Как работает гравитация - физика.

Как только вы поймете, что внутри оптических часов время не течет, тогда вы поймете, что оптические часы идут медленнее, когда они ниже, потому что свет идет медленнее, когда он ниже. Потому что скорость света меняется в комнате, в которой вы находитесь. После этого вы понимаете, что световые волны изгибаются вниз в гравитационном поле по той же причине, по которой волны гидролокатора изгибаются вниз в океане. Поиск в ES310 веб-страница распространения сонара, и вы найдете, где об этом говорится в ВМС США: “Вспомните, как различия в показателе преломления (которые являются мерой скорости распространения) влияют на электромагнитные волны”.

Кривые света, потому что скорость света пространственно изменчива
Эйнштейн повторял это снова и снова, год за годом. Да, он придумал специальную теорию относительности в 1905 году со своими двумя постулатами, одним из которых было “скорость света постоянна”. Но всего два года спустя, в 1907 году, он говорил о кривых блеска в гравитационном поле, потому что скорость света не постоянна. Он сказал это снова в 1911, 1912, 1913, 1914, 1915, и 1916 год. Вы не найдете Эйнштейна, говорящего о кривых блеска, потому что пространство-время искривлено. Вместо этого вы обнаруживаете, что он говорит о том, что плотность энергии в пространстве меняется. Вы можете сравнить это с изменением плотности воздуха. Звуковые волны в воздухе имеют тенденцию изгибаться вниз ночью, потому что более холодный воздух у земли более плотный.

Аналогичным образом световая волна “отклоняется” вниз, как автомобиль поворачивает налево, когда сталкивается с грязью на обочине дороги. Мы можем сделать нечто подобное со светом с помощью чего-то такого простого, как кусок стекла. Вот почему у нас есть линзы в очках. Но мы также можем сделать это с помощью градиента плотности энергии в пространстве. Вот почему у нас есть гравитационное линзирование. Подробнее см. статью профессора Неда Райта "Отклонение и задержка света". Он не говорит, что свет отклоняется, потому что пространство-время искривлено. Вместо этого он говорит следующее: “В очень реальном смысле задержка, возникающая при прохождении света через массивный объект, ответственна за отклонение света. На рисунке ниже показан пучок лучей, проходящих через Солнце на разных расстояниях”:

Как только вы узнаете это, вы сможете понять аналогию с резиновым листом. Иногда говорят, что это тавтология, поскольку гравитация используется для объяснения гравитации. Однако это может довольно хорошо объяснить гравитацию, если вы знаете, что она на самом деле изображает.

Аналогия с резиновым листом
Отправной точкой для этого является то, что кривизна, которую вы видите на изображениях, связана с кривизной пространства-времени. Это связано с “изогнутой метрикой”, а метрика связана с измерением. Что касается того, что вы измеряете, представьте, что вы могли бы разместить массив оптических часов 15 x 15 по всему горизонтальному срезу пространства вокруг Земли. Затем вы строите график всех тактовых частот, так что более низкие и медленные тактовые частоты генерируют точки данных ниже в 3D-изображении, а более высокие и быстрые тактовые частоты генерируют точки данных выше в 3D-изображении.

Посмотрите это изображение тензора кривизны Римана в Википедии. По сути, это изображение искривленного пространства-времени на резиновом листе. И поскольку он получен из оптических тактовых частот, это также график скорости света. Кто-то может сказать, что это всего лишь график “координатной” скорости света, но это нечто большее. Внутри оптических часов время не течет, поэтому высота в некотором месте на графике показывает реальную скорость света в этом месте. Он также отображает гравитационный потенциал в этом месте. Между тем наклон в некотором месте отображает первую производную гравитационного потенциала и, следовательно, силу тяжести в этом месте. Кривизна в некотором месте отображает вторую производную гравитационного потенциала и, следовательно, приливную силу в этом месте. Именно здесь сила тяжести меняется больше всего. Это искривление пространства-времени. Если у вас нет искривления пространства-времени, ваш график не может выйти за пределы плоскости и уровня, поэтому считается, что искривление пространства-времени является определяющей характеристикой гравитационного поля. Но обратите внимание, что шарик катится вниз там, где лист наклонен, а не изогнут, и что ваш сюжет - это то, что изогнуто, а не пространство. Ваш график измерений изогнут, поэтому ваша метрика изогнута, поэтому пространство-время изогнуто, а пространство - нет.

