ВЫЗЫВАЕТ ли гравитация искривление пространства-времени или ЯВЛЯЕТСЯ ли гравитация искривлением пространства-времени? [закрыто]

Я думаю, что правильный ответ должен заключаться в том, что то, что мы называем гравитацией, является выдуманной силой, которую мы испытываем из-за того, что живем в ускоренной системе отсчета (в отличие от инерциальной). В отличие от других сил сила тяжести исчезает при изменении координат. Если человек находится в падающем лифте, он испытывает свободное падение, т. е. чувствует, что плывет, и делает вывод, что на него не действует сила тяжести. Однако мы, находящиеся на поверхности Земли, сказали бы, что очевидно, что сила гравитации заставляет лифт все быстрее погружаться к земле.

Конечно, решение этого странного положения вещей состоит в том, что гравитация вообще не является силой. Мы живем в четырехмерной вселенной с псевдоримановой геометрией, в которой свободно падающие объекты движутся по геодезическим или линиям экстремального пространственно-временного расстояния. Поскольку геометрия может быть внутренне изогнутой (например, поверхность сферы), эти геодезические не являются тем, что мы думаем о прямых линиях. Человек внутри лифта движется по геодезической, а мы на поверхности Земли ускоряемся и не движемся по геодезической. Пространственно-временные траектории (или мировые линии) лифта и земли под ним не являются прямыми линиями и поэтому в какой-то точке пересекаются. Это пересечение является точкой в ​​пространстве-времени, в которой лифт падает на землю.

Один из способов представить это — представить себе двух муравьев, идущих вдоль линий долготы на земном шаре. Линии долготы — это большие круги и геодезические сферы. Два муравья начинают с экватора на разных линиях долготы, оба направляются строго на север с одинаковой скоростью. Их пути изначально параллельны друг другу, но по мере их движения по искривленной поверхности расстояние между ними сокращается, пока в конце концов они не столкнутся на Северном полюсе. Кажется, что есть сила, которая притягивает их друг к другу, но на самом деле сила фиктивная, причина, по которой они сблизились, заключается в том, что на сфере геодезические сходятся и пересекаются друг с другом, в отличие от плоского пространства, где геодезические являются прямыми линиями. которые никогда не пересекаются. Если земной шар очень большой, муравьи никогда не узнают, что они движутся по искривленной поверхности, и таким образом заключили бы, что должна быть какая-то сила, которая притягивает их. Это фундаментальная картина того, как работает «гравитация» с точки зрения общей теории относительности.

Теперь к вашему вопросу: разница тонкая. Хотя то, что мы называем «гравитацией», зависит от семантики, здесь происходит нечто более глубокое. Общую теорию относительности обычно называют «теорией гравитации», и в этом случае мы можем думать об ответе как о последнем: по определению, гравитация — это искривление пространства-времени. С другой стороны, если мы думаем о гравитации как о силе, кажущаяся сила гравитации по существу вызвана тем фактом, что пространство-время искривлено. Но мы можем, по сути, использовать эту логику по кругу, если слишком много думать об этом, все зависит от того, что мы определяем как «гравитацию».

Но глубже этого стоит вопрос о том, что вызывает гравитацию ? В классической механике нам говорят, что гравитация вызвана массой в том смысле, что массивные тела имеют гравитационное поле, которое заставляет их притягиваться. Но мы знаем, что это неправильная картина. Итак, чтобы обобщить ваш вопрос, вызвана ли искривление пространства-времени массой? В каком-то смысле да, в каком-то нет. Уравнение Эйнштейна гласит

куда$\kappa$константа, тензор$G_{\mu\nu}$является функцией метрики, которая кодирует кривизну пространства-времени, и$T_{\mu\nu}$это тензор энергии-импульса, который кодирует содержание материи/энергии во вселенной.

Поскольку общая теория относительности в своей основе четырехмерна, и нет предпочтительного направления, которое можно было бы назвать «временем», мы, по сути, должны решить уравнение Эйнштейна «все сразу». Ясно, что содержание материи во Вселенной будет определять кривизну Вселенной, а кривизна Вселенной будет указывать материи, как двигаться. Таким образом, у вас есть своего рода проблема курицы и яйца: материя говорит пространству, как изгибаться, а пространство говорит материи, как двигаться.

Существует формализм Гамильтона (т. е. начального значения) для ОТО, который работает для глобально гиперболических пространств-времен (то есть он недействителен для всех возможных пространств-времен). Он называется формализмом ADM (по имени Арновитта, Дезера и Мизнера). Он позволяет установить начальные условия для пространства-времени (исходная кривизна и состояние материи/энергии) и вычислить эволюцию этого пространства-времени и его содержания материи во «времени» в целом ковариантным способом (не нарушающим относительности наблюдателей). ). Но это все еще не отделяет неотъемлемую связь между искривлением пространства-времени и содержанием материи/энергии.

В качестве интересного связанного с этим вопроса можно было бы задаться вопросом, может ли массивная частица, движущаяся в пространстве, гравитационно взаимодействовать сама с собой? То есть масса частицы искажает пространство-время и, следовательно, изменяет ее траекторию. Аналогичный вопрос есть в конце «Классической электродинамики» Джексона относительно ускоряющихся заряженных частиц, взаимодействующих с собственным излучением. Я полагаю, что его вывод состоит в том, что такие процессы на самом деле не учитываются, потому что они будут создавать такие небольшие исправления. В контексте ОТО я бы предположил, что такие вопросы относятся к области квантовой гравитации.

