Ponieważ grawitacja Newtona, gdzie rzeczywiście jest uważana za siłę, jest wystarczająco dobrym przybliżeniem sytuacji, które rozważasz w gimnazjum (i nie tylko).

Ogólne efekty relatywistyczne są bardzo słabi w zwykłych skalach, na które my, ludzie, patrzymy, i byłoby przesadą wprowadzenie pełnej maszynerii ogólnej teorii względności (która wymaga znacznie bardziej zaawansowanego podejścia matematycznego niż zwykłe siły Newtona) do leczenia sytuacji, w których błąd popełniony przez użycie wersji Newtona jest pomijalne.

Dodatkowo, nawet w ogólnym ujęciu relatywistycznym, nadal możesz uważać wpływ poruszających się cząstek za „siłę”, tak jak możesz rozważyć siłę odśrodkową aby być fikcyjną siłą, która pojawia się w obracających się układach współrzędnych, zobacz także odpowiedzi na pytanie Dlaczego nadal musimy myśleć o grawitacji jako o sile?

Nawet jeśli ograniczymy się do newtonowskiej koncepcji świata, siły nie istnieją . Istotną rzeczą, która nie jest wystarczająco podkreślana podczas nauczania fizyki, jest to, że fizyka (w całym jej cudowności) jest niczym innym jak matematycznym modelem rzeczywistości, którą postrzegamy. Niezależnie od tego, czy rozważasz mechanikę Newtona, teorię względności czy mechanikę kwantową.

W rzeczywistości nie ma współrzędnych, wektorów ani niczego podobnego. Używamy tych narzędzi matematycznych, aby nadać znaczenie i powiązać - i miejmy nadzieję, wyjaśnić - pomiary i obserwacje, które wykonujemy. Podejście to odniosło ogromny sukces, zarówno w mniej lub bardziej bezpośrednich zastosowaniach (myślę, że NASA lub wiele nowatorskich technologii), a także w teoretycznych postępach, takich jak mechanika kwantowa (gdzie właściwe uogólnienie formalizmu Hamiltone w magiczny sposób wyjaśnia rzeczy na poziomie cząstek ).

W szczególnym przypadku sił zwróć uwagę, że nigdy nie mierzysz siły. To, co mierzysz, to jego konsekwencje (najczęściej przemieszczenie lub zmiana prądu lub wiele innych rzeczy) i interpretujesz tę zmianę, korzystając z modelu Newtona, jako działanie siły.

Tim B. stoi na stanowisku, że jest to przykład okłamywania dzieci. Zupełnie się nie zgadzam; moim zdaniem jest to przykład idealizacji , co jest czymś, co każdy model musi zrobić w każdej gałęzi nauki. Jak napisał kiedyś George EPBox:

Zasadniczo wszystkie modele są błędne, ale niektóre są przydatne.

To nie kłamie, nazywa się uprawiać naukę. Ergo, nauczanie, że grawitacja jest siłą, staje się nieuczciwe tylko wtedy, gdy nauczycielowi nie powie się, że grawitacja Newtona jest jedynie modelem interakcji grawitacyjnej i że zasadniczo wszystkie modele są błędne, łącznie z GR grawitacja kwantowa. Krótko mówiąc, myślę, że grawitacja stanowi doskonałą pedagogiczną okazję do omówienia praktyki naukowej i filozofii nauki w klasie; dlatego też, jeśli zostanie zrobione dobrze, nie kwalifikuje się jako przykład okłamywania dzieci.

Jest tu mała subtelność. O ile ktokolwiek wie, być może uda się odkryć teorię wszystkiego (ToE), która nie tylko wyjaśnia wszystkie zjawiska, o których obecnie wiemy, ale w rzeczywistości wyjaśnia wszystkie zjawiska, jakie możemy kiedykolwiek o których wiemy i o wszystkich podmiotach, z którymi możemy kiedykolwiek wchodzić w interakcje.

