¿Hay pruebas de que la gravedad doble el espacio o es solo la explicación más conveniente? [duplicar]

Encontré el pasaje de Weinberg, pero para citarlo necesito hacerlo en una respuesta (demasiado larga). Así que aquí va.

Hemos visto en este capítulo que la no desaparición del tensor$R_{\lambda \mu \nu \kappa}$es la verdadera expresión de la presencia de un campo gravitatorio. También vimos en el Capítulo 1 que Gauss fue llevado a introducir la curvatura gaussiana$K = -R/2$como la verdadera medida de la desviación de una geometría bidimensional de la de Euclides, y que posteriormente Riemann introdujo el tensor de curvatura$R_{\lambda \mu \nu \kappa}$generalizar el concepto de curvatura a tres o más dimensiones. Por lo tanto, no sorprende que Einstein y sus sucesores hayan considerado que los efectos de un campo gravitatorio producen un cambio en la geometría del espacio y el tiempo. Hubo un tiempo en que incluso se esperaba que el resto de la física pudiera llevarse a una formulación geométrica, pero esta esperanza se ha visto frustrada, y la interpretación geométrica de la teoría de la gravitación se ha reducido a una mera analogía, que persiste en nuestro lenguaje en términos como "métrica", "conexión afín" y "curvatura", pero por lo demás no es muy útil. Lo importante es poder hacer predicciones sobre las imágenes de las placas fotográficas de los astrónomos, las frecuencias de las líneas espectrales, etc., y simplemente no es así. No importa si atribuimos estas predicciones al efecto físico de los campos gravitatorios sobre el movimiento de los planetas y los fotones oa una curvatura del espacio y el tiempo. (Se debe advertir al lector que estos puntos de vista son heterodoxos y encontrarían objeciones de muchos relativistas generales).

Podría complementar lo que dijo Weinberg, pero... Bueno, no veo por qué. Creo que es bastante claro y sorprendente.

No hay una prueba del 100% en la ciencia; al menos no para la buena ciencia. Siempre se trata de ser la teoría más precisa/descriptiva/útil. Por ejemplo, la gravedad newtoniana es 'verdadera' en la medida en que es muy efectiva en una gran diversidad de situaciones. La relatividad general (GR) incluye todas las precisiones de la gravedad newtoniana y luego también explica una gran variedad de fenómenos adicionales en los que falla la gravedad newtoniana. Creemos que hay lugares donde GR está incompleto: cuando también necesitas describir cosas en las escalas mecánicas cuánticas . También hay algunas peculiaridades sobre el 'sector oscuro' ( Materia Oscura y Energía Oscura).) que realmente no entendemos. Pero, para todos los efectos, GR puede explicar satisfactoriamente todos los fenómenos gravitacionales observados, incluida una amplia variedad de 'Pruebas de GR' --- que, muy importante, ninguna otra teoría puede hacer .

Al mismo tiempo, la descripción de la gravedad a través de la Relatividad General es intrínsecamente la del espacio-tiempo 'curvo'. La ' métrica ' de GR es fundamentalmente, e inextricablemente, una descripción de la misma geometría del espacio-tiempo 3+1 que, puramente a partir de eso, describe todas las dinámicas gravitatorias resultantes. Una descripción de GR es efectivamente sinónimo de una descripción de espacio-tiempo curvo. Que yo sepa, esto también es exclusivo de GR. Por lo tanto, al demostrar la precisión de GR, se demuestra la validez de ver la gravedad como un espacio-tiempo curvo. Como se describe en este primer párrafo, esto aún debería estar sujeto a la misma interpretación de que esta es actualmente la mejor descripción de las propiedades observables del universo.

Tests of General Relativity (breve resumen, ver wikipedia para más detalles)

