Bedeutet die Existenz von "Gravitationswellen" (vorausgesetzt, sie existieren), dass Zeit als vierte Dimension im Universum existiert? [geschlossen]

Ich bin neu darin, über spezielle und allgemeine Relativitätstheorie nachzudenken, und ich habe keine formelle Ausbildung als Physiker. Allerdings habe ich in letzter Zeit ein wenig über die Raumzeit nachgedacht. Ich habe mich gefragt, ob „Gravitationswellen“ Beweise dafür liefern, dass die Raumzeit die Struktur des Universums genau beschreibt. Oder liefern „Gravitationswellen“ mit anderen Worten Beweise dafür, dass Zeit als vierte Dimension im Universum existiert (und was bedeutet dies für vergangene, gegenwärtige und zukünftige Ereignisse im 3D-Raum, die alle mit gleicher Realität existieren)?

Bitte denken Sie daran, dass ich nicht nach Meinungen (oder dogmatischen Behauptungen) über die Genauigkeit der Universum-als-Raumzeit-Kontinuum-Theorie an sich frage. Ich frage, ob "Gravitationswellen" logischerweise die Universum-als-Raumzeit-Kontinuum-Theorie implizieren.

Fragen Sie, ob Zeit als räumliche Dimension existiert oder nicht?
Gravitationswellen sind eine weitere Bestätigung einer Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie. Frühere Bestätigungen der Allgemeinen Relativitätstheorie umfassen die Präzession der Umlaufbahn des Merkur, Krümmung des Sternenlichts durch das Gravitationsfeld der Sonne, Zeitwahl für GPS-Satellitensignale und verschiedene andere frühere Bestätigungen für Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie. Bisher hat die Theorie in den letzten 100 Jahren der wissenschaftlichen Überprüfung standgehalten. Grundlegend für GR ist, dass die Raumzeit eine vierdimensionale nicht-euklidische Mannigfaltigkeit ist, die die Zeit als eine der Dimensionen enthält.
Die geometrische Behandlung der Zeit in der Relativitätstheorie ist eine Bequemlichkeit, die nicht von der Tatsache ablenken sollte, dass sich die Zeit grundlegend vom Raum unterscheidet. Gravitationswellen ändern daran rein gar nichts.
Ich frage nicht, ob die Zeit als räumliche Dimension existiert oder ob die Zeit als vierte Dimension (räumlich oder anderweitig) existiert oder ob die Raumzeit die Struktur des Universums genau beschreibt oder ob eine andere Theorie wahr oder falsch ist. Ich frage ausdrücklich, ob das Vorhandensein von Gravitationswellen im Universum logisch impliziert, dass die Raumzeit tatsächlich die Struktur des Universums genau beschreibt. Ich gehe davon aus, dass die beiden Aussagen „Raumzeit beschreibt genau die Struktur des Universums“ und „Zeit existiert als 4. Dimension im Universum“ logisch gleichwertig sind.
CuriousOne, sagen Sie im Wesentlichen, dass die empirische Beobachtung von Gravitationswellen nichts dazu beiträgt, zu bestätigen, dass die Raumzeit eine genaue Beschreibung der Struktur des Universums ist?
Wir wissen, dass die Raumzeit keine genaue Beschreibung ist, daher steht die Bestätigung, dass dies der Fall ist, nicht einmal auf der Speisekarte. Warum wissen wir das? Weil die allgemeine Relativitätstheorie Ihnen keine Materie mehr liefern kann als die Newtonsche Mechanik. Es ist eine sehr begrenzte Theorie, die eines sehr gut zu machen scheint: die Schwerkraft auf Skalen von der Größe des Sonnensystems und darüber beschreiben. Sonst kann es nichts.
@CuriousOne Das ist ein bisschen zu weit. Offensichtlich wenden wir GR auf die Gravitationswellendetektoren an, die viel kleiner als das Sonnensystem sind. Wir wenden GR auch auf GPS-Satelliten an. Die Auswirkungen von GR können gering sein, sodass Sie möglicherweise Präzisionssysteme benötigen, um Vorhersagen zu erhalten, die nicht durch Modellierungsfehler überschwemmt werden. Aber genau genug Herrscher und genau genug Uhren und GR ist nachweisbar. Es gibt keine magischen Größenskalen, wo sich QM ausschaltet oder wo GR einschaltet.
@Timaeus: Wir wissen, dass die Newtonsche Schwerkraft (dh die quasi-statische schwache Feldgrenze von GR) bis zu einem mm (wahrscheinlich etwas darunter) so funktioniert, wie wir es erwarten. Das ist nicht das Problem. Das Problem ist, dass von dort absolut nichts über die Schwerkraft bekannt ist (außer vielleicht, dass sie schwach ist, aber selbst das könnte falsch sein). Niemand erwartet, dass sich die Schwerkraft abschaltet ... sie tut einfach nichts innerhalb der messbaren Grenzen, und GR gibt uns keine nützlichen Hinweise darauf, was sie dort tun könnte, wenn überhaupt. GR ist, was es ist, und nicht mehr. Es wäre schön, wenn es mehr tun könnte, aber es kann nicht.
