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¿Por qué la velocidad de un objeto afecta a su trayectoria si la gravedad deforma el espacio-tiempo?

Creo que entiendo la idea de pensar en la gravedad no como una fuerza que tira de un objeto hacia otro objeto, sino como una deformación del espacio de manera que un objeto que se mueve en línea recta acaba siguiendo una trayectoria que lo acerca al objeto, como dos personas en el ecuador que se dirigen al Norte y acaban en el mismo punto aunque lo único que hicieron fue avanzar.

Lo que no entiendo es por qué la velocidad a la que viaja el objeto afectaría a la trayectoria que sigue si todo lo que hace es avanzar y es de hecho el espaciotiempo el que se dobla alrededor del planeta. Puedo entenderlo fácilmente en la mecánica clásica como dos fuerzas que se contrarrestan, pero no puedo visualizar lo que ocurre en un modelo de gravedad como espacio deformado.

Imagina un gran planeta y dos objetos que pasan junto al planeta, ambos con el mismo rumbo.

Uno es más lento que el otro. El objeto lento es capturado por el planeta y cae en una órbita (o al propio planeta si es demasiado lento para hacer una órbita). Si he entendido bien, este objeto simplemente avanza en el espacio, pero el propio espacio se dobla de modo que su trayectoria lo lleva ahora hacia el planeta. Pero nada ha sacado al objeto de su curso original.

El otro, un objeto que se desplaza rápidamente, tiene su trayectoria ligeramente torcida, pero vuela más allá del planeta y se aleja en el espacio. Lo mismo, simplemente se mueve hacia adelante y de nuevo su trayectoria se dobla en virtud de que el espacio mismo se dobla

Si estos dos objetos se mueven simplemente en línea recta a través del mismo espacio-tiempo doblado, yendo ambos sólo "hacia adelante", ¿cómo podría la velocidad de un objeto causar una trayectoria menos doblada hacia el planeta que la del otro? Seguramente uno solo viaja a través del mismo espacio tiempo igualmente doblado más rápido que el otro.

Estoy seguro de que me estoy perdiendo algo, pero no puedo encontrar una buena explicación, la mayoría de las explicaciones que puedo encontrar en línea sobre la visión de la gravedad como el espaciotiempo curvado ignoran por completo la velocidad a la que el objeto atrapado por la gravedad está viajando.

Seguimiento

Sólo quiero dar las gracias a todos los que han respondido a esta pregunta, me ha sorprendido lo mucho que la gente se ha preparado para formular las respuestas. No he elegido una respuesta aceptable, ya que no me siento capacitado para saber cuál es la mejor explicación, pero todas son muy buenas y me han ayudado a ampliar mi comprensión de este tema.

7voto

Cleonis Puntos 885

Sobre cómo tener en cuenta la velocidad existente:

Comience con la demostración de pensamiento estándar del Principio de Equivalencia: una nave espacial está acelerando en un espaciotiempo no curvo. La nave espacial está acelerando; está tirando de G's. Por el principio de equivalencia: todo el movimiento de los objetos en la nave espacial puede tratarse como un movimiento sujeto a la aceleración gravitatoria.

Siguiente paso: se lanza un proyectil desde un lado de la nave, la velocidad inicial del proyectil es perpendicular a la carga G.

Cuando ese proyectil llega al otro lado de la nave ya no se mueve exactamente en perpendicular. En el transcurso de su vuelo el proyectil ha descendido.

La cantidad de caída que se espera depende de dos factores:
La magnitud de la carga G
La velocidad del proyectil

En términos de física relativista cualquier proyectil está negociando espacio-tiempo .

El factor tiempo no puede omitirse en ningún caso del cuadro; si se omite, el propio cuadro desaparece.

Volviendo al proyectil en la nave espacial: el más rápido el proyectil está en movimiento, el menos tiempo que hay disponible para que la carga G provoque la caída del proyectil.

