Gibt es einen Beweis, dass die Schwerkraft den Raum verbiegt, oder ist es nur die bequemste Erklärung? [Duplikat]

Ich habe die Weinberg-Passage gefunden, aber um sie zu zitieren, muss ich sie in einer Antwort tun (zu lang). Hier geht es also.

Wir haben in diesem Kapitel gesehen, dass das Nichtverschwinden des Tensors$R_{\lambda \mu \nu \kappa}$ist der wahre Ausdruck für das Vorhandensein eines Gravitationsfeldes. Wir haben in Kapitel 1 auch gesehen, dass Gauß dazu gebracht wurde, die Gaußsche Krümmung einzuführen$K = -R/2$als wahres Maß für die Abkehr von einer zweidimensionalen Geometrie von der Euklidischen, und dass Riemann später den Krümmungstensor einführte$R_{\lambda \mu \nu \kappa}$das Konzept der Krümmung auf drei oder mehr Dimensionen zu verallgemeinern. Es ist daher nicht verwunderlich, dass Einstein und seine Nachfolger die Auswirkungen eines Gravitationsfeldes als eine Änderung der Geometrie von Raum und Zeit angesehen haben. Früher hat man sogar gehofft, man könne den Rest der Physik in eine geometrische Formulierung bringen, aber diese Hoffnung ist enttäuscht worden, und die geometrische Interpretation der Gravitationstheorie ist zu einer bloßen Analogie zusammengeschrumpft, die in unserer Sprache nachklingt Begriffe wie „Metrik“, „affine Verbindung“ und „Krümmung“, ist aber ansonsten nicht sehr nützlich. Das Wichtigste ist, Vorhersagen über Bilder auf den Fotoplatten der Astronomen, Frequenzen von Spektrallinien usw. machen zu können, und das tut es einfach nicht. Dabei spielt es keine Rolle, ob wir diese Vorhersagen auf die physikalische Wirkung von Gravitationsfeldern auf die Bewegung von Planeten und Photonen oder auf eine Krümmung von Raum und Zeit zurückführen. (Der Leser sollte gewarnt werden, dass diese Ansichten heterodox sind und bei vielen allgemeinen Relativisten auf Einwände stoßen würden.)

Ich könnte das ergänzen, was Weinberg gesagt hat, aber... Nun, ich verstehe nicht, warum. Ich denke, es ist ziemlich klar und großartig.

In der Wissenschaft gibt es keinen hundertprozentigen Beweis; zumindest nicht für gute Wissenschaft. Es geht immer darum, die genaueste / anschaulichste / nützlichste Theorie zu sein. Zum Beispiel ist die Newtonsche Schwerkraft insofern „wahr“, als sie in einer großen Vielfalt von Situationen sehr effektiv ist. Die Allgemeine Relativitätstheorie (GR) umfasst alle Genauigkeiten der Newtonschen Schwerkraft und erklärt dann auch eine Vielzahl zusätzlicher Phänomene, bei denen die Newtonsche Schwerkraft versagt. Wir denken, dass es Stellen gibt, an denen GR unvollständig ist: wenn Sie Dinge auch auf quantenmechanischen Skalen beschreiben müssen . Es gibt auch einige Macken über den "dunklen Sektor" ( Dark Matter und Dark Energy), die wir nicht wirklich verstehen. Aber für alle Absichten und Zwecke kann GR alle beobachteten Gravitationsphänomene zufriedenstellend erklären, einschließlich einer Vielzahl von "Tests von GR" - was, sehr wichtig, keine andere Theorie kann .

Gleichzeitig ist die Beschreibung der Gravitation durch die Allgemeine Relativitätstheorie an sich die der „gekrümmten“ Raumzeit. Die ' Metrik ' von GR ist grundlegend und untrennbar eine Beschreibung der eigentlichen Geometrie der 3+1-Raumzeit, die rein davon ausgehend die gesamte resultierende Gravitationsdynamik beschreibt. Eine GR-Beschreibung ist effektiv gleichbedeutend mit einer gekrümmten Raum-Zeit-Beschreibung. Dies ist meines Wissens auch einzigartig bei GR. Durch die Demonstration der Genauigkeit von GR wird somit die Gültigkeit der Betrachtung der Schwerkraft als gekrümmte Raumzeit demonstriert. Wie in diesem ersten Absatz beschrieben, sollte dies immer noch der gleichen Interpretation unterliegen, dass dies derzeit die beste Beschreibung beobachtbarer Eigenschaften des Universums ist.

Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie (kurze Zusammenfassung, siehe Wikipedia für Details)

• "Perihel-Präzession des Merkur" (Dynamik): Die Umlaufbahn des Merkur besteht nicht aus perfekt geschlossenen Ellipsen, sondern "präzediert" (dreht sich leicht). Die exotischen dynamischen Effekte wurden auch von Weltraummissionen und in der Dynamik von Sternen beobachtet, die sich in der Nähe des massiven Schwarzen Lochs in unserem galaktischen Zentrum bewegen .
• "Lichtablenkung durch die Sonne" (Lensing): Es wird beobachtet, dass der Lichtweg von massiven Objekten abgelenkt wird. Dies wurde im Licht einzelner Sterne beobachtet, die sich hinter der Sonne bewegen, wurde aber seitdem auf Beispiele von vollständig verzerrten oder duplizierten Bildern von Galaxien oder subtilen statistischen Effekten auf große Felder entfernter Galaxien ausgedehnt . Die Ursache der Ablenkung (wie von GR gelesen) ist buchstäblich die Krümmung der Raumzeit – wodurch alle Objekte (sogar Photonen ohne Ruhemasse) abgelenkt werden.
• "Gravitationsrotverschiebung" (Lichtreise): Die Frequenz des Lichts wird "rotverschoben", wenn es seine Tiefe in Gravitationspotentialmulden ändert. In ähnlicher Weise werden die Verzögerungseffekte der verzerrten Raumzeit seit langem beobachtet und sind eine sehr wichtige Komponente der Funktionsweise von GPS .
• Binärer Pulsar (Gravitationswellen): Der orbitale Zerfall des 'Hulse-Taylor'-Binärpulsars steht im Einklang mit der Emission von Gravitationswellen mit unglaublicher Präzision und gewann einen Nobelpreis. Gravitationswellen sind buchstäblich wandernde Wellen in der Raumzeit, die Energie transportieren können.
• Kosmologie: Die Ausdehnung des Raums und insbesondere die Inflation passen sehr schön und natürlich in den GR-Kontext – weil sie die Raumzeit selbst explizit beschreiben und nicht nur die darin enthaltenen Objekte. Die einzigen alternativen Erklärungen, die wir für diese Beobachtungen haben, sind extrem verworren - und erfordern viele verschiedene Werkzeuge für verschiedene Regime (dh das Ändern von Masse / Lichtgeschwindigkeit usw. kann Expansionsbeobachtungen erklären, aber Sie brauchen etwas anderes, um Homogenität zu erklären, und noch etwas anderes für das Horizont- oder Monopolproblem usw.). Dies ist ein weiteres Beispiel für die Verwendung einer dynamischen, flexiblen Raumzeit .

Wir gehen davon aus, dass wir in naher Zukunft Gravitationswellen mit Pulsar Timing Arrays und bodengestützten Laserinterferometern direkt nachweisen können . Dies wäre ein "Sargnagel" für die Interpretation der Schwerkraft als Raumzeit.

Es gibt ein sehr reales Phänomen namens „Gravitationslinseneffekt“, bei dem Licht von seiner ursprünglichen Flugbahn durch einen ausreichend massiven Materiehaufen (der die Raumzeit um ihn herum krümmt) abgelenkt wird. Darüber hinaus ist es um einen anderen Betrag gebogen als durch eine einfache Anwendung der Newtonschen Ideen vorhergesagt, wie freundlicherweise von Rob Jeffries darauf hingewiesen wurde. Reicht dieser Beweis? =]

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

Man muss zwischen der allgemeinen Bedeutung der Krümmung (extrinsische Krümmung genannt) und der mathematischen Bedeutung der Krümmung, die in der allgemeinen Relativitätstheorie verwendet wird (intrinsische Krümmung), unterscheiden. Die intrinsische Krümmung kann manchmal als extrinsische Krümmung dargestellt werden, aber im Allgemeinen ist dies nicht hilfreich, und es ist bedauerlich, dass populäre Berichte dazu neigen, sich auf diese Art der Darstellung zu konzentrieren.

