Wenn die Schwerkraft keine Kraft ist, warum lernen wir dann in der Schule, dass sie es ist?

Weil die Newtonsche Schwerkraft , wo sie tatsächlich als Kraft betrachtet wird, eine gute Annäherung an die Situationen ist, die Sie in der Mittelschule (und darüber hinaus) betrachten.

Allgemeine relativistische Effekte sind auf den gewöhnlichen Skalen, die wir Menschen betrachten, sehr schwach, und es wäre übertrieben, die ausgewachsene Maschinerie der allgemeinen Relativitätstheorie (die eine wesentlich fortgeschrittenere mathematische Behandlung erfordert als gewöhnliche Newtonsche Kräfte) einzuführen, um Situationen zu behandeln, in denen der Fehler auftritt die allein durch die Verwendung der Newtonschen Version entstehen, ist vernachlässigbar.

Darüber hinaus können Sie auch in der allgemeinen relativistischen Behandlung die Wirkung auf sich bewegende Teilchen immer noch als "Kraft" betrachten, ebenso wie Sie die Zentrifugalkraft als eine fiktive Kraft betrachten können, die in rotierenden Koordinatensystemen auftritt, siehe auch die Antworten auf Warum Müssen wir uns die Schwerkraft noch als Kraft vorstellen?

Auch wenn wir uns auf ein Newtonsches Weltbild beschränken, gibt es keine Kräfte . Eine wesentliche Sache, die im Physikunterricht nicht genug betont wird, ist, dass die Physik (in all ihren Wundern) nichts anderes ist als ein mathematisches Modell der Realität, die wir wahrnehmen. Egal, ob Sie die Newtonsche Mechanik, die Relativitätstheorie oder die Quantenmechanik in Betracht ziehen.

Es gibt keine Koordinaten, keine Vektoren oder ähnliches in der Realität. Wir verwenden diese mathematischen Werkzeuge, um Messungen und Beobachtungen, die wir machen, Bedeutung zuzuordnen und sie in Beziehung zu setzen – und hoffentlich zu erklären. Dieser Ansatz hatte einen großen Erfolg, sowohl in mehr oder weniger direkten Anwendungen (denken Sie an die NASA oder viele Spitzentechnologien) als auch in theoretischen Fortschritten wie der Quantenmechanik (wo die richtige Verallgemeinerung des Hamiltonschen Formalismus die Dinge auf Teilchenebene irgendwie magisch erklärt ).

Beachten Sie im speziellen Fall von Kräften, dass Sie niemals eine Kraft messen. Was Sie messen, sind seine Folgen (meistens eine Verschiebung oder eine Änderung des Stroms oder viele andere Dinge) und Sie interpretieren diese Änderung unter Verwendung des Newtonschen Modells als die Wirkung einer Kraft.

Tim B. vertritt die Position, dass dies ein Beispiel dafür sei, Kinder anzulügen. Ich bin völlig anderer Meinung; Meiner Ansicht nach ist dies ein Beispiel für Idealisierung, was jedes Modell in jedem Wissenschaftszweig tun muss . Wie George EPBox einmal schrieb:

Im Wesentlichen sind alle Modelle falsch, aber einige sind nützlich.

Es lügt nicht, es heißt Wissenschaft machen. Ergo wird das Lehren, dass die Schwerkraft eine Kraft ist, nur dann unehrlich, wenn der Lehrer nicht die Tatsache anspricht, dass die Newtonsche Gravitation lediglich ein Modell der Gravitationsinteraktion ist und dass im Wesentlichen alle Modelle falsch sind, einschließlich GR und Quantengravitation. Kurz gesagt, ich denke, dass die Gravitation eine ausgezeichnete pädagogische Gelegenheit bietet, die Praxis der Wissenschaft und die Philosophie der Wissenschaft im Klassenzimmer zu diskutieren; und kann daher, wenn es richtig gemacht wird, nicht als Beispiel für das Belügen von Kindern gelten.

Hier gibt es eine kleine Feinheit. Soweit irgendjemand weiß, könnte es möglich sein, eine Theorie von allem (ToE) zu entdecken, die nicht nur alle Phänomene berücksichtigt, die wir derzeit kennen, sondern die tatsächlich alle Phänomene berücksichtigt, von denen wir jemals wissen können, und alle Entitäten mit denen wir jemals interagieren können.

Aber selbst wenn ein Forschungsprogramm einen ToE entdeckt, können wir im Grunde nie wissen, dass es sich um einen ToE handelt. Um eine völlig erstickende Physik zu vermeiden, müssen wir immer davon ausgehen, dass es weitere Phänomene geben könnte , die noch niemand kennt, auch wenn der derzeit favorisierte ToE alle bekannten Phänomene zu erklären scheint.