Ale nawet jeśli jakiś program badawczy odkryje ToE, zasadniczo nie możemy wiesz, że to ToE. Aby uniknąć całkowitego tłumienia fizyki, zawsze musimy zakładać, że mogą wystąpić dalsze zjawiska, o których nikt jeszcze nie wie, nawet jeśli obecnie preferowane ToE wydaje się wyjaśniać wszystkie znane zjawiska.

Oczywiście już wcześniej byliśmy w takiej sytuacji; przez długi czas powszechnie uważano, że mechanika Newtona jest ToE, która jest w stanie wyjaśnić zasadniczo całą fizykę. Jak bardzo się myliliśmy i jakie szczęście, że niektórzy myśliciele nie chcieli zaakceptować faktu, że fizyka została w zasadzie „skończona”!

To przykład „okłamywania dzieci”.

https://en.wikipedia.org/wiki/Lie-to-children

Ponieważ niektóre tematy mogą być niezwykle trudne do zrozumienia bez doświadczenia, wprowadzenie pełnego poziomu złożoności uczniowi lub dziecku na raz może być przytłaczające. Stąd elementarne wyjaśnienia są uproszczone w sposób, który czyni lekcję bardziej zrozumiałą, choć technicznie błędną. Kłamstwo dzieci ma ostatecznie zostać zastąpione bardziej wyrafinowanym wyjaśnieniem, bliższym prawdy.

Jeśli przyjrzymy się programowi szkolnemu, prawie cała fizyka, której się uczymy, to fizyka newtonowska. Wszystko, od siły po prawa ruchu, opiera się na ideach Newtona.

A ogólna teoria względności jest nowoczesnym pojęciem, które w rzeczywistości jest bardziej prawdziwe. Ale wiesz, że GTR jest pojęciem trudnym do zrozumienia dla dziecka. Aby uczynić kurs prostym, uczymy się tych rzeczy jako siły.

A także przed Einsteinem wszyscy wierzyli w grawitację jako siłę. Dlatego w naszych książkach nadal istnieje tradycja klasyczna. Które wymagają poważnej rewizji.

Aby dać przykład nawet w chemii, dzieci uczy się atomu jako pewnego rodzaju układu słonecznego. A to z pewnością nie jest.

Chciałbym spojrzeć na to pytanie z nieco innego punktu widzenia i wskazać, że większość fizyków uważa, że ​​grawitacja jest w rzeczywistości siłą. Wielki triumf współczesnej fizyki cząstek elementarnych, model standardowy, zawiera siły silne, słabe i elektromagnetyczne. Siły te są reprezentowane w modelu standardowym przez obecność nośników siły (bozonów o spinie 1): odpowiednio bozonów Gluon, W i Z oraz fotonu, które łączą się z cząstkami z ładunkiem (elektrosłabym lub kolorowym). Model standardowy to kwantowa teoria pola. Przy badaniu struktury materii o wysokiej energii taka reprezentacja jest konieczna. Jednak przy niskich energiach można konstruować skuteczne teorie, które są znacznie prostsze. Jednym z przykładów są równania Maxwella. Podobnie większość fizyków uważa, że ​​równania ogólnej teorii względności (równania Einsteina) są niskoenergetycznym rozwiązaniem kwantowej teorii pola grawitacji. Dlatego naturalne jest założenie, że w jakiejś dużej skali energetycznej równania Einsteina ulegną załamaniu (na przykład zbliżając się do środka czarnej dziury). Problem polega na tym, że nośnik siły grawitacji (grawiton) powinien być cząstką o spinie 2, w przeciwieństwie do innych nośników siły, i bardzo trudno jest skonstruować spójną kwantową teorię pola cząstek o spinie 2 o mierniku. Obecnie teoria strun jest głównym kandydatem do takiej teorii.

Tak więc w trakcie szkolenia fizyka najpierw dowiadujemy się, że grawitacja jest siłą od Newtona, a następnie że tak naprawdę jest wynikiem przebywania w zakrzywiona przestrzeń od Einsteina, a potem to musi być naprawdę siła! Wygląda na to, że jeszcze nie ustalimy, komu nadamy imię ostatniej lekcji.