Свет не следует за искривлением пространства-времени
Вот почему свет не следует за искривлением пространства-времени. Вы можете оценить это, если увеличите часть сюжета. Если мы представим луч света желтой линией, он изгибается везде, где есть градиент гравитационного потенциала. Вот где участок имеет наклон, где линии сетки наклонены, а не изогнуты.

Сила гравитации и, следовательно, кривизна света больше всего там, где наклон наибольший. Наклонные световые конусы в статье стэнфордских сингулярностей и черных дыр 2009 года Эрика Куриэля и Питера Бокулича изображают это. В качестве альтернативы вы можете имитировать наклон с помощью куска жесткой доски. Поднимите одну сторону вверх и перекатите по ней шарик. Он следует по изогнутой траектории, потому что доска наклонена, а не потому, что доска изогнута. Это похоже на комнату, в которой вы находитесь. Сила тяжести составляет 9,8 м / с2 у пола и потолка, поэтому нет обнаруживаемой приливной силы и, следовательно, нет обнаруживаемой кривизны пространства-времени. Но ваш карандаш все равно падает. Это можно обнаружить. Следует отметить, что гравитация существует не потому, что пространство-время искривлено, а потому, что существует градиент потенциала и градиент скорости света.

Гравитационное замедление времени происходит не потому, что пространство-время искривлено
Еще один момент, который следует отметить, заключается в том, что гравитационное замедление времени происходит не потому, что пространство-время искривлено. Это путает причину и следствие. Искривленное пространство-время соответствует вашему изогнутому графику оптических тактовых частот, а оптические часы не замедляются, когда они ниже, потому что ваш график тактовых частот изогнут. Они движутся медленнее, когда они ниже, потому что свет движется медленнее, когда он ниже, наряду со всеми другими электромагнитными явлениями. И свет идет медленнее, когда он ниже, потому что пространство вблизи Земли отличается от пространства дальше. Поскольку концентрация энергии в виде массивной планеты “обуславливает” окружающее пространство, этот эффект нелинейно уменьшается с расстоянием.

Пространство - это поляризуемая среда
Эйнштейн говорил об этом в своем выступлении в Лейдене в 1920 году. Он сказал следующее: “Согласно этой теории, метрические качества континуума пространства-времени различаются в среде разных точек пространства-времени и частично обусловлены материей, существующей за пределами рассматриваемой территории.Эта пространственно-временная изменчивость взаимных отношений стандартов пространства и времени или, возможно, признание того факта, что "пустое пространство" в его физическом отношении не является ни однородным, ни изотропным, вынуждая нас описывать его состояние десятью функциями (потенциалами гравитации g μν), имеет,Я думаю, наконец-то избавился от мнения, что пространство физически пусто”. Эйнштейн не говорил об искривлении пространства-времени. Вместо этого он говорил о пространстве, которое не было ни однородным, ни изотропным. Он закончил, сказав это:подводя итог, мы можем сказать, что согласно общей теории относительности пространство наделено физическими качествами; следовательно, в этом смысле существует эфир ”r. Он также говорил о “преломлении световых лучей гравитационным полем”. Так же поступил Ньютон, см. Opticks query 20: “Разве эта эфирная среда, выходя из воды, стекла, хрусталя и других компактных и плотных тел в пустых пространствах, не становится все плотнее и плотнее постепенно, и тем самым преломляет лучи света не в точке, а изгибая ихпостепенно по кривым линиям?”Все эти разговоры об эфире могут показаться архаичными, но это не так. Джулиан Швингер написал статью "Квантовая электродинамика II : поляризация вакуума и собственная энергия". Пространство - это поляризуемая среда. Вы также можете найти современных авторов, говорящих почти то же самое. См., например, статью 2008 года " Неоднородный вакуум: альтернативная интерпретация искривленного пространства-времени".

