Gibt es Kontroversen um das Prinzip der allgemeinen Kovarianz in GR?

Ich bin Physiker und arbeite jetzt mit Computern. Ich studiere GR in meiner Freizeit, um den Stoff frisch zu halten. Im Wikipedia-Artikel über die Mathematik von GR kann man Folgendes lesen:

Der Begriff „allgemeine Kovarianz“ wurde in der frühen Formulierung der allgemeinen Relativitätstheorie verwendet, wird aber heute von vielen als Diffeomorphismus-Kovarianz bezeichnet. Obwohl die Diffeomorphismus-Kovarianz nicht das bestimmende Merkmal der Allgemeinen Relativitätstheorie ist und Kontroversen über ihren gegenwärtigen Status in der GR bestehen bleiben , ist die in dem Prinzip implizierte Invarianzeigenschaft physikalischer Gesetze in Verbindung mit der Tatsache, dass die Theorie im Wesentlichen geometrischen Charakter hat (unter Verwendung von Geometrien, die sind nicht euklidisch) schlugen vor, die allgemeine Relativitätstheorie in der Sprache der Tensoren zu formulieren. [Meine Kursivschrift.]

Weiß jemand, auf welche Art von Kontroverse der/die Autor(en) abzielen? Ist nicht allgemeine Kovarianz, ähm ... Diffeomorphismus-Kovarianz, ein Grundprinzip von GR?

UPDATE: Offensichtlich gibt es keine "richtige" Antwort auf eine Frage wie diese (es sei denn, Sie sind zufällig der Autor des besagten Artikels und könnten daher mit der Welt teilen, was Sie interessiert). Jedenfalls scheint es keine weithin bekannte, heftig diskutierte Kontroverse bezüglich der allgemeinen Kovarianz zu geben.Trotzdem habe ich mich entschieden, Rons Antwort zu akzeptieren.

UPDATE 2: Ich habe die Annahme aufgrund des verlinkten Artikels von Prof. Norton. Ich denke, dass Rons Antwort aus praktischen Gründen immer noch gültig ist, aber ich möchte diesen Artikel zuerst überprüfen. Allerdings sollte niemand den Atem anhalten und darauf warten, dass ich das herausfinde. :)

Obwohl die Antwort von @RonMaimon gut ist, lautet das allgemeine Kovarianzprinzip nicht , dass die Physik einfach jedes Koordinatensystem verwenden kann (was trivialerweise wahr ist), sondern dass die Form der Gleichungen bei jeder Koordinatenwahl unveränderlich sein sollte . Dies ist ein Postulat einer gewissen Symmetrie, aber gibt es tatsächlich eine solche Symmetrie? Dies ist die größte Kontroverse IMO
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Antworten (4)

Die Kontroverse beruht auf der Tatsache, dass die Aussage "Die Gesetze der Physik sollten im Allgemeinen kovariant sein" sehr auffällig und aussagekräftig ist, sie beinhaltet das Äquivalenzprinzip, das beschleunigte Bewegung und ein lokales Gravitationsfeld in Beziehung setzt. Aber wenn es formuliert wird als "Die Gesetze der Physik sollten bei Koordinatenänderungen unveränderlich sein", wird es trivial einfach zu erfüllen--- alle Gesetze der Physik können in beliebigen Koordinaten beschrieben werden, indem man einfach die Koordinaten ändert! Wenn Sie beispielsweise die Laplace-Gleichung haben, können Sie die Koordinaten ändern und die Laplace-Gleichung in elliptischen oder sphärischen Koordinaten neu ausdrücken.

Leute, die glauben, dass die Physik wie Mathematik ist, würden gerne ein mathematisches Axiom angeben, das dem physikalischen Prinzip der "allgemeinen Kovarianz" entspricht, und sie identifizieren dieses Axiom als "Die Gesetze der Physik müssen in beliebigen Koordinaten ausdrückbar sein" und da diese Aussage trivial und inhaltsfrei ist, schlussfolgern sie, dass General Covariance inhaltsfrei ist, daher die Kontroverse.

