Domanda:
Perché la teoria della relatività generale di Einstein non sembra funzionare sulla Terra?
Nipun Alahakoon
2020-04-13 01:03:21 UTC
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Sono nuovo in fisica e ho imparato un po 'sulla gravità dal punto di vista di Einstein.Il succo è che gli oggetti pesanti creano la curvatura dello spaziotempo e gli oggetti in caduta libera si muovono sulle linee rette nella curvatura.

Ma non riesco a capire come questo si applichi agli oggetti sulla Terra.Ad esempio, perché gli elefanti non fanno la curvatura dello spaziotempo e fanno circolare la polvere intorno a loro?O semplicemente, come funziona la curvatura dello spaziotempo all'interno di un pianeta?

Potresti fare la stessa domanda sulla gravità dal punto di vista di Newton.Capisci la risposta in quel caso?
Nel caso di Newton la materia si attrae a vicenda.e che spiega dalla sua equazione e gli oggetti pesanti (che è la terra) attraggono gli altri oggetti e rispetto alla terra l'attrazione di altri oggetti è insignificante.
Ho rimosso una serie di commenti che cercavano di rispondere alla domanda e / o alle risposte.Tieni presente che i commenti dovrebbero essere usati per suggerire miglioramenti e richiedere chiarimenti sulla domanda, non per rispondere.
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Come spesso accade con domande di questo tipo, hai reso più difficile porre la domanda formulandola come una domanda su qualcosa contro i fatti.La relatività ** sembra funzionare ** sulla superficie della Terra per il semplice motivo che funziona * ovunque *, quindi chiedersi perché non lo fa significa porre una domanda per una spiegazione di una falsità.In futuro, prova a porre domande più come "come potremmo osservare gli effetti della relatività generale su oggetti ordinari delle dimensioni di un elefante o di un granello di polvere?"o domanda simile che non presuppone una falsità.
@EricLippert Hai analizzato e formulato molto bene come una tale domanda dovrebbe essere compresa e risolta da una persona benevola ;-).
'perché la polvere li circonda', in realtà lo fanno, e non hai bisogno della gravità di Einstein per questo, la gravità di Newton andrebbe bene.Il problema con gli elefanti, però, non è che hanno una massa ridotta, ma una densità bassa.
Sette risposte:
QiLin Xue
2020-04-13 01:17:45 UTC
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La risposta breve: gli effetti relativistici generali non sono per lo più evidenti su scala così piccola (tranne in pochi casi). Ad esempio, un modo comune per caratterizzare la forza di un campo gravitazionale è attraverso il numero adimensionale: $$ A = \ frac {GM} {Rc ^ 2} $$ dove $ G = 6,67 \ times 10 ^ {- 11} \ text {} \ mathrm {m ^ 3 kg ^ {- 1} s ^ {- 2}} $ span > è la costante gravitazionale, $ M $ è la massa, $ R $ è la distanza dall'oggetto e $ c = 2.99 \ times 10 ^ 8 \ text {m / s} $ è la velocità della luce. Per essere direttamente accanto a un elefante africano: $$ A \ approx 10 ^ {- 24} $$ Per la Terra: $ A \ approx 10 ^ {- 9} $ e anche per il Sole, $ A \ approx 10 ^ {- 6} $ . Generalmente, quando $ A \ ll 1 $ gli effetti sono praticamente trascurabili. In effetti, la maggior parte della fisica che descrive il moto planetario nel nostro sistema solare può essere accuratamente descritta con la fisica newtoniana standard. Tuttavia, ci sono alcuni casi estremamente delicati (ad esempio orbita di Mercurio / comunicazione satellitare) in cui è necessario tenere conto della relatività generale.

Solo per confronto, un buco nero (usando il raggio di Schwarzschild) fornisce un valore di $ A = 0,5 $ , che è molto più forte del significato del nostro Sole che abbiamo decisamente dovrà tener conto della relatività generale.