Пространство - это не какая-то идеальная ньютоновская пустота
Также посмотрите статью “Теории эфира” в Википедии и обратите внимание на цитату Роберта Б. Лафлина: "иронично, что самая творческая работа Эйнштейна, общая теория относительности, должна сводиться к концептуализации пространства как среды, когда его первоначальная предпосылка [в специальной теории относительности] заключалась в том, что такой среды не существовало". Лафлин также сказал, что пространство больше похоже на кусок оконного стекла, чем на идеальную ньютоновскую пустоту. Закончил он словами: “Современная концепция космического вакуума, ежедневно подтверждаемая экспериментом, представляет собой релятивистский эфир. Но мы не называем это так, потому что это табу ”. Предполагается, что Эйнштейн покончил с эфиром в 1905 году, но, в конце концов, он этого не сделал. Он думал о пространстве как о чем-то, а не как о пустоте. В своем эссе 1929 года об истории теории поля Эйнштейн описал поле как состояние пространства. Он говорил о гравитационных и электромагнитных полях и сказал следующее: “Однако едва ли можно представить, что пустое пространство имеет условия или состояния двух существенно разных видов”. Важно понимать, что, согласно Эйнштейну, поле - это не то, что существует в пространстве, это состояние пространства. Что касается состояния, я бы сказал, что гравитационное поле - это место, где пространство имеет градиент плотности энергии. Или, может быть, лучше сказать, что это градиент давления, и это пространство обладает упругостью.

Пространство моделируется как упругое твердое тело
Вот почему, если вы загуглите упругое пространство Эйнштейна, вы найдете множество совпадений. Именно поэтому общая теория относительности связана с механикой сплошной среды. Вот почему у нас есть тензор напряжения-энергии-импульса, который “описывает плотность и поток энергии и импульса в пространстве-времени”.

Общедоступное изображение Машена, основанное на изображении Бамсе см. Википедию
Член напряжения сдвига справа говорит вам, что мы имеем дело с чем-то, что можно смоделировать как какое-то упругое твердое тело.Диагональ энергия-давление говорит вам, что это упругое твердое тело, подверженное давлению. Для аналогии представьте, что у вас есть кусок прозрачного, как джин, призрачного эластичного желе с линиями сетки, чтобы вы могли видеть, что происходит. Вы вводите иглу для подкожных инъекций в центр блока и вводите больше желе. Это представляет собой концентрацию энергии, связанной как вещество массивной звезды. Это создает градиент давления в окружающем желе. Напряжение - это направленное давление, давление направлено наружу, а уравнение Эйнштейна G μν = 8nT μν моделирует то, как прозрачное призрачное упругое пространство обусловлено добавленной вами энергией. Но не забывайте, что вы добавили желе, чтобы представить энергию, и что желе также представляет пространство. Пространство не просто обладает какой-то врожденной внутренней энергией вакуума. На каком-то глубоком фундаментальном уровне пространство и энергия - это одно и то же.

Искривленное пространство-время - это не искривленное пространство и время
Да, некоторые люди говорят об упругом пространстве-времени в отличие от пространства, где гравитационные волны представляют собой упругую рябь, распространяющуюся в пространстве-времени. Я сам думаю, что это неправильный подход, потому что пространство-время моделирует пространство всегда, поэтому в пространстве-времени нет движения. Итак, упругим является пространство, а не пространство-время. Люди также говорят об искривленном пространстве-времени, как будто это искривленное пространство и искривленное время, но я думаю, что это тоже неправильный подход. Смотрите предварительные комментарии Джона Баэза и Эмори Банна статья, датированная 2006 годом: “Аналогично, в общей теории относительности гравитация на самом деле не является "силой", а просто проявлением искривления пространства-времени. Примечание: не искривление пространства, а искривление пространства-времени. Различие имеет решающее значение ”. Пространство не искривляется там, где есть гравитационное поле. Вместо этого, как сказал Эйнштейн, пространство “не является ни однородным, ни изотропным” там, где есть гравитационное поле. Потому что концентрация энергии обуславливает окружающее пространство. Из-за этого скорость света пространственно изменчива, и из-за этого кривые света. Когда вы строите пространственную неоднородность с помощью оптических часов на разных высотах, ваш график искривляется, потому что неоднородность уменьшается с расстоянием. Вот почему сила тяжести уменьшается с расстоянием нелинейным образом, в соответствии с правилом обратного квадрата. В конце концов, когда вы находитесь далеко от Земли, показания ваших оптических часов больше не изменяются с высотой. В таком месте пространство однородно, пространство-время плоское, свет идет прямо, и ваш карандаш не падает.

