Готовый перевод String Theory for Dummies / Теория струн для «чайников»: Understanding Two Schools of Thought on Gravity / Понимание двух философских школ гравитации

Понимание гравитации двумя научными школами.

Физики ищут теорию квантовой гравитации, потому что нынешние  законы, определяющие гравитацию, работают не во всех ситуациях.

В частности, теория  гравитации, похоже, "ломается" (то есть, уравнения становятся физически   бессмысленными) при определенных условиях, которые я опишу ниже в этой главе.

Чтобы понять, что это значит, вы должны сначала узнать немного о том, что  физики знают о гравитации.

Гравитация - это сила притяжения, которая связывает объекты вместе, по-видимому, на любом расстоянии.

Формулирование классической теории гравитации  сэром Исааком Ньютоном было одним из величайших достижений физики.

Два  века спустя переосмысление гравитации Альбертом Эйнштейном поместило его в  пантеоне бесспорно величайших научных мыслителей всех времен.

Если вы не физик, вы, вероятно, принимаете гравитацию как должное. Эта удивительная сила, способная удерживать вместе небеса, в то же время преодолевается моим  3-летним сыном, когда он качаестя на качелях - но не надолго.

В масштабе атома гравитация не играет роли по сравнению с электромагнитной силой. По сути, простой  магнит может преодолеть все силы на планете Земля, подхватывая металлические  объекты, от скрепок до автомобилей.

Закон всемирного тяготения Ньютона: гравитация как сила.

Сэр Исаак Ньютон разработал свою теорию гравитации в конце 1600-х годов.

Эта удивительная теория участвуют в объединении понимания астрономии и  принципов движения (известных как механика или кинематика) в единую обширную структуру, которая также потребовала изобретения новой формы математики: математического анализа.

В теории тяготения Ньютона объекты сближаются физической силой, которая охватывает обширные расстояния пространства.

Главное, что сила тяжести связывает все объекты вместе (во многом как Сила в Звездных Войнах). Яблоко, падающее с дерева и движение Луны вокруг Земли, два проявления той же самой фундаментальной силы.

Связи, которые обнаружил Ньютон, были математическими соотношениями (он, в конце концов, должен был изобрести исчисление, чтобы заставить все это работать), точно так же, как относительность, квантовая механика и теория струн.

В теории тяготения Ньютона, сила между двумя объектами основана на
произведении их масс, разделенных на квадрат расстояния между
ними.

Другими словами, чем тяжелее два объекта, тем больше сила между ними, принимая, что расстояние между ними остается тем же самым. (См. боковую полосу “Вещество массы” для разъяснения этих отношений. )

Сущность массы

Когда я говорю, что сила между объектами пропорциональна массе двух объектов, вы
может подумать, это означает, что более тяжелые вещи падают быстрее, чем более легкие вещи.

Например, не было бы более быстрым падение шара для боулинга, чем футбольного мяча? Фактически, как показал Галилео (хотя и не с современными шарами для боулинга и футбольными мячами) за годы до того, как родился Ньютон, это не тот случай.

На протяжении веков, большинство людей считали, что тяжелые объекты падали быстрее, чем легкие. Ньютон знал результаты Галилея, потому он был в состоянии понять, как определить силу, как он это сделал.

По объяснению Ньютона, чтобы переместить более тяжелый объект, требуется большая сила.

Если бы вы сбросили шар для боулинга и футбольный мяч со здания (чего я не рекомендую), то они падали бы с одинаковым ускорением (не учитывая сопротивления воздуха) — приблизительно 9.8 метров в секунду.

Сила, действующая между шаром для боулинга и Землей, была бы большей, чем сила, действующая на футбольный мяч, но поскольку требуется больше силы, чтобы добиться перемещения шара для боулинга, фактический темп ускорения между ними одинаков.

Если бы вы выполнили реальный эксперимент, имелась бы небольшая разница. Из-за сопротивления воздуха, более легкий футбольный мяч, вероятно, замедлится при падении с достаточно высокой точки, в то время как шар для боулинга нет.

