Warum können Gravitonen Schwerkraft und Trägheitsbeschleunigung nicht unterscheiden?

Gravitonen vermitteln nicht die Gravitationskraft, und Sie können Gravitonen nicht erkennen, die zwischen Objekten hin und her blitzen, die gravitativ interagieren. Da Sie die Gravitonen nicht erkennen können, können Sie diese Gravitonen nicht verwenden, um herauszufinden, ob die Beschleunigung Trägheit oder Gravitation ist.

Es wird oft gesagt, dass Kräfte auf den Austausch virtueller Teilchen zurückzuführen sind, zum Beispiel ist die EM-Kraft auf den Austausch virtueller Photonen zurückzuführen, während die Gravitationskraft auf den Austausch virtueller Gravitonen zurückzuführen ist. Aber virtuelle Teilchen sind ein Rechengerät und existieren nicht wirklich. Diese Feynman-Diagramme, die Sie gesehen haben und die den Austausch eines virtuellen Teilchens zeigen, sind nur eine grafische Darstellung eines Integrals, das als Propagator bezeichnet wird, und zeigen keinen physikalischen Prozess. Ich kann es nicht stark genug betonen:

Virtuelle Teilchen existieren nicht !

Echte Gravitonen sind die Quanten von Gravitationswellen, genauso wie echte Photonen die Quanten von Lichtwellen sind, aber echte Gravitonen übertragen die Gravitationskraft genauso wenig wie echte Photonen die EM-Kraft übertragen.

Wenn wir die Vierfachbeschleunigung eines Beobachters schreiben, schreiben wir sie als Summe der Trägheits- und Gravitationsterme:

wobei der erste Term auf der rechten Seite der Trägheitsanteil und der zweite Term der Gravitationsanteil ist. Allerdings sind beide Terme auf der rechten Seite keine Tensoren, also ändern sich beide, wenn wir das Koordinatensystem ändern. Es ist ein grundlegendes Prinzip der allgemeinen Relativitätstheorie, dass wir nicht zwischen den beiden Termen unterscheiden können, da beide einfach durch die Wahl geeigneter Koordinaten zu Null gemacht werden können. Tatsächlich ist dies das mathematisch formulierte Äquivalenzprinzip.

Erstens hat die reine Allgemeine Relativitätstheorie keine Gravitonen, sie hat nur eine Raumzeitkrümmung. Gravitonen sind Quantenteilchen und GR ist keine Quantentheorie. Hoffentlich wird eine Art Quantengravitationstheorie GR und Quantenfeldtheorie vereinen, aber wir haben noch keine erfolgreiche QG-Theorie. Wir wissen also nicht, ob Gravitonen überhaupt existieren, aber wenn man bedenkt, wie erfolgreich Quantentheorien waren, ist es nicht allzu weit hergeholt zu sagen, dass sie wahrscheinlich existieren.

Aber selbst wenn eine QG-Theorie besagt, dass Gravitonen existieren, können wir möglicherweise einzelne Gravitonen nicht direkt nachweisen, weil sie (wie Anna V erwähnt) so schwach mit anderen Teilchen (und untereinander) interagieren. Es ist schwer genug, nur starke Gravitationswellen zu erkennen. Wenn wir Schwierigkeiten haben, einen wahren Schwerkraft-Tsunami zu sehen, welche Hoffnung haben wir dann, einen einzigen Tropfen von diesem Tsunami zu fangen?

Andererseits muss man nicht nach Gravitonen suchen, um zwischen gleichförmiger Beschleunigung und einem Gravitationsfeld zu unterscheiden. Das Äquivalenzprinzip ist lokal: Es besagt im Wesentlichen, dass ein ausreichend kleiner Teil der gekrümmten Raumzeit ungefähr wie eine flache Raumzeit aussieht. Ein echtes Gravitationsfeld kann nicht überall vollkommen gleichförmig sein. Wenn Sie also Messungen über einen ausgedehnten Raumbereich vornehmen dürfen, können Sie leicht erkennen, dass das Feld nicht gleichmäßig ist.

