¿Por qué los objetos "caen" a lo largo de las líneas geodésicas del espacio-tiempo?

Estoy trabajando en un documento que también aborda el tema de la relatividad general (entre otros temas).

La respuesta más común que recibo a la pregunta anterior (por qué caen los objetos) es que los objetos no están realmente estacionarios, se están moviendo a través del espacio-tiempo y, por lo tanto, se ven obligados a seguir las líneas geodésicas del espacio-tiempo. Me cuesta mucho entender esta explicación... ¿Cómo se mueve una manzana a través del espacio-tiempo? Al mirar el continuo espacio-tiempo desde el exterior, ¿no es la manzana 3d "en movimiento" en realidad un objeto 4d estacionario?

Aún más, en la representación común de la Tierra doblando el tejido del espacio-tiempo, entiendo que la cuadrícula 2d pretende ser una representación del continuo espacio-tiempo 4d. Entonces, ¿por qué la Tierra se representa como una esfera? ¿No debería representarse como un cilindro (largo) en su lugar, para que su existencia en el tiempo quede clara?

A continuación, ¿no debería representarse la manzana que cae como un cilindro mucho más delgado, que en algún momento (cuando se rompe el tallo) comienza a acercarse al cilindro más grande (la Tierra)?

¿Cómo es estacionario? Se está "moviendo" a lo largo del eje del tiempo.
Si hubiera un agujero profundo, hasta el centro de la Tierra, la manzana caería hasta el fondo. Si hubiera mil millones de agujeros de esa profundidad, alrededor de la Tierra, y se dejaran caer mil millones de manzanas en ellos, entonces todos llegarían al centro de la Tierra.
Entonces, incluso si decimos, a falta de un lenguaje mejor, que las manzanas 3D aparentemente estacionarias en realidad se están "moviendo" a lo largo del eje del tiempo, cuando se sueltan, ¿todas siguen líneas geodésicas hacia el centro de la Tierra? Encuentro que esto es muy extraño, porque en las representaciones gráficas, las líneas geodésicas del eje t nunca parecen converger hacia el centro del planeta. En realidad, nunca parecen cruzarse entre sí. Entonces, ¿necesito ver una representación gráfica mejor y más precisa? ¡Muchas gracias!
"¿No debería representarse la manzana que cae como un cilindro mucho más delgado, que en algún momento (cuando se rompe el tallo) comienza a acercarse al cilindro más grande (la Tierra)?" - En un gráfico de espacio-tiempo, sí exactamente, busque "volumen mundial".
"en la representación común de la Tierra doblando el tejido del espacio-tiempo, entiendo que la cuadrícula 2d pretende ser una representación del continuo espacio-tiempo 4d" -no realmente, esos gráficos pueden ser confusos, se supone que para imaginar una canica o algo rodando sobre esa tela y ser capaz de curvarse alrededor de la tierra (pero piénselo, eso significaría en el gráfico, la fuerza de gravedad sería "hacia abajo", como desde el polo norte hacia el sur .) No hay eje de tiempo en esos gráficos.

Respuestas (2)

Primero, solo una partícula de prueba "cae" a lo largo de una geodésica. Una partícula de prueba es un objeto idealizado no solo en reposo, sino que tampoco contribuye a la curvatura del espacio-tiempo (sin masa, sin energía). Una manzana puede considerarse como una partícula de prueba en un sistema que incluye a la tierra, pero es una simplificación, ya que el espacio-tiempo general está determinado por la dinámica de todos los objetos que supuestamente viven "en" él; ver esta respuesta mía relacionada .

Ahora bien, un objeto masivo también seguiría una geodésica, si tomamos en cuenta este objeto en el propio espacio-tiempo considerando cómo él mismo distorsiona el espacio-tiempo. Vea esta pregunta : como dice John Rennie allí, es una cuestión de terminología. El punto principal que quiero resaltar aquí es que el espacio-tiempo no es un trasfondo . No existe un "tejido" de espacio-tiempo.

En segundo lugar, y como afirmas correctamente en la pregunta, una geodésica no es una trayectoria puramente espacial, es una curva de 4 dimensiones, por lo que en realidad es engañoso pensar en "caer a lo largo" de una geodésica, porque el aspecto dinámico de "caer " ya es parte de la propia geodésica. Una geodésica representa la línea universal de una partícula de prueba y, como tal, es estática: rastrea la posición del objeto en el sentido más generalizado, en todas las posibles descomposiciones relativas al observador en el espacio y el tiempo del espacio-tiempo unificado en el que vive. En otras palabras, dice dónde está la partícula en cualquier momento de una manera que es independiente de cualquier observador, de una manera absoluta.

Esto significa que "caer" a lo largo de una geodésica es simplemente equivalente a "estar en algún lugar" para un objeto relativista. No hay nada que obligue a un objeto a seguir una geodésica, una geodésica simplemente dice cuándo/dónde está un objeto, durante toda su existencia, una existencia durante la cual nada interfiere con su posición/momento (nada excepto la gravedad, pero precisamente porque la gravedad es reemplazada por la geometría en la reactividad general, equivale a una no interacción; vea las respuestas a esta pregunta para una discusión relacionada con el principio de equivalencia).

En resumen, una geodésica (temporal) es una afirmación geométrica sobre la inercia: ¿dónde estás cuando no haces nada y nada te afecta? En una geodésica.

En una variedad curva, como el espacio-tiempo en GR (relatividad general), una geodésica es una curva seguida por una partícula que no interactúa (caída libre), ya sea masiva o sin masa (fotón). Es la extensión del concepto de línea recta de SR (relatividad especial) como en el espacio-tiempo plano de Minkowski.
Para averiguar por qué se describe que los objetos caen, consideremos las coordenadas cartesianas en el espacio-tiempo de Minkowski. Incluso si una partícula masiva está en reposo, su coordenada de tiempo no se detiene, por lo que la trayectoria es una línea recta, paralela al eje del tiempo. Si la partícula se mueve con velocidad uniforme la línea recta presentará una inclinación. En un espacio-tiempo curvo, la línea de universo de una partícula tiene una forma menos simple, pero describe un camino de todos modos.
En cuanto a los otros puntos relacionados con la representación pictórica del tejido del espacio-tiempo, probablemente se trate de una visión artística.

Muchas gracias, Michele, entiendo la idea. Pero, ¿qué sucede si hay un gran agujero cilíndrico desde el polo norte hasta el polo sur de un planeta sin atmósfera y alguien deja caer una manzana en el polo norte? La manzana alcanzará la velocidad máxima en el centro del planeta, luego se ralentizará hasta cero justo antes de llegar al Polo Sur, y luego una y otra vez, etc... Entonces, ¿qué significa exactamente esto? ¿Qué significa exactamente la geodésica? se ven como en 4d? Según el comportamiento de la manzana, debería verse como un seno, ¿verdad? ¿O me estoy perdiendo algo aquí? Gracias.
@ user185092 Creo que estás pensando demasiado en esto. Si está experimentando localmente fuerzas de 0-g, se está moviendo en una geodésica.
@ user185092, sí, la manzana oscilará y la geodésica será una onda de algún tipo, aunque no estoy seguro de que sea sinusoidal. Recuerde también que las geodésicas de los objetos que caen no tienen que intersecarse en el centro de la Tierra. En tu ejemplo, si lanzaste la manzana con cierta velocidad horizontal, es posible que pase por alto el centro y, en cambio, lo orbite.