Почему искривленное пространство может изменять скорость (вектор) объекта?
Я не совсем понимаю, что подразумевается под искривленным пространством. Почему масса искривляет пространство? Почему искривленное пространство изменяет скорость массивного объекта? Обычно, чтобы изменить направление объекта, вам нужно приложить некоторую силу, чтобы преодолеть инерцию. Так как же искривленное пространство делает это? Что такое космос? Условия непрофессионала, пожалуйста.
Ответы
Вы, должно быть, слышали фразу «материя говорит пространству-времени, как искривляться, а пространство-время говорит материи, как двигаться».
На самом деле искривление пространства-времени вызывает не масса, а энергия-напряжение. Все, что имеет энергию напряжения (и в настоящее время любая элементарная частица, о которой мы знаем), действительно имеет энергию напряжения и искривляет пространство-время.
Если вы хотите провести аналогию, само пространство-время - это пути для поезда, поезд не может идти другим путем, он должен следовать (кривизне) путей.
А теперь представьте, что на путях есть небольшая кривизна, возможно, они очень немного изгибаются на расстоянии более 100 миль, но если вы едете в поезде, пути кажутся просто прямыми, вы не замечаете локального искривления. Именно так в нашей обычной повседневной жизни бывает кривизна: вы можете заметить локальную кривизну пространства-времени (кроме того факта, что земля ускоряется вверх), если подойдете близко к экстремальному объекту, например черной дыре.
Теперь вы спрашиваете, как это делает пространство-время? Как он меняет направление объекта без силы, действующей на него? Точно так же, как поезд должен следовать кривизне путей, любой объект (который мы знаем в настоящее время, имея в виду любую элементарную частицу) должен следовать кривизне пространства-времени, это то, что мы видим из всех экспериментов.
Предположим, я вращаюсь вокруг Земли. Искривление пространства-времени контролирует мое движение, т.е. я двигаюсь по кругу с центром на Земле, а не по прямой, потому что пространство-время в моей окрестности искривлено. Это пример утверждения Уиллера - масса Земли искривляет пространство-время, а кривизна подсказывает мне, как двигаться. существует важное различие между ускорением из-за приложенной силы и ускорением из-за кривизны пространства-времени. Если я плыву в космосе, я могу отпустить объект, и он останется плавать рядом со мной. Это применимо независимо от того, нахожусь ли я на орбите Земли или плаваю в пустом космосе вдали от любых масс. Мое ускорение относительно выпущенного объекта называется правильным ускорением, и это важный инвариант теории относительности. Любой объект, который движется исключительно в ответ на искривление пространства-времени, имеет собственное ускорение, равное нулю.
«Пространство-время говорит материи, как двигаться; материя говорит пространству-времени, как искривляться» и ускорение в плоском пространстве-времени?
Мы и все известные нам объекты существуем в пространстве-времени и должны следовать его кривизне.
В конечном итоге причина, по которой мы используем кривизну для описания гравитации, заключается в том, что это согласуется с нашими наблюдениями. Общая теория относительности чрезвычайно хороша для предсказания движения объектов при гравитационном взаимодействии. Если вы хотите получить некоторое представление о том, почему мы выбрали кривизну для описания силы тяжести, рассуждения в основном следующие.
Представьте, что вы находитесь в свободно падающем лифте. Вы почувствуете себя невесомым. Невозможно определить, падаете ли вы в гравитационном поле или находитесь ли вы в глубинах космоса, вдали от любого источника гравитации. Любой эксперимент, который вы можете провести, в обоих случаях даст одинаковые результаты.
На самом деле, есть только один способ обнаружить присутствие гравитации - если бы вы могли посмотреть в окно и увидеть, как рядом с вами падает еще один лифт, вы бы заметили, что лифт медленно приближается к вам. Это потому, что оба лифта тянутся к центру земли. В отсутствие гравитационного поля любые два объекта, которые «падают» (не имеют действующих на них сил), НЕ будут приближаться друг к другу. В гравитационном поле два объекта, которые свободно падают (на них не действуют никакие силы, кроме силы тяжести), могут быть сближены. Это называется приливным эффектом, и это единственный эффект гравитации.
Удобный способ математического описания гравитации - использовать математику искривленного пространства-времени. Основные правила просты. Материя (и энергия, и все такое) искривляет пространство-время. Объекты всегда «думают», что они движутся по прямой линии, точно так же, как вы могли бы подумать, что идете по прямой линии по поверхности земли. Однако, если вы посмотрите на кого-то, кто едет рядом с вами по «прямому» пути, даже если вы начнете удаляться друг от друга, кривизна может в конечном итоге вернуть вас вместе (на поверхности земли вам придется пройти довольно далеко, чтобы это произошло, но это могло случиться). Если вы не замечаете кривизны, может показаться, что вас стягивают вместе. Вот как работает гравитация.
Некоторые возражения: это может показаться очень нелогичным. На поверхности земли мы думаем, что чувствуем силу тяжести. Однако на самом деле сила, которую мы чувствуем, - это сила земли, мешающая нам продолжать наш естественный, «прямой» путь.
