Perché la gravità newtoniana, dove effettivamente è considerata una forza, è un'approssimazione abbastanza buona delle situazioni che consideri nella scuola media (e oltre).

Effetti relativistici generali sono molto deboli alle scale ordinarie che noi umani guardiamo, e sarebbe eccessivo introdurre il meccanismo completo della relatività generale (che richiede un trattamento matematico notevolmente più avanzato rispetto alle normali forze newtoniane) per trattare situazioni in cui l'errore incorso solo usare la versione newtoniana è trascurabile.

Inoltre, anche nel trattamento relativistico generale potresti ancora considerare l'effetto sul movimento delle particelle come una "forza", proprio come puoi considerare la forza centrifuga per essere una forza fittizia che appare nei sistemi di coordinate rotanti, vedi anche le risposte a Perché dobbiamo ancora pensare alla gravità come a una forza?

Anche se ci limitiamo a una concezione newtoniana del mondo, le forze non esistono . Una cosa essenziale che non viene sottolineata a sufficienza quando si insegna la fisica, è che la fisica (in tutta la sua meraviglia) non è altro che un modello matematico della realtà che percepiamo. Sia che tu stia prendendo in considerazione la meccanica newtoniana, la relatività o la meccanica quantistica.

Non ci sono coordinate, né vettori, né niente del genere nella realtà. Usiamo questi strumenti matematici per attribuire significato e mettere in relazione - e si spera spiegare - misurazioni e osservazioni che facciamo. Questo approccio ha avuto un enorme successo, sia in applicazioni più o meno dirette (si pensi alla NASA o a molte tecnologie all'avanguardia) che anche nei progressi teorici, come la meccanica quantistica (dove la giusta generalizzazione del formalismo hamiltoniano in qualche modo spiega magicamente le cose a livello di particelle ).

Nel caso particolare delle forze, nota che non misuri mai una forza. Ciò che misuri sono le sue conseguenze (il più delle volte, uno spostamento o un cambiamento di corrente, o molte altre cose) e interpreti quel cambiamento, usando il modello newtoniano, come l'azione di una forza.

Tim B. ritiene che questo sia un esempio di menzogna ai bambini. Sono completamente in disaccordo; a mio avviso, ciò di cui questo è un esempio è l ' idealizzazione che è qualcosa che ogni modello deve fare, in ogni branca della scienza. Come scrisse una volta George EPBox:

Essenzialmente, tutti i modelli sono sbagliati, ma alcuni sono utili.

Non sta mentendo, si chiama fare scienza. Ergo, insegnare che la gravità è una forza diventa disonesto solo se l'insegnante non riesce a sollevare il fatto che la gravità newtoniana è semplicemente un modello di interazione gravitazionale e che essenzialmente tutti i modelli sono sbagliati, inclusi GR e gravità quantistica. In breve, quindi, penso che la gravitazione fornisca un'eccellente opportunità pedagogica per discutere la pratica della scienza e la filosofia della scienza in un ambiente scolastico; e quindi, se fatto bene, non si qualifica come un esempio di menzogna ai bambini.

C'è una piccola sottigliezza qui. Per quanto ne sa qualcuno, potrebbe essere possibile scoprire una teoria del tutto (ToE) che non solo tiene conto di tutti i fenomeni di cui siamo attualmente a conoscenza, ma che, di fatto, spiega tutti i fenomeni che possiamo mai conoscere e tutte le entità con cui possiamo mai interagire.

Ma anche se qualche programma di ricerca scopre un ToE, fondamentalmente non c'è modo in cui possiamo mai sapere che è un dito del piede. Per evitare di soffocare completamente la fisica, dobbiamo sempre presumere che ci potrebbero ulteriori fenomeni di cui nessuno è ancora al corrente, anche se il ToE attualmente favorito sembra spiegare tutti i fenomeni conosciuti.

Ovviamente ci siamo già trovati in questa situazione; per molto tempo, è stato ampiamente ritenuto che la meccanica newtoniana fosse un ToE in grado di spiegare essenzialmente tutta la fisica. Quanto ci sbagliavamo, e quanto fortunati che certi pensatori si rifiutassero di accettare che la fisica fosse essenzialmente "fatta"!

È un esempio di "menzogna ai bambini".

https://en.wikipedia.org/wiki/Lie-to-children

Poiché alcuni argomenti possono essere estremamente difficili da comprendere senza esperienza, introdurre un livello completo di complessità a uno studente o un bambino tutto in una volta può essere opprimente. Quindi le spiegazioni elementari sono semplificate in un modo che rende la lezione più comprensibile, anche se tecnicamente sbagliata. Una bugia ai bambini dovrebbe essere sostituita con una spiegazione più sofisticata che sia più vicina alla verità.

