¿Por qué todavía necesitamos pensar en la gravedad como una fuerza?

La gravedad es vista como una fuerza porque es una fuerza.

Una fuerza$F$es algo que hace objetos de masa$m$acelerar de acuerdo a$F=ma$. La Luna o la ISS que orbita alrededor de la Tierra o una manzana que cae son acelerados por una fuerza particular que está vinculada a la existencia de la Tierra y le hemos reservado el término técnico "gravedad" durante más de 3 siglos.

Einstein explicó esta fuerza gravitacional,$F=GMm/r^2$, como consecuencia del espacio-tiempo curvo alrededor de los objetos masivos. Pero sigue siendo cierto que:

La gravedad es una interacción mediada por un campo y el campo también tiene una partícula asociada, exactamente como el campo electromagnético.

El campo que comunica la gravedad es el campo tensor métrico$g_{\mu\nu}(x,y,z,t)$. También define/perturba las relaciones de distancias y geometría en el espacio-tiempo, pero esta interpretación "bonita" adicional no importa. Es un campo en el mismo sentido que el vector eléctrico.$\vec E(x,y,z,t)$es un campo El tensor métrico tiene una mayor cantidad de componentes, pero eso es solo una diferencia técnica.

Al igual que los campos electromagnéticos pueden soportar soluciones ondulatorias, las ondas electromagnéticas, el tensor métrico permite soluciones ondulatorias, las ondas gravitacionales. Según la teoría cuántica, la energía transportada por la frecuencia$f$Las ondas no son continuas. La energía de las ondas electromagnéticas se transporta en unidades, fotones, de energía.$E=hf$. La energía de las ondas gravitacionales se transmite en unidades, gravitones, que tienen energía$E=hf$. Esta relacion$E=hf$es completamente universal.

De hecho, no sólo los "haces" de ondas pueden interpretarse en términos de estas partículas. Incluso las situaciones estáticas con una fuerza intermedia pueden explicarse por la acción de estas partículas (fotones y gravitones), pero deben ser fotones y gravitones virtuales, no reales. Nuevamente, las situaciones de electromagnetismo y gravedad son totalmente análogas.

Preguntas si el espacio-tiempo es el campo de fuerza. Hasta cierto punto Sí, pero es más exacto decir que la geometría del espacio-tiempo, el tensor métrico, es el campo.

En cuanto a su última pregunta, de hecho, se puede describir el movimiento libre de una sonda en el campo gravitatorio diciendo que la sonda sigue las trayectorias más rectas posibles. Pero hacia dónde conducen estas trayectorias más rectas, y, por ejemplo, si son periódicas en el espacio (órbitas), depende de cuál sea realmente el campo gravitacional (geometría del espacio-tiempo). Entonces, en lugar de pensar en las trayectorias como "líneas rectas" (lo cual no es bueno como una actitud universal porque el espacio-tiempo en sí mismo no es "plano", es decir, está hecho de cuadrículas uniformes rectas mutuamente ortogonales), es más apropiado pensar en las trayectorias en un espacio de coordenadas y no son rectos en general. Ellos'

Para resumir, la gravedad es una interacción fundamental al igual que las otras tres. Las únicas diferencias entre la gravedad y las otras tres fuerzas son una interpretación "bonita" adicional del campo de fuerza gravitacional y algunos tecnicismos como el espín más alto de la partícula mensajera y la no renormalización de la teoría efectiva que describe esta partícula.

A riesgo de ser reprendido por el físico por una gran simplificación, ¿puedo dar una respuesta intuitiva?

En un marco de referencia giratorio, existe la fuerza centrífuga (al igual que la fuerza de Coriolis). Los observadores en marcos giratorios ven objetos que se mueven libremente en trayectorias curvas. Llegan a la conclusión de que existe una fuerza, e incluso pueden generar una fórmula para ello. Un observador fuera del marco giratorio ve que el objeto se mueve a velocidad constante y concluye que no actúa ninguna fuerza sobre él. La fuerza es ficticia, pero válida dentro del marco giratorio.

Sin embargo, la fuerza ficticia tiene dos cualidades interesantes. En primer lugar, no tiene una explicación obvia. ¿Por qué algo PARECE ser forzado a alejarse del centro de rotación? No hay ataduras, ni imanes, ni viento soplando desde el centro. No hay explicación para la fuerza centrífuga, no importa cuán real se sienta.

En segundo lugar, la fuerza ficticia tiene la asombrosa característica de que produce la misma aceleración (aparente) en todos los objetos, sin importar su masa. (Compare: F=ma, entonces para una F dada, si m es más alta, a debe ser más baja).

Ahora mira la gravedad. La Tierra tira de los objetos hacia abajo sin tocarlos. ¡Sin ataduras! Además, todos los objetos tienen la misma aceleración debido a la gravedad, independientemente de su masa. Así que la gravedad tiene las características de una fuerza ficticia.

Ahora, considere el GR de Einstein. En pocas palabras (y aquí es donde los físicos podrían criticarme, pero yo voy por la intuición, no por la validez matemática): Einstein dice que el espacio-tiempo es curvo. No percibimos la curva. Entonces, cuando pensamos que estamos viajando a velocidad constante a través del espacio-tiempo, en realidad estamos acelerando. Por lo tanto, deberíamos detectar una fuerza ficticia. La gravedad es esa fuerza.

(Recuerde, una fuerza puede ser ficticia, pero es muy real dentro del marco de referencia acelerado).

-Robar

La gravedad no es especial en absoluto. Parecía ser especial en los albores del siglo XX, pero ahora el panorama es diferente.

Los campos son más que solo fuerzas. Los campos pueden tener su dinámica intrínseca, solitones, características topológicas, vacío no trivial.

