Woher kommt eigentlich die Idee Gravitation=Krümmung der Raumzeit?

Ich habe eine ganze Weile gesucht, aber meistens die Antwort gefunden: Einsteins Genie. Ziemlich unbefriedigend. Ich weiß und verstehe, dass die Idee Schwerkraft = Krümmung der Raumzeit funktioniert. Außerdem weiß ich, dass der Ausgangspunkt für Einsteins Überlegungen das Äquivalenzprinzip war. Trotzdem kann ich von dort aus nicht den Zusammenhang herstellen, warum Gravitation die Krümmung der Raumzeit ist. Jede Hilfe oder Bezugnahme darauf, wo dies erklärt wird, wäre sehr willkommen.

Siehe Riemann. Ich denke, er war derjenige, der die Idee der 4. Dimension ausgearbeitet und die Idee eingeführt hat, dass Kräfte in höheren Dimensionen nur den Raum "zerknüllen". Ich habe das in „Hyperspace“ von Michio Kaku gelesen.

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Vielleicht eher ein zu langer Kommentar als eine Antwort.


Es scheint eine historische Erklärung für die Motivation und den Aufbau einer Ableitung der Feldgleichungen zu sein,

R μ v 1 2 G μ v R = 8 π G T μ v

ist wahrscheinlich das, was erforderlich ist, um Ihre Frage zu beantworten. 1913 veröffentlichte Einstein die Entwurfsgleichungen , die unter allgemeinen linearen Transformationen kovariant waren; erst viel später kehrte Einstein zur allgemeinen Kovarianz zurück und hatte solche Konstrukte in der Vergangenheit tatsächlich abgelehnt ...

Ein historischer Bericht über jede Sackgasse, mit der Einstein konfrontiert war, und wie er schließlich zu den Einstein-Feldgleichungen gelangte, ist eine lange Geschichte, zu lang für eine physikalische SE-Antwort. Daher leite ich Sie zu Untying the Knot: How Einstein Found His Way Back to Field Equations Discarded in the Zurich Notebook weiter , das hier frei erhältlich ist. Wenn ich mich richtig erinnere, schrieb Einstein in Wahrheit die richtigen Feldgleichungen, verwarf sie jedoch, da er sich ihrer Richtigkeit nicht bewusst war, in seinem „Zürich“-Notizbuch. Die Antwort auf Ihre Frage ( aus Einsteins ursprünglicher Perspektive ) liegt mit ziemlicher Sicherheit im Text; siehe dazu http://arxiv.org/abs/1201.5353 .

Danke für deine Antwort. Ich verstehe, wie man von der Idee Gravitation = Krümmung in der Raumzeit zu den Einsteinschen Feldgleichungen kommt. Trotzdem bin ich mir immer noch nicht sicher, woher diese Idee überhaupt stammt. Kann man das irgendwie begründen? Die meisten Bücher, die ich kenne, nehmen dies als Ausgangspunkt oder als gegebene Annahme ohne weitere Motivation. Ich interessiere mich weniger für Einsteins historische Kämpfe und hätte gerne eine modernere Perspektive, wie man zu dieser Einsicht kommt. Jede weitere Idee außer: "Weil es funktioniert", wäre sehr willkommen.
Ich denke, es begann wirklich mit dem Minkowski-Raum, wo Minkowski in der Lage war, eine 4-dimensionale Raumzeitgeometrie zu erstellen, die die Lorentz-Transformationen als "Rotationen" in dem von ihm erstellten geometrischen Modell ermöglichen würde. Zuerst betrachtete Einstein es als ein mathematisches Werkzeug, aber Einstein erkannte, dass die Raumzeit die physikalische Realität war und dass die Idee auf alle Referenzrahmen ausgedehnt werden konnte und entwickelte die Allgemeine Relativitätstheorie mit dem nicht-euklidischen (gekrümmten) Rahmen der Raumzeit.

Da Sie in einem Ihrer Kommentare Folgendes erwähnen

Ich interessiere mich weniger für Einsteins historische Kämpfe und hätte gerne eine modernere Perspektive, wie man zu dieser Einsicht kommt.

Ich ignoriere hiermit unverschämt die Geschichte und biete stattdessen ein schnelles Plausibilitätsargument an.

Beginnen wir mit dem Äquivalenzprinzip, das grob gesagt besagt, dass ein (hinreichend kleines) System, das frei in einem Gravitationsfeld fällt, nicht von demselben System zu unterscheiden ist, das träge im leeren Raum schwebt.