Wenn Sie sich beispielsweise in einem 1 km hohen Raumschiff im Weltraum befinden und mit 1 g vollkommen gleichmäßig beschleunigen , dann besagt das Äquivalenzprinzip, dass es sich genauso anfühlt, als ob Sie auf der Erde ruhen würden. Wenn Sie jedoch auf der Erde 1 km aufsteigen, werden Sie eine etwas geringere Erdbeschleunigung messen, während im Schiff die Beschleunigung oben im oberen Abschnitt gleich ist wie im unteren Abschnitt.

Eigentlich mag dieses Beispiel etwas irreführend sein, da in beiden Fällen gemäß dem Äquivalenzprinzip eine Uhr im oberen Teil langsamer läuft als eine Uhr im unteren Teil. Alfred Centauri erklärt diesen Effekt in dieser Antwort schön . Dies wurde 1960 im Pound-Rebka-Experiment auf der Erde bekanntermaßen getestet . Eine bessere Veranschaulichung ist, wenn wir 2 Massen fallen lassen. Auf der Rakete fallen beide senkrecht nach unten. Auf der Erde fallen beide in Richtung Erdmittelpunkt, sodass ihre Pfade leicht konvergieren, wie in dieser Animation mit freundlicher Genehmigung von Markus Pössel dargestellt :

Ist es das, wovon Sie sprechen ?

In der Allgemeinen Relativitätstheorie ist das Äquivalenzprinzip die Äquivalenz von Gravitations- und Trägheitsmasse, und Albert Einsteins Beobachtung, dass die Gravitations-„Kraft“, wie sie lokal auf einem massiven Körper (wie der Erde) auftritt, dieselbe ist wie die Pseudo -Kraft, die ein Beobachter in einem nicht trägen (beschleunigten) Bezugssystem erfährt

Nehmen Sie Stringtheorien, die eine Quantisierung der Gravitation ermöglichen und ein Graviton haben und gleichzeitig zeigen können, dass sie kompatibel sind mit der klassischen (nicht quantisierten) Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie, die emergent ist , eine Revision . Dies sind zwei verschiedene mathematische Modelle, die jeweils in ihren variablen Domänen gültig sind. Zum Beispiel ist die Thermodynamik aus der statistischen Mechanik hervorgegangen, man erwartet oder verwechselt keine Gesetze/Prinzipien aus einem Framework mit dem anderen. Es sind nur Erhaltungsgesetze, von denen erwartet wird, dass sie für alle Frameworks gelten.

Ich mag die Antwort von John Rennie und Anna V, und ich füge in diesem Fall nur eine kleine Klarstellung hinzu, um ein Thema hervorzuheben.

Es ist sehr wichtig, zwischen einem statischen (GW oder EM) Feld und einer (GW oder EM) Welle zu unterscheiden. Ich glaube, dass diese Unterscheidung die Antwort auf Ihre Frage ist. Der Nachweis von Gravitonen wird uns nicht helfen, das Äquivalenzprinzip zu falsifizieren, weil:

1. die Auswirkungen der Schwerkraft werden in Ihrem Fall durch das statische Gravitationsfeld verursacht, das wir durch virtuelle Gravitonen beschreiben. Diese virtuellen Gravitonen sind ein mathematisches Modell. Keine realen Partikel (Bitte beachten Sie, dass auf dieser Seite diskutiert wird, ob diese virtuellen Partikel real werden können oder nicht, aber in diesem Fall verwenden wir sie als mathematisches Modell). Sie dienen dazu, das Phänomen der Wirkungen des statischen Gravitationsfeldes zu beschreiben, das in Ihrem Beispiel das eine (Beschleunigungs- und Äquivalenzprinzip) beinhaltet. Dasselbe gilt für statische EM-Felder, bei denen wir virtuelle Photonen verwenden, die das Phänomen der Auswirkungen dieses statischen EM-Felds beschreiben.