Pasando al ejemplo de tu pregunta: los satélites se ponen en órbita dándoles suficiente velocidad (en la dirección perpendicular a la gravedad de la Tierra).

Al igual que en la nave espacial: la cantidad de gota por unidad de tiempo es la misma para cualquier objeto. Pero cuando el objeto tiene una gran velocidad perpendicular, la cantidad de gota por unidad de distancia recorrida es comparativamente pequeño.

En términos más generales, no hay que pensar en el espaciotiempo curvo como una especie de conducto. La expresión "espaciotiempo curvo" expresa que un objeto que está negociando esa región del espaciotiempo sufrirá un cambio de velocidad. Este cambio de velocidad se suma a la velocidad existente, si es que la hay.

Estoy de acuerdo contigo: una presentación adecuada de lo que es el espaciotiempo curvo debería tener la capacidad de acomodar que una velocidad inicial diferente conduzca a un resultado diferente. A la inversa: si una presentación no puede acomodar eso, entonces es fatalmente deficiente.

Observaciones adicionales:
Incluso para los cuerpos celestes del sistema solar el espacial la no rectitud es todavía muy pequeña. En el caso del Sol y la órbita de Mercurio: la curvatura del espaciotiempo en su conjunto da lugar a la órbita de Mercurio, la precesión del perihelio de la órbita de Mercurio se correlaciona con el grado de espacial la no rectitud.

Para velocidades no relativistas la contribución de la no rectitud espacial al efecto total es muy pequeña, ejemplificada por la órbita de Mercurio.

Por otro lado, la luz se mueve tan rápido que hay muy poco tiempo para que la curvatura del espaciotiempo tenga efecto. Debido a ese escaso tiempo, el efecto espacial es una proporción mayor del efecto total. (El efecto de la no rectitud espacial no depende del tiempo disponible; es una espacial efecto).

Existe la curvatura de la luz por la curvatura del espacio-tiempo alrededor de una estrella. El 1919 Experimento Eddington buscaba medir la cantidad de desviación de la luz que roza el Sol. La predicción de la RG es de 1,75 segundos de arco. (La mitad de esos 1,75 segundos de arco se atribuye a la espacial la no rectitud del espaciotiempo). Esto subraya de nuevo que la falta de rectitud espacial del espacio alrededor del Sol es muy, muy pequeña.

6voto

Mickeysofine Puntos 57

Esto no es una respuesta completa a tu pregunta, es más bien un complemento a las respuestas existentes, y una respuesta a algunos de los comentarios que has hecho.

En un comentario, dijiste:

Yo visualizo el espacio-tiempo deformado como una especie de pista o rejilla y, obviamente, si se curva la pista o la rejilla todo lo que viaja "hacia adelante" a lo largo de la pista/rejilla se dobla en el grado en que la pista/rejilla se dobla.

Eso está perfectamente bien, siempre y cuando tengas en cuenta que mientras viajas por el espacio no puedes evitar avanzar en el tiempo a 1 segundo por segundo según un reloj que lleves contigo. El tiempo medido por ese reloj se llama tiempo propio, y generalmente utilizamos la letra griega $\tau$ (tau) para representar el tiempo propio.

En el espacio-tiempo plano, si te mueves con una velocidad constante con respecto a mí (de modo que nos medimos mutuamente para tener una velocidad constante y estar moviéndonos en una dirección espacial constante), puedes considerar que estás en reposo, de modo que tus coordenadas espaciales son constantes, pero por supuesto tu tiempo propio sigue avanzando, como siempre. Como dije antes en un comentario, dividiremos el espaciotiempo en espacio y tiempo de forma ligeramente diferente, y habrá un ángulo entre nuestros ejes temporales.

Un punto en el espacio-tiempo se llama evento. Digamos que viajas desde un evento A a otro evento B. Estás en reposo en tu marco, por lo que en tu marco A y B tienen las mismas coordenadas espaciales, pero B tendrá un tiempo propio posterior.

