Warum simuliert die Rotation die Schwerkraft, wenn die Bewegung relativ ist?

Wenn Bewegung in Einsteins Relativitätstheorie wirklich relativ ist, warum sollte dann jemand in einer rotierenden Raumstation ( künstliche ) Schwerkraft erfahren? Ich meine, ich verstehe, warum sie die Schwerkraft erfahren, WENN sich die Raumstation dreht, aber was ich nicht verstehe, ist, wie können Sie überhaupt sagen, dass sie sich dreht? Müssten Sie seine Bewegung nicht in Bezug auf einen anderen Punkt im Raum definieren?

Nehmen wir also an, wir haben zwei Raumstationen und in unserem hypothetischen Universum sind sie die einzigen zwei Dinge, die im gesamten Universum existieren.

  • In der Raumstation 1 gibt es kein Schwerkraftgefühl.
  • In Raumstation 2 herrscht ein Gefühl der Schwerkraft.

Wir wissen also, dass sich Raumstation 2 dreht und Raumstation 1 nicht, weil wir in Station 2 ein Gefühl der Schwerkraft spüren.

Für einen Beobachter in Station 2 würden sie die Schwerkraft spüren und sehen, wie Station 1 um sie herum zu kreisen scheint. Ein Beobachter in Station 1 würde keine Schwerkraft spüren und sehen, wie sich Station 2 dreht, aber an einer Stelle bleibt. Ich denke, jeder würde all diesen bisherigen Beobachtungen zustimmen.

Aber hier bricht es zusammen, denke ich, man muss einen festen Bezugspunkt im Raum haben, um sagen zu können, dass sich Station 2 dreht und nicht Station 1 umkreist, um das Gefühl der Schwerkraft auf Station 2 zu bekommen. Newton schien darauf eine Antwort zu haben, weil er sagte, es gäbe ein festes "in Ruhe", aber laut Einstein glaube ich nicht, dass es ein festes in Ruhe gibt?

Ist meine Frage sinnvoll? Meine Verwirrung gilt auch für die Beschleunigung. Es scheint, dass Sie einen festen Referenzrahmen haben müssen, um zu sagen, dass überhaupt etwas beschleunigt wird. Wir wissen, dass Sie die Auswirkungen der Beschleunigung spüren würden, wenn Sie sich in einem Raumschiff im Weltraum befinden, aber warum, wenn alle Bewegung relativ ist. Ich meine, wie können Sie überhaupt sagen, dass Sie beschleunigen und nicht alles andere im Universum beschleunigt und Sie tatsächlich ohne einen festen „Ruhepunkt“ im Raum stehen?

Jeremy Olson: " Wie können Sie überhaupt sagen, dass es rotiert? " -- Eng verwandt ("die entgegengesetzte Frage"): "Was bestimmt, welche Rahmen Inertialrahmen sind?" (PSE/q/3193) . " Glaube ich nicht, dass es laut Einstein ein Festes in Ruhe gibt? " -- In der Relativitätstheorie gibt es definitive Methoden, um festzustellen, ob mehrere Teilnehmer zueinander in Ruhe oder (nur) starr zueinander sind ( zB: rotierend) oder (sogar) bewegend bzgl. gegenseitig.
Jeremy Olson: „ The sensation of Gravity We Feel “ – In der Relativitätstheorie werden Messungen geometrischer Relationen (z. B. ob betrachtete Teilnehmer zueinander in Ruhe stehen oder stattdessen lediglich starr zueinander stehen) nicht zugrunde gelegt ihre möglichen „ Gefühle “, sondern auf der Beurteilung der Koinzidenz (oder auch: Folge) von Beobachtungen durch jeden Teilnehmer. Natürlich leugnet dieser Ansatz nicht die Möglichkeit oder Realität solcher Gefühle; aber es schafft eine Referenz zum Messen/Vergleichen/Unterscheiden der „Schärfe und Wahrhaftigkeit der Gefühle “ jedes Teilnehmers.
Ich möchte eine der Referenzen hervorheben, die in dem Thread vergraben sind, auf den user122262 verlinkt ist: Die Frage des OP steht mehr oder weniger in direktem Zusammenhang mit Machs Prinzip .
Hier ist eine einfachere Version davon. Wenn es ein Raumschiff im Universum gibt und Sie sagen, es dreht sich, in Bezug auf was dreht es sich? Einstein selbst hatte ein Problem mit dieser Frage. Ich bin hier kein Experte, aber ich denke, er hat sich auf Machs Prinzip gestützt , das ungefähr besagt, dass die Rotation in Bezug auf die durchschnittliche Position der gesamten Masse im Universum definiert werden kann. So wie ich die Dinge verstehe, bietet die Allgemeine Relativitätstheorie einen Mechanismus dafür. Experten müssen es uns erklären.
Etwas geschichtlicher Hintergrund: Einstein wurde von Machs Philosophie inspiriert (was nicht heißen soll, dass die allgemeine Relativitätstheorie unbedingt zu 100 % Machian ist), die wiederum viel von dem widerspiegelte, was Leibniz glaubte. Newton und Leibniz waren sich in einer Reihe von Dingen (nicht nur in der Analysis) vehement uneins, unter anderem in der Frage, ob ein Begriff des Raums unabhängig von der Materie im Universum existiert. Um Leibniz' „alles relativ“-Haltung entgegenzuwirken, führte Newton sein Eimer-Gedankenexperiment vor, auf das, soweit ich weiß, keiner seiner Zeitgenossen eine gute Antwort hatte.
So we know that space station 2 is rotating and space station 1 is not because of the sensation of gravity we feel in station 2.und weil Station 1 nicht um Station 2 kreist, werden sie aufeinander zu gezogen.
Ein rotierender Rahmen ist ein Beschleunigungsrahmen oder ein nicht träger Rahmen, daher ist eine Kraft beteiligt.
Ich wollte eine ähnliche Frage stellen. Warum ist nämlich die Beschleunigung nicht von der Schwerkraft zu unterscheiden? Wenn Sie sich beispielsweise in einer geschlossenen Kiste befinden, die Beschleunigung erfährt (oder misst), wissen Sie nicht, ob sich die Kiste in einem Gravitationsfeld befindet, von einer Rakete beschleunigt wird oder auf einer Kreisbahn gezwungen wird.