Del resto, anche la maggior parte degli effetti gravitazionali _Newton_ non sono facilmente evidenti sulla superficie terrestre.I topi e le piccole rocce non orbitano intorno agli elefanti.Per quasi tutti gli scopi quotidiani, la semplice vecchia gravità galileiana ("tutti gli oggetti massicci cadono verso il basso con la stessa accelerazione") è più che sufficiente.
Anche se non sono d'accordo con l'affermazione di @DoctorNuu, ha ragione nella sua risposta.Quindi non puoi dire "non visibile", ma piuttosto "nella maggior parte dei casi non visibile" o simili.Il GPS è infatti un buon esempio di dove è perfettamente valido.
Ho eliminato una serie di commenti e / o risposte inappropriati.
Tentativo di una formulazione "appropriata": tutta questa risposta sta dicendo "non viviamo in un buco nero".Lo sapevamo.Il punto della A adimensionale è piuttosto: dobbiamo regolare la precisione su quel fattore per ** misurare gli effetti in cui Newton e G.R.differire**.Ma probabilmente non era questa la domanda dell'OP.
@IlmariKaronen Ora voglio leggere una storia su un mondo in cui topi e piccole rocce orbitano intorno agli elefanti.
@Mayou36 In effetti, nota come ho incluso che i dispositivi sensibili (come la comunicazione satellitare) possono / devono tenerne conto, anche se lo modificherò nella mia prima frase.Inoltre, per quasi tutti gli scopi la gravità galileiana lo spiega abbastanza bene.Stavo solo cercando di fornire una semplice quantificazione di quanto siano importanti gli effetti.
@IlmariKaronen: Non la chiamerei proprio "gravità galileiana", perché non solo non era proposta da Galilei, ma ne era addirittura confuso, ed era uno dei motivi principali per cui le sue teorie eliocentriche furono respinte.È stato teorizzato fin dall'antichità classica che è proprietà di tutti gli oggetti non celesti che si sforzano di spostarsi verso il centro dell'Universo (che è il centro della Terra sferica).Senza la Terra al centro, questo non avrebbe funzionato, quindi prima di Newton l'eliocentrismo era solo una teoria marginale che sollevava più domande che risposte.
@user253751 potresti essere interessato a Incandescence di Greg Egan.Lì gli effetti della relatività generale sono evidenti osservando rocce volanti senza strumenti speciali a causa della, uhm, situazione precaria in cui si trovano i protagonisti.
C'è questo esperimento che si può fare sulla terra?https://youtu.be/Ym6nlwvQZnE?t=50
Puoi spiegare quale significato * fisico * ha A?In quanto tale, è solo un piccolo numero.Se lo dividiamo di nuovo per c, o semplicemente per 10E6, diventa ancora più piccolo.Sì, la gravità sulla Terra è piccola rispetto a quella nel raggio di Schwarzschild.Ciò non è una sorpresa e non spiega nulla perché i suoi effetti "newtoniani" sono ancora molto rilevabili.
@Peter-ReinstateMonica hai ragione sul fatto che questa quantità non dice molto finché $ M $ è in alto e $ R $ in basso.Tuttavia questa quantità * adimensionale * è ancora istruttiva in quanto ci dice i loro poteri.Se raddoppiamo $ M $ e $ R $, questo ci dirà che gli effetti saranno generalmente simili (cosa che non puoi immaginare).Inoltre, questa quantità esatta si mostra in numerosi risultati.Ad esempio, lo spostamento frazionario della lunghezza d'onda di un raggio di luce che percorre una distanza $ R $ in un campo gravitazionale $ GM / r ^ 2 $ è $ A $.
Probabilmente dovresti chiarire la tua ultima affermazione sui buchi neri.Fare un confronto con il sole rischia di fuorviare un laico, poiché la massa e / o la distanza sono cambiate rispetto alla nostra situazione con il sole.In particolare, sostituire il sole con un buco nero di uguale massa manterrebbe praticamente identica la forza del suo campo gravitazionale qui sulla Terra.
user257090
2020-04-13 12:38:28 UTC
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Ovviamente funziona come sulla terra.Considera solo questi fatti:

  • La Relatività Generale descrive / comprende anche la gravità "standard".Solo in un modo leggermente troppo complicato.
  • Le cose "lanciate in aria" così come i satelliti seguono esattamente il linee "rette" (note anche come geodetiche) della relatività generale.
  • Il sistema GPS deve tenere conto degli effetti relativistici generali per raggiungere la sua precisione.
  • Ci sono stati esperimenti di trasporto di orologi su piani che hanno confermato esattamente la relatività generale.

Certo, non è così drammatico come mostrato nei documentari, ma spesso nella scienza lo spettacolo è nascosto nei dettagli.

