Главная Новости Физики объяснили, почему может быть только один тип гравитации

Как взаимосвязаны пространственное время и гравитация?

Интересный вопрос: почему в физике существует 4 фундаментальных взаимодействия, но только 1 тип гравитации?

Если эйнштейнова трактовка идей Минковского верна, - а железобетонных доказательств тому пока нет, - то получается, что нет такой штуки, как "сила гравитации", пишет Альтернативная наука.

Эрик Верлинде, безусловно, прав, утверждая, что пресловутое тяготение - обманка, космический фокус. Однако если мы остаемся в традиции общей теории относительности, тогда гравитация - это, скорее, эффект искривления пространства-времени, тогда как сила гравитации - действительно иллюзия, вызванная нашей ограниченной перспективой.

Похоже, другие силы связаны с реальными, физически измеряемыми "полями", которые взаимодействуют с материей через "частицы", переносящие «силу».

Например, материя состоит из протонов и нейтронов, удерживаемых вместе в атомных ядрах благодаря взаимодействию "глюонов", и электронов, отталкивающихся друг от друга и притягивающихся к протонам благодаря взаимодействию "фотонов".

Все это, - упрощая дабы не писать трактатов, - является частью теории квантовой механики (по идее, может быть)

И если квантовая механика физически верна, она должна стаь частью физики, которая объясняет гравитацию с помощью аналогичных квантов.

Туманность Тарантул. Новое изображение космического телескопа Джеймс Уэбб

Такие частицы, гравитоны, до сих пор не наблюдались, и физики сходятся во мнении, будто они настолько слабы, что мы никогда не сможем подтвердить их существование. Даже если они реальны, мы вынуждены придумать математическую модель, объединяющую гравитацию и квантовые взаимодействия.

Как всегда, выбор между «наблюдать» и «считать». Но ситуация такова, что в современной физике все поддается сомнению. Или вере. Это уже выбор каждого исследователя.

Кроме того, теории Эйнштейна основаны на чем-то, называемом "пространственным временем". Пространственное время - это математическое изобретение Минковского, где время рассматривается не обычным повседневным способом, а как четвертое измерение наряду с тремя (вверх/вниз, влево/вправо, вперед/назад) направлениями евклидова пространства.

 

Эйнштейн предположил, что, приняв пространственное время за реальное, оно искривляется из-за присутствия материи. А, в свою очередь, материя и свет следуют определенным правилам, описанных в ОТО.

Эйнштейн также сделал несколько замечательных предсказаний, которые казались крайне неправдоподобными, но теперь были подтверждены экспериментально.

Итак, что же такое гравитация?

Согласно Эйнштейну, не существует "гравитационного поля" в смысле электрического поля, и мы никогда не найдем "гравитон", хотя современные физики упорно продолжают его искать.

Великий немец предполагал, что есть только пространственное время, отдельное пространство и время, завернутые в единое целое, и оно не может быть разделено.

Такая «связка» означает, что все во Вселенной (включая свет) движется с одинаковой скоростью, а эффекты гравитации и специальной относительности возникают из-за нашего ограниченного взгляда изнутри искривленного пространства-времени.

 

То есть гравитация - это проблема измерения и наблюдателя, который по определению не может быть «объективным», пребывать «вне» измеряемой им реальности.

Сама по себе «гравитация» воспринимается интересным образом.

Во-первых, материя обладает массой, а масса обладает инерцией. Инерция означает, что если на объект не действует какая-то внешняя сила, он будет оставаться в покое или в движении с той же скоростью и в том же направлении. Игнорируя гравитацию, это легко доказать - достаточно побегать по льду.

Но мы не можем игнорировать гравитацию. Хотя она ничего не объясняет.

Проблема в том, что никто не сможет представить пространство-время, даже с помощью очень «умной» математической модели. Пример:

Плоская интерпретация пространства-времени

Лучше нарисовать только два измерения пространства-времени, где направления - влево и вправо через пространство и вперед через время.

Когда нет массы, искажающей «плоское» пространство-время, объекты ведут себя как положено, двигаясь вперед по прямой линии во времени и пространстве.

Но когда появляется большая масса, пространство-время искривляется таким образом, что прямые пути направляются к центру массы, а параллельные линии ориентированы внутрь пространства.

Когда объект падает, он движется по прямой линии через пространство-время, искривленное вокруг него. Но когда что-то останавливает его падение, он вынужден покинуть прямую линию.

Математическая модель падения объекта на землю

Чтобы объяснить, почему это ощущается как сила, нам нужен второй закон движения Ньютона:

Ускорение объекта зависит от его массы и величины приложенной к нему силы. Математически это выражается как Сила = Масса х Ускорение, или Ускорение = Сила / Масса.

Здесь важно помнить, что "законы" Ньютона описывают то, что мы видим в нашем обычном опыте, они не поясняют физическую реальность.

Ускорение - это любое изменение инерционного движения. В обычном опыте замедление или любое изменение направления и есть "ускорение".

Когда объект свободно падает в направлении соседней планеты, он не ускоряется в пространстве. Свободно падающий объект движется по прямой линии через пространство-время, которое искривлено таким образом, что заставляет его ускоряться в пространстве.

Это легко представить в одном измерении, но невозможно уловить в трех измерениях.

Но когда падающий объект ударяется о землю, он больше не в состоянии следовать по прямой траектории в пространстве-времени.

 

Он перестает двигаться и вынужден поворачивать, чтобы ускориться. А поскольку F=MA и M не изменилось, это новое ускорение означает, что должна существовать другая сила, - по крайней мере, в обычном смысле.

Кроме того (и это несколько усложняет восприятие "лево/право"), прямая линия через пространство-время всегда направлена вниз к центру масс, поэтому падающий объект постоянно отклоняется от своего инерционного пути, так что, хотя он покоится в пространстве, объект постоянно испытывает ускорение, вызванное поворотом от инерционного пути.

Вопрос в том, какое отличие математической модели от физической реальности?

Дело в том, что уравнения Эйнштейна, основанные на идее пространства-времени, дали замечательные предсказания, такие как замедление времени или гравитационное линзирование.

Так что вполне может быть, что пространство-время - это буквальная реальность вокруг нас, а остальная физика - квантово-механическая часть, которая сама по себе на столько фундаментально несовершенна, что может казаться самой полезной моделью в истории науки.