Eigenkrümmung bedeutet nicht, dass etwas im üblichen Sinne "gebogen" ist. Das bedeutet, dass die Theoreme der euklidischen Geometrie nicht für den Raum gelten und die der speziellen Relativitätstheorie nicht für die Raumzeit gelten (außer in lokaler Annäherung).

Wir können die Wahrheit erkennen, indem wir die tägliche Tatsache erkennen, dass Uhren auf GPS-Satelliten nicht mit identischen Uhren auf der Erde die Zeit halten. Die Gesetze der Physik sind auf GPS-Satelliten dieselben wie auf der Erde, daher ist die lokale Lichtgeschwindigkeit auf einem GPS-Satelliten dieselbe wie auf der Erde. Daraus folgt, dass das Messgerät betroffen ist und dass der Umfang der Satellitenumlaufbahn nicht genau sein kann$2\pi R$, wie es bei einer Kreisbahn in der euklidischen Geometrie der Fall wäre. Genau das meinen wir mit Eigenkrümmung.

Die Wissenschaft erlaubt uns nicht, sicher zu sein, was die Dinge sind , sondern eher, was passieren wird : Bei wissenschaftlichem Wissen und „Wahrheit“ geht es mehr um Konsequenzen , Implikationen und Beziehungen als darum, „was die Dinge wirklich sind“.

Der Zweck des Aufbaus von Theorien besteht darin , Muster von Ursache und Folge zu versuchen und zu beschreiben , damit wir sie auf Bereiche extrapolieren können, die wir noch nicht erforscht haben, und/oder besser verstehen, wie das, was wir erhalten, wenn wir diese Bereiche erforschen, mit dem zusammenhängt, was wir tun habe schon recherchiert. Das heißt, damit wir eine Frage der Form stellen können: "Was wird die Konsequenz sein, wenn ich X tue?" und in der Lage sein, eine vertrauenswürdige Antwort zu haben, auch ohne notwendigerweise tatsächlich zu gehen und X zu tun (was möglicherweise nicht machbar ist).

Daher ist es zwar üblich, dies zu hören, aber die Vorstellung, dass es „wahre“ und „falsche“ Theorien gibt, ist nicht wirklich richtig: Es gibt nur bessere und schlechtere Theorien in Bezug auf die Fähigkeit, einen größeren Bereich abzudecken und weniger falsche Schlussfolgerungen in Bezug auf diese Konsequenzen zu ziehen - aber keine Theorie kann sicher sein, alles zu erfassen, denn die Gesamtheit aller empirischen Untersuchungen wird immer nur endlich sein. Es ist durchaus möglich (obwohl wir a priori keinen Grund zu der Annahme haben), dass beispielsweise das Modell der Dinge als "Raumzeit" tatsächlich versagt, wenn Sie es irgendwie schaffen könnten, "über den kosmischen Horizont zu kommen" - oder auch nur, wenn wir es tun würden begeben Sie sich jetzt angemessen weit in den Weltraum .wirklich kleine Gnome sein. Es ist nur so, dass es nichts Eindeutiges zu gewinnen gibt, wenn es darum geht, die Muster der Folgen, die wir sehen, zu extrapolieren.

Sie können es sich auch als eine Form der "Datenkomprimierung" vorstellen, die wir mit unserer Intelligenz durchführen: Eine Theorie komprimiert eine große Summe empirischer Daten - vielleicht unvollkommen - zu einem kleinen, zwingenden Satz von Generierungsregeln. In der Tat funktionieren so richtige, dumme Datenkomprimierungsalgorithmen: Sie versuchen, Muster zu finden, mit denen sie die Größe eines Eingabedatenstücks verkleinern können. Und genau wie bei der Datenkomprimierung ist es umso besser, je mehr Wiedergabetreue und mehr Daten sie erhalten können, während sie dennoch eine angemessene Ausgabegröße beibehalten. Aber die Komprimierung ist nicht einzigartig: Verschiedene Algorithmen können sehr unterschiedliche komprimierte Ausgaben erzeugen, und ebenso kann es eine Vielzahl sehr unterschiedlicher Theorien geben, die wir zum "Komprimieren" dessen verwenden können, was wir jetzt haben.