Esattamente.E gli elefanti piegano lo spazio intorno a loro, facendo curvare i granelli di sabbia intorno a loro.L'effetto è semplicemente troppo piccolo per essere notato!
E no, non ho dimenticato di mettere tag ironici sul mio ultimo commento ...
Gli elefanti gravitano.La relatività generale è la teoria della gravitazione.Non riesco a vedere l'ironia.Ah, davvero non ce n'era.Non tutto facile.
Bene, immagina un commediante senza alcuna formazione scientifica che pronunci quella linea esatta ... L'affermazione è corretta e vera, ma immagino che possa suonare come una satira a un orecchio non abituato a queste cose.Ecco perché ho aggiunto il disclaimer.
Lo chiamo "Effetto Penna Maiale" dopo il personaggio dei Peanuts.;)
@cmaster-reinstatemonica Possiamo misurare la "curvatura dell'elefante", anche in linea di principio?E se no, siamo davvero giustificati nell'affermare che GR vale a "scala di elefanti"?
@LawnmowerMan Bene, immagino che * potresti * eseguire l'Esperimento Cavendish (https://en.wikipedia.org/wiki/Cavendish_experiment) con due elefanti morti.I risultati non sarebbero così precisi a causa del diverso peso dei due elefanti, della minore densità degli elefanti e quindi della loro maggiore distanza dalle masse di prova e di altri effetti come la produzione di gas da parte delle carcasse in decomposizione, ecc. Pp. Ipreferisco che l'esperimento sia fatto con semplici vecchie palline di piombo, non solo per il valore scientifico ...
Stavo pensando a effetti di curvatura più specifici per GR, come il trascinamento dei fotogrammi.Immagino che se includiamo solo la gravità che piega le geodetiche, allora è banale.
@cmaster-reinstatemonica Scommetto che tutti qui stanno * morendo * dalla voglia di vedere quella proposta di sovvenzione ... :-D
fraxinus
2020-04-13 13:42:56 UTC
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Funziona praticamente. Ci capita di vivere in un ambiente in cui l'approssimazione newtoniana del GR è abbastanza buona.

Usiamo l'approssimazione newtoniana

  1. a causa della tradizione,
  2. perché è molto, molto meno di una seccatura di matematica e
  3. perché i risultati dell'approssimazione sono di accuratezza accettabile

Per quanto riguarda il motivo per cui gli elefanti non fanno orbitare oggetti attorno a loro:

in primo luogo, vedere https://en.wikipedia.org/wiki/Hill_sphere.

In breve: gli elefanti nel caso generale sono nella sfera Earth's Hill ed è la Terra qui che distorce maggiormente lo spaziotempo. Se vuoi che un oggetto delle dimensioni di un elefante abbia i suoi satelliti, devi metterlo da qualche parte lontano dalla Terra, in modo che la sua sfera Hill sia più grande dell'oggetto stesso.

secondo, l'aria. L'aria sta interagendo con tutto ciò che cerca di orbitare attorno alla Terra in modo piuttosto forte. A causa dell'aria, ogni orbita kepleriana diventa una curva balistica e l'oggetto va sulla superficie terrestre dove l'interazione è ancora più forte che nell'aria.

Claudio Saspinski
2020-04-13 08:05:39 UTC
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Invece della curvatura dello spaziotempo, è meglio pensare a un diverso sistema di coordinate.

Ad esempio, se qualcuno si trova a 1 km dal Polo Nord, tutta la terra (o il ghiaccio) fino all'orizzonte in tutte le direzioni (un raggio di circa 5 km) può trovarsi approssimativamente su una superficie piana.

Pur essendo piano, durante qualsiasi percorso in linea retta, tranne se radiale al polo, il percorso non è costante, se per percorso si comprende una data direzione ( $ 221 ^ \ circ $ ad esempio, quando $ 0 ^ \ circ $ è la direzione Nord. È una conseguenza dell'uso delle coordinate polari. Ma quando i calcoli vengono corretti per l'effetto di quelle coordinate curvilinee (derivata covariante) mostrano una velocità rettilinea costante.

In modo simile, nella nostra esperienza quotidiana di un $ g $ costante (approssimativamente piatto), qualsiasi oggetto in caduta ha una velocità non uniforme nelle nostre coordinate di spazio e tempo (e anche secondo i nostri sensi in questo caso). Ma segue anche una velocità costante lineare, nel senso che la derivata covariante della velocità è zero.