Diese Kontroverse ist nicht so interessant. Die Aussage der Allgemeinen Kovarianz beginnt mit dem Äquivalenzprinzip, das besagt, dass ein lokal beschleunigtes Koordinatensystem einem Gravitationsfeld entspricht. Da die dynamische Größe, die die lokale Beschleunigung bestimmt, die Metrik und die zugehörige Verbindung ist, schließen Sie daraus, dass die Verbindung und die Metrik das Gravitationsfeld und das Potential sind. Dann formulieren Sie Bewegungsgesetze für das Feld und das Potential. Die Bewegungsgleichungen müssen vernünftig sein – keine instabilen außer Kontrolle geratenen Lösungen, positive Energie kleiner Störungen. Dann wählt das Prinzip der geringsten Anzahl von Ableitungen (Skalierung der relevantesten Terme) GR plus vielleicht einige topologische Terme aus.

Das Prinzip der Allgemeinen Kovarianz ist einfach, dass es keine a priori bevorzugte Metrik gibt, dass die Metrik durch lokale Bewegungsgleichungen wie das elektrische Potential bestimmt wird. Sie haben keine "wiederherstellende Kraft", die die Metrik auf +1, -1, -1, -1 oder einen anderen Wert zieht. Damit verletzt die folgende lächerliche Aktion die allgemeine Kovarianz:

S = ( R + ( G μ v η μ v ) ( G μ v η μ v ) ) G

Es gibt nicht viel mehr zur Allgemeinen Kovarianz, als explizite Tensoren wie die oben genannten zu verbieten.

Das Prinzip ist einfach, dass die Theorie geometrisch sein muss, ohne bevorzugte Hintergrundgeometrie. Dies wird heute von den Leuten betont, die Schleifen-Quantengravitation mögen.

Aufgrund der jüngsten Antwort von Herrn Josephson fühle ich mich verpflichtet, meine Annahme Ihrer Antwort zurückzuziehen. Entschuldigung für das flackernde Verhalten.
@Joar Bolstad: Joseph f. Johnson (nicht zu verwechseln mit Josephson) steht es frei zu sagen, was er will, aber meine Antwort ist wirklich die richtige Antwort. Es gibt keine wirkliche Kontroverse darüber, was General Covariance bedeutet, es bedeutet, was ich gesagt habe.
Ich stehe korrigiert. Mr. Johnson ist es natürlich. Ich stimme zu, dass es wahrscheinlich nicht viele Kontroversen um das Thema gibt, aber zu Ehren von Einsteins philosophischem Erbe habe ich das Gefühl, dass ich sogar die Einwände der Philosophen gegen die vorliegende Angelegenheit berücksichtigen muss. Trotzdem: Ihre Antwort zu den operativen Aspekten von GR beruhigt mich, und meine vorherige positive Bewertung gilt immer noch. Danke! :)
Nur eine kleine Bemerkung: Die allgemeine Kovarianz beginnt mit dem Äquivalenzprinzip, ist aber tatsächlich viel schwächer als Gl. Pr.
@Terminus: es hängt von der Interpretation der allgemeinen Kovarianz ab. So wie Einstein es beabsichtigte, bedeutet es keinen festen Hintergrund, wobei die Variationen in der Hintergrundmetrik als lokales Gravitationsfeld zu interpretieren sind. In diesem Sinne schließt es das EP ein und ist stärker als das EP. Aber das Prinzip, wenn es als "Sie können Koordinaten ändern" formuliert ist, ist leer und trivial und viel schwächer als alles andere, weil es die schwächste Aussage ist, die Sie machen können - es gilt trivialerweise für jede Theorie.

Es hat nie eine wasserdichte, rigorose, prägnante und trockene Formulierung dessen gegeben, was man unter „allgemeiner Kovarianz“ versteht, daher die Kontroversen seit Einsteins Tagen. Siehe http://philpapers.org/rec/STATMO-5 und andere Artikel über die Philosophie der Physik. Die Antwort von Herrn Maimon beweist auch die Existenz einer Kontroverse, da er die Vorstellungen vieler Leute darüber kritisiert, was es als „inhaltsfrei“, dh nichtssagend, bedeutet. Und mit etwas Gerechtigkeit ... auf beiden Seiten. Es gibt auch Meinungsverschiedenheiten darüber, was das „Äquivalenzprinzip“ sagt, Herr Maimon hat dies wiederum in anderen Antworten auf verwandte, verknüpfte Fragen wie „ Wie schließt dieses Gedankenexperiment Schwarze Löcher nicht aus? » Prof. Geroch aus Chicago ( http://arxiv.org/abs/1005.1614) hat auf Missverständnisse sogar der Speziellen Relativitätstheorie hingewiesen und gezeigt, dass die Gesetze der Spec. Rel. nicht durch schnellere als leichte Kommunikation verletzt würde ... also sollte man vorsichtig sein, hier nur einen Standpunkt zu hören.

