題:
如果重力不是力量,那為什麼我們要在學校裡學習它呢?
Peter Hall
2015-11-19 07:40:08 UTC
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我已經研究了愛因斯坦的廣義相對論,並且我理解它指出引力不是力,而是使物體彎曲時空的作用。如果這是真的,那為什麼我們要在中學裡指示它是一支力量呢?

雖然這是一個很好的問題,但這不是概念性的物理問題,給出的任何答案都只能是一種觀點。投票關閉。
可能的重複項:http://physics.stackexchange.com/q/61899/2451及其鏈接。
這實際上與物理學無關,而是與教育方法有關。大多數的教育都基於簡化和很少的謊言-它們通常足以滿足您在整個中學(大部分時間和生活)中所需的理解。真正的東西很少上大學之前出現。
儘管我同意這是一個“物理教育”問題,而不是一個“物理”問題,但它暗示了一個更大的“為什麼物理學傳統上是以這種方式教授的”問題,與物理學家和學習物理學的人都有關。如此相關,而且實際上是最基本的,因此我認為這是該網站上要提出的最佳問題之一。
我贊同@dotancohen所說的。您不能期望繪製一個多邊形,然後任何小的問題都會“投票關閉”材料。有時,有人會掉線,然後需要評估添加到站點的價值。不要謝爾頓。我認為可以將其標記為Qmechanic所說的重複項。(重複操作不會降低網站價值。這只是鏈接問題的一種方式)。
我發現騙子就像符號鏈接。我經常通過搜尋騙子來獲得好東西!
這是一個模型。愛因斯坦物理學和量子物理學也可能只是/可能/可能/絕對/不知道。
“離心力”是一種力的觀點甚至不那麼正確,但是在許多情況下它仍然是有用的模型。
不管您對這個問題的熱情如何,@dotancohen,顯然“客觀地” *不是*一個概念性的物理問題,因此,“為什麼用X這樣講授X”問題不在本網站的討論範圍之內。您可以選擇不同意,但是您不能*更改*這個簡單的事實。
@Mindwin,既然這個問題在客觀上不是一個概念上的物理學問題,那麼您認為它屬於“微小的問題”的判斷只是愚蠢的。正如我所寫,這是一個很好的問題(也很有趣),但是,同樣,“為什麼X用這種方式教”這個問題在客觀上並不是一個概念物理學問題。
@AlfredCentauri有些愚蠢是好的。這個問題的背後有一個概念物理學。我支持Qmechanic,這是鏈接問題的重複,但仍在IMO站點範圍內。社區尚未投票解決問題的事實也證實了這一點。它不是黑白或灰度,不是2 ^ 32色深。
相關文章:[為什麼現在不在學術物理學課程中更廣泛地教授費曼積分?](http://hsm.stackexchange.com/q/553/65)
十 答案:
ACuriousMind
2015-11-19 07:44:26 UTC
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因為牛頓引力確實被認為是一種力,所以它足以近似您在中學(及以後)所考慮的情況。

廣義相對論效應在我們所觀察的普通尺度上非常薄弱,因此引入全面的廣義相對論機制(與普通的牛頓力相比需要更先進的數學處理)來處理僅因誤差而導致的情況將是過大的殺傷力

此外,即使在一般的相對論治療中,您仍然可以將對移動粒子的影響視為“力”,就像您可以考慮離心力是出現在旋轉坐標系中的虛擬力,另請參閱為什麼我們仍然需要將重力視為力?