Stellen Sie sich nun einen Satelliten vor, der die Erde in einer 2-D-Ebene frei umkreist. Verwenden Sie nun die vertikale Richtung des Bildes, um die Zeit zu verkörpern, um eine Raumzeitdarstellung zu bilden, und zeichnen Sie in diesem Bild die Bahnen des Massenschwerpunkts jedes Körpers.

Wiederum grob gesagt und unter Verwendung der Geometrie unserer Augen würden Sie die Weltlinie der Erde als gerade vertikale Linie und die des Satelliten als Spirale zeichnen , die sich um diese Mittellinie windet, richtig?

Nun versuchen wir, dieses Bild mit dem Äquivalenzprinzip in Einklang zu bringen, das wiederum darauf hinzudeuten scheint, dass jede dieser Linien „gerade“ sein muss, weil jedes Objekt tatsächlich träge schwebt.

Sie sehen sicherlich nicht gerade aus, aber was ist, wenn Geradlinigkeit in der Raumzeit etwas Nicht-Euklidisches bedeutet? Und da wäre es sinnvoll, die geometrische Struktur der Raumzeit so zu variieren, dass beide Trajektorien wirklich Geodäten dieser unkonventionellen metrischen Struktur sind.

Fühlt sich das für dich überzeugend genug an?

Auch hier tun wir natürlich nicht so, als hätte Einstein dies getan. Wir behaupten auch nicht, dass wir die allgemeine Relativitätstheorie leicht aus diesem Argument rekonstruieren könnten. Wir machen die Verbindung für einen modernen Leser nur plausibel, anstatt sie magisch aus heiterem Himmel erscheinen zu lassen.

Zunächst einmal ist Gravitation nicht die Krümmung der Raumzeit, sondern die Geodäte, die von einer physikalischen Einheit angenommen wird, wenn sie sich entlang der gekrümmten Raumzeit bewegt. Was meine ich mit Geodäten? Eine Geodäte ist einfach der kürzeste Weg, den ein Teilchen in einer parametrisierten Kurve einnimmt. Um den oben erwähnten Gedanken an einen schweren Ball auf Ihrem Bett oder Stoff zu verstehen, was würde passieren, wenn Murmeln in der Nähe platziert würden? Das Genie Einsteins ergibt sich aus seiner Behauptung, dass die Schwerkraft aufgrund der Krümmung der Raumzeit entsteht und nicht aufgrund eines mystischen Kraftfelds, wie Newton glaubte. Somit können Objekte anstelle der einfachen elliptischen parametrisierten Kurve komplizierte parametrisierte Kurven (Umlaufbahn des Quecksilbers) annehmen.

"Denken Sie an einen schweren Ball auf Ihrem Bett oder Stoff, was würde passieren, wenn Murmeln in der Nähe platziert würden?" Sicher, sie würden auf den schweren Ball herunterrollen. Aber nur, weil "darunter" die Schwerkraft ist - wenn es nur gekrümmten Stoff gäbe und keine Schwerkraft, würden sich die Murmeln überhaupt nicht bewegen.
Ja, auf der Erde scheint es so, aber denken Sie an den Weltraum. Einstein verglich dieses Gewebeexperiment mit dem, was im Himmel passiert, anstatt dass sich Himmelskörper aufgrund einer mystischen Kraft bewegen, könnten sie dies genauso gut aufgrund der Krümmung der Raumzeit tun.
Ich verstehe nicht. Er hat tatsächlich ein Experiment im "Himmel" durchgeführt??? Dennoch gibt es keine Antwort auf die Frage: Was bewegt die Dinge? Mystische Krümmung?
Er führte ein Gedankenexperiment durch ... Einstein dachte an die Geometrie der Raumzeit, die die Bewegung der Himmelskörper diktierte, hauptsächlich weil es keine offensichtliche Kraft gab, die perfekt erklären könnte, warum sich Objekte anziehen. Newtons Gravitationstheorie war problematisch. Newton beschrieb die Kraft, die auf himmlische Objekte ausgeübt wird, und nicht unbedingt, was die Kraft steuert, Einsteins Suche war es, dies zu erklären ... Kurz gesagt, laut Einstein ist es die Geometrie der Raumzeit, die die Gravitationskraft von Newton manipuliert.
Mir ist vollkommen bewusst, dass Einstein die Schwerkraft durch Krümmung ersetzen wollte. Aber wie ich gezeigt habe, erzeugt die Krümmung selbst keine Bewegung. Bewegung allein aufgrund der Krümmung ist so magisch wie Newtons Kraft auf Distanz.
Okay, in normaler Raumzeit (Nullkrümmung) breitet sich Licht in einer geraden Linie aus, aber in gekrümmter Raumzeit biegt sich Licht tatsächlich in Richtung der Ursache dieser gekrümmten Raumzeit. Dies deutet zweifellos darauf hin, dass aus irgendeinem Grund Licht von dem schweren Objekt angezogen werden muss, daher die Schwerkraft.
Ich frage nicht nach der Erklärung der scheinbaren Lichtbiegung. Ich frage nach der Erklärung des Bewegungsimpulses im Raum, wo die Schwerkraft allein durch Krümmung ersetzt wird. Was bringt Dinge dazu , sich zu bewegen, wenn es keine Kraft gibt? Die Krümmung kann nur die Bewegungsrichtung erklären, aber nur in Kombination mit einem anderen Faktor - einer Kraft.