@CuriousOne Das ist irreführend und eigentlich falsch. Wir wissen, dass Sie, wenn Ihre Messgeräte grob genug sind, nicht zwischen gekrümmter Raumzeit und Newtonscher Gravitation unterscheiden können. Aber mit guten Messgeräten kann man den Unterschied erkennen. Die Natur bietet nur eine Grenze in dem Sinne, dass Wissenschaft harte Arbeit ist, sodass jedes Werkzeug Grenzen hat. GR hat keine Schwierigkeiten, bei 1 mm vorherzusagen. Experimentatoren haben Schwierigkeiten, die superkleinen Dinge zu messen, die GR vorhersagt. Und das liegt daran, dass die vorhergesagten Auswirkungen gering sind. Genauso wie die Relativitätstheorie bei niedrigen Geschwindigkeiten gilt.
@peter "Schwerkraftwellen" sind ein völlig anderes (und alltägliches) Phänomen.
Ich würde gerne mehr darüber hören, wie „wir wissen, dass die Raumzeit keine genaue Beschreibung ist“. Stimmen andere dieser Aussage zu?
@lostinthecloud Ich denke damit meinte er einfach, dass die Theorie selten perfekt zur Realität passt. Zu sagen, die Erde sei eine Kugel, wäre falsch, weil sie um den Äquator herum größer ist. Es eine Ellipse zu nennen, wäre immer noch falsch, weil es kaum eine perfekte Ellipse ist, aber es wäre eine genauere Theorie. Die Realität ist weitaus komplizierter, mit Bergen und künstlichen Strukturen. In dieser Hinsicht werden wir wahrscheinlich nie beweisen , dass die Raumzeit korrekt ist, und dennoch wurden Gravitationswellen gesucht, weil die Raumzeit die Möglichkeit nahelegte.
Ich sehe nicht, wie die Existenz von Zeit als vierte Dimension irgendetwas mit Gravitationswellen zu tun haben soll ... Beachten Sie, dass Gravitationswellen eine Folge von GR sind, die wiederum eine Folge von Raumzeit ist; dh wir implizieren bereits die Existenz von Zeit als vierte Dimension, bevor wir an Dingen wie Gravitationswellen arbeiten.
Ich kann mich nicht an den Beweis erinnern oder meine Notizen finden, daher werde ich dies als Kommentar anstelle einer Antwort posten. Damit sich die Schwerkraft ausbreiten kann, hat die Metrik mindestens vier Freiheitsgrade, was bedeutet, dass das Universum, in dem wir leben, mindestens vierdimensional ist.
Damit es „Beweise“ dafür gibt, dass „Zeit als 4. Dimension existiert“, muss man sagen, was es bedeutet , dass „Zeit als 4. Dimension existiert“. Wenn Sie nur meinen, dass die Beschreibung der Raumzeit in der Allgemeinen Relativitätstheorie als 4D-Mannigfaltigkeit mit einer zeitähnlichen Richtung richtig ist, nun, wir hatten genügend Beweise dafür, noch bevor wir Gravitationswellen entdeckten.
Es scheint mir, dass es der Fall sein könnte, dass die Darstellung der Zeit als 4. Dimension in einer imaginären "4D-Mannigfaltigkeit der Raumzeit" als mathematisches Modell nützlich ist, aber das Universum möglicherweise nicht genau beschreibt. Was ich zu hören scheine, ist, dass die Entdeckung von GW keine zusätzlichen Beweise liefert, um die Universum-als-Raumzeit-Kontinuum-Theorie zu bestätigen, und dass ohne die Theorie als Ausgangspunkt die Daten, von denen angenommen wird, dass sie die Anwesenheit von bestätigen GW würde anders interpretiert (und würde selbst keine Theorien inspirieren, die besagen, dass das Universum aus Raumzeit besteht). Ja?
Was ist der Unterschied zwischen einem mathematischen Modell, das in dem Sinne nützlich ist, dass es jedes mögliche Messergebnis korrekt vorhersagt, und etwas, das „das Universum genau beschreibt“? Am Ende des Tages sind alle unsere Theorien nur mathematische Modelle, die nützlich sind, um vorherzusagen, was passiert. Darum geht es in der Physik.
Wenn wir davon ausgehen, dass die Raumzeit das Universum genau beschreibt, können Zeitreisen möglich sein, einschließlich Zeitreisen in die Vergangenheit (dh durch Wurmlöcher). Wenn wir die Raumzeit jedoch nur als nützliches Modell betrachten und eine andere Erklärung für alle beobachtbaren Phänomene existiert, glauben wir möglicherweise weniger, dass Zeitreisen möglich sind. Nur weil wir einige Variablen in einem Graphen gegeneinander auftragen können und die Mathematik aufgeht, bedeutet das nicht, dass dieser Graph die Struktur des Universums beschreibt. Es gab geozentrische Modelle des Sonnensystems, die mehr oder weniger funktionierten, bevor Copernicus auftauchte.
Das ist (notwendigerweise) nicht richtig, da nicht alle erlaubten Lösungen realisiert werden können . Die Wurmlochlösungen der Einstein-Feldgleichungen könnten einfach unphysikalisch sein, und das wäre das Ende. Ich denke, dass es in der Gemeinschaft der theoretischen Physik weithin akzeptiert ist, dass GR irgendwann durch eine Theorie ersetzt wird, die Quanteneffekte beinhaltet, und es ist definitiv nicht der Fall, dass Gravitationswellen dies ausschließen.