Potresti approfondire la notazione che stai usando dove $ 0 ^ 0 $ rappresenta il nord?È un modo per codificare latitudine e longitudine o qualcosa del genere?
@DavidZ: Nella notazione standard per rappresentare l'orientamento, 0 ° è verso nord, 90 ° è verso est, 180 ° verso sud, 270 ° verso ovest.(Vedi [https://en.wikipedia.org/wiki/Azimuth#Navigation”(https://en.wikipedia.org/wiki/Azimuth#Navigation).) Questa risposta utilizza un apice zero invece di un gradosegno, ma dubito fortemente che sia inteso a denotare qualcosa di diverso.
@ruakh Oh, l'apice $ 0 $ è precisamente la parte di cui stavo chiedendo, non il modo standard di indicare l'azimuth (che conosco abbastanza bene).TBH non mi è venuto in mente che potesse essere inteso come un voto di laurea.Modificherò, ma Claudio, se non è quello che intendevi, per favore annulla la mia modifica o creane un'altra per chiarire cosa intendi.
Roman Odaisky
2020-04-14 00:45:34 UTC
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O semplicemente, come funziona la curvatura dello spaziotempo all'interno di un pianeta?

La curvatura dello spaziotempo è molto osservabile sulla Terra.Infatti, se lo spaziotempo non fosse curvo, allora gli oggetti indisturbati seguirebbero linee rette nello spaziotempo, in altre parole, si muoverebbero con velocità costanti;ma gli oggetti rilasciati sopra la superficie della Terra si discostano visibilmente da questo, mostrando un'accelerazione verso il pianeta.

Per quanto riguarda i fenomeni sulla Terra che possono essere spiegati dalla GR ma non dalla gravità newtoniana, ora possiamo creare orologi estremamente precisi che possiamo utilizzare la dilatazione del tempo gravitazionale per usarli come dispositivi di misurazione dell'elevazione glorificati.

La segnalazione nel link è confusa su ciò che è "primo" nel documento del 2018 che riassume;vedere [questo dal 2005] (http://www.leapsecond.com/great2005/).
Árpád Szendrei
2020-04-14 02:10:36 UTC
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Gli elefanti hanno energia di stress e creano una curvatura dello spaziotempo.

Qui sulla Terra, su piccola scala, le altre forze (EM, deboli, forti) dominano sulla gravità.

Tuttavia, potresti chiederti cosa accadrebbe se mettessi un elefante nello spazio (gravità zero) e ci mettessi della polvere intorno. La polvere sarà attratta gravitazionalmente dall'elefante? Si lo farà. È così che originariamente i corpi celesti hanno iniziato a formarsi dalla polvere.

In astrofisica, l'accrescimento è l'accumulo di particelle in un oggetto massiccio attirando gravitazionalmente più materia, tipicamente materia gassosa, in un disco di accrescimento. [1] [2] La maggior parte degli oggetti astronomici, come galassie, stelle e pianeti, sono formati da processi di accrescimento.

https://en.wikipedia.org/wiki/Accretion_(astrophysics)

Ora, perché non vediamo lo stesso effetto qui sulla Terra di un elefante che ha attrazione gravitazionale visibile sulla polvere circostante? È perché qui sulla Terra, la curvatura dello spaziotempo è dominata dal campo gravitazionale terrestre e punta verso il centro della Terra. La polvere si sposta (indipendentemente dall'atmosfera) verso il centro della Terra.

Questa dovrebbe essere la risposta accettata.Árpád spiega in modo molto pratico come la GR sia applicabile ovunque e risponde alle preoccupazioni del PO riguardo agli elefanti.
slebetman
2020-04-16 00:00:42 UTC
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Gli effetti su scala umana sono normalmente troppo piccoli per essere misurati, ma succede.

La dilatazione del tempo è stata misurata utilizzando due orologi precisi, uno installato a livello del suolo e uno installato su una torre (vedi: Hafele – Keating_experiment).Quindi questo è un modo in cui la relatività generale influenza le cose reali a scala quasi umana sulla terra.Sulla base dell'esperimento possiamo essere certi che le persone in cima ai grattacieli vivano il tempo in modo diverso rispetto alle persone per strada.

Più recentemente i ricercatori sono riusciti a utilizzare orologi ancora più precisi per misurare la dilatazione del tempo spostando l'orologio di pochi centimetri verticalmente.(Vedi anche: https://arstechnica.com/science/2020/04/portable-clock-provides-new-ruler-for-measuring-the-earth/)



Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 4.0 con cui è distribuito.
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