Es gibt sicherlich Kontroversen darüber, ob Diff(M) irgendeine Art von Eichgruppe ist (siehe http://www.mth.kcl.ac.uk/~streater/lostcauses.html von Prof. Streater , und es scheint sogar eine zu geben viel Verwirrung über den Unterschied zwischen einem Element von Diff(M), das global ist , und lokalen Änderungen von Koordinaten, die für das Prinzip der allgemeinen Kovarianz relevant sind (schließlich hat Einstein das Äquivalenzprinzip immer nur für eines angegeben). Koordinatenpatch, nicht für alle M .)

Meiner Meinung nach hatte Einsteins Verständnis des Prinzips der allgemeinen Kovarianz einen physikalischen und einen mathematischen Teil. Der physikalische Teil war das Prinzip der Äquivalenz. Der mathematische Teil bestand darin, dass ein physikalisches Gesetz in Form von Größen mit gleichen Transformationseigenschaften bei lokalen Koordinatenänderungen geschrieben werden sollte. Tatsache ist, dass es anscheinend keinen eindeutigen Weg gibt, dies zu sagen, und Einstein hat keine völlig abstrakte Definition des Prinzips der Kovarianz gegeben, daher basiert meine Meinung darauf, was er getan hat. Schon zu seiner Zeit missverstanden Physiker das Prinzip der Äquivalenz und das Erfordernis der allgemeinen Kovarianz, einer von ihnen beschuldigte Einstein sogar, es verraten zu haben, siehe S. 237-239 von Band 6, englische Übersetzungsergänzung, von Einstein's Collected Papers .

Ich habe vielleicht die Referenz gefunden, die Sie gerne sehen würden, obwohl sie sehr ausführlich ist. http://www.pitt.edu/~jdnorton/papers/decades.pdf von Prof. Norton aus Pittsburgh spricht über viele der Missverständnisse und Meinungsverschiedenheiten über dieses Prinzip.

vielen Dank für eine ernüchternde und nachdenkliche Antwort. Zunächst möchte ich meine Annahme der Antwort von Herrn Maimon zum Ausdruck bringen. Ich habe keinen a priori Grund, Mr. Maimons Meinung gegenüber einem der anderen Poster zu bewerten, und ich möchte betonen, dass es eher darauf ankommt, dass ich mich auf nur eine akzeptierte Antwort pro Frage beschränke, als auf irgendetwas anderes, wenn ich seine Antwort gegenüber der von twistor59 akzeptiere . Meine Hauptmotivation, diese Frage überhaupt zu stellen, war, jede mir nicht bekannte, weitgehend debattierte Kontroverse in Bezug auf einen der Eckpfeiler von GR aufzudecken.
Da die Antworten geteilter Meinung zu sein schienen, nahm ich (voreilig) an, dass eine solche Kontroverse nicht bekannt sei. Ich schätze Ihre Bemühungen sehr, insbesondere den Hinweis auf Prof. Nortons Artikel. Aufgrund dieser neuen Informationen werde ich meine Zulassung zurückziehen und, wenn es mir die Zeit erlaubt, Prof. Nortons Arbeit und überprüfen Sie anschließend alle eingehenden Antworten auf meine ursprüngliche Frage.
@Joar Bolstad: Sie können tun, was Sie wollen, aber unter gebildeten Menschen gibt es keine Kontroversen. Die Kontroverse findet wirklich nur unter Philosophen statt, die man nicht allzu ernst nehmen kann, weil sie im Großen und Ganzen mathematische Analphabeten sind. Das Prinzip der allgemeinen Kovarianz bedeutet, dass Sie in Ihren Gleichungen keine externen Hintergrundtensoren verwenden sollten, selbst wenn sie relativistisch invariant sind. Was den hier zitierten Geroch-Artikel betrifft, so ist er ein totaler Ablenkungsmanöver.
Ich weiß nicht, warum Sie über meine Antwort diskutieren – Sie scheinen zu glauben, dass etwas daran nicht stimmt. Gibt es sicherlich nicht, aber ich lasse das OP selbst herausfinden.
sehr gute Zusammenfassung, +1
@RonMaimon Ich sagte, deine Antwort sei eine Seite einer Kontroverse, ich habe nicht gesagt, welcher Seite ich zustimme, aber es gab etwas Gerechtigkeit auf beiden Seiten. Da Sie fragen, besteht ein kleiner Fehler in Ihrer Antwort darin, dass Sie nicht erkennen, dass das Prinzip der allgemeinen Kovarianz immer noch nicht auf logische, abstrakte Weise klar formuliert wurde (aber ich stimme Ihnen zu, dass die Versuche der Mathematiker, dies zu tun, der Fall sind nicht erfolgreich, da ihnen der physikalische Inhalt von Einsteins konzeptionellem Weg zu GR fehlt). Möglicherweise Prof. Gerochs Artikel ist off-topic, zeigt aber zumindest, wie Missverständnisse eines Prinzips gedeihen können.
@josef f. Johnson: Ok, dem stimme ich zu. +1 für deine Antwort.