一個很好的答案。當提出類似的“對孩子的謊言”的論點時,必須記住這一點。
它不是“謊言”而是“簡化”。此外,廣義相對論很可能不是萬有引力的完整描述,因為它與量子力學不兼容。
即使是“謊言”,實際上也是關於“力”一詞的含義的謊言。如果您隱瞞了以下事實,那隻是對現實的謊言牛頓的引力使水星的軌道走錯了。由於“力”一詞僅是術語,因此我不確定在不同上下文中使用不同含義的意義上“撒謊”是否真的很重要。只要您願意,就可以將重力稱為香蕉,只要您的理論定義了香蕉的工作方式。僅當您讓人們期望這個定義也適用於水果時,這才成為問題。
就像您說的那樣,離心力是“旋轉框架理論”中的力,而在“慣性框架理論”中則沒有這種力。超越它並沒有成為真正的力量,對此毫無意義。特別是站在行星上時。
@SteveJessop不,您當然不是說香蕉。當然,您的意思是[女土豚](http://www.springfieldspringfield.co.uk/view_episode_scripts.php?tv-show=red-dwarf&episode=s04e01)。
Martin Argerami
2015-11-19 22:25:56 UTC
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即使我們將自己局限於牛頓世界概念,力量也不存在。在教授物理時,沒有足夠強調的一項基本要點是,物理學(出其不意地)不過是我們感知的現實的數學模型。無論您正在考慮牛頓力學,相對論還是量子力學。

現實中沒有坐標,也沒有矢量,也沒有類似的東西。我們使用這些數學工具來附加含義,並將我們進行的測量和觀察聯繫起來(並希望解釋)。這種方法在或多或少的直接應用(例如NASA或許多尖端技術)以及諸如量子力學(其中哈密頓形式論的正確概括以某種方式神奇地解釋了粒子級事物)的理論進展中均取得了巨大成功。 )。