Natürlich waren wir schon einmal in dieser Situation; lange Zeit wurde allgemein angenommen, dass die Newtonsche Mechanik ein ToE sei, das in der Lage sei, im Wesentlichen die gesamte Physik zu erklären. Wie falsch lagen wir, und wie glücklich, dass bestimmte Denker sich weigerten zu akzeptieren, dass die Physik im Wesentlichen „fertig“ sei!

Es ist ein Beispiel für „Kinder belügen“.

https://en.wikipedia.org/wiki/Lie-to-children

Da einige Themen ohne Erfahrung extrem schwer zu verstehen sein können, kann es überwältigend sein, einem Schüler oder Kind auf einmal ein volles Maß an Komplexität zu vermitteln. Daher werden elementare Erklärungen so vereinfacht, dass die Lektion verständlicher wird, obwohl sie technisch falsch ist. Eine Lüge gegenüber Kindern soll schließlich durch eine raffiniertere Erklärung ersetzt werden, die der Wahrheit näher kommt.

Ich möchte diese Frage etwas anders betrachten und darauf hinweisen, dass die meisten Physiker glauben, dass die Schwerkraft tatsächlich eine Kraft ist. Der große Triumph der modernen Teilchenphysik, das Standardmodell, enthält die starken, schwachen und elektromagnetischen Kräfte. Diese Kräfte werden im Standardmodell durch das Vorhandensein von Kraftträgern (Eichbosonen mit Spin 1) dargestellt: die Gluon-, W- und Z-Bosonen bzw. das Photon, die an Teilchen mit Ladung (elektroschwach oder Farbe) koppeln. Das Standardmodell ist eine Quantenfeldtheorie. Wenn man die Struktur von Materie bei hoher Energie untersucht, ist diese Darstellung notwendig. Bei niedrigen Energien kann man jedoch effektive Theorien konstruieren, die viel einfacher sind. Die Maxwell-Gleichungen sind ein Beispiel. Ebenso glauben die meisten Physiker, dass die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie (Einstein' s-Gleichungen) sind die niederenergetische Lösung einer Quantenfeldtheorie der Gravitation. Daher ist es natürlich anzunehmen, dass Einsteins Gleichungen bei einer großen Energieskala zusammenbrechen werden (zum Beispiel wenn man sich dem Zentrum eines Schwarzen Lochs nähert). Das Problem ist, dass der Kraftträger für die Gravitation (das Graviton) im Gegensatz zu den anderen Kraftträgern ein Spin-2-Teilchen sein sollte, und es sich als sehr schwierig erweist, eine konsistente Quantenfeldtheorie von Spin-2-Eichteilchen zu konstruieren. Derzeit ist die Stringtheorie der führende Kandidat für eine solche Theorie. im Gegensatz zu den anderen Kraftträgern, und es erweist sich als sehr schwierig, eine konsistente Quantenfeldtheorie von Spin-2-Eichteilchen zu konstruieren. Derzeit ist die Stringtheorie der führende Kandidat für eine solche Theorie. im Gegensatz zu den anderen Kraftträgern, und es erweist sich als sehr schwierig, eine konsistente Quantenfeldtheorie von Spin-2-Eichteilchen zu konstruieren. Derzeit ist die Stringtheorie der führende Kandidat für eine solche Theorie.

So lernt man in der Ausbildung zum Physiker erst von Newton, dass die Gravitation eine Kraft ist, dann von Einstein, dass es sich wirklich um einen gekrümmten Raum handelt, und dann, dass es doch wirklich eine Kraft sein muss! Welchen Namen wir dieser letzten Lektion zuweisen werden, muss noch entschieden werden, wie es scheint.

Wenn wir unseren Lehrplan beachten, ist fast die gesamte Physik, die wir lernen, Newtonsche Physik. Alles, von der Kraft bis zu den Bewegungsgesetzen, basiert auf Newtonschen Ideen.

Und die allgemeine Relativitätstheorie ist ein modernes Konzept, das tatsächlich wahrer ist. Aber Sie wissen, dass die GTR für ein Kind ein schwer zu verstehendes Konzept ist. Um den Kurs einfach zu machen, werden uns diese Dinge als Kraft gelehrt.

Und auch vor Einstein glaubte jeder an die Schwerkraft als Kraft. Deshalb hat sich die klassische Tradition in unseren Büchern fortgesetzt. Welche bedürfen einer ernsthaften Überarbeitung.

Um Ihnen ein Beispiel zu geben, auch in der Chemie wird den Kindern das Atom als eine Art Sonnensystem beigebracht. Was es eindeutig nicht ist.