Myślę, że wiele osób tutaj jest zbyt inteligentnych, aby dostrzec ten punkt:

ponieważ nie masz lepszego wyboru . Nauczanie ogólnej teorii względności w szkole średniej jest po prostu niepraktyczne i niewykonalne. (hm ... spodziewając się, że znają już jakiś tensor? i rozumieją czasoprzestrzeń?)

Poza tym, jak wspomniało wielu innych, podejście Newtona nie jest takie złe. W wielu przypadkach podejście Newtona daje nam bardzo dobre odpowiedzi liczbowe, które wystarczają do wielu celów.

Co więcej, historia grawitacji Newtona dostarcza dzieciom doskonałych materiałów do poznania metod naukowych, powiedzmy, jak i dlaczego naukowcy zmierzyli stałą grawitacji? nawet w tym pytaniu akceptujemy fakt, że nauka nigdy nie jest pełną historią natury , jak powiedział kiedyś Feynman,

" Każdy kawałek lub część całej natury jest zawsze tylko przybliżeniem do pełnej prawdy lub pełnej prawdy, o ile ją znamy. W rzeczywistości wszystko, co wiemy, jest tylko pewnym przybliżeniem, ponieważ wiemy, że nie znam jeszcze wszystkich praw. " -Richard Feynman

i to pozwoli dzieciom wiedzieć, dlaczego powinniśmy kontynuować naukę i zachęci je do tego :)

Znam dwa powody, dla których powinniśmy uważać grawitację za siłę. Pierwsza jest czysto klasyczna i newtonowska: siły pływowe. Grawitacja jest wyłączną odpowiedzialnością za wytwarzanie sił pływowych i nie można ich uważać za fikcyjną siłę, podczas gdy zwykłe przyspieszenie spowodowane grawitacją w pewnym sensie zawsze można uważać za fikcyjne. Sposób, w jaki wiesz, że siły pływowe są siłami rzeczywistymi, polega na tym, że są one konstruowane bezpośrednio przy użyciu tensora krzywizny Riemanna, którego nie można zmusić do zniknięcia za pomocą zwykłej zmiany współrzędnych. Porównaj to z przyspieszeniem spowodowanym grawitacją, które w ogólnym relatywistycznym układzie charakteryzuje się współczynnikami połączenia, $ \ Gamma ^ a_ {bc} $. W przeciwieństwie do tensora Riemanna, współczynniki połączenia są nie tensoryczne i można je zanikać za pomocą zmiany współrzędnych (ten wybór współrzędnych nazywa się normalne współrzędne Riemanna), co ujawnia fikcyjną naturę tej siły. Z bardziej praktycznego punktu widzenia siły pływowe należy traktować jako rzeczywiste, ponieważ prowadzą one do takich rzeczy, jak nagrzewanie się wnętrza planet lub spaghetti przez biednego astronautę, który wpadł do czarnej dziury.

Drugi powód, dla którego można by uznać grawitację za siłę, jest bardziej oparty na układzie kwantowym. W kwantowej teorii pola pojęcie „siły” jest zwykle zastępowane przez „oddziaływanie miernika”, tj. Bozon, który łączy się z zachowanym prądem. Kiedy ludzie mówią, że istnieją cztery podstawowe siły, to generalnie używają słowa siła. Grawitacja jako teoria kwantowa zachowuje się bardzo analogicznie do sił elektromagnetycznych, słabych i silnych, chociaż oczywiście istnieją różnice w szczegółach. Zauważ również, że kiedy weźmiemy klasyczną granicę wielu niskoenergetycznych grawitonów (cząstki przenoszącej siłę dla oddziaływania grawitacyjnego), otrzymujemy falę grawitacyjną. Jakie siły wytwarzają fale grawitacyjne? Siły pływowe! Wynika to wyraźnie z charakterystycznego wzoru rozciągania i ściskania związanego z falą grawitacyjną.

Powiedziałbym więc, że żartobliwe stwierdzenie, że „grawitacja nie jest siłą”, jest prawdziwym okłamywaniem dzieci, które pojawia się w pedagogicznym wprowadzeniu do ogólnej teorii względności.