Antworten (7)

Geschwindigkeit ist relativ. Es gibt kein spezielles Bezugssystem, das "in Ruhe" wäre.

Aber Beschleunigung ist nicht und wurde nie behauptet. Referenzsysteme im freien Fall sind speziell und Referenzsysteme, die relativ zu denen im freien Fall beschleunigt werden, enthalten Trägheitskräfte (Kreisbewegung bedeutet Beschleunigung in Richtung des Zentrums; die entsprechende Trägheitskraft wird Zentrifugalkraft genannt).

So kann man unterscheiden, welche der Stationen rotiert und die Relativitätstheorie nie etwas anderes behauptet.

Sie haben gesagt, dass Beschleunigung nicht relativ ist und dass beschleunigende Referenzsysteme Trägheitskräfte enthalten. Aber was ich wirklich frage, ist, warum beschleunigende Referenzrahmen Trägheitskräfte spüren, wenn es kein festes "in Ruhe" gibt, durch das definiert werden kann, dass sie beschleunigen?
@JeremyOlson Beschleunigung ist dv/dt . Sie brauchen kein Ruhebild, um zu beobachten, dass dv/dt nicht Null ist, sondern nur zwei Bilder und eine Möglichkeit, den Abstand/Winkel zwischen den beiden zu messen. Zum Beispiel das Zentrum eines rotierenden Satelliten gegenüber der Bewegung der Peripherie.
Aber die Änderung der Geschwindigkeit ist eine Änderung der Geschwindigkeitsrate, welche Geschwindigkeit ist die Änderung der Position im Laufe der Zeit, also die Änderung der Position relativ zu was ist die Frage?
Mit anderen Worten, nehmen Sie die rotierende Scheibe, woher wissen Sie, dass sie sich dreht, wenn Sie nur mit sich selbst vergleichen? Zum Beispiel nehmen Sie einen Punkt auf diesem rotierenden Rahmen in einem Moment und dann wieder zu einem späteren Zeitpunkt wird er immer noch in der gleichen genauen Position in Bezug auf jede Facette des rotierenden Rahmens sein wie im vorherigen Moment, also durch dass es sich nicht bewegt hat. Die einzige Möglichkeit, "Bewegung" und damit Beschleunigung zu haben, besteht darin, im ersten Moment sagen zu können, dass es sich um Punkt A und dann um einen späteren Zeitpunkt um Punkt B handelt. Punkt A und Punkt B müssen unabhängig vom rotierenden Rahmen sein.
Kommen Sie also ein paar Wochen später zurück und lesen Sie den Kommentar ein paar Mal weiter oben, in dem es heißt: „Sie brauchen kein Ruhebild, um festzustellen, dass dv/dt nicht Null ist, sondern nur zwei Bilder und eine Möglichkeit, Abstand/Winkel zu messen zwischen den beiden "...sagen Sie also, dass Sie die Auswirkungen der Beschleunigung nicht erleben werden, wenn Sie keine 2 Frames haben? Mit anderen Worten, sagen Sie, dass es in einem hypothetischen Universum, das nur einen Bezugsrahmen enthält, nicht möglich wäre zu beschleunigen, also egal was Sie tun, drehen, vorwärts stoßen, es würde keine Rolle spielen, weil es sich immer wie Sie anfühlen würde bewegen sich nicht?
Ich habe gerade über absolute Rotation gelesen, und das impliziert, dass es der einzige Beweis dafür ist, dass sich etwas dreht, wenn es keine Referenz hat, seine Form und Mittenspannung. Wenn das stimmt, impliziert das auch, dass das Universum auch eine statische X-, Y- und Z-Achse hat? gegen die Relativität.
@Flosculus, es impliziert, dass es statische Achsen gibt, aber jeder Satz statischer Achsen ist immer noch äquivalent.