Antworten (2)

Die erfolgreiche Beobachtung von Gravitationswellen 1 liefert sehr starke Unterstützung für die Aussage, dass Einsteins allgemeine Relativitätstheorie das Verhalten von Massen, die in unserem Universum wechselwirken, genau beschreibt. Die dimensionale Natur der Zeit spielt eine wichtige konzeptionelle Rolle in den Argumenten, die zur allgemeinen Relativitätstheorie führen – und, was das betrifft, zur speziellen Relativitätstheorie, die viele, viele, viele weitere erfolgreiche Tests hinter sich hat.

Jede zukünftige Gravitationstheorie muss jetzt Gravitationswellen vorhersagen, zusätzlich zur Beschreibung der Bahnpräzession von Merkur, zentimetergenaue Details der Libration des Mondes, der Aberration des Sternenlichts durch die Sonne, Gravitationslinsen, Längenkontraktion und Zeitdilatation usw.

Ich bin zu vorsichtig, um die Möglichkeit auszuschließen, dass ein zukünftiger Paradigmenwechsel die Zeitdimensionen anders behandeln wird als die Raumdimensionen, als es die Relativitätstheorie tut. Aber selbst wenn das passiert, wird die Relativitätstheorie, die wir jetzt haben, ein mächtiges Werkzeug bleiben, um über das Verhalten der Welt nachzudenken, genau wie Newtons veraltete Gesetze so nützliche konzeptionelle Werkzeuge sind und so nützliche Annäherungen liefern, dass die meisten Studenten immer noch ein Jahr damit verbringen, Newton zu studieren weiter zu Einstein.

1 Beachten Sie, dass Gravitationswellen etwas prosaischer sind.

Was bedeutet "Zentimeter-genaue Details der Libration des Mondes"? Google findet bei mir nichts.
@KDecker Dass der Mond sich um etwa 3,8 Zentimeter pro Jahr von der Erde entfernt.
@KDecker Newtons Gravitation und Einsteins Gravitation sagen die Position und Ausrichtung des Mondes aufgrund seiner Libration mit Unterschieden von etwa zehn Metern voraus. In den letzten zehn Jahren ist es möglich geworden, den Standort des Mondes millimetergenau zu messen , womit der Unterschied zwischen klassischer und relativistischer Gravitation nun auf fünf signifikante Stellen getestet wurde. Eine Rezension .
Libration ist eine balancierende Bewegung des Mondes im Schwerefeld der Erde. [ en.wikipedia.org/wiki/Libration] Wikipedia

Gravitationswellen (GW) sind ein weiteres Phänomen, genau wie viele andere relativistische Phänomene, die die Existenz von Raumzeit (wie auch immer sie definiert ist) bestätigen. Die Raumzeit wurde beispielsweise bereits durch Atomuhren mit unterschiedlichen Tickraten auf der Erde und in Umlaufbahnen bestätigt. Es gab eine Reihe von Experimenten, darunter eines von der NASA zum Ziehen von Frames. GW war nicht notwendig, um die Raumzeit zu beweisen. Es war eine Vorhersage von GR, die sich nun durch die jüngste Beobachtung als Tatsache erwiesen hat.

Bedeutet die Existenz von "Gravitationswellen" (vorausgesetzt, sie existieren), dass Zeit als vierte Dimension im Universum existiert? [geschlossen]
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