Según la relatividad general, ¿es cierto que los objetos no se caen sino que se quedan quietos? Si es así, ¿cómo los vemos caer?

En la mecánica clásica desde Newton existe una noción de “marco de referencia inercial” en el que un objeto, si no hay fuerzas externas que actúan sobre él, se detiene o se mueve con velocidad constante; en ambos casos su aceleración es cero. La relatividad general dice que un objeto que cae libremente es exactamente un ejemplo de dicho marco inercial. Por ejemplo, la Estación Espacial Internacional está en caída libre la mayor parte del tiempo (estar en órbita significa estar en caída libre) y en su interior todo actúa como lo describió Newton: coloque un objeto en cualquier lugar y simplemente permanecerá allí. Empújalo y seguirá la línea recta con velocidad constante. Lo mismo sucede dentro de un ascensor que cae (suponiendo que no haya fricción o arrastre de aire).

¿Por qué vemos objetos en caída libre como si estuvieran acelerados? La relatividad general dice que es un efecto puramente geométrico: el espacio-tiempo está curvado por objetos masivos, por lo que los “caminos rectos” se ven curvos allí. Al igual que dos viajeros en la Tierra que van desde el ecuador estrictamente hacia el norte: aunque inicialmente sus direcciones son paralelas y ambas se mueven lo más rectas posible, debido a la curvatura de la superficie de la Tierra, inevitablemente se acercarán más y más como si una fuerza los hiciera acelerar hacia cada una. otro y finalmente se encontrarán en el polo norte, como si se “cayeran” el uno al otro. Parecen atraerse gravitacionalmente entre sí, pero esto es realmente solo una consecuencia de la geometría, del movimiento recto en el espacio curvo. Lo mismo sucede con los planetas y otras cosas, solo en el espacio-tiempo de cuatro dimensiones donde, en lugar del norte, todos nos movemos en el tiempo.

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La relatividad general no dice que los objetos que caen están quietos. Lo que sí dice es que los objetos caen porque ya no pueden viajar a lo largo de líneas rectas; el espacio-tiempo ahora está curvado y la trayectoria “recta” se reemplaza por una llamada curva geodésica.

Pero, creo, este punto a menudo se usa para confundir a las personas más que para ayudarlas a comprender la relatividad. Verá … (casi) cada fuerza puede ser reinterpretada como geometría. A modo de ejemplo, cuando un electrón vuela en un campo electrostático y su trayectoria es curva, podría, si me sintiera inclinado, construir una geometría en la que la trayectoria curva del electrón sea geodésica.

Sin embargo, otras partículas pueden no seguir la misma trayectoria. Un neutrón, por ejemplo, podría no sentir el campo en absoluto y continuar a lo largo de una línea recta. Un protón volaría a lo largo de una trayectoria diferente. Entonces, para cada tipo diferente de partícula, necesitaría construir una nueva geometría. Lo que haría la interpretación geométrica bastante engorrosa.

La gravedad es diferente porque es universal. Dada una posición y velocidad iniciales, todas las partículas siguen la misma trayectoria, independientemente de su composición. Por lo tanto, solo hay una interpretación geométrica de la fuerza gravitacional y es universal. De hecho, dado que solo puedo medir el espacio físico y el tiempo usando objetos materiales, esta es realmente la única geometría en la ciudad. Por lo tanto, tiene sentido interpretar la gravedad como un efecto debido a la geometría deformada.

Pero eso no significa que la gravedad no sea una fuerza. Las dos interpretaciones no son contradictorias.

Entonces (como siempre, en física) confía en lo que ves. Si ve caer un objeto, ese objeto está cayendo y cualquier teoría que diga lo contrario está mal. Afortunadamente, la relatividad general no dice lo contrario.

John Dennis

La afirmación es que un objeto que cae está parado en el marco de medición del “elevador que cae” que está cayendo con él. Ahora en un nivel que es completamente trivial: todo lo que está cerca no está clavado al mismo ritmo, por lo que, por supuesto, el objeto no se mueve con respecto al elevador. Lo que lo hace no completamente trivial es el postulado asociado de que en el marco del ascensor que cae, todas las leyes de la física tienen exactamente sus formas de SR, al menos localmente. En particular, la velocidad de la luz es c y hay dilatación del tiempo, contracción de la longitud y aumento de la masa relativista según el factor de Lorentz. (Además, retrospectivamente, está el perro que no ladró: no hay campo gravitacional en el marco del ascensor que cae, por lo que no hay dilatación del tiempo gravitacional, de nuevo como en SR.) Eso probablemente suena bastante plausible, pero podría haber sido fácilmente hacia atrás, con la física en el marco del elevador todo arruinado, y la descripción en el marco sin caída correspondiente a SR.