• "Precesión del perihelio de Mercurio" (dinámica): la órbita de Mercurio no es una elipse perfectamente cerrada, sino que 'precede' (gira ligeramente). Los efectos dinámicos exóticos también han sido observados por misiones espaciales y en la dinámica de las estrellas que se mueven cerca del agujero negro masivo en nuestro centro galáctico .
• "Desviación de la luz por el sol" (lente): se observa que la trayectoria de la luz es desviada por objetos masivos. Esto se observó a la luz de estrellas individuales que se movían detrás del sol, pero desde entonces se ha extendido a ejemplos de imágenes de galaxias duplicadas o completamente distorsionadas , o efectos estadísticos sutiles a grandes campos de galaxias distantes . La causa de la desviación (según lo leído por GR) es muy literalmente la curvatura del espacio-tiempo --- causando que todos los objetos (incluso los fotones, sin masa en reposo) sean desviados.
• "Desplazamiento al rojo gravitacional" (viaje de la luz): la frecuencia de la luz se "desplaza al rojo" a medida que cambia su profundidad en los pozos de potencial gravitatorio. Del mismo modo, los efectos de retraso del espacio-tiempo deformado se han observado durante mucho tiempo , y es un componente muy importante de cómo funciona el GPS .
• Púlsar binario (ondas gravitacionales): la descomposición orbital del púlsar binario 'Hulse-Taylor' es consistente con la emisión de ondas gravitacionales con una precisión increíble , y ganó un premio Nobel. Las ondas gravitacionales son, muy literalmente, ondas viajeras en el espacio-tiempo que pueden transportar energía.
• Cosmología: La expansión del espacio, y especialmente la inflación, encaja muy bien y de forma natural en el contexto GR --- porque describe el espacio-tiempo en sí mismo, explícitamente, en lugar de solo los objetos dentro de él. Las únicas explicaciones alternativas que tenemos para estas observaciones son extremadamente complicadas y requieren muchas herramientas diferentes para diferentes regímenes (es decir, cambiar la masa/velocidad de la luz, etc. puede explicar las observaciones de expansión, pero se necesita algo más para explicar la homogeneidad y otra cosa más) para el problema del horizonte o del monopolo, etc.). Este es otro ejemplo de un espacio-tiempo dinámico y flexible que se está empleando.

En un futuro muy cercano, esperamos detectar ondas gravitacionales directamente utilizando matrices de sincronización Pulsar e interferómetros láser terrestres . Esto sería un 'clavo en el ataúd' para la interpretación de la gravedad como espacio-tiempo.

Hay un fenómeno muy real llamado 'lente gravitacional', en el que la luz se desvía de su trayectoria original por un grupo de materia lo suficientemente masivo (que curva el espacio-tiempo a su alrededor). Además, está doblado en una cantidad diferente a la predicha por una simple aplicación de las ideas newtonianas, como señaló amablemente Rob Jeffries. ¿Es esta evidencia suficiente? =]

https://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_lens

Se debe distinguir entre el significado común de curvatura (llamada curvatura extrínseca) del significado matemático de curvatura utilizado en la relatividad general (curvatura intrínseca). La curvatura intrínseca a veces se puede representar como curvatura extrínseca, pero en términos generales esto no ayuda y es desafortunado que los relatos populares tiendan a centrarse en este tipo de representación.

La curvatura intrínseca no implica que algo esté "doblado" en el sentido habitual. Significa que los teoremas de la geometría euclidiana no se aplican al espacio, y los de la relatividad especial no se aplican al espacio-tiempo (excepto en aproximación local).

Podemos ver la verdad de esto al reconocer el hecho diario de que los relojes en los satélites GPS no marcan el tiempo con relojes idénticos en la Tierra. Las leyes de la física son las mismas en los satélites GPS que en la Tierra, por lo que la velocidad local de la luz es la misma en un satélite GPS que en la Tierra. De ello se deduce que el medidor se ve afectado, y que la circunferencia de la órbita de los satélites no puede ser exactamente$2\pi R$, como sería el caso de una órbita circular en geometría euclidiana. Esto es precisamente lo que entendemos por curvatura intrínseca.

La ciencia no nos permite estar seguros de lo que son las cosas , sino de lo que sucederá : el conocimiento científico, y la "verdad", se trata de consecuencias , implicaciones y relaciones más que de "lo que las cosas realmente son".

El propósito de construir teorías es tratar de describir patrones de causa y consecuencia , para que podamos extrapolarlos a dominios donde aún no hemos explorado y/o comprender mejor cómo lo que obtenemos cuando exploramos esos dominios se relaciona con lo que buscamos. ya han explorado. Es decir, para que podamos hacer una pregunta de la forma "¿cuál será la consecuencia si hago X?" y poder tener una respuesta confiable incluso sin necesariamente ir y hacer X (lo que puede no ser factible).