In „Die Grundlagen der Allgemeinen Relativitätstheorie“ führte Albert Einstein zwei Gedankenexperimente – mit einem Aufzug und mit einer rotierenden Scheibe – durch, in denen er Gravitation und Beschleunigung verglich. Er betrachtete einen Lichtweg, wie er von einem beschleunigten und einem unbeschleunigten Beobachter gesehen wird. Als Ergebnis seiner Argumentation kam er zu dem Schluss (am Ende von Abschnitt 2):

"Der Weg eines Lichtstrahls in Bezug auf K' muss im Allgemeinen krummlinig sein, wenn sich Licht in Bezug auf K in einer geraden Linie mit einer bestimmten konstanten Geschwindigkeit ausbreitet."

Danke für den Link. Das geht genau in die richtige Richtung. Wir können die Wirkung der Schwerkraft durch Koordinatentransformationen erhalten und die Wirkungen der Schwerkraft gleichermaßen wegtransformieren, da die Schwerkraft auf alle Objekte gleichermaßen wirkt. Trotzdem kann ich immer noch nicht die endgültige Verbindung herstellen, warum dies impliziert, dass die Schwerkraft ein Effekt der gekrümmten Raumzeit ist.
Nun, ich habe Ihnen eine offizielle Erklärung gegeben. Das Problem ist nun, dass Einstein den obigen Satz über einen Körper schrieb, der sich in einem Kraftfeld (Schwerkraft) befindet, und ihn mit einem Körper vergleicht, der aufgrund von Beschleunigung eine tatsächliche Bewegung erfährt. Wenn Sie sich auf einem Karussell befinden und einen Stein werfen, sehen Sie den Weg des Steins als krummlinig, aber die Person auf dem Boden sieht ihn als gerade. Die Person auf dem Karussell spürt jedoch nicht nur Beschleunigung, sondern bewegt sich dadurch auch. Dies wäre gleichbedeutend mit einer Person im freien Fall im Gravitationsfeld (Beschleunigung) und nicht stationär.
Also hat Einstein einfach eine Ableitung einer Gleichung erstellt, die beweist, was er behauptet, aber da sind viele seltsame Dinge drin. Zum Beispiel können Sie weiter lesen, dass "für unendlich kleine vierdimensionale Gebiete die Relativitätstheorie im engeren Sinne geeignet ist, wenn die Koordinaten geeignet gewählt werden." Das bedeutet, dass am Limit SR gilt und somit am Limit keine Gravitation existiert. Wenn ja, wie können Sie dann Gleichungen für die Gravitation an der Grenze herleiten, wenn sie dort angeblich nicht existiert? Man sollte sich das Ganze selbst durchlesen und sich eine eigene Meinung bilden.
NB Ich ermutige Sie, den Originaltext zu lesen, da ich glaube, dass Sie hier keine klare Antwort auf Ihre Frage erhalten werden. Wie Sie sehen, hat niemand sonst versucht, Ihnen hier eine Antwort zu geben, die bis zu den Ursprüngen von Einsteins Konzept reicht. Meine Erfahrung ist, dass Menschen (sogar Doktoranden) sich in komplizierter Mathematik auszeichnen, sich aber nicht viel um die Grundlagen kümmern (deshalb erhalten Sie oft diese "weil es funktioniert"-Antwort). Und viele „Warum“-Fragen werden als „nicht-physisch“ abgetan.

Die erste Motivation war vielleicht die Unvereinbarkeit des Newtonschen Gesetzes mit der speziellen Relativitätstheorie, die die Idee der Schwerkraft als Kraft beseitigte, und eher die geometrische Eigenschaft von Raum und Zeit, deren Mechanismus die Krümmung war. Dann war es, wie @Yashbhatt sagte, das von Ricci und Riemann initiierte Studium der Tensoranalyse an gekrümmten Mannigfaltigkeiten, das zur sogenannten "Trampolin" -Analogie führte, die vielleicht die Entstehung der allgemeinen Relativitätstheorie war, und natürlich brauchte es Einsteins Genie das zu erkennen.