Ich kenne zwei Gründe, warum wir die Schwerkraft als eine Kraft betrachten sollten . Die erste ist rein klassisch und Newtonisch: Gezeitenkräfte. Die Schwerkraft ist allein verantwortlich für die Erzeugung von Gezeitenkräften, und sie können nicht als fiktive Kraft betrachtet werden, während die übliche Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft in gewissem Sinne immer als fiktiv angesehen werden kann. Dass Gezeitenkräfte reale Kräfte sind, wissen Sie dadurch, dass sie direkt mit dem Riemann-Krümmungstensor konstruiert werden, der nicht durch bloße Koordinatenänderung zum Verschwinden gebracht werden kann. Vergleichen Sie dies mit der Erdbeschleunigung, die in einer allgemeinen relativistischen Einstellung durch die Verbindungskoeffizienten charakterisiert wird,$\Gamma^a_{bc}$. Anders als beim Riemann-Tensor sind die Verbindungskoeffizienten nicht tensoriell und können durch einen Koordinatenwechsel zum Verschwinden gebracht werden (diese Wahl der Koordinaten nennt man Riemann-Normalkoordinaten ), was die fiktive Natur dieser Kraft offenbart. Von einem praktischeren Standpunkt aus sollten Gezeitenkräfte als real angesehen werden, weil sie zu Dingen wie der Erwärmung des Inneren von Planeten oder der Spaghettiifizierung des armen Astronauten führen, der zufällig in ein Schwarzes Loch fällt.

Der zweite Grund, warum man die Schwerkraft als eine Kraft betrachten könnte, liegt eher in der Quantenumgebung begründet. In der Quantenfeldtheorie wird der Begriff „Kraft“ im Allgemeinen durch „Eichwechselwirkung“ ersetzt, dh ein Boson, das an einen erhaltenen Strom koppelt. Wenn Leute sagen, dass es vier fundamentale Kräfte gibt, ist das im Allgemeinen der Sinn, in dem sie das Wort Kraft verwenden. Als Quantentheorie verhält sich die Gravitation sehr analog zu den elektromagnetischen, schwachen und starken Kräften, obwohl es natürlich Unterschiede im Detail gibt. Beachten Sie auch, dass wir eine Gravitationswelle erhalten, wenn wir die klassische Grenze vieler niederenergetischer Gravitonen (der krafttragenden Teilchen für die Gravitationswechselwirkung) nehmen. Und welche Kräfte erzeugen Gravitationswellen? Gezeitenkräfte!

Ich würde also sagen, dass der witzige Satz „Schwerkraft ist keine Kraft“ die eigentliche Lüge für Kinder ist, die in pädagogischen Einführungen in die allgemeine Relativitätstheorie auftaucht.

Ich denke, viele Leute hier sind einfach zu intelligent, um diesen Punkt zu sehen:

weil Sie keine bessere Wahl haben . Es ist einfach nicht praktikabel und nicht machbar, Kindern in der High School etwas über die Allgemeine Relativitätstheorie beizubringen. (ähm ... erwartet, dass sie bereits einen Tensor kennen? und die Raumzeit verstehen ?)

Außerdem ist der Newton-Ansatz, wie von vielen anderen erwähnt, nicht so schlecht. In vielen Fällen liefert uns der Newton-Ansatz sehr gute numerische Antworten, was für viele Zwecke ausreicht.

Darüber hinaus bietet die Geschichte der Newtonschen Schwerkraft hervorragende Materialien für Kinder, um etwas über wissenschaftliche Methoden zu lernen, sagen wir, wie und warum Wissenschaftler die Gravitationskonstante gemessen haben? Selbst in dieser Frage nehmen wir die Tatsache an, dass die Wissenschaft niemals die vollständige Geschichte der Natur ist, wie Feynman einmal sagte,

„Jedes Stück oder Teil der gesamten Natur ist immer nur eine Annäherung an die vollständige Wahrheit oder die vollständige Wahrheit, soweit wir sie kennen. Tatsächlich ist alles, was wir wissen, nur eine Art Annäherung, weil wir das wissen wir kennen noch nicht alle Gesetze." -Richard Feynmann

und das wird die Kinder wissen lassen, warum wir weiterhin Wissenschaft betreiben sollten, und sie dazu ermutigen :)

Warum werden wir in der Mittelschule über Kräfte unterrichtet?

Ich würde Shings Antwort zustimmen; es geht um Pädagogik: es ist einfach für Kinder, Kraft zu denken und zu visualisieren, man kann einen Stuhl schieben oder an einem Gummiband ziehen ; Wenn Sie einen an einer Schnur befestigten Stein im Kreis schwingen , spüren Sie die Zentrifugalkraft.

Es folgt auch der historischen Entwicklung der Disziplin, was bedeutet, dass Sie lernen, wie Wissenschaft funktioniert, sowohl über die induktive Methode als auch durch Theorie und inspiriertes Raten: Schließlich hat Planck die Quanten tatsächlich nur erraten, um zu versuchen, die zu lösen Problem der Schwarzkörperstrahlung.