Verwandte Fragen Warum kann die Allgemeine Relativitätstheorie nicht in Form von physikalischen Variablen geschrieben werden? und Diff(M) und Anforderungen an GR-Beobachtbare

Ich denke, die "Kontroverse", auf die Bezug genommen wird, ist die Invarianz von GR unter aktiven Diffeomorphismen und ihre entsprechende Interpretation als Eichtheorie. Ein aktiver Diffeomorphismus ist so zu verstehen, dass die Punkte der Raumzeit-Mannigfaltigkeit herumbewegt werden, nicht nur als eine Umbenennung von Punkten mit neuen Koordinaten. GR hat die Eigenschaft, dass Sie, wenn Sie dies konsequent tun, Lösungen von Einsteins Gleichungen auf neue Lösungen von Einsteins Gleichungen abbilden (siehe einige Diskussionen zu Einsteins Loch-Argument , um ein Gefühl dafür zu bekommen). Wenn Sie sich dies als Eichfreiheit vorstellen, landen Sie damit, dass der Lösungsraum von Einsteins Gleichungen in Äquivalenzklassen unterteilt wird.

Traditionell sind in Eichtheorien die physikalischen Observablen eichinvariante Größen – in diesem Fall wären dies Größen, die unter aktiven Diffeomorphismen erhalten bleiben. Ich glaube nicht, dass ein vollständiger Satz solcher Größen bekannt ist, aber sie würden Dinge wie Integrale von Krümmungstensor-Invarianten über die gesamte Raumzeit enthalten. Diese Observablen sind im Allgemeinen nicht lokal und haben sich für explizite Berechnungen als nicht allzu nützlich erwiesen (soweit ich weiß).

Ich glaube nicht, dass diese sogenannte Kontroverse etwas Bedeutendes ist. Es scheint sich nur darum zu drehen, ob auf GR der Begriff "Eichtheorie" angewendet werden sollte oder nicht, da sich der Charakter der Theorie von anderen Eichtheorien unterscheidet, in denen die Eichsymmetrien faserweise in den relevanten Bündeln gelten.

Ich glaube nicht, dass es einen gültigen Unterschied zwischen der "aktiven" und der "passiven" Sichtweise in Bezug auf Diffeomorphismen gibt. Was bringt es, über diesen Unterschied zu sprechen, wenn er nicht existiert?
In der Tat können Sie einen aktiven Diffeomorphismus durch Koordinatenänderungen darstellen, aber der Grund, warum ich mich entschieden habe, die aktive Ansicht hervorzuheben, besteht darin, deutlich zu machen, dass die Diff(M)-Aktion so interpretiert werden kann, dass sie verschiedene Metriken in Beziehung setzt, nicht nur verschiedene Darstellungen eines gegebenen Metriktensors Objekt durch Koordinatenfunktionen. Diese aktive Ansicht bezieht sich gut auf das Lochargument. Die Kontroverse, an die ich denke, ist nicht aktiv vs. passiv, sondern die Frage, ob die Diff (M) -Invarianz wirklich eine Eichtheorie ist ( Weinstein zum Beispiel. IMO ist es eine leere Diskussion.
Koordinaten müssen nicht global sein . Wenn die Naturgesetze durch lokale Diffs ausgedrückt werden können. eqs, dann ist die Untersuchung ihrer Transformationseigenschaften innerhalb eines Koordinatenfeldes in Bezug auf eine Änderung von (lokalen) Koordinaten eine Sache, was Einstein meiner Meinung nach beabsichtigt hat (am Beispiel des Aufzugs), und über einen Diffeomorphismus zu sprechen, ist eine ganz andere. Vor allem, wenn das Universum kompakt ist.