Se osserviamo il nostro programma scolastico, quasi tutta la fisica che impariamo è fisica newtoniana. Tutto, dalla forza alle leggi del moto, è tutto basato su idee newtoniane.

E la teoria generale della relatività è un concetto moderno che in effetti è più vero. Ma sai che il GTR è un concetto difficile da capire per un bambino. Quindi, per rendere il corso semplice, queste cose ci vengono insegnate come una forza.

E anche prima di Einstein tutti credevano la gravità come una forza. Pertanto la tradizione classica è ancora continuata nei nostri libri. Che necessitano di una seria revisione.

Per darti un esempio anche in chimica, l'atomo viene insegnato ai bambini come una sorta di sistema solare. Cosa che chiaramente non è.

Vorrei prendere una prospettiva leggermente diversa su questa domanda e sottolineare che la maggior parte dei fisici crede che la gravità sia in realtà una forza. Il grande trionfo della fisica delle particelle moderna, il modello standard, contiene le forze forti, deboli ed elettromagnetiche. Queste forze sono rappresentate nel modello standard dalla presenza di portatori di forza (bosoni di gauge di spin 1): i bosoni Gluon, W e Z, e il fotone, rispettivamente, che si accoppiano a particelle con carica (elettrodebole o colore). Il modello standard è una teoria quantistica dei campi. Quando si sonda la struttura della materia ad alta energia, questa rappresentazione è necessaria. Tuttavia, a basse energie si possono costruire teorie efficaci che sono molto più semplici. Le equazioni di Maxwell sono un esempio. Allo stesso modo, la maggior parte dei fisici crede che le equazioni della relatività generale (equazioni di Einstein) siano la soluzione a bassa energia di una teoria quantistica della gravità dei campi. Quindi è naturale supporre che a una certa scala energetica le equazioni di Einstein si rompano (avvicinandosi al centro di un buco nero, per esempio). Il problema è che il portatore di forza per la gravità (il gravitone) dovrebbe essere una particella di spin 2, a differenza degli altri portatori di forza, e si sta dimostrando molto difficile costruire una teoria dei campi quantistici coerente delle particelle di gauge di spin 2. Attualmente la teoria delle stringhe è il candidato principale per tale teoria.

Quindi, nel corso della propria formazione come fisico, si impara prima che la gravità è una forza di Newton, poi che è davvero il risultato dell'essere in un spazio curvo da Einstein, e poi che deve essere davvero una forza dopo tutto! Il nome che attribuiremo a quest'ultima lezione è ancora da decidere, a quanto pare.

Penso che molte persone qui siano troppo intelligenti per capire questo punto:

perché non hai una scelta migliore . Semplicemente non è pratico e non fattibile insegnare ai ragazzi delle superiori la Relatività Generale. (um ... ti aspetti che conoscano già un tensore? e capiscano lo spazio-tempo?)

Inoltre, come menzionato da molti altri, l'approccio di Newton non è poi così male. In molti casi, l'approccio di Newton ci fornisce ottime risposte numeriche, che sono sufficienti per molti scopi.

Inoltre, la storia della gravità di Newton fornisce materiali eccellenti per i bambini per apprendere metodi scientifici, ad esempio, come e perché gli scienziati hanno misurato la costante gravitazionale? anche in questa domanda , stiamo abbracciando il fatto che la scienza non è mai la storia completa della natura , come disse una volta Feynman,

" Ogni pezzo, o parte, dell'intera natura è sempre solo un'approssimazione alla verità completa, o alla verità completa per quanto ne sappiamo. In effetti, tutto ciò che sappiamo è solo una sorta di approssimazione, perché sappiamo che noi non conosco ancora tutte le leggi ". -Richard Feynman

e questo farà capire ai bambini perché dovremmo continuare a fare scienza e incoraggiarli a farlo :)

Conosco due ragioni per le quali dovremmo considerare la gravità come una forza. Il primo è puramente classico e newtoniano: le forze di marea. La gravità è l'unica responsabile della produzione delle forze di marea e non possono essere considerate una forza fittizia, mentre la normale accelerazione dovuta alla gravità in un certo senso può sempre essere considerata fittizia. Il modo in cui sai che le forze di marea sono forze reali è che sono costruite direttamente usando il tensore di curvatura di Riemann, che non può essere fatto svanire usando un semplice cambiamento di coordinate. Confrontalo con l'accelerazione dovuta alla gravità, che in un contesto relativistico generale è caratterizzata dai coefficienti di connessione, $ \ Gamma ^ a_ {bc} $. A differenza del tensore di Riemann, i coefficienti di connessione non sono tensoriali e possono essere fatti svanire usando un cambio di coordinate (questa scelta di coordinate è chiamata coordinate normali di Riemann), che rivela la natura fittizia di questa forza. Da un punto di vista più pratico, le forze di marea dovrebbero essere considerate reali perché portano a cose come il riscaldamento dell'interno dei pianeti o la spaghettificazione del povero astronauta che cade in un buco nero.

