Home » Articole » RO » Știință » Fizica » Teoria relativității » Imaginea canonică a relativității generale

Imaginea canonică a relativității generale

În formularea canonică a relativității generale (RG), noțiunile de bază, cum ar fi „metrica” ​​și „curbura”, par să sugereze puternic o viziune reducționistă asupra gravitației. De fapt, interpretarea RG ca o reducere a gravitației la curbură spațială este adesea atribuită lui Einstein însuși – o interpretare greșită comună, așa cum insistă Lehmkuhl (2014). De fapt, RG este de obicei prezentată ca o geometrizare a gravitației în manuale:

”Relativitatea generală este teoria lui Einstein despre spațiu, timp, și gravitație. La inimă, este un subiect foarte simplu (comparativ, de exemplu, cu orice lucru care implică mecanica cuantică). Ideea esențială este perfect simplă: în timp ce cele mai multe forțe ale naturii sunt reprezentate de câmpuri definite în spațiu-timp (cum ar fi câmpul electromagnetic sau câmpurile cu raza scurtă caracteristice forțelor sub-nucleare), gravitația este inerentă în spațiul în sine. În particular, ceea ce experimentăm ca „gravitație” este o manifestare a curburii spațiu-timpului. Sarcina noastră, atunci, este clară. Trebuie să înțelegem spațiu-timpul, trebuie să înțelegem curbura și trebuie să înțelegem cum gravitația devine curbură.” (Carroll, 2004)

În această interpretare, gravitația se dezvăluie ca o forță pseudo-geometrică: Gravitația este redusă la geometria spațială și devine un simplu efect al curburii spațiu-timpului. Maudlin (1996) susține acest punct de vedere. Fără îndoială, interpretarea manualului este foarte atrăgătoare. În primul rând, rămâne aproape de formalismul matematic, care unifică cu succes două concepte aparent foarte diferite: gravitația și geometria spațială. În al doilea rând, versiunea de manual oferă angajamente ontologice destul de transparente, cel mai important fiind faptul că spațiu-timpul este o manifestare Riemannian, M, cu o metrică, și că gravitația nu este o interacțiune (sau „forță”), ci pur și simplu curbura spațiu-timpului. În total, aceasta este o interpretare perfectă a RG.

Dar de ce să adoptăm această interpretare? Ce stă la baza imaginii de geometrizare, cu excepția faptului că formalismul canonic al RG conține obiectele matematice menționate mai sus? Pentru a răspunde la aceasta, trebuie să ne uităm la ceea ce se bazează pe conceptual: în centrul RG și în centrul imaginii de geometrizare, găsim principiul echivalenței lui Einstein. Rețineți că principiul echivalenței vine în diferite versiuni. În esență, există o versiune slabă și puternică. Principiul slabei echivalențe (PSE) afirmă că masa inerțială și masa gravitațională, ale oricărui obiect, sunt egale în valoare. Amintiți-vă de cazul mecanicii newtoniene: Aici, masa inerțială este constanta proporționalității între o anumită forță și accelerarea obiectului pe care forța acționează. Deoarece valoarea masei inerțiale a obiectului este aceeași pentru orice forță, masa inerțială are un caracter universal. Pe de altă parte, masa gravitațională este o cantitate specifică legată doar de forța gravitațională – este constanta proporționalității dintre gradientul potențialului gravitațional și forța gravitațională. Prima facie, ambele mase sunt independente din punct de vedere conceptual. Prin urmare, mg / mi poate diferi pentru diferite obiecte și, prin urmare, poate fi considerat ca o „sarcină gravitațională”. În consecință, comportamentul diferitelor obiecte dintr-un câmp gravitațional depinde, în general, de încărcăturile (diferite) gravitaționale, la fel cum comportamentul particulelor electromagnetice încărcate într-un câmp electromagnetic depinde de încărcarea particulelor. Totuși,Galilei a arătat empiric că masa inerțială și gravitațională sunt întotdeauna egale în valoare, mi = mg. Fiecare obiect dintr-un câmp gravitațional cade la aceeași rată, indiferent de proprietățile sale, inclusiv masa. Astfel, în mecanica newtoniană, masa inerțială și gravitațională sunt conceptual diferite (sau diferite în tip), dar empiric egale în valoare. În acest sens, gravitația este universală în mecanica newtoniană și se supune PSE – fără explicație. Imaginea de geometrizare a RG, pe de altă parte, este capabilă să ofere o explicație pentru PSE prin eliminarea totală a lui mg din teorie.