Иногда бывает трудно совместить эту геометрическую точку зрения с повседневным опытом. В качестве примера рассмотрим два массивных шара, покоящихся друг относительно друга в пустом пространстве. Может быть трудно понять, почему из-за кривизны эти два шара сближаются, поскольку они не движутся в пространстве. Однако ключевым моментом является то, что они движутся во времени. В теории относительности пространство и время - это не два отдельных понятия. Гравитация искривляет и пространство, и время, поэтому, когда шары движутся во времени, гравитационная кривизна заставляет их изгибаться друг в друга.
На самом деле, для нерелятивистских скоростей именно кривизна времени (являющаяся частью искривленного пространства-времени) изменяет скорость массивного объекта вблизи Земли. Поскольку время идет медленнее, чем ближе вы к Земле, скорость массивного объекта будет изменяться, чтобы максимизировать время, прошедшее в кадре объекта (называемое собственным временем ).
Обычно изменение скорости массивного объекта показывают, если взять растянутый лист гибкой резины, а затем поместить массивный объект в середину, из-за чего резиновый лист будет изгибаться и, как говорят, отражает кривизну пространства. См., Например, эту демонстрацию. Кажется, что маленький шарик, положенный на этот лист, изменит свою скорость, потому что лист изогнут. Но все это происходит только потому, что настоящая гравитация тянет мрамор (и тяжелый объект, изгибающий лист), и это то, что заставляет мрамор двигаться (из-за искривления времени как части искривленного пространства-времени). Таким образом создается ложное впечатление, что причиной является искривление пространства.
Для объектов , движущихся с релятивистскими скоростями, это сочетание как кривизны пространства и времени кривизны , который изменяет скорость. В случае со светом только кривизна пространства заставляет свет двигаться по геодезической траектории, траектории с наименьшим расстоянием в искривленном пространстве. Свет не движется во времени. Для фотона время остановилось.
В плоском пространстве (где мы можем применить специальную теорию относительности в отличие от общей теории относительности) мы можем сравнить это со случаем специальной теории относительности, в которой объект всегда движется в пространстве-времени с одинаковой скоростью, скоростью света. Неподвижные объекты путешествуют только во времени. Объекты, движущиеся с ненулевой скоростью, движутся как в пространстве, так и во времени. Безмассовые объекты движутся только в пространстве. Но объект всегда движется со скоростью света через плоское пространство-время со скоростью света.
Как вызвать массовое искривление пространства. Я думаю, что это просто факт природы, который невозможно объяснить (даже в контексте еще не обнаруженной квантовой гравитации, что заставляет сомневаться в ее существовании). В общем, пространство (время) без массы является плоским, поэтому я предполагаю, что пространство (время) с массой должно отличаться от плоского пространства, то есть искривленного. Масса и пространство не могут существовать друг без друга.
Насколько мне известно, неизвестно, почему масса искривляет пространство (одна из самых больших проблем в физике, объединяющая общую теорию относительности с квантовой механикой). Это всего лишь модель, и все наблюдения пока подтверждают эту модель. Что касается второго вопроса, насколько я понимаю, пространство-время не меняет скорость объекта, оно просто кажется изменяющимся с точки зрения внешнего наблюдателя. То есть он движется прямо и с постоянной скоростью через окружающее пространство-время, но поскольку это пространство-время искривлено локально, если вы смотрите на расстоянии (в части пространства-времени, искривленной по-другому), кажется, что объект ускоряется или по криволинейной траектории.
Если вы заметили, в ОТО всегда упоминается, что пространство-время искривлено, но не упоминается, что пространство искривлено. Когда тяжелый объект искривляет пространство-время, это влияет не только на пространственную составляющую, но и на временную составляющую. Мы все путешествуем во времени, даже абсолютно неподвижный объект путешествует / движется во временной области. Когда объект входит в кривизну, плоская временная область объекта входит в растянутую временную область, для внешнего наблюдателя (за пределами кривизны) это изменение отображается как начало движения (например, скольжение на скользкой поверхности или скорость изменения -dt). Чем ближе вы приближаетесь к тяжелому объекту, тем больше искривляется пространство-время, следовательно, тем больше скорость изменения, которую вы видите ... отсюда возникает иллюзия ускорения, вызванного силой тяжести. Давайте рассмотрим этот пример, объект движется со скоростью 1 метр в секунду за пределы кривизны. Теперь объект входит в кривизну, где пространство-время растягивается до 2 метров в начале кривизны, затем 3 метра, затем 4 метра и так далее ... обратите внимание, что растянутые 2,3,4 метра эквивалентны 1 метру внешней кривизны , теперь вместе с пространством, время также растягивается, то есть на 2 метре это 2 секунды, на 3 метре это 3 секунды и т. д. Следовательно, движущийся объект со скоростью 1 м / с после входа в кривизну, кажется, ускоряется для внешнего наблюдатель, отсюда и иллюзия падения. На самом деле нам нужно приложить силу, чтобы остановить этот падающий объект до центра кривизны.
Постулат общей теории относительности гласит, что вещество движется по геодезии искривленного пространства. Без этого постулата не имело бы значения, описываете ли вы пространство кривыми координатами.