He estado muy interesado en aprender acerca de los mecanismos detrás de los fenómenos físicos que van más allá de aprender a manipular las ecuaciones y dar una intuición física acerca de CÓMO ocurre algo. Me doy cuenta de que esto no es estrictamente "la realidad", porque estamos todavía dentro de los límites del modelo que estamos discutiendo, pero que son realmente grandes para la enseñanza acerca de que los fenómenos en la escuela secundaria y pregrado de introducción de los cursos. Quiero saber si alguien sabe de una buena explicación de por qué la masa-energía curvas en el espacio-tiempo. Es claro cómo se curva el espacio-tiempo geodesics hacer línea recta caminos miró curva en otros marcos, pero no cómo la curvatura es creado por la presencia de la masa-energía.
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Clásica de la relatividad general
Si "mecanismo" significa "descripción precisa en términos de algo más fundamental," luego clásica de la relatividad general no ofrece eso. En el clásico GR., la ecuación que conecta el espacio-tiempo de la curvatura de la masa-energía es la cosa más fundamental, como se explica en Dale la respuesta.
Sin embargo, clásica GR puede ser motivada en una forma relativamente sencilla, y con el propósito de dar a los estudiantes algunos de los inspiradores de la comprensión, la motivación podría ser lo suficientemente buena.
Esta es la idea: Uno de los pilares de nuestra comprensión actual de la naturaleza es el principio de la acción, que puede ser traducido libremente como diciendo que influye en ir en ambos sentidos. Si $A$ influye en el comportamiento de $B$, a continuación, $B$ también debe influir en el comportamiento de $A$.
Por ejemplo, si un campo electromagnético puede influir en el movimiento de un objeto cargado (que es la fuerza de Lorentz ecuación), entonces el movimiento de un objeto cargado se debe también a la influencia de un campo electromagnético (que las ecuaciones de Maxwell). Matemáticamente, la fuerza de Lorentz y ecuaciones de Maxwell las ecuaciones de las dos puede ser derivada a partir de una sola acción (la integral de una de lagrange), y esto garantiza que la carga de la$\to$campo y campo$\to$cargo influencias están relacionados unos con otros de una manera especial. Lo más importante para esta cuestión, tanto las influencias que existen.
Es claro cómo se curva el espacio-tiempo geodesics hacer línea recta caminos miró curva en otros marcos, pero no cómo la curvatura es creado por la presencia de la masa-energía.
La geometría del espacio-tiempo es descrito por la métrica de campo. Si los estudiantes aceptan que la geometría del espacio-tiempo (la métrica de campo) influye en el movimiento de los objetos materiales, entonces el principio de la acción, dice que la influencia debe ir a otro lado, también: los objetos materiales deben influir en el campo métrica, es decir, se debe influencia de la geometría del espacio-tiempo.
Para los estudiantes que se sienten cómodos con los derivados, la idea detrás del principio de la acción puede ser introducido como esto: Si $f(x,y)$ es una función única de $x$ e $y$, entonces las funciones $$ g(x,y) := \frac{\partial}{\partial x} f(x,y) \hskip2cm h(x,y) := \frac{\partial}{\partial y} f(x,y) \etiqueta{1} $$ están relacionados unos con otros de una manera especial. Específicamente, deben satisfacer $$ \frac{\partial}{\partial y} g(x,y) = \frac{\partial}{\partial x} h(x,y). \etiqueta{2} $$ En sus palabras: "si $g$ depende de $y$, a continuación, $h$ también debe depender de $x$ en relación con el camino (y a la inversa)." Esto es análogo al principio de la acción: influencias deben ir en ambos sentidos.
El verdadero principio de la acción para la relatividad general implica una sola función de $S(\text{metric},\text{matter})$, llama la acción, que depende de la métrica en el campo y en el resto de las entidades que tradicionalmente se llama materia (que en este contexto se incluye el campo electromagnético). Esquemáticamente, la ecuación que describe cómo la métrica campo de influencia a la materia puede ser escrito $$ \frac{\partial}{\partial\,\text{asunto}} S(\text{métrica},\text{asunto}) = 0, \etiqueta{3} $$ y la ecuación que describe cómo la materia influye en el campo métrica (la ecuación que se muestra en Dale la respuesta) puede ser escrita $$ \frac{\partial}{\partial\,\text{métrica}} S(\text{métrica},\text{asunto}) = 0. \etiqueta{4} $$ El trivial de identidad $$ \frac{\partial}{\partial\,\text{asunto}} \left( \frac{\partial}{\partial\,\text{métrica}} S(\text{métrica},\text{asunto}) \right) = \frac{\partial}{\partial\,\text{métrica}} \left( \frac{\partial}{\partial\,\text{asunto}} S(\text{métrica},\text{asunto}) \right) \etiqueta{5} $$ es análogo a la identidad (2). Se dice que si el campo métrica puede influir en el comportamiento de la materia en la ecuación (3), entonces la materia también debe influir en el comportamiento de la métrica de campo en la ecuación (4) en una especialmente relacionados con la forma. Detalles aparte, el mensaje importante es que la materia debe distorsionar la geometría del espacio-tiempo.
