Duda tonta sobre los efectos de marea y las ecuaciones de campo de Einstein

Supongamos que le doy el siguiente elemento de línea:

(1) d s 2 = ( 1 + 2 ϕ ) d t 2 + ( 1 2 ϕ ) ( d X 2 + d y 2 + d z 2 )

Sin decir nada, podrías pensar que este es solo otro elemento de línea como un elemento de línea en coordenadas esféricas; podría pensar que solo realizo otra transformación de coordenadas en un sistema que está dotado de un gráfico particular en la variedad ( METRO , gramo ) .

Pero, si te digo que ( 1 ) elemento de línea describe la gravedad newtoniana y, además, que los símbolos ϕ son precisamente el potencial newtoniano de la gravedad, entonces usted podría preguntarse: "¿por qué?" Yo te daría la siguiente explicación:

El movimiento de una partícula en caída libre en un espacio-tiempo curvo viene dado por el siguiente cálculo de la derivada absoluta o intrínseca :

pag b b pag a = pag b ( b pag a + Γ C b a pag C )
Si considera el elemento de línea de ( 1 ) y velocidades no relativistas, entonces la ecuación de movimiento se reduce a (componentes espaciales):
pag b b pag a = metro d d τ pag i + Γ 00 i ( pag 0 ) 2
Que, después de los cálculos se reduce a:
d pag i d τ = metro d i j j ϕ = metro i ϕ
Ahora, considerando que estamos en un régimen de bajas velocidades, entonces la Ecuación de Newton es válida:
F i = metro ( ϕ gramo ) i
Entonces, dado que también es válido, por relatividad especial, que:
F i = d pag i d τ
Entonces,
metro ( ϕ gramo ) i = d pag i d τ = metro i ϕ
Implica que
ϕ = ϕ gramo
Y el elemento de línea describe la gravedad newtoniana, de hecho.

Ahora, dada una explicación razonable de que ϕ = ϕ gramo , se podría decir, también, que por principio de equivalencia ( 1 ) también describe, en una región local, una forma relativista de la gravedad.

Pero aquí viene mi duda, se que la desviación geodésica te da el tensor de Riemann, y para la métrica ( 1 ) puede concluir que la cantidad general que codifica la noción de "gravedad como curvatura" es altamente sugerida por el tensor de Ricci, porque la siguiente expresión le da una forma de hablar sobre los efectos de marea:

a m = D 2 d X m D τ 2 = R v γ β m tu v tu γ d X β a i = C 2 R 0 j 0 i d X j

Dónde a m = D 2 d X m D τ 2 se llama aceleración entre geodésicas, dada por la desviación geodésica .

Y ahora, la duda: ¿Por qué los efectos de las mareas no son locales? Dado que podemos describir los efectos de las mareas con el elemento de línea de ( 1 ) por

a i = C 2 R 0 j 0 i d X j = 1 C 2 k k ϕ gramo

Respuestas (2)

La pregunta general parece ser por qué los efectos de las mareas gravitatorias a menudo se describen como "no locales", aunque se supone que deben ser descritos por el tensor de curvatura, que depende solo de la información local.

El punto es que es más difícil medir un efecto de marea que un campo gravitatorio estático si haces experimentos en una región pequeña, porque los efectos de marea corresponden a diferencias en el campo gravitatorio. En otras palabras, los efectos de marea dependen de la segunda derivada de ϕ (al igual que el tensor de curvatura) mientras que los campos estáticos dependen solo de la primera derivada. Los términos derivados superiores son siempre "no locales" en el sentido de que es más difícil medirlos con un aparato pequeño, pero siempre son locales en el sentido de que los derivados se definen en puntos. No hay contradicción entre estas afirmaciones.

“es más difícil medir un efecto de marea” pero, ¿y las mareas del mar? Quiero decir, se puede ver que se está produciendo una influencia gravitacional.
@MNRaia Es más difícil medir un efecto de marea cuando estás sellado en una caja pequeña. Por supuesto, si tienes un aparato tan grande como la Tierra...
Entonces, ¿estás diciendo que la Tierra es el "gran ascensor de Einstein, cómo puede sentir los efectos de las mareas"?
@MNRaia Sí.

Para extender ligeramente la respuesta de knzhou. Lo que la gente quiere decir con 'no local' (o, por el contrario, con 'local') es que, independientemente de la precisión con la que se pueda medir la curvatura, existe una escala en la que el espacio-tiempo es plano y se puede medir. Esta escala es 'local' y en esa escala no se observan efectos de marea. Críticamente, esta escala es finita: no es solo un punto.

De hecho, esto no depende de GR: cualquier C campo métrico gramo en un colector METRO es localmente plana , lo que significa que para cualquier punto PAG METRO puede elegir un sistema de coordenadas en base al cual los componentes métricos gramo i j satisfacer:

  • gramo i j = ± d i j (la métrica es ortonormal en PAG );
  • gramo i j X k | PAG = 0 (la forma ortonormal de la métrica es una aproximación decente en PAG );
  • no todos 2 gramo i j X k X yo | PAG = 0 en general (las coordenadas dejan de ser orthornomales a medida que te alejas de PAG ).