在特定的力情況下,請注意,您從不測量力。您要測量的是其後果(通常是位移或電流變化,或許多其他事情),然後您使用牛頓模型將這種變化解釋為一種力的作用。

“所有模型都是錯誤的。其中一些是有用的。”
“沒有數字。”-電影《 LUCY》中
在這樣的科學論壇中強調“力量不存在”是一種挑釁。存在某事物意味著什麼?原子存在嗎?有樹嗎?數字2是否存在?互聯網存在嗎?這些是哲學和本體論的問題,而不是物理上的問題,受許多不同的立場和理論的約束。我建議聲稱“力量不存在”本身就是一種簡化,旨在作為一種教學輔助手段。
在談論牛頓力學時,我將“存在”一詞用於可以衡量的事物。力無法測量;通過現有的牛頓理論,通過測量位移(即距離)來推斷它們。如果沒有理論,就沒有力量。您不需要任何理論來記錄一棵樹的存在,因此除非您否定了現實主義,否則樹確實存在(並且在這種情況下為什麼要完全擾亂物理學)。數字2不存在,但是與物理學無關,
您相信那裡有一棵樹,因為您可以看到它並感覺到它。感覺與力量一起起作用,最終也可以看到(例如,神經內部的力量)。那麼,您怎麼知道這棵樹確實存在,而不是其他一些更基本的實體的作用呢?整個問題的最後一個問題是,我們人類是否甚至能夠掌握周圍的現實,還是我們只是看到自己的身體和心靈能夠處理的事情?從哲學上講,這是非常有趣的,但是對於教學而言不用了恕我直言。
就像我在之前的評論中所暗示的那樣,我們是否選擇相信自己的感官是一個選擇。如果我們不這樣做(即我們否定現實主義),那麼討論物理學就毫無意義。而這種選擇的境界就是哲學。您說“感覺與力量共存”;我拒絕。“力”是牛頓理論中的一個數學實體。它是數學模型的一部分,其預測以驚人的準確性描述了我們的測量結果,但僅此而已。
“ @MartinArgerami”在現實中沒有坐標,也沒有矢量,也沒有類似的東西。我們可以對質量,能量和電荷說相同嗎?
@adosar:是的。想一想。您如何衡量“質量”?有規模嗎?通過對另一個身體的影響?在這兩種情況下,您都在測量位移(即距離),並且使用理論來暗示質量。能量一樣,電荷一樣。我們幾乎從不直接測量任何東西,並且我們總是根據理論來解釋我們的測量結果。
-1
物理永遠是近似的。我們必須“實時”檢查理論的唯一方法是將其與測量結果進行比較。這些將始終是近似的(在任何情況下,總有一些新的度量可能與該理論不一致),因此無法確定我們的理論描述了“真正”正在發生的事情。我建議您看看Wigner的《自然科學中數學的不合理有效性》(https://www.maths.ed.ac.uk/~v1ranick/papers/wigner.pdf)。
物理不僅僅是“我們感知的現實的數學模型”。錯了如果宇宙在多個觀察者之間是一致的,那麼它必鬚根據一些相互同意的定義明確的定律進行操作,這是對數學的合理定義,因此宇宙必須是數學的,而挑戰僅僅是找出哪些定律。牛頓重力對嗎?是的,它是低能量下廣義相對論的近似值。廣義相對論是某些QG理論的近似嗎?大概。但是,必須有一個奇異的理論,所有其他理論都是近似的。
“它必須”?這對我來說毫無意義;心理學上有很多一致性,而且沒有人試圖用數學來描述它。物理學的理論是根據我們可以衡量的事物而製定的。我們不知道我們可以衡量的事物有多重要,而理論(或者至少是它們的適用性)受到我們缺乏精確度量的約束。因此,用數學術語來描述宇宙並不是很明顯,人類花了2000多年的文化才使任何人認為數學是描述它的正確語言是“顯而易見的”。
@MartinArgerami我沒有寫這是“顯而易見的”,因此不確定您是否在回應我的評論。但是要解決您的觀點,存在是什麼意思?一種定義是兩個任意獨立的觀察員可以就事件的度量達成一致。然後必須有一個確定/確定事件結果的單一的普遍定律。例如如果Bob測出一個黑洞,而Alice卻無法測出,它存在嗎?沒有這個定義。那麼根據定義,使某事物存在的原因是其被測量的能力,而不是我們對其進行測量的能力。
“那麼必須有一個決定事件結果的單一的普遍規律”。那就是你的推理中的“顯而易見”。不,一點也不。物理學家使用非常抽象的數學方法似乎能夠描述許多非常精確的測量的行為,這是令人驚訝的。但這簡直就是奇蹟。威格納稱其為“不合理”。您的陳述假設宇宙的行為是連貫的,各向同性的,等等。這似乎是一個很好的假設,但僅僅是這些假設。(繼續)
之所以採用更複雜的數學模型,部分原因是物理學家善於“改變規則”。直到19世紀,亞原子粒子的行為都沒有遵循物理學的一般“定律”。(出色的)物理學家所做的就是改變我們解釋測量的方式,從而使您獲得了量子力學。關於您的“存在”的概念,如果愛麗絲和鮑勃都獲得相同的度量,那如何保證查理獲得相同的度量?
@MartinArgerami“明顯”,“抽象”,“精確”,“不合理”:主觀術語。量子力學曾在我們之前存在。假設觀察者之間的法律不同。Gedanken:如果A執行$ \ eta $,則B進入黑洞。如果A做$ \ xi $,則B停留在A的附近。根據B的定律A做$ \ xi $,根據A的定律A做$ \ eta $。在$ \ eta $或$ \ xi $發生之後,A和B可以交互嗎?C測量什麼?悖論。對於任何給定的觀察者來說,事件的結果必須一致,因此必須有一條規定結果的普遍規律。如果願意,很高興繼續聊天。
goblin
2015-11-20 10:38:55 UTC
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蒂姆·B(Tim B.)的立場是,這是對孩子撒謊的例子。我完全不同意;在我看來,這是理想化的一個例子,這是科學的每個分支中每個模型必須必須做的事情。正如George EPBox曾經寫道:

本質上,所有模型都是錯誤的,但是有些模型是有用的。

它不是在撒謊,它叫做做科學。 r> Ergo,只有在教師未能提出牛頓重力只是重力相互作用的模型,並且實質上所有模型都是錯誤的事實(包括GR和量子引力。簡而言之,我認為萬有引力為課堂環境中討論科學實踐和科學哲學的實踐提供了極好的教學機會。因此,如果做得對,就沒有資格向孩子撒謊。