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

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

2. Es gibt EM- und Gravitationswellen, die jeweils aus Photonen und Gravitonen bestehen. Dies sind keine virtuellen Photonen oder Gravitonen. Wir haben bereits Gravitationswellen nachgewiesen, was jedoch kein experimenteller Beweis für die Existenz einzelner Gravitonen ist.

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

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

Die Antwort auf Ihre Frage lautet also, dass selbst wenn wir einzelne Gravitonen nachweisen könnten, dies nicht dazu beitragen könnte, das Äquivalenzprinzip zu beweisen/widerlegen, da dieses Prinzip die Auswirkungen des statischen Gravitationsfeldes beschreibt.

Allgemein ausgedrückt werden Gravitationswellen von Objekten abgestrahlt, deren Bewegung eine Beschleunigung und deren Änderung beinhaltet, vorausgesetzt, dass die Bewegung nicht perfekt kugelsymmetrisch (wie eine sich ausdehnende oder zusammenziehende Kugel) oder rotationssymmetrisch (wie eine sich drehende Scheibe oder Kugel) ist. Ein einfaches Beispiel für dieses Prinzip ist eine sich drehende Hantel. Wenn sich die Hantel um ihre Symmetrieachse dreht, strahlt sie keine Gravitationswellen aus; Wenn es übereinander taumelt, wie im Fall zweier Planeten, die sich umkreisen, strahlt es Gravitationswellen aus. Technisch gesehen muss die zweite Zeitableitung des Quadrupolmoments (oder die l-te Zeitableitung des l-ten Multipolmoments) des Spannungs-Energie-Tensors eines isolierten Systems ungleich Null sein, damit es Gravitationsstrahlung emittieren kann.

Bitte beachten Sie, dass es noch eine weitere Unterscheidung zu treffen gilt. Das ist ein entscheidender Punkt zu Ihrer Frage. Um echte Gravitonen zu erzeugen, um Gravitationswellen zu erzeugen, benötigen Sie ein zeitabhängiges Quadrupolmoment (die zweite zeitliche Ableitung des Spannungs-Energie-Tensors muss ungleich Null sein). Wenn und nur wenn Ihr Raumschiff dies kann, nur dann könnte es Gravitonen aussenden, und Sie könnten sie entdecken. Wenn Sie nun ein Raumschiff bauen können und es sich wie eine Hantel bewegen kann, die übereinander taumelt, wird es Gravitationswellen aussenden, die aus Gravitonen bestehen, und Sie könnten sie entdecken.

In einer klassischen Feldtheorie ändert die Bewegung von Teilchen das Feld, wie das Feld die Bewegung von Teilchen ändert. In einer Quantentheorie werden beide Seiten als dasselbe Phänomen behandelt. Partikel wie Photonen und Gravitonen stellen Änderungen im Feld aufgrund der Bewegung von „Materie“-Partikeln dar, und wenn Sie eine Änderung in einem Teil des Felds vornehmen, breitet es sich an anderer Stelle aus und trägt Impuls, bis es in der Lage ist, ein anderes materielles Partikel an einer anderen Stelle zu bewegen. Ein krafttragendes Teilchen ist also nur eine andere Art zu sagen, dass sich das Feld in einer Konfiguration befindet, die eine Kraft auf die Materie ausübt, die es durchdringt, als wäre es ein Teilchen, mit dem Sie kollidieren könnten.

Stellen Sie es sich wie eine Wasserwelle vor, die einen Korken zum Schwingen bringt. Die Essenz der Welle besteht darin, dass die Wasseroberfläche nicht stationär ist, sodass auf alles, was darauf schwimmt, eine Kraft ausgeübt wird. Eine sich sinusförmig bewegende Wasserwelle drückt auf irgendetwas darin. Aber Sie können den gleichen Effekt mit einer „statischen Welle“ erzielen, bei der sich das Wasser wie ein Fluss ständig in die gleiche Richtung bewegt. Das Wasser drückt den Korken auf die gleiche Weise, aber es ist kein oszillierender Effekt mehr. Sie können sich den Fluss als die Grenze von so etwas wie einer sich unendlich langsam ändernden Welle mit unendlich langer Wellenlänge vorstellen. Es ist wie eine „virtuelle“ Welle. In gewissem Sinne ist es eine mathematische Fiktion. In einem anderen Fall ist es eine absolut gültige Beschreibung der Wellenphysik, die auf ein bestimmtes Extrem gebracht wurde.