Но правильно построенной эксперимент, в котором сопротивление воздуха полностью нейтрализовано (например, в вакууме), показывает, что объекты падают с одинаковой скоростью, независимо от массы.

Тот факт, что сила делится на квадрат расстояния, означает, что если два объекта ближе друг к другу, сила гравитации возрастает. Если расстояние увеличивается, сила падает.

Отношение "обратно пропорционально квадрату" означает, что если расстояние удваивается, сила падает до одной четверти ее первоначальной интенсивности. Если расстояние уменьшается наполовину, сила увеличивается в четыре раза.

Если объекты очень далеко, эффект силы тяжести становится очень небольшим. Причина влияния гравитации на вселенную в том, что ее много.
Гравитация сама по себе очень слаба, среди других сил.

И наоборот, если два объекта находятся очень близко друг к другу - и я говорю здесь чрезвычайно близко - тогда гравитация может стать невероятно мощной, даже среди объектов, которые не имеют большой массы, таких как элементарные частицы.

Это не единственная причина такого влияния гравитации. Сила гравитации во вселенной также стремится объединить объекты.

Электромагнитная сила иногда притягивает объекты, а иногда и отталкивает их, так что в масштабах Вселенной в целом, она стремится противодействовать себе.

И, наконец, сила тяжести взаимодействует на очень больших расстояниях, в отличие от некоторых других сил (ядерных сил), которые работают только на расстоянии меньше атома.

Я покопаюсь немного глубже в работах Ньютона, в гравитации и в других смежных областях в главе 5.

Несмотря на успехи теории Ньютона, у него было несколько острых проблем глубинного свойства. В первую очередь среди них был тот факт, что хотя он и смоделировал гравитацию, но он не знал, почему гравитация работала.

Гравитация, которую он описал, была почти мистической силой (подобно Силе в "Звездных войнах"!)  действующей на большие расстояния без обязательного реального физического соединения. Понадобилось два века и Альберт Эйнштейн, чтобы решить эту проблему.

Закон всемирного тяготения Эйнштейна:  Гравитация как геометрия

Альберт Эйнштейн революционизировал представление физиков о гравитации. Вместо гравитации как силы, действующей между объектами, Эйнштейн представил себе Вселенную, в которой масса каждого объекта вызывала небольшое искривление пространства (на самом деле  пространства-времени) вокруг себя.

Движение объекта по кратчайшему  расстоянию в этом пространстве-времени было гравитацией. Вместо того, чтобы быть силой, гравитация была фактически результатом геометрии самого пространства-времени.

Эйнштейн предположил, что движение во Вселенной может быть объяснено с точки зрения  системы координат с тремя пространственными измерениями - например, вверх / вниз, влево / вправо,  и вперед / назад - и одним временным измерением.

Эта  4-мерная система координат, разработанная старым профессором Эйнштейна  Германом Минковским, была названа пространством-временем, и появилась из специальной теории относительности Эйнштейна  в 1905 году.

Когда Эйнштейн обобщил эту теорию, создав общую теорию относительности в  1916 году, он мог включить гравитацию в свое объяснение движения. Фактически концепция пространства-времени имела для него решающее значение.

Пространственно-временная система координат  изгибается, если поместить в нее материю. Когда объекты перемещаются в пространстве и времени,  они, естественно, пытаются следовать через искривленное пространство-время кратчайшим путем.

Мы следуем по нашей орбите вокруг Солнца, потому что это самый короткий путь (называемый  в математике геодезическим) вокруг Солнца через искривленное пространство-время.

Относительность Эйнштейна подробно рассматривается в главе 6, а главные последствия относительности для эволюции Вселенной освещаются в главе 9. Измерения пространства-времени рассматриваются в главе 13.

Внимание! Этот перевод, возможно, ещё не готов.
Его статус: перевод редактируется

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/38781/145073

Переводчики: cosinus, Irina73, falcton, ilves_ArtO