這裡有一個小妙處。據任何人所知,有可能發現一種萬物理論(ToE),它不僅解釋了我們目前所知道的所有現象,而且實際上也解釋了我們可以理解的所有 現象。 ever 知道,並且我們可以與 ever 進行交互的所有實體。

但是,即使某些研究程序發現了ToE,從根本上講,我們也無法實現曾經知道這是一個ToE。為了避免完全窒息物理學,我們始終必須假設可能存在可能尚無人知道的其他現象,即使當前偏愛的ToE似乎可以解釋所有已知現象。

當然,我們以前就處於這種情況。長期以來,人們普遍認為牛頓力學是一種能夠解釋本質上所有物理學的ToE。我們有多麼錯誤,某些思想家拒絕接受物理學本質上是“完成”的事情,真是幸運!

+1儘管沒有解決物理問題,但這是最出色的一點,其他答案未提及。CF JS對以下答案之一的精彩評論:“所有模型都是錯誤的。其中一些模型很有用。”
因此,當“孩子”(提到了3-127歲)意識到他們所教的一切都是近似,模型,概念,“謊言”,簡化,類推等等時,他們會怎麼想?就像一個古老的笑話,一位醫生對另一位醫生說:“我們何時才能停止*行醫*藥物,並開始*真正地*使用它?”現實何時出現?
如果教授得當,人們應該知道物理學僅與模型有關。但是事實證明,它們非常有用,在很多情況下,為簡單起見,您甚至接受一些小錯誤。物理學中的“現實”是實驗,您可以在其中驗證模型對實驗結果的預測程度。
Tim B
2015-11-19 15:29:13 UTC
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這是“對孩子撒謊”的示例。

https://en.wikipedia.org/wiki/騙子

由於沒有經驗,某些主題可能很難理解,因此一次向學生或孩子介紹完整的複雜性可能會讓人感到不知所措。因此,儘管在技術上是錯誤的,但基本解釋的簡化方式使本課更易於理解。撒謊是為了最終被更複雜,更接近事實的解釋所代替。

...其中“孩子”的定義是3到127歲的人,要么還沒有物理學,要么已經擁有物理學,但是決定主修文科,法律,工程,計算機科學,烹飪,銷售,繪畫,汽車維修,政治,宗教-幾乎所有人。
-1
[Dotan的剃須刀](http://dotancohen.com/eng/britain_england_united_kingdom.html):**微不足道的錯誤可以省去冗長的解釋。**
-1
通過這種推理,每個模型都是孩子的謊言。
@gerrit僅在模型絕對正確的情況下顯示。
@TimB一位優秀的物理老師會教給孩子模型的概念,並且當一個聰明的好奇孩子進一步詢問時,應該告訴這個孩子牛頓模型只是大致正確的,但足以用於日常使用。
@gerrit,的一位出色的物理老師會告訴*每個*孩子,牛頓物理學僅是近似正確的,並且將解釋說,所有物理學,甚至更廣泛地說,對於所有科學都是如此。為有好奇心的孩子保存這些基本見解絕對是毫無意義的。
@goblin也許是這樣。
有了@WoJ,的評論,我可以肯定地說這個答案不正確!
Vinay5forPrime
2015-11-19 20:59:54 UTC
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如果我們遵守學校的教學大綱,幾乎我們學到的所有物理學都是牛頓物理學。從力到運動定律的一切都基於牛頓思想。