Dlaczego w gimnazjum instruuje się nas o siłach?

Zgodziłbym się z odpowiedzią Shingsa; chodzi o pedagogikę: dzieciom łatwo jest myśleć i wizualizować siłę, możesz popchnąć krzesło lub pociągnąć gumkę; kiedy huśtasz się kamieniem przywiązanym do sznurka w kółko, możesz poczuć siłę odśrodkową.

Jest to również zgodne z historycznym rozwojem dyscypliny, która oznacza to, że uczysz się, jak działa nauka metodą indukcyjną, a także poprzez teorię i natchnione przypuszczenie: w końcu Planck po prostu odgadł kwanty, próbując rozwiązać problem promieniowania ciała czarnego.

Jest to również język, który zakodował sposób, w jaki przemyślana i konceptualizowana jest fizyka: siła jest wyrażana w kategoriach pędu, a następnie przejście do formalizmu Lagrangianu prowadzi do uogólnionego pędu; a potem znowu do QM, zastępując je ich odpowiednikami operatorów.

Dlaczego GR nie jest siłą

Innym powodem jest to, że przejście do GR nie nie neguje ani nie fałszuje Mechaniki Newtona; w lokalnej ramie znajduje się przybliżenie newtonowskie, w którym grawitacja pojawi się tak, jak zwykle jako siła.

Na globalnym obrazie widać, że podąża ona za geodezyjną, o czym warto sobie przypomnieć, że jest cząstka poruszająca się po „prostej” linii na zakrzywionej powierzchni; więc uogólnienie pierwszego prawa Newtona.

Problem, w pewnym sensie, polega na tym, że słowo „jest”; zamiast myśleć, że oznacza tylko jedną rzecz, lepiej pomyśleć, że dwuznaczne między kilkoma opisami:

Ta kula jest pomalowana na niebiesko; jest okrągły; leży na ziemi: kilka to opisywanie różnych perspektyw na jedną i jedną sytuację.

Jeśli grawitacja nie jest siłą, to dlaczego uczymy się w szkole, że tak jest?

Ponieważ jest siłą. To po prostu nie jest siła w sensie Newtona, gdzie praca = siła x odległość. Kiedy upuszczasz cegłę, „siła” grawitacji nie dodaje energii do cegły. Zamiast tego przekształca energię potencjalną w energię kinetyczną. Różni się to od tego, co robisz, gdy przyspieszasz cegłę w poziomie. Potem nad tym pracujesz. Dodajesz do tego energii. Możesz również pracować na cegle, gdy ją podnosisz. Wywierasz siłę x odległość wbrew grawitacji, w wyniku czego dodajesz energię do cegły *. Następnie, kiedy upuścisz cegłę, ta potencjalna energia jest zamieniana na energię kinetyczną. Gdy cegła uderza w ziemię, energia zostaje rozproszona i cykl zaczyna się od nowa. Proces jest podobny do tego, co zrobiłbyś, gdybyś odciągnął elektron od protonu, więc nie myśl, że grawitacja jest w jakiś sposób wyjątkowa.

Przestudiowałem część teorii ogólnej teorii względności Einsteina i rozumiem, że stwierdza ona, że ​​grawitacja nie jest siłą, ale raczej efektem obiektów zakrzywionych w czasoprzestrzeni. Jeśli to prawda

Obawiam się, że to nieprawda. Krzywizna czasoprzestrzeni odnosi się do siły pływowej, podczas gdy „nachylenie czasoprzestrzeni” odnosi się do siły grawitacji. Zobacz przechylone stożki świetlne tutaj.

więc dlaczego w gimnazjum instruuje się nas, że to jest siła?

Ponownie, ponieważ tak jest. Po prostu nie opowiadają ci całej historii, to wszystko. Zadaj pytanie o podnoszenie cegieł i jak to się ma do odciągania elektronu od protonu. Sprawdź deficyt masy i zadawaj pytania!

^{* Ściśle mówiąc, dodajesz również energię Ziemi, ale chociaż pęd jest równy, energia nie. Ziemia dostaje tak mały udział, że go ignorujemy.}