Warum fallen wir auf die Erde zu und schweben nicht im freien Fall gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie? [Duplikat]

Das ist also, was ich aus der Allgemeinen Relativitätstheorie verstehe:

Ein Körper, der frei auf die Erdoberfläche fällt, würde sich in einem Trägheitsbezugssystem (ohne Luft) befinden, auf das eine Nettokraft von Null einwirkt. Dies würde Schwerelosigkeit verursachen und einem Körper in der Raumzeit (ohne Beschleunigung) ohne Gravitationsmassen um ihn herum (und daher ohne Schwerkraft) entsprechen. Jedes physikalische Experiment in diesen beiden Rahmen würde daher gleiche Ergebnisse liefern, die sie ununterscheidbar machen. Die Frage ist jedoch, warum sich der frei fallende Körper nahe der Erdoberfläche im Inertialsystem bewegt und nicht ruht. Warum setzt sich ein Ball, der von der Klippe fällt, in Bewegung und bleibt dort nicht hängen?

Setzt die aufgrund der Raumzeitkrümmung in der Nähe der Erde gebildete Geodäte die Kugel in Bewegung oder hat jeder Körper auf der Erde eine Anfangsgeschwindigkeit, die beibehalten wird, sobald der freie Fall (und damit das Inertialsystem) beginnt? Aber ich weiß auch, dass der Körper schneller wird, wenn er sich dem Erdschwerpunkt nähert, und daher nicht in einer gleichmäßigen Bewegung bleibt. Angenommen, ein Tunnel wird diametral durch die Oberfläche gegraben, der Körper würde durch diesen Tunnel eine einfache harmonische Bewegung ausführen und zwischen den Tunnelenden auf und ab beschleunigen. Welche Rolle spielt die Geodäte bei der Übertragung einer Beschleunigung, die wir in der Newtonschen Mechanik als Erdbeschleunigung bezeichnen?

Könnte es sein, dass, da die Bewegung eines beschleunigenden Körpers einer Krümmung in der Raumzeit folgt, eine Krümmung in der Raumzeit automatisch eine Beschleunigung auf den Körper ausübt?

Ich bin so verwirrt.

Abishek: " [...] Warum setzt sich ein von der Klippe fallender Ball in Bewegung und bleibt dort nicht hängen? " -- Aus einer "Warum?"-Frage können spezifischere und konstruktivere "Wie?"-Fragen entstehen. Ich würde vorschlagen zu fragen: "Wie können wir feststellen, ob ein bestimmter Bestandteil der Erdoberfläche, wie z Objekt oder Teilnehmer, z. B. ein Ball, sich frei bewegt oder inwieweit nicht?" und "Wie bestimmen wir die (wahrscheinlichste) Verteilung von Massen, Ladungen, Feldern in einem gegebenen Versuch?".
@ user12262 Das "Wie" davon kann anhand der Gleichungen ausgearbeitet werden, die von all diesen Theorien aufgestellt werden. Einstein-Feldgleichungen, Maxwell-Gleichungen usw. würden die von Ihnen angesprochenen Fragen perfekt beschreiben. Aber mein Geist beschäftigt sich mit der physischen Realität davon. Was diese Phänomene verursacht, die von unserem Gehirn verstanden und akzeptiert werden können. Hier kommt das „Warum“ ins Spiel.
Abishek: " Das "Wie" davon kann unter Verwendung der Gleichungen ausgearbeitet werden, die von all diesen Theorien aufgestellt werden. " -- In der Tat; vorausgesetzt, dass zu jedem einzelnen Begriff zunächst ein bestimmtes operatives „Wie“ festgelegt ist. (Die scheinbaren Gleichungen werden somit als Theoreme der jeweiligen Theorie induziert.) „ Aber […] Was diese Phänomene verursacht, das kann von unserem Gehirn verstanden und akzeptiert werden. “ FWIW, ich begnüge mich ganz damit, zu fragen „Gegeben Zufallsdaten , welche Größen könnten wir definieren (und damit messen)?".