En mi marco, la "pista" espaciotemporal desde el suceso A hasta el suceso B tiene una componente espacial no nula, así como su componente temporal. Así que mientras tú dices que la "distancia" temporal entre A y B es $\tau$ y la distancia espacial es 0, mido que la distancia espacial entre A y B es $s$ y la distancia temporal es $t$ (según mi tiempo adecuado), y hay una fórmula sencilla que conecta esos números, la versión de Minkowski de la fórmula pitagórica: $$\tau^2 = t^2 - s^2$$ donde utilizamos unidades compatibles para nuestras mediciones de espacio y tiempo, por ejemplo, segundos luz y segundos.

Ahora, en la Relatividad General podemos cortar un trozo de espaciotiempo curvado en pequeños trozos de espaciotiempo, donde la curvatura de cada pequeño trozo es despreciable. Si el trozo grande está muy curvado, entonces sólo tenemos que hacer esos trozos pequeños muy pequeños. (Este es exactamente el mismo proceso que utilizamos para hacer un atlas de mapas planos de la superficie curvada de la Tierra. En cada página del atlas podemos ignorar la curvatura y utilizar una simple geometría plana 2D, y los errores por ignorar la curvatura son insignificantes). Así que en cada uno de esos pequeños trozos de espaciotiempo podemos ignorar la curvatura del espaciotiempo y hacer nuestros cálculos utilizando las ecuaciones del espaciotiempo plano de la Relatividad Especial. Las matemáticas de la relatividad general son esencialmente la maquinaria necesaria para dividir el espaciotiempo en pequeños trozos utilizando técnicas de cálculo estándar, y para seguir la pista de cómo se conectan todos los trozos entre sí.

Como mencioné en un comentario anterior, no es fácil visualizar el espaciotiempo 4D, con su fórmula de distancia de Minkowski que sustituye a la fórmula de distancia pitagórica estándar. Podemos simplificar un poco las cosas dejando de lado una dimensión espacial. Por ejemplo, si utilizamos un marco en el que el Sol está en reposo, la órbita de la Tierra alrededor del Sol está prácticamente en un plano. Así que podemos usar ese plano para nuestras dos dimensiones espaciales, y podemos usar la dirección vertical para representar el tiempo (pero teniendo en cuenta que la dirección del tiempo es un poco rara debido al $\tau^2 = t^2 - s^2$ fórmula de la distancia). Para simplificar aún más las cosas, supongamos que la órbita de la Tierra es un círculo perfecto, por lo que orbita alrededor del Sol a una distancia constante de aproximadamente 499 segundos luz con una velocidad constante de $10^{-4}\,c$ Es decir $10^{-4}$ segundos luz por segundo, o 30 km/s en unidades más convencionales.

Este círculo tiene una curvatura espacial bastante pequeña en relación con las escalas humanas típicas. Un arco de 55 km de ese círculo se desvía de una línea perfectamente recta en poco más de 1 cm. (Es decir, si se dibuja una cuerda desde un extremo del arco de 55 km hasta el otro, la distancia entre el arco y la cuerda en sus puntos medios es de aproximadamente 1 cm). Sin embargo, esa curvatura espacial es enorme en comparación con la curvatura del espaciotiempo.

Una trayectoria en el espaciotiempo se llama línea del mundo. En nuestro marco donde el Sol está en reposo, la línea del mundo del Sol es una línea vertical. La línea del mundo de la Tierra es entonces una hélice con una vuelta de la hélice por año. Ahora bien, un año equivale a unos 31.557.000 segundos, por lo que el paso de la hélice (la distancia vertical entre vueltas) es unas 63.240 veces su radio.

En unidades de segundos luz recíprocos, la curvatura del círculo orbital es $1 / 499 \approx 0.002$ . En cambio, la curvatura de la órbita hélice es $$\frac{499}{(3155700/2\pi)^2 + 499^2}\\ \approx 1.978\times 10^{-11}$$

que es un lote más pequeño. Así que no hace falta mucha curvatura del espacio-tiempo para mantener un planeta en órbita.