În primul rând, pentru a înțelege mai bine raționamentul de geometrizare și pentru a pregăti formularea principiului puternic de echivalență (PPE), să reformulăm esența versiunii slabe într-un experiment de gândire celebru:

”Imaginați-vă […] un fizician într-o cutie bine închisă, incapabil să observe lumea exterioară, care face experimente care implică mișcarea particulelor de test, de exemplu pentru a măsura câmpul gravitațional local. Desigur, el ar obține răspunsuri diferite dacă cutia stă pe Lună sau pe Jupiter decât dacă ar fi pe Pământ. Dar răspunsurile ar fi diferite, de asemenea, dacă cutia va accelera cu o viteză constantă […]” (Carroll, 2004)

Potrivit PSE, este imposibil să se decidă dacă efectele observate asupra particulelor de test care se încadrează liber provin dintr-un câmp gravitațional sau dintr-un cadru accelerat uniform. Acesta este rezultatul universalității gravitației. Așa cum am menționat, pentru câmpul electromagnetic este posibilă o astfel de distincție empirică: ar trebui pur și simplu să comparăm comportamentul particulelor cu sarcini diferite. Deoarece pentru gravitație „sarcina gravitațională” a particulei este universală, aceasta nu funcționează. Rețineți că, din cauza posibilelor neomogenități în câmpul gravitațional, acest lucru este valabil doar pentru cadre suficient de mici, din punct de vedere tehnic: este adevărat doar la nivel local. Putem apoi formula PSE după cum urmează:

”Mișcarea particulelor care se încadrează liber este aceeași într-un câmp gravitațional și un cadru accelerat uniform, în regiunile suficient de mici ale spațiului.” (Carroll, 2004)

Deoarece relativitatea specială (RS) ne spune că „masa” este o manifestare a energiei și momentului, PPE generalizează declarația de mai sus:

”În regiunile destul de mici ale spațiului cosmic, legile fizicii se reduc la cele ale relativității speciale; este imposibil să se detecteze existența unui câmp gravitațional prin intermediul experimentelor locale.” (Carroll, 2004)

Aceasta înseamnă că, la nivel local, putem întotdeauna să „transformăm” un câmp gravitațional, iar legile să se reducă la legile RS. În acest sens, gravitația devine o „pseudo-forță”: în RG nu există un astfel de potențial gravitational.

Acum, asta nu înseamnă că gravitația este fictivă. Dimpotrivă, aceasta înseamnă că gravitația se dovedește a fi inevitabilă: un obiect gravitational neutru în raport cu care am putea măsura accelerația datorată gravitației nu există. Prin urmare, fiecare obiect din univers care transportă energie și impuls este supus gravitației. De fapt, fiecare obiect este supus gravitației în același mod. Gravitația nu distinge între diferite tipuri de obiecte. Toate obiectele, indiferent de proprietățile lor, inclusiv de masă, sunt atrase universal.

Este universalitatea gravității, care pare să sugereze cu fermitate o imagine de gravitație a geometralizării. Pentru că gravitația, fiind în esență o  curbură a spațiului, o caracteristică a varietății Riemannian (sau a metricei), fiind o structură de fundal geometric, explică perfect de ce ar trebui să fie valabil PPE. Dacă gravitația este curbura spațiului, atunci este evident de ce putem face întotdeauna transformări locale astfel încât gravitația să dispară, de ce legile fizicii arată local ca legile RS. De asemenea, este evident și de ce acest lucru ar trebui să afecteze fiecare obiect din univers în același mod. Simplul fapt că efectele gravitaționale sunt aparent independente de proprietățile obiectelor susține afirmația că gravitația rezultă din spațiu-timp în sine și că noțiunea de masă gravitațională trebuie eliminată. Ca urmare, PPE nu joacă doar un rol important pentru RG, dar nici pentru dualismul teoretic al fizicii: o imagine de gravitație a geometrizării pare destul de decuplată de modul în care înțelegem celelalte interacțiuni fundamentale. În timp ce gravitația este spațio-temporală, celelalte interacțiuni fundamentale sunt câmpurile în spațiu.