Лучшая аналогия
Важно понимать, что кривизна на картинке с резиновым листом не является кривизной пространства в каком-то более высоком измерении. У нас нет научных доказательств существования какого-либо такого высшего измерения. Однако у нас есть доказательства того, что пространство трехмерно. Вот почему трехмерное прозрачное, как джин, призрачное эластичное желе - лучшая аналогия, чем резиновый лист. Вы можете нарисовать это, представив, что смотрите на Землю в решетке из резинового листа снизу. Подумайте в 3D, и вы сможете почувствовать, как окружающее желе выдавливается наружу, а не тянется вниз или внутрь.

Однако это изображение все еще может вызвать проблемы, потому что Земля сферическая. В результате линии сетки искривляются, посылая неверное сообщение об искривленном пространстве-времени. Чтобы прояснить ситуацию, нам нужно увеличить масштаб, чтобы избавиться от кривизны Земли.

Фото предоставлено НАСА (я удалил Луну и добавил линии решетки и световой луч)
Высота каждого прямоугольника в решетке связана с оптической тактовой частотой в этом месте. Поскольку это оптические часы, высота каждого прямоугольника также связана со скоростью света в этом месте. А поскольку скорость света пространственно изменчива, луч света, проходящий через изображение, будет изгибаться вниз, как волна гидролокатора. Надеюсь, вы понимаете, как это связано с кривизной Риччи. Хотя на изображении выше показаны прямоугольники вместо геодезических шаров, вы можете легко представить, что чем более сплющенный прямоугольник, тем ниже гравитационный потенциал. И обычно, когда гравитационный потенциал ниже, градиент гравитационного потенциала круче, поэтому свет изгибается вниз еще сильнее.

Почему материя падает
В любом случае, как только вы поймете, почему искривляется свет, легко понять, почему материя падает. Все, что вам нужно знать о волновой природе материи, как продемонстрировал эксперимент Дэвиссона-Гермера. И об эффекте Эйнштейна-де Хааса, который “демонстрирует, что угловой момент вращения действительно имеет ту же природу, что и угловой момент вращающихся тел, как он понимается в классической механике”. И о создании пар, при котором мы можем создать электрон и позитрон из света. См. Статью Ганса Оганяна 1984 года "Что такое вращение?" Он сказал следующее: “средства для заполнения пробела были под рукой с 1939 года, когда Белинфанте установил, что вращение можно рассматривать как результат циркулирующего потока энергии”.Это похоже на то, что сказал Фейнман, если вы посмотрите на поток энергии, вы обнаружите, что он “просто циркулирует вокруг и вокруг”. Так что просто подумайте об электроне как о свете, вращающемся вокруг и вокруг. Затем упростите это до света, идущего по квадратной траектории.

Теперь представьте, что он находится в гравитационном поле. Вертикальные части траектории остаются вертикальными, но горизонтальные части немного наклоняются. Итак, электрон падает.

По сути, уменьшение скорости света преобразуется в движение электрона вниз. Внутренняя кинетическая энергия преобразуется во внешнюю кинетическую энергию. Но наклоняется только горизонтальная составляющая, поэтому ньютоновское отклонение материи составляет лишь половину отклонения света. Поскольку вы можете рассеивать протоны, нейтроны и другие объекты, тот же принцип применим к материи в целом. Для таких вещей, как ваш карандаш. Как сказал Ньютон в своем письме 1692 года Ричарду Бентли, на расстоянии нет волшебного таинственного действия. Также нет гравитонов, летающих взад и вперед. Для некоторых это может стать неприятным сюрпризом. Это не единственный.