En realidad, probablemente debería usar un signo menos en el denominador de ese cálculo de la curvatura de la hélice, para respetar la métrica de Minkowski. Sin embargo, eso no afecta al resultado numérico a este nivel de precisión, sigue siendo $\approx 1.978\times 10^{-11}$ .

5voto

Mock Puntos 106

La expresión espaciotiempo curvo puede llevar a este tipo de asociación de ideas. Es mejor pensar que el efecto de la gravedad es imponer algún tipo de coordenadas curvilíneas.

Lo que ocurre en la RG es que el típico movimiento acelerado que siguen los cuerpos en órbita, pasa a ser no acelerado si:

  1. se utilizan las coordenadas curvilíneas de la métrica,

  2. el cálculo de la aceleración se corrige por el hecho de que las coordenadas son curvilíneas.

Aunque no puedo imaginar cómo visualizar la 4D, es posible explicar cómo las coordenadas curvilíneas son complicadas en un ejemplo 2D.

Un avión elige el camino más corto entre 2 ciudades, a menos que haya alguna otra razón para no hacerlo. Dado que las longitudes y latitudes son coordenadas curvilíneas, un vuelo entre 2 puntos casi de la misma latitud (digamos San Francisco a Washington DC) no toma una ruta constante al este. Si ves en una carta de la revista fly, el fly parece ser una curva, con el avión teniendo algún componente de velocidad hacia el norte en la primera mitad, y hacia el sur en la segunda mitad del viaje.

Pero si se ve la ruta en un globo terráqueo, es fácil ver que efectivamente es el camino más corto. La brújula siempre muestra que la dirección de la velocidad está cambiando, pero en realidad no es así. Hay una pesada maquinaria matemática llamada derivada covariante que corrige las entradas de la brújula, dando como resultado una velocidad constante.

Es similar para el espaciotiempo 4D. Nuestras coordenadas muestran un movimiento acelerado. Pero cuando se corrige por la derivada covariante, se convierte en un movimiento con velocidad constante.

5voto

user98822 Puntos 8

Según tu razonamiento, si una partícula no se mueve en el espacio curvo, se quedaría en el espacio.
Pero si el espacio es curvo, el tiempo (al ser parte integrante del espacio-tiempo, a diferencia de la visión newtoniana en la que se consideran separados y absolutos) también lo es. El espacio y el tiempo conectados son la entidad absoluta en la relatividad, en lugar del espacio absoluto y el tiempo absoluto separados en la mecánica newtoniana.

La razón por la que los relojes funcionan a diferentes velocidades en diferentes lugares del espacio-tiempo está muy bien explicada por Feynman en su pequeño libro "Six not so easy pieces" (puedes mirar este bonito libro aquí (la parte del cohete se centra en la página 162), donde discute lo que ocurre con el ritmo de dos relojes colocados en la parte superior e inferior de un cohete (en el espacio exterior) cuando el cohete se acelera (lo que según el principio de equivalencia de Einstein significa que también podemos decir que el cohete se encuentra en un campo gravitatorio).

Debido a esta íntima conexión entre el espacio y el tiempo, si se viaja en una curva espacio (como supones en tu pregunta) ignoras el tiempo de curvatura que lo acompaña.
La razón por la que caigo a la Tierra es el componente temporal (curvo) del espaciotiempo curvo.

Hay tres regímenes:

  1. Me muevo muy lentamente a través del espacio-tiempo curvo. En ese caso, el espacio curvo es el que más me agarra para que me mueva libremente.
  2. Me muevo con una velocidad que tiene un valor intermedio entre cero y la velocidad de la luz. En ese caso, tanto la curvatura del tiempo como la del espacio tienen una influencia comparable en mi trayectoria.
  3. No yo, sino los fotones que siempre, desde cualquier marco de referencia que se observe, viajan a la velocidad de la luz. La curvatura del espacio sólo agarra a los fotones (como el tiempo se detiene para los fotones, la curvatura del tiempo no los agarra). Son desviados por la Tierra (aunque muy ligeramente) debido a la parte de la curvatura del espacio conectada al espaciotiempo curvo.