@JeremyOlson, jedes Universum hat unendlich viele Referenzrahmen, weil der Referenzrahmen nur ein mentales Konstrukt ist. Sie müssen jedoch einen solchen Referenzrahmen an einem Objekt anbringen, um physikalische Gesetze darin beobachten zu können. In einem Universum, das nur eine Punktmasse enthält, gäbe es keine Möglichkeit, sie zu beschleunigen, weil der Impuls erhalten bleiben muss, und keine Möglichkeit, sie zu drehen, weil der Drehimpuls ebenfalls erhalten bleiben muss. Für beides muss das Universum mehrere Teilchen enthalten, und dann haben Sie genügend Objekte, um relative Geschwindigkeiten zu messen und Beschleunigungen zu erkennen.
@JanHudec Sagen wir zum Beispiel, das Universum wird von einem einzigen Neutronenstern und zwei Astronauten bevölkert. Ein Astronaut steht auf der Oberfläche des Sterns, der andere umkreist ihn mit halber Lichtgeschwindigkeit. Aus der Sicht jedes Astronauten sind sie jeweils der Bezugsrahmen, zu dem sich der andere gemäß der Relativitätstheorie bewegt, was bedeutet, dass sich der Stern zu dem einen dreht, der umkreist, und zu dem einen, der steht, der andere umkreist. Wer spürt die Zentrifugalkraft? Und was würde passieren, wenn Sie einen der Astronauten aus der Welt schaffen würden?
@Flosculus, da sich die Referenzrahmen relativ zueinander drehen, sind die Beschleunigungen in ihnen unterschiedlich. Die Unterschiede implizieren das Vorhandensein einer Zentrifugalkraft für den Beobachter auf der Oberfläche, und das impliziert, dass er sich in einem rotierenden Bezugsrahmen befindet. Der vorbeifliegende Beobachter wird nicht benötigt; allein die messung der zentrifugalkraft an verschiedenen punkten der oberfläche erlaubt die bestimmung von drehachse und winkelgeschwindigkeit.
@JanHudec Ich verstehe es irgendwie, aber ich habe versucht zu verstehen, ob diese Messpunkte direkt von der Existenz des äußeren Beobachters beeinflusst würden, dh ohne dass der äußere Beobachter als Bezugsrahmen fungiert, sollte die Person die Oberfläche nicht fühlen Zentrifugalkraft, denn relativ würde sich der Stern überhaupt nicht drehen. Es sei denn, es gibt eine universelle Achse. Oder sagen Sie, dass die Zentrifugalkraft zu spüren wäre, weil die Rotationskraft direkt auf den Stern und nicht auf den Astronauten an der Oberfläche ausgeübt wird?
@JanHudec Mit anderen Worten, würde der durch die Zentrifugalkraft erzeugte Widerstand nach Billionen von Jahren schließlich ein Gleichgewicht schaffen und den Bezugsrahmen auf Null zurücksetzen? wenn das Sinn macht.

Die spezielle Relativitätstheorie befasst sich mit "trägen" oder "nicht beschleunigenden" Rahmen. Die Physik in Trägheitsrahmen ist unabhängig von ihrer Geschwindigkeit äquivalent, und die Geschwindigkeit von Trägheitsrahmen ist relativ. Es steht Ihnen frei anzunehmen, dass jeder Trägheitsrahmen stationär ist und sich alle anderen Rahmen relativ dazu bewegen. Rotierende Koordinatensysteme sind nicht inertial, sie sind beschleunigende Koordinatensysteme und daher nicht relativ. Wenn ein Rahmen keine Drehung hat, muss er die Ausrichtung mit dem Mittelwert der Galaxien im Universum beibehalten. Dies ist ein absolutes. Ursprünglich von Mach wurde vermutet, dass die Verteilung der Materie im Universum den nicht rotierenden Rahmen festlegt.