A partir del aspecto de fuerza, el campo electromagnético hace una fuerza de 4$qF^{\mu\nu}u_{\nu}$, y el campo gravitatorio forma una fuerza de 4$-m\Gamma^{\mu}_{\nu\lambda}u^{\nu}u^{\lambda}$. Esto se ve esencialmente similar.

Todo campo conocido tiene una densidad langangiana. La gravedad también tiene uno.

Por otro lado, los valores de campo gravitatorio, es decir,$g_{\mu\nu}$,$\Gamma^{\mu}_{\nu\lambda}$y$R^{\mu}{}_{\nu\lambda\rho}$, pueden interpretarse como cantidades geométricas que describen el espacio-tiempo curvo. Esto parece ser una diferencia... al principio. ¡Pero la teoría moderna de campos usa la misma noción para otros campos también! Dice que el potencial electromagnético y la intensidad del campo son cantidades geométricas que describen el espacio curvo de un tipo especial: un haz de fibras , cuya base es nuestro espacio-tiempo habitual. Todos los campos de calibre se pueden interpretar de esta manera, y las 4 "fuerzas fundamentales" son, de hecho, campos de calibre.

Y esta interpretación geométrica no impide en modo alguno la cuantificación del campo. (Se puede entender en el sentido de la integral de ruta de Feynman para un campo). De la misma manera que la cuantización del campo electromagnético construye el fotón, una partícula que lleva la interacción electromagnética, la cuantización del campo gravitacional construye el gravitón , desempeñando el mismo papel. Los problemas con la cuantización, mencionados en todas partes, surgen más tarde, al calcular las perturbaciones y reunirlas como una teoría renormalizada.

Puedes pensar en la imagen de la fuerza y ​​en la imagen de la curvatura del espacio-tiempo como dos puntos de vista sobre el mismo tema. No se contradicen, ni obstaculizan, sino que se complementan y ayudan a imaginar y analizar diferentes fenómenos.

Mi conocimiento de la física realmente no se extiende a estos reinos, y me disculpo si me equivoco o estoy fuera del tema, o si estoy hablando muy por encima de mi cabeza. A menudo es divertido cómo la matematización de las cosas puede forzar cierto nivel de creencia o unificación, aunque solo confíe en el matemático.

Entiendo que la teoría de Kaluza-Klein de los años veinte proporciona una forma de unificación de la gravedad y el electromagnetismo. Al extender la relatividad general al espacio de 5 dimensiones, obtuvieron ecuaciones que se podían separar en dos conjuntos correspondientes respectivamente a las ecuaciones de campo de Einstein y Maxwell. ecuaciones para el campo electromagnético, y algunos extra ... wikipedia

En otras palabras, las mismas distorsiones del espacio-tiempo 5D crearían tanto el campo de gravedad como el campo electromagnético. Entonces no hay razón para ver a uno como "una fuerza" y encontrarlo irrazonable para el otro. O para decirlo de otra manera, el campo electromagnético también puede ser el resultado de la distorsión del espacio.

Ahora, supongo que hay muchos problemas con la teoría de Kaluza-Klein, que ni siquiera trataré de entender. Pero me parece suficiente para descartar la idea de que la gravitación deba ser de diferente naturaleza, o al menos hace muy plausible que tenga la misma naturaleza.

Esto probablemente se ha dicho anteriormente en términos más técnicos. Pero algo como la teoría KK, por inadecuada que sea, le habla mejor a un profano como yo.

En la mecánica clásica, los marcos acelerados crean fuerzas ficticias como la Fuerza de Coriolis. Por el principio de equivalencia, la gravedad dentro de un marco no acelerado es equivalente a un marco acelerado sin gravedad; luego se sigue que la gravedad es equivalente a una fuerza ficticia por el principio de equivalencia.

En física cuántica, una fuerza puede representarse como una onda o una partícula (o viceversa). Y, en términos de espacio-tiempo, la gravedad es una onda "negativa" o una onda que representa una energía atractiva que interactúa con la energía y la materia. Dado que las ondas se pueden pensar en cuantos, el gravitón, la representación de partículas de una onda gravitacional, es una unidad de fuerza de atracción. Por lo tanto, el estado de la gravedad como una fuerza es preservado por la teoría cuántica. (Esto se ilustra cuando estás acelerando, por la fuerza que sientes opuesta a la dirección de la aceleración, en relación con el marco de referencia que está cambiando la velocidad en relación con un campo exterior ( tenga en cuenta que esto fue dicho por einstein, (no por mí; no veo cómo esto ilustra cómo funciona el espacio-tiempo) aunque no palabra por palabra))

Respondiendo a su segunda pregunta, la interacción con irregularidades en el espacio-tiempo es la interacción partícula-partícula. El espacio-tiempo simple no tiene energía y, por lo tanto, no hay cuantos que afecten a la materia.

A continuación, tiene razón al suponer que el espacio-tiempo es el "campo de fuerza" con el que interactúa la materia para crear gravedad. (ADVERTENCIA: OPINIÓN PERSONAL A CONTINUACIÓN!!!!) Creo que esto se debe a que la materia está contenida dentro del espacio-tiempo como una parte móvil del mismo. Si es parte del espacio-tiempo, su energía "positiva" necesitaría una contraparte negativa; por lo tanto, la gravedad existe hoy.

El último punto es porque el espacio-tiempo incluye todas esas dimensiones superiores. Esto significa que cualquier dimensión mayor que la longitud, el ancho, la altura y el tiempo también se ven afectadas por la gravedad.

PD Hice esta respuesta tan simple como pude mientras respondía la pregunta, así que pregunte por los detalles que faltan.