相對論的一般理論是一個現代概念,實際上更為真實。但是您知道GTR對於孩子來說是一個很難理解的概念。因此,為了簡化課程,這些事情都是作為一種力量傳授給我們的。

在愛因斯坦之前,每個人都認為重力是一種力量。因此,古典傳統在我們的書中仍然得以延續。

即使在化學上也要給您提供示例,原子是作為一種太陽係被教給孩子們的。顯然不是。

dhudsmith
2015-11-21 11:36:08 UTC
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我想對這個問題採取稍微不同的角度,並指出大多數物理學家認為重力實際上是一種力。標準模型是現代粒子物理學的偉大勝利,它包含強,弱和電磁力。這些力在標準模型中通過存在力載體(自旋1號玻色子)來表示:膠子,W和Z玻色子以及光子分別耦合到帶電粒子(電弱或彩色)上。標準模型是量子場論。當以高能量探測物質的結構時,這種表示是必要的。但是,在低能量的情況下,人們可以構建更簡單的有效理論。麥克斯韋方程是一個例子。同樣,大多數物理學家認為,廣義相對論方程(愛因斯坦方程)是引力量子場論的低能解。因此,很自然地認為,在某種程度上,愛因斯坦方程將分解(例如,逼近黑洞的中心)。問題在於,重力(引力子)的載流子應該是自旋2粒子,這與其他力載子不同,事實證明,構造自旋2尺度粒子的一致量子場論非常困難。目前,弦理論是該理論的主要候選者。

因此,在作為物理學家的訓練過程中,首先要學習重力是牛頓的作用力,然後才是重力的結果。來自愛因斯坦的彎曲空間,那麼它畢竟必須確實是一支力量!看來上一堂課的名字由誰來定,看來還是要確定。

還需要強調的是,雖然完全一致的UV完全引力理論很棘手,但引力子實際上是引力的低能量有效場論的一個特徵。因此即使沒有引力的完整量子理論,談論引力子也是有意義的。+1強調重力是一種力(即使是相對論也是如此),儘管俗話說GR並非如此。
感謝您澄清這一點。我應該說,弦理論是UV完全引力理論的主要候選者,該理論在運行至低能量時會吸收引力子。
非阿貝爾的“力”在牛頓意義上也不是真正的力,僅在現代量子場論的說法中,後者實質上將“力”等同於規範場論。經典的楊-米爾斯理論通常不做,並且有充分的理由-我們沒有這些“力”的經典等價物,也不清楚它們是否成為經典極限中的力,特別是對於弱力。
_“首先要了解重力是牛頓的力,然後這實際上是來自愛因斯坦的彎曲空間的結果,然後它畢竟必須確實是力!” _太好了!
Shing
2015-11-25 21:12:36 UTC
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我認為這裡的很多人太聰明了,無法理解這一點:

因為您沒有更好的選擇。在高中向孩子們教授廣義相對論是不切實際和不可行的。 (嗯...期望他們已經知道一些張量了嗎?並且了解時空嗎?)

此外,正如許多其他人提到的那樣,牛頓方法還不錯。在許多情況下,牛頓法為我們提供了很好的數值答案,足以滿足許多目的。

此外,牛頓重力的歷史為孩子們學習科學方法提供了極好的材料,比如說科學家如何以及為什麼測量重力常數?甚至在這個問題中,我們都在接受這樣一個事實,即科學絕不是自然界的完整故事,正如費曼曾經說過的那樣,

”“大自然的每一部分或一部分,始終僅僅是對完整真理的近似,或者就我們所知,它只是完整真理,實際上,我們所知道的一切僅僅是某種近似,因為我們知道我們還不了解所有法律。” -Richard Feynman

,這會讓孩子們知道為什麼我們應該繼續做科學並鼓勵他們這樣做:)

我並不完全同意,但這是一種看待事物的好方法!真是令人愉快的答案。
asperanz
2015-11-25 05:52:18 UTC
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我知道為什麼我們應該將重力視為一種力的兩個原因。首先是純粹的古典和牛頓:潮汐力。重力是產生潮汐力的唯一責任,它們不能被視為虛擬力,而在某種意義上,由於重力而產生的通常加速度通常可以被視為虛擬力。您知道潮汐力是真實力的方式是,它們是直接使用Riemann曲率張量構造的,僅靠改變坐標就無法使其消失。將此與重力引起的加速度進行比較,在一般相對論的情況下,重力的加速度以連接係數$ \ Gamma ^ a_ {bc} $為特徵。與Riemann張量不同,連接係數不是 張量,並且可以通過更改坐標來使它們消失(此坐標選擇為 Riemann法向坐標),揭示了這支部隊的虛擬性質。從更實際的角度來看,潮汐力應該被認為是真實的,因為它們會導致諸如行星內部加熱或可憐的宇航員的意粉化之類的事情,而這些事情恰好掉入了黑洞。