Es ist auch die Sprache, die codiert, wie Physik durchdacht und konzeptualisiert wird: Kraft wird in Form von Impuls ausgedrückt, und dann führt der Übergang zum Lagrange-Formalismus zu verallgemeinerten Impulsen; und dann wieder an QM, indem sie durch ihre Operator-Äquivalente ersetzt werden.

Warum ist GR keine Kraft

Der andere Grund ist, dass der Wechsel zu GR die Newtonsche Mechanik nicht negiert oder verfälscht; in einem lokalen Rahmen gibt es eine Newtonsche Annäherung, in der die Schwerkraft wie gewöhnlich als Kraft erscheint.

Im globalen Bild kann man sehen, dass es einer Geodäte folgt, wobei es sich lohnt, uns daran zu erinnern, dass es sich um ein Teilchen handelt, das einer „geraden“ Linie auf einer gekrümmten Oberfläche folgt; also eine Verallgemeinerung des ersten Newtonschen Gesetzes.

Das Problem ist gewissermaßen das Wort „ist“; Anstatt zu denken, dass es nur eine Sache bedeutet, ist es besser zu glauben, dass es zwischen mehreren Beschreibungen schwankt :

Dieser Ball ist blau bemalt; ist rund; liegt am Boden: mehrere sollen mehrere unterschiedliche Perspektiven auf die eine und einzige Situation beschreiben.

Weil Newtons Gravitationstheorie viel einfacher ist als die allgemeine Relativitätstheorie und von Mittelschülern leicht akzeptiert werden kann. Überlegen Sie, was sie denken werden, wenn Sie ihnen Tensoren vorstellen?

Wenn wir Mathe unterrichten, tun wir es schließlich nicht auf einmal. Kinder lernen zuerst zählen, dann ganze Zahlen addieren und subtrahieren, dann negative Zahlen, dann Brüche. Sie lernen Mathematik Stück für Stück, und im Allgemeinen in der gleichen Reihenfolge, in der die Menschheit es erfunden hat.

Newton sagte, dass sich die Dinge mit konstanter Geschwindigkeit in einer geraden Linie bewegen, wenn keine Kräfte auf sie einwirken. Alles, was sie von der geradlinigen konstanten Geschwindigkeit abweicht, ist eine Kraft. Das ist ein nützliches Konzept.

Warum sollte man ihnen sagen, dass die Schwerkraft gerade Linien in Kurven verwandelt?

Wenn die Schwerkraft keine Kraft ist, warum lernen wir dann in der Schule, dass sie es ist?

Weil es eine Kraft ist. Es ist einfach keine Kraft im Newtonschen Sinne, wo Arbeit = Kraft x Weg ist. Wenn Sie einen Stein fallen lassen, fügt die "Kraft" der Schwerkraft dem Stein keine Energie hinzu. Stattdessen wandelt es potentielle Energie in kinetische Energie um. Dies unterscheidet sich von dem, was Sie tun, wenn Sie den Stein horizontal beschleunigen. Dann arbeitest du daran. Du fügst ihm Energie hinzu. Sie arbeiten auch am Ziegel, wenn Sie ihn anheben. Du übst eine Kraft x Abstand gegen die Schwerkraft aus und fügst dem Ziegel dadurch Energie hinzu*. Wenn Sie dann den Stein fallen lassen, wird diese potenzielle Energie in kinetische Energie umgewandelt. Sobald der Ziegel den Boden berührt, wird diese Energie abgebaut und Sie beginnen den Kreislauf erneut. Der Prozess ist nicht unähnlich dem, was Sie tun würden, wenn Sie ein Elektron von einem Proton wegziehen würden, also tun Sie es nicht

Ich habe Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie studiert und verstehe, dass sie besagt, dass die Schwerkraft keine Kraft ist, sondern die Auswirkungen von Objekten, die die Raumzeit krümmen. Wenn das wahr ist

Es ist nicht ganz wahr, fürchte ich. Die Krümmung der Raumzeit bezieht sich auf die Gezeitenkraft, während sich die „Neigung der Raumzeit“ auf die Schwerkraft bezieht. Sehen Sie hier die geneigten Lichtkegel .

Warum wird uns dann in der Mittelschule beigebracht, dass es eine Kraft ist?

Nochmals, weil es so ist. Sie erzählen dir nur nicht die ganze Geschichte, das ist alles. Stellen Sie eine Frage zum Anheben eines Ziegelsteins und wie es sich im Vergleich dazu verhält, das Elektron vom Proton wegzuziehen. Schlagen Sie das Massendefizit nach und stellen Sie weiter Fragen!

^{* Genau genommen fügst du der Erde auch Energie hinzu, aber während der Impuls gleichmäßig verteilt wird, ist dies nicht die Energie. Die Erde bekommt einen so kleinen Anteil, dass wir ihn ignorieren.}