Wenn es also etwas gibt, was die Wissenschaft darüber sagt, „was Dinge sind“, dann, dass sie tatsächlich als solche mit so guter Wiedergabetreue komprimierbar sind .

Also zurück zur Frage - wird der "Raum" durch die Schwerkraft "gebogen" oder nicht? Nun, Raum – oder besser gesagt Raumzeit – ist ein menschliches Konstrukt , ein intellektuelles Konstrukt oder ein soziales Konstrukt: Es ist etwas, das wir Menschen erfunden haben, um zu versuchen, unsere empirischen Daten zu komprimieren, und es funktioniert ziemlich gut und lässt uns diese Konsequenzen extrapolieren Beziehungen. In dieser Hinsicht ist sein Verhalten vollständig durch die Theorie definiert, die wir konstruieren, also lautet die Antwort auf Ihre Frage ja , die Schwerkraft krümmt sich – oder besser – ist eine Biegung der Raumzeit, denn das ist Teil dessen, was „Raumzeit“ wie wir haben definiert und in dieser Hinsicht für nützlich befunden wurde . Und es ist auch das am weitesten verbreiteteWir haben bisher ein solches Konstrukt - aber nicht unbedingt das bequemste oder nützlichste: Für die tägliche Arbeit ist das einfachere Newtonsche System völlig ausreichend.

Der Beitrag von Dilithium Matrix ist ziemlich hilfreich und ziemlich informativ, wenn es Ihnen hier wirklich um den erkenntnistheoretischen (experimentellen) Wert der allgemeinen Relativitätstheorie geht. Angesichts der zahlreichen durchgeführten Experimente, die sie mit Bravour bestanden hat, sollte sich kein Physiker allzu große Sorgen über die experimentelle Fälschung der Allgemeinen Relativitätstheorie machen. Wenn es Ihnen mehr um die Kohärenz der Mathematik ginge, dann hätte jeder Mathematiker, der seinen Abschluss verdient hat, diese Diskrepanz in der Mathematik längst gefunden.

Was Sie wirklich interessiert, scheint die Interpretation der fraglichen Theorie zu sein, die einer philosophischen Frage näher kommt als einer physikalischen (obwohl sich Physik und Philosophie häufig überschneiden). Es gibt eine lange Geschichte unter Philosophen und Physikern, die die Realität der Raumzeit sowie die Beziehung dieser Diskussion zu moderneren Theorien wie der allgemeinen oder speziellen Relativitätstheorie diskutiert haben. Es gab Philosophen in Bezug auf die allgemeine Relativitätstheorie, die beide Arten argumentiert haben, wie die allgemeine Relativitätstheorie zu interpretieren ist, ob es sie wirklich gibteine existierende Raumzeit ist, die sich krümmt, oder wenn es sich um eine komplexere Reihe von Beziehungen zwischen materiellen Partikeln handelt. Das Beste, was ich aus diesen Diskussionen herauslesen konnte, war, dass es unbestimmt war, ob wir die allgemeine Relativitätstheorie so interpretieren sollten, dass die Raumzeit existiert und die Bewegungen materieller Objekte erklärt, oder dass sie nicht existiert, aber es sind die physikalischen Beziehungen zwischen materiellen Objekten, die sie hervorrufen dieses Phänomen.

Hier ist ein umfassendes Buch , das diese Diskussion sowohl historisch als auch insbesondere in Bezug auf die allgemeine Relativitätstheorie umreißt. Hier ist ein Beitrag aus der Stanford Encyclopedia of Philosophy , der auch diese Diskussion bis hin zu einer neueren Untersuchung der Dynamik abdeckt, ohne sich zu sehr mit der Mathematik zu beschäftigen.

Mit freundlichen Grüßen, ein College-Neuling im zweiten Jahr