхность Вселенной имеет трехмерную поверхность, высота называется «временем», а кривизна Вселенной приводит к тому, что все промежутки времени исчезают и становятся «красным смещением», которое мы называем реликтовым излучением. Реликтовое излучение на самом деле не является «горизонтом событий» и не является началом «Большого взрыва». Это могут быть и те вещи, но не в этом важность реликтового излучения. Ведро знает, что оно вращается, потому что Вселенная имеет определенное Верх и Низ, или Внутри и Снаружи (что, вероятно, является более точным описанием). Это очень гениальное решение проблемы, доказывающее, что текущая теория ошибочна, а также дает основания для квантовой механики. Другой тип вращения — это тоже направление, показывающее, что Вселенная имеет определенное внешнее, но это второе измерение времени — это измерение времени установлено на поверхности с отрицательной кривизной, в отличие от того, к которому мы привыкли. приведенный выше аргумент установлен на положительно изогнутой поверхности (что дает CMB). Отрицательно изогнутая поверхность порождает нелапласианскую статистику, поскольку любая данная точка может происходить из бесконечного числа временных линий, в то время как положительно изогнутая поверхность порождает время, которое устрашающе похоже на классическую электродинамику. Вероятно, существует только одна поверхность, которая имеет временные «векторы» с обеих сторон, одна сторона имеет положительную кривизну, а другая — отрицательную. Это возможно в искривленном тройном пространстве.

У вас есть какие-либо доказательства того, что вы здесь написали, это все просто чувства человека?
«Это очень гениальное решение проблемы» . Верно это или нет, но я не согласен с этим пунктом. Если неправильно, то причина несогласия очевидна, если правильно, то я бы назвал это новым, проницательным, может быть, даже вдохновенным. Однако, чтобы решение было гениальным, не говоря уже об очень гениальном, вы должны иметь способ сформулировать его математически, и оно должно генерировать проверяемые предсказания. В нынешнем виде это неопубликованная личная теория, которая кажется скорее спекулятивной, чем научной. Правильно это или нет, это плохая наука