Antworten (3)

Ein Inertialsystem in der Nähe der Erdoberfläche bewegt sich mit einer Beschleunigung von 9,81 ms auf den Erdmittelpunkt zu 1 . Ein bezüglich der Oberfläche stationärer Rahmen ist in GR nicht inertial. Stattdessen erleben wir in diesem nicht-trägen Oberflächenrahmen die "fiktive" Kraft, die wir Gravitation nennen. Die Krümmung der Raumzeit ist für die Gezeiteneffekte verantwortlich, dh die verschiedenen Trägheitssysteme bewegen sich nicht parallel, weil sie darauf abzielen, sich im Erdmittelpunkt zu treffen. Wir können (vorübergehend – bis wir den Boden berühren) die fiktive Schwerkraft loswerden, indem wir von einer Klippe springen, aber wir können nicht die Gezeitenkraft eliminieren, die die verschiedenen Körperteile dazu bringt, in leicht unterschiedliche Richtungen zu gehen. Sie werden durch die Gezeitenkraft (sehr) leicht komprimiert und diese Kompression wird durch die Masse der Erde erzeugt.

Du vergisst das Wesentliche der Relativität: Der fallende Mann ist in Bezug auf dich in Bewegung . Ihm zufolge erfährt er keine Kräfte, also würde er sich selbst als Ruhe bezeichnen, wie es der im Weltraum schwebende Mann tun würde. Das hat nichts mit Geodäten zu tun. Für ihn würde er nur herumschweben. Also, was bringt ihn dann dazu, den Boden zu berühren? Er kann argumentieren, dass sich der Boden auf ihn zubewegt, während er an seinem Platz schwebt. Das mag absurd klingen, aber die Relativitätstheorie sagt, dass es möglich ist. Der fallende Mensch sieht die Erde sich relativ zu ihm bewegen, nicht sich selbst relativ zur Erde.

In dem anderen Szenario würde der Mann nur sehen, wie sich die Erde in einer einfachen harmonischen Bewegung bewegt, beschleunigt, wenn sich das Zentrum ihm nähert, und verlangsamt, wenn sich das Zentrum von ihm entfernt. Denken Sie jedoch daran, dass sich dies im Bezugsrahmen des fallenden Mannes befindet, in dem er schwebt und sich die Erde um ihn herum bewegt. In Ihrem oder jedem anderen Bezugsrahmen der Erde wären Sie in Ruhe und er würde oszillieren.

Sicher, all dies kann mit Geodäten erklärt werden, aber das Verständnis des Äquivalenzprinzips wird Ihnen den Charme der Allgemeinen Relativitätstheorie verleihen.