Что касается вашего последнего вопроса, возможно, вы имели в виду «при отсутствии искривления пространства-времени ». В этом случае ответ будет отрицательным, яблоко не упадет, все объекты будут двигаться по прямым пространственно-временным траекториям, которые никогда не пересекаются и поэтому всегда будут оставаться на одном и том же расстоянии друг от друга.

В дополнение к ответу PGA:

Упадет ли мое яблоко на землю в отсутствие пространства-времени?

В отсутствие пространства-времени не было бы ни вас, ни яблока, ни падения, ни места, ни земли. Пространство-время — это основная структура, в которой играет Вселенная. Это самая основная известная ткань вселенной.

ВЫЗЫВАЕТ ли гравитация искривление пространства-времени?

Что вызывает искривление пространства-времени, так это наличие массивного объекта.

ЯВЛЯЕТСЯ ЛИ гравитация искривлением пространства-времени?

Да.

Упадет ли мое яблоко на землю в отсутствие пространства-времени?

Я не совсем понимаю, что вы имеете в виду. Однако я могу сказать вам, что, поскольку пространство-время искривлено присутствием Земли, яблоко будет следовать геодезическим и, следовательно, упадет на Землю.

Гравитации не существует. Пространство-время существует и его не тянет.

То, что вы считаете гравитацией, на самом деле является одним из многих поправочных факторов, необходимых для описания пространства-времени для трехмерного декартова мозга обезьяны.

Возьмем аналогичный пример, который немного проще.

Помните воинственного школьного учителя физики, который ругает любого, кто посмеет произнести слово «центробежная сила»?

Центробежная сила — это поправочный коэффициент, применяемый при переходе от инерциальной системы отсчета к вращающейся системе отсчета.

Джимми кажется выброшенным наружу машины, когда она поворачивается. Но для стороннего наблюдателя Джимми едет прямо, а машина поворачивает.

Точно так же планета, рассматриваемая локально в пространстве-времени, движется по прямой линии, вращаясь вокруг Солнца. Для наших бедных обезьяньих мозгов мы не можем представить прямую замкнутую петлю, огибающую солнце. Итак, мы игнорируем кривизну пространства-времени, представляем себе «силу» и называем ее гравитацией.

Я снова чувствую, что во всех ответах отсутствует важное контекстуальное рассмотрение: гравитация как сила — это аспект модели, который позволяет нам предсказывать события/наблюдения. Искривленное пространство-время общей теории относительности — это еще один аспект (следствие) модели, которая позволяет нам предсказывать события/наблюдения. В некоторых ответах написано, что гравитации не существует, но точно так же не существует и пространство-время. Оба являются ценными аспектами разных моделей (и, следовательно, оба существуют как часть этих моделей). Ньютоновская модель, как правило, является наиболее полезной моделью, которую мы нашли до сих пор, но в некоторых случаях она неточна. «Эйнштейновская модель» намного точнее, но из-за своей сложности гораздо менее полезна.

Физика никогда не может объяснить, «почему» что-то происходит, она может «только» (очень полезно, но все же «всего лишь») создать модель, позволяющую нам предсказывать будущие события. Таким образом, вопрос о том, вызывает ли гравитация искривление пространства-времени или является ли гравитация искривлением пространства-времени, является полностью вопросом семантики. Ответ Кая, получивший наибольшее количество голосов, пытается обсудить «что вызывает гравитацию?» что является принципиально бессмысленным вопросом в физике. Вопрос приобретает смысл только в рамках модели, и в этот момент вопрос уже не в том, «что вызывает гравитацию», а в том, «как гравитация соотносится с другими аспектами нашей модели?»… что по существу не имеет ничего общего с реальным мировой вопрос о том, что вызывает гравитацию.

Итак, чтобы ответить на ваш последний вопрос

Упадет ли мое яблоко на землю в отсутствие пространства-времени?

Пространство-время не больше и не меньше, чем формулы в модели. Они не являются реальностью, они просто моделируют (упрощенную) реальность. Это может звучать как бессмысленная семантика, но я пытаюсь сообщить, что сам вопрос бессмысленен. Общая теория относительности не работает без аспекта пространства-времени (поскольку это его естественное следствие), так что в этом случае яблоко даже не существовало бы. В ньютоновской физике нет пространства-времени (как единого понятия), поэтому без него яблоко все равно падает на землю. И в действительности — насколько нам известно (!) — яблоко всегда будет падать на землю, независимо от того, какую модель мы, люди, придумываем.

Я комментирую последний вопрос:
упадет ли мое яблоко на землю в отсутствие пространства-времени?

Уравнения поля Эйнштейна связывают геометрию пространства-времени с распределением массы и энергии:
$R_{\mu\nu} -\frac{1}{2} R g_{\mu\nu} = 8 \pi T_{\mu\nu}$
куда:
$c = G = 1$натуральные единицы
$R_{\mu\nu}$тензор Риччи
$R$Скаляр Риччи (кривизны)
$g_{\mu\nu}$метрический тензор
$T_{\mu\nu}$тензор энергии-импульса

Если правая сторона везде равна нулю, то есть нет ни массы, ни энергии, то левая сторона просто описывает плоское пространство-время, то есть пространство-время Минковского. Предположение В отсутствие пространства-времени... немыслимо, поскольку пространство-время формируется массой и энергией.

Нет массы и энергии ---> пространство-время Минковского

Чтобы ответить на вопрос:
1. Если бы не было земли: яблоко не упало бы (нет массы, чтобы искривить пространство-время), а продолжило бы свое инерционное состояние движения.
или
2. Если бы земля существовала: яблоко упало бы, так как масса земли искривила бы пространство-время.