Die Allgemeine Relativitätstheorie beschäftigt sich mit Beschleunigungsrahmen und diskutiert Unterschiede zwischen rotierenden Rahmen und Gravitationsbeschleunigungsrahmen, aber das ist eine andere Geschichte.

Machs Theorie bringt es auf den Punkt, „warum“ die rotierende Raumstation künstliche Schwerkraft erfahren würde. Diese Theorie macht für mich Sinn.

In der allgemeinen Relativitätstheorie hat die Winkelbewegung tatsächlich auch eine gewisse "Relativität". Wenn Sie sich in unmittelbarer Nähe eines sich drehenden Objekts befinden, werden Sie tatsächlich mitgezogen. Dies ist als Lense-Thirring-Effekt oder einfach als "Frame-Dragging" bekannt. Das dramatischste Beispiel ist die Ergosphäre eines sich drehenden Schwarzen Lochs, eine Region, in der kein Objekt stationär bleiben kann – es muss sich mit dem Schwarzen Loch drehen. (ähnlich dem Ereignishorizont, dem Objekte nicht entkommen können)

Die Tatsache, dass Sie bei konstanter Winkelbewegung eine Kraft spüren, liegt daran, dass Sie sich relativ zum Hintergrunduniversum drehen. (Diese Aussage mag etwas umstritten sein.) Wenn Sie eine große kugelförmige Massenhülle nehmen und sie um sich selbst herum drehen lassen würden, würden Sie tatsächlich beginnen, sich mit der Hülle zu drehen, aber keine Zentripetalkraft erfahren. Wenn Sie Masse hinzufügen, bis die Hülle fast ein Schwarzes Loch wäre, hätte Ihr natürliches Ruhesystem die gleiche Winkelgeschwindigkeit wie die Hülle relativ zum Rest des Universums.

Ja, ich denke, das macht Sinn ... im Grunde beschleunigt sich ein Objekt in Bezug auf alle anderen Materien im Universum. Also nach dieser Theorie scheint es mir, wenn Sie nur 1 Objekt im gesamten Universum hätten, dann würde es keine Beschleunigung, Trägheit oder ähnliches spüren ... es wäre alles bedeutungslos, weil Sie nicht sagen könnten, dass es sich bewegt, sitzt still oder beschleunigend ... habe ich es richtig?
Diese Aussage ist umstritten. Was hindert mich daran zu sagen, dass sich das Universum um mich dreht?
Die spezielle Relativitätstheorie ist gut gerüstet, um mit beschleunigenden, nicht inertialen Referenzrahmen umzugehen, während sie zugegebenermaßen Gravitationseffekte auslässt. Siehe hier .
@Draksis Danke für den Hinweis. Um meine Antwort am einfachsten zu korrigieren, habe ich diese Aussage einfach entfernt.
Diese Frage und der Link von Draksis liefern wohl den Hintergrund, der benötigt wird, um genau zu verstehen, warum wir immer noch nach einer Möglichkeit suchen, die Schwerkraft mit GR in Einklang zu bringen.

Die allgemeine Kovarianz gilt nur für frei fallende Beobachter – sobald Sie nicht-gravitative Kräfte wie den Innendruck der Wand hervorrufen, fällt der Beobachter nicht mehr frei.

Einfache Möglichkeit, zwischen Schwerkraft und rotierender Raumstation zu unterscheiden: Werfen Sie einen Ball senkrecht in die Luft. Wenn es direkt nach unten kommt, Schwerkraft. Wenn es sich von Ihnen wegbewegt (hinter Ihrer Tangentialgeschwindigkeit), ist es eine rotierende Raumstation.

Eine einfachere Methode könnte darin bestehen, einfach einen geraden, starren Balken auf den Boden zu legen. Wenn Sie feststellen, dass der Boden konkav ist, befinden Sie sich wahrscheinlich auf einer Raumstation. Die von Ihnen beschriebene Technik würde nur an einer relativ kleinen Station funktionieren (die daher eine ziemlich große Winkelgeschwindigkeit erfordern würde, um eine Zentrifugalbeschleunigung von 9,8 m / s zu erreichen), an der Sie wahrscheinlich die Konkavität des Bodens bemerken würden, wenn Sie ihn nur betrachten. Dieses Phänomen würde auch auf der Erde beobachtet werden, aber die Winkelgeschwindigkeit des Planeten ist ausreichend klein, dass der atmosphärische Widerstand dazu neigt, seine Wirkung auf ballistische Objekte zu überschatten.