Ich stimme Ihnen (und Einstein) darin zu, dass die Erde auf den Körper zu beschleunigt und nicht umgekehrt, denn das ist das Äquivalenzprinzip. Bedenken Sie Folgendes: Zwei Körper befinden sich im freien Fall, diametral entgegengesetzt zum COG der Erde. Wenn nun die Erde gem. dehnt sich ihnen gegenüber die Erdoberfläche an beiden Enden aus? Wenn sich Beobachter entlang des Erdumfangs im freien Fall befänden, würde sich die Erde nach diesem Argument wie ein Ballon aufblasen, wenn sie versuchen, gem. gegenüber jedem von ihnen?
Es würde sich aufblähen, wenn die Raumzeit flach wäre. Die Geometrie ist nicht flach, sodass jeder Punkt auf der Erdoberfläche vom Zentrum weg beschleunigen kann, ohne dass die Oberfläche größer oder weiter vom Zentrum entfernt wird.
Ja, das ist der Punkt, der Einstein dazu veranlasste, darüber nachzudenken, die Krümmung in GR zu integrieren. Auch die obige Situation kann durch Geodäten erklärt werden. Tatsächlich verfolgt der fallende Beobachter tatsächlich eine Geodäte in Ihrem Bezugssystem. Aber in Bezug auf Ihre Frage ist es mit nur einem Beobachter einfacher, dem Äquivalenzprinzip an sich Rechnung zu tragen.
@ Dal Du hast Recht.
@Dale, also macht es für mich allmählich Sinn. Aber zwei weitere Fragen stellen sich mir: F1) Angenommen, ein Körper sinkt langsam in einer nach unten feuernden Rakete in einen Tunnel, der durch die Erdoberfläche gegraben wurde, und schaltet die Rakete ab, gerade als sie den COG der Erde erreicht. Mein Gehirn sagt, dass es dort in der Schwebe bleiben würde, wobei der COG und der Körper lokal träge werden würden (ich gehe davon aus, dass der Körper eine Punktmasse ist, sonst würde die Gezeitenkraft ihn auseinanderreißen). Würde das tatsächlich passieren?
F2) Angenommen, eine Punktmasse befindet sich im freien Raum ohne Gravitationsmassen um sie herum. Jetzt wird eine sehr schwere Masse in einer Entfernung in der Raumzeit eingeführt. Die Raumzeit würde dadurch gekrümmt und die Schwerkraft würde sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, bis sie unsere Punktmasse erreicht. Aus dem Trägheitssystem der Punktmasse würde die schwere Masse gem. in Richtung auf. Was mich verwirrt, ist, welche inhärente Eigenschaft dieser Masse sie dazu bringt, zuzustimmen? Hat jede Masse (und Energie) kraft ihres Seins selbst eine Tendenz zur gem. in der Raumzeit zu irgendeiner anderen Masse (die nichts als Schwerkraft ist)?
@Abhishek ist gerade beschäftigt, wird versuchen, Ihre Fragen bald zu beantworten.
@Abhishek, die Kommentare sind zu lang, um alle Ihre Zweifel zu beantworten. Der obige Link führt Sie zu einem Chatroom, der interaktiver ist und für ausführliche Diskussionen genutzt werden kann.
Hallo @PNS. Ich fürchte, ich habe nicht genug Wiederholungen, um dort zu chatten. Irgendeine Idee, wie wir das machen können?
Okay ... Ich denke, Sie brauchen noch eine positive Stimme, um das tun zu können. Also, vielleicht kannst du deine Zweifel als eine andere Frage stellen? Darauf werde ich antworten.
@Abishek Diese Seite ist nicht zur Diskussion gedacht. Es ist für ein reines Q&A-Format gedacht. Da Sie mehr an Diskussionen interessiert zu sein scheinen, finden Sie möglicherweise eine Website wie Physikforen geeigneter

Die Allgemeine Relativitätstheorie ist eine Theorie der Geometrie, nicht der Kräfte. Das Hauptproblem dabei ist, dass sich der Abstand zwischen Dingen im freien Fall beschleunigt ändert oder mit anderen Worten, die Geodäten solcher Dinge relativ zueinander beschleunigen.

Warum setzt sich ein Ball, der von der Klippe fällt, in Bewegung und bleibt dort nicht hängen?

Der Ball kann nicht in der Schwebe bleiben, weil "fallen gelassen" freier Fall bedeutet und somit die Geodäten des Balls und der Erde aufeinander zu beschleunigen.

Könnte es sein, dass, da die Bewegung eines beschleunigenden Körpers einer Krümmung in der Raumzeit folgt, eine Krümmung in der Raumzeit automatisch eine Beschleunigung auf den Körper ausübt?

Nun, "Beschleunigung" in diesem Sinne braucht die Information relativ zu was, zB relativ zur Erde. Dann ja, das kann man sagen. Raumzeitkrümmung, die nach Einstein auf die Existenz von Energiedichte zB der Erde zurückzuführen ist, bedeutet abweichende Geodäten, siehe oben. In unserem beschleunigt expandierenden Universum fallen Dinge (Galaxien) beschleunigt voneinander weg oder fallen in der Nähe der Erde beschleunigt auf sie zu.

Die Raumzeitkrümmung lässt sich recht schön mit der Gummiplatten-Analogie visualisieren, siehe hier:

https://www.google.com/search?rlz=1C1CHBF_deDE873DE873&ei=4-v6Xq-cHIeqa_Wdh5AN&q=gravity+visualized+youtube&oq=gravity+visualized+you&gs_lcp=CgZwc3ktYWIQARgAMgQIABATOgQIABBHOggIABAWEB4QE1DxmwNYsqYDYOq4A2gAcAF4AIABXogB0AKSAQE0mAEAoAEBqgEHZ3dzLXdpeg&sclient=psy-ab