BEARBEITEN: Ich habe die Frage falsch verstanden, daher befasst sich meine Antwort mit "Kontroversen über das Äquivalenzprinzip". Entschuldigung für das Chaos.

Nun ... das ist der Punkt. Wie Sie vielleicht wissen, können Einstein-Gleichungen aus dem Hilbert-Wirkungsprinzip abgeleitet werden. Wenn Sie nun Materie hinzufügen möchten, fügen Sie der Aktion ihren Lagrangian hinzu. Das starke Äquivalenzprinzip sagt Ihnen, dass Sie keine expliziten geometrischen Einheiten in Lagrangian von Materiefeldern verwenden können. Dies ist wie folgt zu verstehen. Nehmen wir an, Sie haben einen Lagrangian für ein Skalarfeld in der Minkowski-Raumzeit

L = μ ϕ v ϕ η μ v M 2 ϕ 2
Dann können Sie es wie folgt auf gekrümmte Raumzeit verallgemeinern
L = G ( μ ϕ v ϕ G μ v M 2 ϕ 2 )
aber nicht so
L = G ( μ ϕ v ϕ G μ v M 2 ϕ 2 + R ϕ 2 )

Da im Vakuum die Skalarkrümmung R Null ist, könnte man versucht sein, sie in die Lagrangian einzubeziehen, und tatsächlich tun es die Leute - aus vielen Gründen. Sogar ich tue es manchmal, um einige interessante mathematische Implikationen einer solchen Wahl zu untersuchen. Dies jedoch starkes Äquivalenzprinzip, da physikalische Gesetze in inertialen Koordinatensystemen nicht mehr äquivalent sind! Kurz gesagt, Menschen sind versucht, GR andere physikalische Theorien hinzuzufügen, ohne Rücksicht auf die allgemeine Kovarianz, weil sie entweder nicht daran glauben oder weil solche Kopplungen manchmal interessanter sind als „normale“.

Warum sind sie nicht mehr gleichwertig? Welche Transformationen in diesen (ich vermute lokalen) intertialen Systemen bringen was durcheinander?
Diese Antwort ist völlig falsch. Beide Ausdrücke sind im Allgemeinen kovariant. Wenn du benutzt η μ v anstatt G μ v , das ist nicht kovariant.
Terminus: Also im Grunde reduziert es die Gesamtmasse um 2 R ?
@Terminus: Ihr Prinzip heißt "minimale Kopplung", nicht "allgemeine Kovarianz". Nicht minimale Terme können verwendet werden, wenn Sie eine nicht standardmäßige Kopplung von Skalaren an die Gravitation haben, wie in Coleman et. Al. verbesserte Energietensorkopplung, die einen R-Term verwendete. Dies verstößt nicht gegen die allgemeine Kovarianz.
Ok, ich habe die Frage falsch verstanden - ich dachte, es handelt sich um ein starkes Äquivalenzprinzip -, das natürlich durch nichtminimale Begriffe verletzt wird, da es weniger - mehr besagt: "Alle identischen Nicht-Gravitationsexperimente sollten in allen Trägheitsrahmen die gleichen Ergebnisse liefern".
@Terminus: Das ist eine vernünftige Interpretation, und sie erscheint in Einsteins Arbeit. Ich möchte hier gerne wohltätig sein und sagen, dass Einstein Prinzipien der Frame-Invarianz mit Prinzipien der Skalierung vermengt. Die beiden werden von Weinberg klar getrennt, der das richtige Argument für eine minimale Kopplung liefert – Punktquellen sollten nur mit den relevantesten Begriffen interagieren, wenn die Gravitationsskala sehr hoch ist. Ich habe Ihre Antwort nicht abgelehnt, da dies eine Interpretation ist, die in Einstein erscheint, und ich denke, sie hat einen gültigen Standpunkt.