Woher kommt Gravitationsenergie?

Masse ist dasselbe wie Energie von$E = mc^2$Die Energie, die die Raumzeit krümmt, ist also die Masse, die die Raumzeit krümmt. Dann könnten Sie fragen, warum Masse den Raum krümmt? Soweit ich weiß, ist das gleichbedeutend mit der Frage, woher Einsteins Feldgleichungen kommen. Dazu braucht man eine vollständige und konsistente Theorie der Quantengravitation, die die Einstein-Gleichung im unteren Energiebereich hat. Das hat keiner.

„Wir haben alle gehört, dass die Masse dem Raum sagt, wie er sich krümmen soll, und der gekrümmte Raum der Materie sagt, wie sie sich bewegen soll.“ Diese poetische aber ein bisschen irreführend sein. Einsteins Gleichungen beschreiben einfach im Detail, wie sich die Raumzeit durch Veränderungen in der Materie verändert. Zwischen Materie und Raumzeit findet kein Prozess oder Mechanismus statt, dh wenn sich die Raumzeit ändert, tritt ein Prozess auf, der dann verwendet werden kann, um zu beschreiben, was Materie dann tun wird.

Schließlich verwenden Sie Gravitationsenergie in der Newtonschen Art, die Schwerkraft zu betrachten. Das Gravitationspotential, das in Newtons Theorie letztendlich Gravitationsenergie ergibt, ist in der Metrik begraben.

Die Allgemeine Relativitätstheorie arbeitet mit dem Energie-Impuls-Tensor und man muss mit der Mathematik davon arbeiten, um wirklich zu verstehen, was passiert, und nicht mit der Hand winken. Es ist eine Tatsache, dass alle kosmologischen und astrologischen Daten den Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie folgen, wie man in diesem Link sehen kann. Das jetzt akzeptierte kosmologische Modell ist das Urknallmodell, basierend auf der allgemeinen Realität und seinen Konstanten, angepasst an Beobachtungswerte. In diesem Modell kam die gesamte Energie des Universums, die der Energie-Impuls-Tensor beschreibt, bei der Urknall- Singularität:

Das expandierende Universum nutzt diese ursprüngliche Energie. (Spezielle Relativitätstheorie ist Teil der Allgemeinen Relativitätstheorie, und daher wird die Äquivalenz von Masse und Energie berücksichtigt). Da das Urknall-Modell ziemlich erfolgreich ist, lautet die Antwort: Die Energie für alles kommt aus der ursprünglichen Singularität. Auf der planetarischen und galaktischen Ebene wird es gut mit der Newtonschen Mechanik beschrieben. Im atomaren und nuklearen Bereich reichen die Gesetze der Quantenmechanik und der speziellen Relativitätstheorie aus, um Energieumwandlungen zu beschreiben.

Wenn wir das (üblichste oder nützlichste) Beispiel der Schwarzschild-Lösung auswählen, ist es einfach die einzigartige Geometrie, die die Einstein-Gleichungen löst, die sowohl statisch als auch kugelsymmetrisch ist. Es wird im Vakuum gelöst (was bedeutet, dass die Energiedichte in dem Teil der Raumzeit, nach dem wir lösen, Null ist, während am Ursprung eine Masse vorhanden sein kann). Dies ähnelt der Lösung für das elektromagnetische Feld, bei der Sie die Maxwell-Gleichungen im Vakuum lösen, um das Feld aufgrund einer Punktladung zu erhalten. Die Ladung selbst verliert durch die Erzeugung des elektrischen Feldes keine Energie. Es ist eine Beschreibung von Wechselwirkungen und nicht etwas, für das die Ladung Energie aufwendet, um es zu erzeugen.

Um den zweiten Teil der Frage zu beantworten, folgen Objekte, auf die keine äußere Kraft einwirkt (dh Objekte im freien Fall), der Geodäte: Einfacher ausgedrückt, wenn ich eine Kugel auf einer reibungsfreien Oberfläche mit konstanter Geschwindigkeit rollen lasse, es wird einem Pfad folgen, der von der Gleichung bestimmt wird$\vec{F}=0$, was eine Gerade wäre. Es ist das gleiche Konzept in der Allgemeinen Relativitätstheorie, außer dass die Pfade aufgrund der Krümmung der Raumzeit selbst nicht unbedingt „geradlinig“ sind. (Wenn ich eine Kugel auf der Erde ins Rollen bringe, schießt sie nicht tangential zur Oberfläche ab, sondern rollt auf der Oberfläche). Es ist wichtig zu beachten, dass die Geodäten lokal gerade sind. Mit anderen Worten, wenn ich einen kleinen Fleck betrachte, sieht die Raumzeit flach aus und Körper bewegen sich auf einem kontinuierlichen Weg. Mit anderen Worten, „Geradheit“ in der Allgemeinen Relativitätstheorie muss nicht dem entsprechen, was wir in nicht-relativistischen Zusammenhängen intuitiv als gerade betrachten. Bei umlaufenden Körpern die Bahnen, denen sie folgen$\textit{are}$die Pfade, die in ihrem Bezugssystem lokal gerade sind.

Die Energie ist schon da. Es wandelt sich einfach von der zeitlichen Energie der Raumzeit in die kinetische Energie um, die die gekrümmte Raumzeit verursacht.

Die Frage, woher Energie kommt, ist wie die Frage nach dem Ursprung des Universums. Ist das alles spontan aus dem Nichts entstanden, jedes bestehende Naturgesetz völlig verletzend, oder war es schon immer da und wartete nur darauf, sich aus der Singularität auszudehnen, wenn Gott selbst den Befehl gab. Die Antwort ist, wir wissen es nicht. Wir werden es vielleicht nie erfahren. Es ist unsere Neugier auf die Welt, die zum Fortschritt der Wissenschaft führt. Wenn wir die Geheimnisse des Universums wüssten, würden wir es nie lernen, und das ist kein Leben, das ich leben möchte. Es gibt immer Dinge, die wir nicht wissen, und deshalb ist das Universum so erstaunlich. Die beste Antwort, die ich dir geben kann, ist, dass die Energie einfach seit Anbeginn der Schöpfung da ist. Was davor ist, ist ein Rätsel.