Cu toate acestea, această perspectivă asupra RG nu este exclusivă. Lehmkuhl (2008) susține că interpretările în cadrul formalismului canonic nu se dedică tezei de geometrizare conform căreia gravitația este redusă la geometria spațio-temporală. În mod evident, RG asociază gravitația cu spațiu-timpul, dar tipul de asociere nu este fixat . În afară de interpretarea geometrică, se poate face și interpretarea câmpului sau interpretarea egalitară. Prima susține că, spre deosebire de imaginea de geometrizare, geometria spațiu-timpului este redusă la un câmp gravitațional, adică metrica, care este considerată drept „doar un alt câmp”. În schimb, în ​​cea mai puternică versiune, aceasta susține o identificare conceptuală a gravitației și spațiu-timpului în RG. Astfel de interpretări alternative par să reducă diferențele conceptuale dintre RG și celelalte teorii ale câmpului, și pot fi susținute în continuare de formulele teoretice gauge ale RG clasice în așa-numitul formalism tetrad sau vielbein. Brown susține din ce în ce mai mult perspectiva dinamică, care poate fi văzută ca o variantă a interpretării câmpului.

Dar aceste răspunsuri nu închid decalajele (tehnice) dintre ambele cadre, RG și teoria câmpului cuantic (TCC). Vagi asemănări formale între teorii nu pot fi considerate un motiv substanțial și fizic pentru unificare. Gândiți-vă doar la cazul legii gravitației lui Newton și al legii energiei electrice a lui Coulomb: Faptul că ambele legi prezintă aceeași formă matematică nu implică în nici un caz că fenomenele gravitației și electricității sunt legate în orice sens substanțial. În consecință, s-ar putea încă să bănuiți că pentru a explica abordări unificatoare, cum ar fi gravitația cuantică, trebuie să impunem principii externe suplimentare care să indice fizica.

Cu toate acestea, în ceea ce privește o argumentare împotriva imaginii geometrizării în favoarea unei perspective unificate, o altă abordare pare să fie mult mai relevantă: Weinberg, și alții – de exemplu Feynman (1995) și mai recent Donoghue – a promovat o înțelegere „negeometrică” a RG bazată pe TCC.

Sursa: Kian Salimkhani, Quantum Gravity: A Dogma of Unification?

Mecanica cuantică fenomenologică
Mecanica cuantică fenomenologică

O introducere la nivel fenomenologic, cu un aparat matematic minimal, în mecanica cuantică. Un ghid pentru cine dorește să înțeleagă cea mai modernă, mai complexă și mai neconformă disciplină fizică, un domeniu care a schimbat fundamental percepțiile oamenilor de știință … Citeşte mai mult

Nu a fost votat $4,99$12,19 Citește mai mult
Fizica fenomenologică - Compendiu - Volumul 1
Fizica fenomenologică – Compendiu – Volumul 1

Un compendiu care se dorește a fi exhaustiv pentru domeniul fizicii, cu accent pe explicarea fenomenelor și aplicațiilor practice. O carte pentru studiul personal, concisă și ușor de citit, care clarifică aceste teorii ale fizicii, cel mai important domeniu al … Citeşte mai mult

Nu a fost votat $9,99$28,47 Selectează opțiunile
Teoria generală a relativității
Teoria generală a relativității

Relativitatea generală este o teorie metrică a gravitației. La baza ei sunt ecuațiile lui Einstein, care descriu relația dintre geometria unei varietăți patrudimensionale, pseudo-Riemanniene, reprezentând spațiu-timpul și energia-impulsul conținut în acel spațiu-timp. Fenomenele care în mecanica clasică sunt atribuite acțiunii … Citeşte mai mult

Nu a fost votat $1,99 Selectează opțiunile

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *