Решён
При гравитации возникает фиктивная сила тяжести или фиктивное искривление пространства-времени?

КвантовыйКот • Физика •
3.8k
5

Пытаюсь разобраться в ОТО и запутался в одном моменте.

В ньютоновской механике гравитация - это сила, которая действует между телами. В ОТО Эйнштейн сказал что никакой силы нет, а есть искривление пространства-времени, и тела движутся по геодезическим.

Но тогда получается, что сила тяжести - фиктивная? Типа как центробежная сила в неинерциальной системе отсчета? Или наоборот, искривление пространства-времени - это математическая абстракция, а реальна именно сила?

Можно ли вообще говорить что одно из этих описаний "фиктивное", или это просто два разных способа описать одно и то же явление? Какая интерпретация ближе к современной физике?

ГравитацияОТОПространство-времяФизикаЭйнштейн

5 ответов

Лучшие Новые Старые
Решение
56
Эксперт • 1 ответ

Коротко: в ОТО сила тяжести фиктивная. Искривление реальное.

Чуть длиннее. Принцип эквивалентности Эйнштейна говорит буквально следующее: наблюдатель в закрытой кабине лифта не может отличить, стоит ли он на поверхности Земли или его тянет с ускорением g ракетный двигатель. Никаким экспериментом. Вообще никаким (локально).

Из этого следует, что "сила тяжести" - это ровно такая же инерциальная (фиктивная) сила, как центробежная или сила Кориолиса. Ты стоишь на полу, пол давит тебе на ноги и ускоряет тебя вверх относительно свободно падающей системы отсчета. Ты чувствуешь это ускорение и называешь его "весом". Но свободно падающий наблюдатель рядом с тобой невесом, он движется по геодезической, на него ничего не действует.

А вот искривление пространства-времени - штука измеримая и объективная. Тензор кривизны Римана не зависит от системы отсчета. Два свободно падающих шарика, выпущенных рядом друг с другом, начнут сближаться (приливное ускорение), и это нельзя убрать никакой сменой координат. Это прямое проявление кривизны.

Так что ответ на твой вопрос однозначный с точки зрения современной физики: сила тяжести фиктивная (зависит от выбора системы отсчета), кривизна реальная (инвариантна).

Аватар КвантовыйКот
КвантовыйКот Автор

Про лифт и шарики наконец дошло, спасибо. Получается весы показывают не "силу притяжения Земли", а силу реакции опоры, которая ускоряет меня от геодезической?

Аватар Нина Петровна
Нина Петровна

Именно. Весы измеряют proper acceleration, а она у свободно падающего тела равна нулю. Ты на стуле сейчас ускоряешься с g вверх. Звучит контринтуитивно, но математика ОТО именно это и говорит.

41
Участник • 4 ответа

Тут вопрос в том, что значит "фиктивный". Слово неудачное и вводит в заблуждение.

Сила тяжести в ОТО не фиктивная в бытовом смысле "ненастоящая". Она абсолютно реальна в том смысле, что ты реально расплющишься, если упадешь с крыши. Она фиктивная в строго техническом смысле: её можно обнулить выбором правильной (свободно падающей) системы отсчета. Точно так же центробежная сила "исчезает", если перейти в инерциальную СО.

Искривление пространства-времени - не абстракция, не метафора. Оно проявляется в замедлении времени у поверхности массивных тел, и мы это измеряем атомными часами с точностью до 10^-18. GPS-спутники вносят релятивистские поправки каждую секунду, иначе навигация поплывет на километры за сутки.

Но я бы не стал говорить, что ньютоновское описание "неправильное". Оно приближенное. В слабых полях и при малых скоростях ОТО вырождается в ньютоновскую гравитацию, и силовое описание работает отлично. Инженеры строят мосты по Ньютону, и мосты стоят.

19
Эксперт • 5 ответов

А задумайся вот о чем. Ты спрашиваешь что "реально" - сила или кривизна. А откуда ты знаешь, что ОТО - окончательная теория? Может, на планковских масштабах пространство-время вообще дискретно и никакой кривизны нет, а есть что то третье, о чем мы пока даже не подозреваем.

Ньютон считал гравитацию силой, Эйнштейн - геометрией. Квантовая гравитация (которой у нас нет) может сказать что оба описания - приближения к чему то более фундаментальному. В петлевой квантовой гравитации пространство состоит из дискретных "атомов", в теории струн гравитация - обмен гравитонами на плоском фоне.

Может, твой вопрос не имеет окончательного ответа, потому что мы не знаем финальную теорию.

24
Участник • 4 ответа

Помню, когда я учился на физфаке в начале двухтысячных, нам Борис Яковлевич (фамилию не помню, пожилой такой доцент) объяснял это на пальцах. Говорил: "представьте муравья на резиновом листе. Положите на лист шар для боулинга. Муравей ползет по прямой, но лист прогнулся, и его 'прямая' загибается к шару. Муравей не чувствует никакой силы, он идет прямо. Это и есть геодезическая в искривленном пространстве."

А потом добавлял: "А вот если муравья приклеить к столу рядом с листом, стол будет давить на него снизу и не давать падать в ямку. Муравей скажет 'на меня действует сила тяжести'. Но на самом деле на него действует стол."

Меня тогда это объяснение поразило. Двадцать лет прошло, до сих пор помню.

11
Участник • 5 ответов

Держи годный разбор на пальцах от PBS Space Time:
https://www.youtube.com/watch?v=XRr1kaXKBsU

Там Мэтт О'Дауд конкретно про принцип эквивалентности и почему гравитация это "не сила".

Написать ответ

Визуальный редактор (WYSIWYG)
Премодерация гостей

Вы отвечаете как гость. Ваш ответ будет скрыт до проверки модератором. Чтобы ответ появился сразу и вы получали репутацию — войдите в аккаунт.

Или войдите в систему
Будьте вежливы и соблюдайте правила платформы.