Los principios que dictan la forma precisa de la acción? Para solucionarlo, hemos Lovelock del teorema: la parte que describe la forma en que la materia deforma el espacio-tiempo (Einstein del campo de la ecuación) es esencialmente determinada únicamente por (a) general de la covarianza, (b) la suposición de que el espacio-tiempo de cuatro dimensiones y local como el espacio-tiempo de Minkowski, y (c) un estado técnico en el número de los derivados en el lagrangiano. Pero, de nuevo, el principio de la acción en sí misma ya que se dice que la influencia debe ir en ambos sentidos; estas condiciones adicionales sólo seguro de los detalles.
Un rayo de esperanza para una mejor respuesta...
Durante las últimas décadas, las sugerencias se han ido acumulando de que la gravedad (la distorsión del espacio-tiempo, la materia) puede ser algún tipo de fenómeno termodinámico y que el espacio-tiempo tal y como la conocemos es sólo una aproximación a algo más profundo.
Esto comenzó con la observación de que las leyes de los agujeros negros de la mecánica con el aspecto de las leyes de la termodinámica (superficialmente, al menos), pero con una entropía que las escalas con el área en lugar de con volumen. Luego vino Hawking y su derivación de los agujeros negros de la radiación, que accedió a la perfección con lo que la termodinámica, por analogía. Luego vino una aceleración de la inundación de información adicional, como Jacobson principios de papel Termodinámica del espacio-Tiempo: La Ecuación de Einstein de Estado y muchos más trabajos recientes como la Dinámica Gravitacional De Enredo "Termodinámica".
La mayoría de la reciente trabajo está relacionado con la sorprendente constatación de que el GR emerge naturalmente de ciertos inferior-dimensiones del campo cuántico en sistemas con interacciones fuertes. Esto se llama gauge/gravedad de la dualidad, y encarna el principio holográfico. La muy fuertes interacciones hacen que estos menores-sistemas de dimensiones difíciles de analizar directamente, que es probablemente la razón principal por la que esta relación pasó desapercibido durante tanto tiempo. Tal vez algún día sea entendido lo suficientemente bien como para ofrecer una respuesta satisfactoria a esta Física SE pregunta.
En física, el "cómo" algo que ocurre es descrito por las ecuaciones que lo gobiernan. Así que en este caso la explicación acerca de cómo la masa-energía curvas en el espacio-tiempo está dado por las ecuaciones de campo de Einstein.
Este es un conjunto de diez ecuaciones diferenciales acopladas que se relacionan los cambios específicos en la curvatura del espacio-tiempo en un lugar dado a la cantidad de masa-energía en ese lugar. Generalmente, esta ecuación está escrita en forma tensor porque de lo contrario se necesitaría muchas páginas para escribir. En forma tensor, y unidades naturales, tiene la engañosamente simple apariencia: $$R_{\mu\nu}-\frac{1}{2}R g_{\mu\nu} -\Lambda g_{\mu\nu}=8\pi T_{\mu\nu}$$
La "fuente" plazo $T_{\mu\nu}$ se llama el estrés de la energía del tensor. Contiene densidad de energía, que se debe principalmente a la masa, la inercia de la densidad, la presión y el estrés de cizalla, todos los cuales contribuyen a la curvatura del espacio-tiempo en una altamente no trivial de la forma.
Desafortunadamente, usted puede encontrar esta explicación es poco satisfactoria. A menudo, se prefieren las explicaciones que puede ser fácilmente y expresado sucintamente en inglés o en su idioma nativo). Pero naturales de nuestro vocabulario simplemente no tiene palabras para expresar la relación física que se expresa en las ecuaciones de campo de Einstein. Eso no hace que la explicación menos válida, sólo que menos apetecible.