Aber die Bewegung eines Flusses ist relativ. Sie können sich vorstellen, dass sich entweder das Wasser an Ihnen vorbeibewegt oder Sie sich am Wasser vorbeibewegen. Die Physik ist die gleiche. Ebenso kann ein Feld je nach Bewegungszustand unterschiedlich aussehen.

Im Falle der Schwerkraft krümmt also eine große Masse die Raumzeit, um eine Kraft auf Materie auszuüben, die auf ihrer Oberfläche schwimmt, wie Wasser, das einen Abfluss hinunterfließt. Im Falle einer Rotation erscheint die Raumzeit gekrümmt, als würden Sie sich am Wasser vorbeibewegen, anstatt dass das Wasser an Ihnen vorbeifließt.

Soweit die Krümmung der Raumzeit durch Gravitonen beschreibbar ist, bilden sowohl die Gravitation einer Masse als auch die Zentrifugalkraft einer Rotation ein „Graviton“, eine Störung in der scheinbaren Ebenheit der Raumzeit, in gleicher Weise. Sie können sie nicht unterscheiden.

(Einschränkungen - dies ist eine sehr lockere Analogie, die Schwerkraft funktioniert nicht wirklich wie eine fließende Flüssigkeit. Und die Schwerkraft ist noch nicht quantifizierbar. Ich verstehe, dass es einen frühen Versuch gab, sie als das Feld eines Quantenteilchens mit Spin 2 namens a zu modellieren 'Graviton', aber es hat nicht ganz funktioniert.)

Dieser zweite Eintrag als Antwort auf:

Warum können Gravitonen Schwerkraft und Trägheitsbeschleunigung nicht unterscheiden?

Ich habe diesen Artikel "Gravitationswellen: Quellen, Detektoren und Suchen" gefunden , der Daten (aus einer Referenz) für Gravitationswellen von einer künstlichen Hantel bei einer Drehung enthält.

Stellen Sie sich eine Hantel vor, die aus zwei kompakten 1-Tonnen-Massen besteht, deren Mittelpunkte 2 Meter voneinander entfernt sind und die sich mit 1 kHz um eine Linie drehen, die ihre Symmetrieachse halbiert und orthogonal zu ihrer Symmetrieachse ist, wie in Abbildung 2 gezeigt.

Eine Detektion der Wellen ist aufgrund ihrer sehr kleinen Amplitude nicht möglich.

Wenn sich die Hantel nicht dreht, gibt es keine Gravitationswellen, sondern nur die Newtonsche Schwerkraft ihrer Massen.

Der Nachweis von Gravitationswellen würde Aufschluss darüber geben, ob es eine Rotation gab oder nicht. Man könnte sagen, ob sich die Massen in einem nicht-trägen System befänden.

Wenn also Gravitonen existieren und es möglich wäre, einzelne Gravitonen zu entdecken, wenn die beiden Massen Teil einer Raumstation wären, gäbe es eine Möglichkeit für externe Beobachter festzustellen, ob es eine Rotation gab oder nicht. Natürlich wäre es viel einfacher, dies bei Photonen zu sehen, als eine Änderung des Ortes im Raum als Funktion der Zeit.

In der Sprache der Quantenfeldtheorie ist die Gravitationskraft selbstkoppelnd, was bedeutet, dass Gravitonen Gravitationsladung tragen und das Gravitationsfeld spüren können.

In der Sprache der allgemeinen Relativitätstheorie sind ausreichend kleine Gravitationswellen Störungen der Raumzeit, die sich in einer gekrümmten Hintergrundraumzeit bewegen, und folgen in dieser Raumzeit der Nullgeodäte, was bedeutet, dass sie sich in dieser Raumzeit genauso krümmen wie Licht.