Por lo tanto, si bien es común escucharlo, las ideas de que hay teorías "verdaderas" y "falsas" no son realmente correctas: solo hay teorías mejores y peores en términos de poder cubrir un dominio más grande y hacer menos inferencias incorrectas con respecto a esas consecuencias. - pero ninguna teoría puede estar segura de capturarlo todo porque la totalidad de todas las investigaciones empíricas será siempre finita. Es completamente posible (aunque no tenemos ninguna razón a priori para suponer ) que, digamos, el modelo de las cosas como "espacio-tiempo" realmente falle si de alguna manera pudieras "pasar por encima del horizonte cósmico", o incluso si fuéramos a partió lo suficientemente largo en el espacio ahora .ser realmente pequeños gnomos. Es solo que no hay nada inequívoco que ganar en términos de extrapolar los patrones de consecuencias que vemos.

También puede pensar en ello como una forma de "compresión de datos" que realizamos utilizando nuestra inteligencia: una teoría comprime una gran suma de datos empíricos, quizás de manera imperfecta, en un conjunto pequeño y convincente de reglas de generación. De hecho, así es como funcionan los algoritmos de compresión de datos adecuados y tontos: intentan encontrar patrones que puedan usar para reducir el tamaño de una parte de los datos de entrada. Y al igual que con la compresión de datos, cuanto más fidelidad y más datos puedan obtener mientras conservan un tamaño de salida razonable, mejor. Pero la compresión no es única: diferentes algoritmos pueden producir salidas comprimidas muy diferentes y, del mismo modo, puede haber una variedad de teorías muy diferentes que podemos usar para "comprimir" lo que tenemos ahora.

Por lo tanto, si hay algo que la ciencia dice sobre "lo que son las cosas", es que son , de hecho, comprimibles como tales con muy buena fidelidad.

Entonces, volviendo a la pregunta: ¿el "espacio" se "dobla" por la gravedad o no? Bueno, el espacio, o más propiamente el espacio-tiempo , es una construcción humana , una construcción intelectual o una construcción social: es algo que los humanos inventamos para tratar de comprimir nuestros datos empíricos y funciona bastante bien y nos permite extrapolar los consecuentes. relaciones. En ese sentido, su comportamiento está completamente definido por la teoría que construimos, por lo que la respuesta a su pregunta es sí , la gravedad se dobla, o mejor, es una flexión del espacio-tiempo, porque eso es parte de lo que es el "espacio-tiempo". lo definió, y encontró que lo hace útil en este sentido, es. Y también es el más ampliamente aplicable.tal construcción tenemos hasta ahora, pero no necesariamente la más conveniente o la más útil: en el trabajo diario, el sistema newtoniano más simple es completamente adecuado.

La publicación de Dilithium Matrix es bastante útil y bastante informativa si lo que realmente le interesa aquí es el valor epistemológico (experimental) de la relatividad general. Ningún físico debería estar demasiado preocupado por la falsificación experimental de la relatividad general dados los numerosos experimentos que se han realizado en los que pasó con gran éxito. Si su preocupación fuera más sobre la coherencia de las matemáticas, entonces cualquier matemático digno de su título habría encontrado esa discrepancia en las matemáticas hace mucho tiempo.

Lo que realmente le importa parece ser la interpretación de la teoría en cuestión, que está más cerca de una cuestión filosófica que de física (aunque la física y la filosofía se superponen con frecuencia). Ha habido una larga historia entre los filósofos y físicos que han discutido la realidad del espacio-tiempo así como la relación de esa discusión con teorías más modernas como la relatividad general o especial. Ha habido filósofos con respecto a la relatividad general que han argumentado en ambos sentidos sobre cómo interpretar la relatividad general si realmente hayes un espacio-tiempo existente que se curva o si es un conjunto más complejo de relaciones entre partículas materiales. Lo más que pude deducir de estas discusiones fue que no estaba claro si deberíamos interpretar la relatividad general de tal manera que el espacio-tiempo existe y explica los movimientos de los objetos materiales o no existe, pero son las relaciones físicas entre los objetos materiales las que dan lugar a este fenómeno.

Aquí hay un libro que abarca aquí que describe esa discusión históricamente pero también en lo que respecta especialmente a la relatividad general. Aquí hay una publicación de la enciclopedia de filosofía de stanford que también cubre esta discusión hasta una investigación más reciente sobre la dinámica sin preocuparse demasiado por las matemáticas.

Atentamente, un estudiante de primer año de la universidad que va a su segundo año.