La seconda ragione per cui si potrebbe considerare la gravità come una forza è più fondata nell'ambientazione quantistica. Nella teoria quantistica dei campi, il concetto di "forza" è generalmente sostituito da "interazione di gauge", cioè un bosone che si accoppia a una corrente conservata. Quando le persone dicono che ci sono quattro forze fondamentali, questo è generalmente il senso in cui usano la parola forza. Come teoria quantistica, la gravità si comporta in modo molto analogo alle forze elettromagnetiche, deboli e forti, sebbene ovviamente ci siano differenze nei dettagli. Nota anche che quando prendiamo il limite classico di molti gravitoni a bassa energia (la particella che trasporta la forza per l'interazione gravitazionale) otteniamo un'onda gravitazionale. E che tipo di forze producono le onde gravitazionali? Forze di marea! Ciò è evidente dal caratteristico schema di allungamento e compressione associato all'onda gravitazionale.

Quindi direi che la frase scherzosa che "la gravità non è una forza" è la vera bugia ai bambini che appare nelle introduzioni pedagogiche alla relatività generale.

Perché veniamo istruiti alla scuola media sulle forze?

Accetto la risposta di Shings; si tratta di pedagogia: è facile per i bambini pensare e visualizzare la forza, puoi spingere una sedia o tirare un elastico; quando fai oscillare una pietra legata a una corda in un cerchio puoi sentire la forza centrifuga.

Segue anche lo sviluppo storico della disciplina, che significa che stai imparando come funziona la scienza tramite il metodo induttivo, oltre che con la teoria e l'ipotesi ispirata: dopo tutto, Planck in realtà ha solo indovinato i quanti nel tentativo di risolvere il problema delle radiazioni del corpo nero.

È anche il linguaggio che codifica nel modo in cui la fisica è pensata e concettualizzata: la forza è espressa in termini di quantità di moto, e quindi il passaggio al formalismo lagrangiano è a momenti generalizzati; e poi di nuovo a QM sostituendoli con i loro operatori equivalenti.

Perché GR non è una forza

L'altro motivo è che il passaggio a GR, non negare o falsificare la Meccanica Newtoniana; in una cornice locale c'è un'approssimazione newtoniana in cui la gravità apparirà come di solito come una forza.

È nell'immagine globale che si può vedere che segue una geodetica, che vale la pena ricordare a noi stessi che è una particella che segue una linea "retta" su una superficie curva; quindi una generalizzazione della prima legge di Newton.

Il problema, in un certo senso, è la parola "è"; invece di pensare che significhi solo una cosa, è meglio pensare che equivoca tra diverse descrizioni:

Questa palla è dipinta di blu; è rotondo; è sdraiato per terra: molti servono a descrivere diverse prospettive sulla una e singola situazione.

Se la gravità non è una forza, perché a scuola impariamo che lo è?

Perché è una forza. Non è solo una forza nel senso newtoniano, in cui lavoro = forza x distanza. Quando lasci cadere un mattone, la "forza" di gravità non aggiunge energia al mattone. Invece converte l'energia potenziale in energia cinetica. Questo è diverso da quello che fai se acceleri il mattone orizzontalmente. Allora ci lavori sopra. Ci aggiungi energia. Lavori anche sul mattone quando lo sollevi. Eserciti una forza x distanza contro la gravità e di conseguenza aggiungi energia al mattone *. Quindi, quando lasci cadere il mattone, questa energia potenziale viene convertita in energia cinetica. Una volta che il mattone colpisce il suolo, questa energia viene dissipata e si ricomincia il ciclo. Il processo non è diverso da quello che faresti se tirassi via un elettrone da un protone, quindi non pensare che la gravità sia in qualche modo unica.

Ho studiato parte della Teoria della Relatività Generale di Einstein e capisco che afferma che la gravità non è una forza ma piuttosto gli effetti di oggetti che curvano lo spazio-tempo. Se questo è vero

Non è del tutto vero, temo. La curvatura dello spaziotempo si riferisce alla forza di marea, mentre "l'inclinazione dello spaziotempo" si riferisce alla forza di gravità. Guarda i coni di luce inclinati qui.

allora perché ci viene insegnato alle medie che è una forza?

Di nuovo, perché lo è. Semplicemente non ti raccontano la storia completa, tutto qui. Fai una domanda sul sollevamento di un mattone e su come si confronta con l'allontanamento dell'elettrone dal protone. Controlla il deficit di massa e continua a fare domande!

^{* A rigor di termini, aggiungi anche energia alla Terra, ma mentre lo slancio è ugualmente condiviso, l'energia no. La Terra ottiene una quota così piccola che la ignoriamo.}