Wenn die Bewohner der Raumstation sich ihres Designs nicht bewusst wären und nicht aus einem Fenster schauen könnten, dann gibt es keine Möglichkeit zu sagen, ob sie sich dreht oder ob sie sich in der Nähe eines erdgroßen Planeten befinden, der die Schwerkraft verursacht.

Um eine andere Raumstation zu kreisen, wird ein Gefühl der Schwerkraft hervorrufen, und es scheint, als würden Sie sich selbst widersprechen. Wenn es eine Rotationsbewegung eines Körpers um seine eigene Achse oder um eine andere Raumstation gibt, werden die Insassen eine Kraft spüren, die Sie als Schwerkraft definiert haben. Sie können es nicht fühlen wie in Ihrem Raumstation-1-Szenario.

So sehe ich das als Nicht-Profi.

Was die Beschleunigung betrifft, nein, Sie brauchen keinen festen Referenzpunkt. Im Gegensatz zur Geschwindigkeit, die relativ zur Geschwindigkeit von etwas anderem definiert ist, ist die Beschleunigung absolut in dem Sinne, dass sie nicht relativ zu etwas anderem ist.

Ich bleibe offen dafür, dass mir hier etwas fehlt, denn wie gesagt, ich bin kein Experte ... aber ich glaube, dass Sie es auch ohne Fenster wissen würden, wenn es sich drehen würde, weil Sie an der Seite stecken bleiben würden die Wand (dh es würde sich wie Schwerkraft anfühlen - ich weiß, das ist keine Schwerkraft, aber für jemanden in der Raumstation würde es sich so anfühlen).
Das Beispiel mit zwei Raumstationen wird nicht benötigt, um meine Frage zu veranschaulichen. Ich habe es nur hinzugefügt, weil ich dachte, es hat mir geholfen, meinen Standpunkt zu verdeutlichen ... aber vielleicht hat es nur mehr Verwirrung gestiftet. Auf jeden Fall ist die Hauptfrage, die ich habe, warum würden Sie die Wirkung der Rotation spüren, wenn es keinen festen Ruhezustand gibt, um festzustellen, dass Sie sich drehen?
oder wie kann man die Auswirkungen erklären, die Sie in einem beschleunigenden Raumschiff spüren würden, wenn es im Universum kein festes "in Ruhe" gibt, denn damit dieses Objekt beschleunigt wird, müssen Sie es mit einem anderen Bezugsrahmen vergleichen.
Beschleunigung ist nicht relativ zu irgendetwas. Sie werden es in einer Blackbox spüren, Geschwindigkeit nicht so.
Richtig, warum würden Sie also Beschleunigungseffekte in einer Blackbox spüren, ist der Kern meiner Frage?
Aufgrund der Trägheit wird Ihr Blut und alles versuchen, der Beschleunigung zu widerstehen und "zurückgelassen" zu werden, was ein echtes, echtes Gefühl ergibt.
'keine Möglichkeit zu sagen' ist nicht richtig. Ein Gyro ist alles, was Sie brauchen. Oder hängen Sie ein Foucaultsches Pendel von der Decke.

Die "Referenz" für die Beschleunigung ist ihr eigener vorheriger "Zustand". Dies bedeutet, dass es sich bei linearer Beschleunigung um den Anfangspunkt vor dem Start der linearen Beschleunigung (bei t = 0) handelt. Und für die Winkelbeschleunigung ist es die imaginäre Linie, die durch das Rotationszentrum und die Anfangsposition bei t = 0 ( t h e t a = 0).

Ich glaube, ich verstehe, was Sie sagen, aber es geht immer noch nicht auf die eine einfache Frage ein, wie man feststellen kann, ob sich der Zustand geändert hat. Beim Beschleunigen hat es zum Beispiel seine Position in Bezug auf den Anfangspunkt/die Anfangslinie geändert, aber der Anfangspunkt/die Anfangslinie in Bezug auf was? Wenn in Bezug auf sich selbst, dann nein, es hat seine Position überhaupt nicht geändert, weil dieser Punkt / diese Linie ihm weiterhin folgt. Also scheint es mir, dass Sie diesen Anfangspunkt unbedingt auf irgendeine Weise ohne Bezugnahme auf das beschleunigte Objekt selbst definieren müssen. Das heißt, es müsste eine feste Referenz geben.
Lassen Sie mich klarstellen ... nicht unbedingt eine "feste" Referenz an sich (ich nehme an, sie könnte variabel oder fest sein), aber eine andere externe Referenz als das beschleunigte Objekt selbst wäre notwendig, um eine "Änderung" der Position zu haben.
Warum simuliert die Rotation die Schwerkraft, wenn die Bewegung relativ ist?
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