Por eso, la velocidad con la que se desplaza un objeto da resultados diferentes para la trayectoria en espacio como usted dijo.

Si está interesado, en este artículo (que puedes hacer descargar) se discute el "famoso" factor 2 en la desviación de la luz por una masa esférica:

El problema de la desviación de la luz en un medio con índice de refracción variable se aplica al movimiento de la luz en un campo gravitatorio débil de Schwarzschild. En contraste con la derivación estándar, el presente método es físicamente transparente, proporcionando una clara razón para la desviación de un factor de 2 del resultado relativista general con respecto al de la teoría newtoniana sin ningún cálculo detallado.

4voto

Josh Diehl Puntos 138

En aras del argumento, supongamos que los dos objetos pequeños tienen exactamente la misma cantidad de energía de tensión y que son relativamente pequeños (poca energía de tensión) en comparación con el planeta, y supongamos que el planeta es la Tierra.

Ahora la respuesta a tu pregunta es:

  1. el objeto más lento pasa más tiempo dentro del campo gravitatorio de la Tierra

  2. Dilatación del tiempo de la RG

  3. la magnitud de los cuatro vectores de velocidad debe permanecer constante

  4. 1,2,3 hará que el objeto más lento se desvíe más en su trayectoria

Ahora 1,2 son bastante claras, la dilatación del tiempo de la RG es un efecto causado por el campo gravitatorio de la Tierra, haciendo que el objeto que está dentro del campo gravitatorio se ralentice (relativamente) en el tiempo.

Ahora lo que necesita más explicación es la conexión entre la dilatación del tiempo de la RG y el cuatro vector de velocidad y esto hace que el objeto más lento se desvíe más en su trayectoria.

La dilatación del tiempo gravitacional es una forma de dilatación del tiempo, una diferencia real de tiempo transcurrido entre dos eventos medidos por observadores situados a distintas distancias de una masa gravitatoria. Cuanto menor es el potencial gravitatorio (cuanto más cerca está el reloj de la fuente de gravitación), más lento pasa el tiempo, acelerándose a medida que aumenta el potencial gravitatorio (el reloj se aleja de la fuente de gravitación).

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

Si se acepta que el universo está configurado de tal manera y el vector de cuatro velocidades está configurado de tal manera, que la magnitud del vector de cuatro velocidades tiene que permanecer constante, entonces es muy importante entender que la dilatación del tiempo de la RG hace que la componente temporal del vector de cuatro velocidades del objeto cambie. A esto nos referimos cuando decimos que el objeto se ralentiza (relativamente) en el tiempo.

En resumen, la magnitud de la cuatrivelocidad para cualquier objeto es siempre una constante fija:

https://en.wikipedia.org/wiki/Four-velocity

Ahora recuerda, la magnitud del vector de cuatro velocidades tiene que permanecer constante. Si su componente temporal cambia, los componentes espaciales tienen que compensar. Esto es muy importante. Esto significa que el objeto se desviará en su trayectoria hacia el centro de la Tierra.

Cuanto más tiempo (mayor período de tiempo en relación con el objeto más rápido) pase el objeto lento bajo la influencia del campo gravitatorio de la Tierra, más cambiará la componente temporal de sus cuatro vectores de velocidad (más se ralentizará en el tiempo relativamente). Cuanto más cambie su componente temporal, más tendrá que compensar la componente espacial (más se desviará de su trayectoria hacia el centro de la Tierra).

Tenga en cuenta que ésta es una de las razones por las que decimos que el espacio y el tiempo están interconectados.

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