Ahora, por supuesto, “al menos localmente” está haciendo mucho trabajo aquí. A medida que observa volúmenes de espacio cada vez más grandes, los efectos de “marea” comienzan a aparecer desde que el campo gravitacional es diferente de un lugar a otro. En particular, si desea un marco de ascensor que cae que cubra ambos lados de un planeta al mismo tiempo, no puede tenerlo: la dirección de la caída libre es opuesta. Por lo tanto, hay muchas matemáticas peludas para llegar a una teoría que se parece a SR localmente según el postulado, pero que permite una visión global.

En ese contexto, vemos que las cosas caen porque hay una verdadera fuerza sobre nosotros, hacia arriba desde el suelo a través de las plantas de los pies, por lo que no podemos participar en la experiencia de Vomit Comet con el objeto que cae y el elevador.

John Dennis

Galileo demostró que no hay sustancia para un “descanso absoluto”. SR mejoró esta noción mostrando que las leyes de Física entre diferentes marcos de referencia inerciales siguen siendo las mismas. La pregunta es entonces; ¿Qué es lo que determina los verdaderos marcos inerciales de las reverencias?

La respuesta es claramente entonces; aquellos que no poseen ninguna fuerza no inercial exterior al sistema bajo escrutinio. Entonces, por ejemplo, los marcos de ‘caída libre’ son verdaderos marcos de referencia no inerciales.

Como un momento a un lado; considera esto. Si giro un vector a una nueva posición en el espacio; Algunas de las longitudes a lo largo de algunos ejes disminuirán, pero se compensan con un aumento en la longitud a lo largo de otros ejes de tal manera que la longitud del vector se conserva de acuerdo con el Teorema de Pitágoras.

En el espacio-tiempo de SR; un vector (una línea mundial que une dos eventos de espacio-tiempo), cuando se rota, puede tener algunos de sus componentes similares al espacio acortados (contracción de Lorentz) con un tipo de aumento correspondiente en la ‘longitud’ similar al tiempo para preservar el ‘ momento apropiado’. En SR, cuando un objeto cambia su velocidad a una velocidad constante más rápida en relación con un observador, un “impulso” se ve como una rotación del vector de “acción” en el espacio de Minkowski, algo natural de esperar como el aspecto temporal del El objeto bajo escrutinio ahora se mueve en el tiempo de manera diferente (más rápido).

Sin embargo, si el espacio-tiempo es curvo, esto hace que el ‘vector’, y esto es solo mi opinión sobre la situación ‘, aparezca’ doblado ‘contra el conjunto de ejes Minkowskian porque el espacio-tiempo es realmente curvo. (Transporte paralelo). Por lo tanto, hay un cambio fundamental en el “vector verdadero” que encuentra que una parte de sí mismo yace en más de la ordenada temporal. Esto afecta las apariencias temporales de estos marcos inerciales, es decir, hacer que parezcan estar acelerando con respecto a esos marcos de referencia que colocan la superficie de la tierra en reposo. Es decir, en realidad son los marcos de referencia inerciales en relación con nuestra región local donde la superficie de la tierra es estacionaria los verdaderos marcos ‘acelerados’. Los marcos de ‘caída libre’ no están acelerando naturalmente, son los marcos inerciales naturales; aunque para nosotros, que somos ‘estacionarios’ en la tierra, podríamos afirmar que son como nosotros afirmaríamos que somos los que estamos en reposo. Pero no lo somos! Así que explicamos el aspecto no inercial de nuestros marcos de referencia terrenales como la gravedad, de ahí la observación que hizo Galileo; Todos los objetos caen a la misma velocidad.

John Dennis

De acuerdo con la relatividad general, todas las leyes de la naturaleza funcionan de la misma manera, independientemente de su movimiento. No existe una física para los objetos que se mueven con cierta velocidad, y otra física para los objetos que caen en un campo gravitacional.

Cuando caes hacia la Tierra, no hay forma de medir la diferencia entre:

Caes hacia la tierra, la tierra se detiene
La tierra cayendo hacia ti, te quedas quieto

Esta última es una forma novedosa de ver la física que cae objetos, pero debe dar como resultado la misma descripción de la naturaleza. En la naturaleza no hay una forma preferida de ver quién está cayendo hacia qué. La Tierra no es el centro del universo o la única referencia “correcta” cuando se relacionan eventos en el universo.

Esta forma de describir los objetos que caen parece extraña y tal vez obvia de alguna manera, pero tuvo profundas influencias en la creación de la teoría de la relatividad general (incluida la descripción de la gravedad). Einstein podría usar el modelo de relatividad especial para calcular cosas sobre la gravedad y de esta manera podría combinar energía, espacio y tiempo en un modelo de gravitación.

John Dennis

En la relatividad general, los objetos se mueven; simplemente no aceleran. Sus caminos son líneas rectas en el espacio-tiempo, pero dado que el espacio-tiempo es curvo, interpretamos tal movimiento como la aceleración en el espacio. Esa es la aceleración de la gravedad.

Tenga en cuenta que la gravedad en la relatividad general es una aceleración, no una fuerza. Esa fue la base de Einstein para este enfoque, el hecho (demostrado por Galileo) de que todos los objetos aceleran en gravedad a la misma velocidad, independientemente de su masa.