人們可能將重力視為力的第二個原因更多地建立在量子環境中。在量子場論中,“力”的概念通常由“規範相互作用”代替,即耦合到守恆電流的玻色子。當人們說有四種基本力量時,通常這就是他們使用“力量”一詞的含義。作為一種量子理論,重力的行為與電磁力,弱力和強力非常相似,儘管在細節上當然存在差異。還要注意,當我們採用許多低能引力子(引力相互作用的力傳遞粒子)的經典極限時,就會得到引力波。引力波會產生什麼樣的力?潮汐力量!從與重力波相關的特徵性拉伸和擠壓模式可以明顯看出這一點。

因此,我想說的是,“引力不是力量”這個俗氣的短語是出現在廣義相對論教學中的真正的騙人的孩子。

好答案,阿斯佩蘭茲。是的,我同意“重力不是力量”才是真正的騙子。
Mozibur Ullah
2015-12-15 09:13:32 UTC
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我們為什麼要在中學裡學習有關力量的信息?

我會和Shings一起回答;這是關於教學法的:對於孩子來說,思考和可視化力很容易,您可以一把椅子,或者一個鬆緊帶。當您搖擺將石頭綁成一圈時,您可以感受離心力。

它也遵循了該學科的歷史發展。您的意思是您正在通過歸納法,理論和啟發性猜測來學習科學的工作原理:畢竟,普朗克實際上只是對量子進行了猜測,試圖解決黑體輻射問題。

這也是編碼如何思考和概念化物理學的語言:用動量表達力量,然後向拉格朗日形式主義的轉變是廣義矩。

為什麼GR不是強制力?

另一個原因是轉向GR,否定或篡改牛頓力學;在局部框架中存在牛頓近似,其中重力將像通常作為力一樣出現。在曲面上沿著“直線”的粒子;因此,牛頓第一定律的概括

在某種程度上,問題是“是”一詞。與其認為它僅表示一件事,不如認為它在多個描述之間模糊

這個球被塗成藍色; 回合; 躺在地上:幾個是描述 one 單個情況的幾種不同觀點。

John Duffield
2015-11-24 20:10:56 UTC
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如果重力不是力,那為什麼我們在學校裡知道它是力呢?

因為重力是力。它不是牛頓意義上的力,其中功=力x距離。當您放下磚塊時,重力的“力”不會為磚塊增加任何能量。相反,它將勢能轉換為動能。這與水平加速磚塊時的操作不同。然後,您就可以進行工作了。您增加能量。提起磚塊時,您也要對其進行操作。您對重力施加了x距離的力,結果為磚塊增加了能量*。然後,當您放下磚塊時,該勢能將轉換為動能。磚塊撞到地面後,這種能量就會消散,您可以重新開始循環。該過程與將電子從質子中拉出時的處理過程沒有什麼不同,因此不要認為重力在某種程度上是獨特的。

我已經研究了愛因斯坦的廣義相對論,並且我理解它說引力不是力,而是物體彎曲時空的作用。如果這是真的

恐怕那不是真的。時空曲率與潮汐力有關,而“時空傾斜”與重力有關。在此處看到傾斜的錐形光錐。

那我們為什麼要在中學裡指示它是力量?

又是因為它。他們只是不告訴您完整的故事,僅此而已。提出一個有關提起磚塊的問題,以及與將電子從質子中拉出相比的問題。查找大量赤字,並繼續提出問題!

*嚴格來說,您還可以向地球添加能量,但是儘管動量是平均分配的,但能量卻不是。地球佔有的份額很小,我們無視它。 sup>



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