Warum müssen wir uns die Schwerkraft immer noch als Kraft vorstellen?

Die Schwerkraft wird als Kraft angesehen, weil sie eine Kraft ist .

Eine Kraft$F$ist etwas, das Objekte aus Masse macht$m$beschleunigen gem$F=ma$. Der Mond oder die ISS, die die Erde umkreisen, oder ein fallender Apfel werden durch eine bestimmte Kraft beschleunigt, die mit der Existenz der Erde verbunden ist, und wir haben ihr den Fachbegriff „Schwerkraft“ seit mehr als 3 Jahrhunderten vorbehalten.

Einstein erklärte diese Gravitationskraft,$F=GMm/r^2$, als Folge der gekrümmten Raumzeit um die massiven Objekte. Aber es gilt immer noch:

Gravitation ist eine Wechselwirkung, die durch ein Feld vermittelt wird, und das Feld hat auch ein zugehöriges Teilchen, genau wie das elektromagnetische Feld.

Das Feld, das die Schwerkraft kommuniziert, ist das metrische Tensorfeld$g_{\mu\nu}(x,y,z,t)$. Es definiert/stört auch die Beziehungen für Entfernungen und Geometrie in der Raumzeit, aber diese zusätzliche "hübsche" Interpretation spielt keine Rolle. Es ist ein Feld im gleichen Sinne wie der elektrische Vektor$\vec E(x,y,z,t)$ist ein Feld. Der metrische Tensor hat eine höhere Anzahl von Komponenten, aber das ist nur ein technischer Unterschied.

Ähnlich wie die elektromagnetischen Felder wellenartige Lösungen unterstützen können, die elektromagnetischen Wellen, ermöglicht der metrische Tensor wellenartige Lösungen, die Gravitationswellen. Nach der Quantentheorie wird die Energie durch die Frequenz getragen$f$Wellen sind nicht kontinuierlich. Die Energie elektromagnetischer Wellen wird in Energieeinheiten, Photonen, übertragen$E=hf$. Die Energie von Gravitationswellen wird in Einheiten, Gravitonen, transportiert, die Energie haben$E=hf$. Diese Beziehung$E=hf$ist absolut universell.

Tatsächlich können nicht nur „Wellenbündel“ im Sinne dieser Teilchen interpretiert werden. Sogar statische Situationen mit einer Kraft dazwischen können durch die Wirkung dieser Teilchen – Photonen und Gravitonen – erklärt werden, aber sie müssen virtuell sein, nicht real, Photonen und Gravitonen. Auch hier sind die Situationen des Elektromagnetismus und der Schwerkraft völlig analog.

Sie fragen, ob die Raumzeit das Kraftfeld ist. Bis zu einem gewissen Grad ja, aber es ist richtiger zu sagen, dass die Raumzeit-Geometrie, der metrische Tensor, das Feld ist.

Was Ihre letzte Frage betrifft, so kann man die freie Bewegung einer Sonde im Gravitationsfeld tatsächlich so beschreiben, dass die Sonde möglichst geradlinigen Bahnen folgt. Aber wohin diese geradesten Bahnen führen – und ob sie zum Beispiel im Raum periodisch sind (Orbits) – hängt davon ab, wie das Gravitationsfeld (Raumzeit-Geometrie) tatsächlich ist. Anstatt also über die Trajektorien als "geradlinige Linien" nachzudenken (was als universelle Einstellung nicht gut ist, da die Raumzeit selbst nicht "flach" ist, dh aus zueinander orthogonalen, geraden, gleichmäßigen Gittern besteht), ist es angemessener, über die Trajektorien in nachzudenken ein Koordinatenraum und sie sind im Allgemeinen nicht gerade. Sie'

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Schwerkraft eine grundlegende Wechselwirkung ist, genau wie die anderen drei. Die einzigen Unterschiede zwischen der Schwerkraft und den anderen drei Kräften sind eine zusätzliche "hübsche" Interpretation des Gravitationskraftfeldes und einige technische Details wie der höhere Spin des Botenteilchens und die Nicht-Renormalisierbarkeit der effektiven Theorie, die dieses Teilchen beschreibt.

Kann ich auf die Gefahr hin, vom Physiker wegen starker Vereinfachung gescholten zu werden, eine intuitive Antwort geben?

In einem rotierenden Bezugssystem existiert die Zentrifugalkraft (wie auch die Corioliskraft). Beobachter in rotierenden Rahmen sehen sich frei bewegende Objekte auf gekrümmten Bahnen. Sie schließen daraus, dass eine Kraft existiert, und können sogar eine Formel dafür aufstellen. Ein Beobachter außerhalb des rotierenden Rahmens sieht das Objekt sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegen und schließt daraus, dass keine Kraft auf es einwirkt. Die Kraft ist fiktiv, aber innerhalb des Rotationsrahmens gültig.

Die fiktive Kraft hat jedoch zwei interessante Eigenschaften. Erstens hat es keine offensichtliche Erklärung. Warum scheint etwas vom Rotationszentrum weggedrängt zu werden? Es gibt keine Schnüre, keine Magnete, kein Wind, der aus der Mitte herausbläst. Keine Erklärung für Zentrifugalkraft, egal wie real sie sich anfühlt.

Zweitens hat die fiktive Kraft die erstaunliche Eigenschaft, dass sie auf alle Körper unabhängig von ihrer Masse die gleiche (scheinbare) Beschleunigung erzeugt. (Vergleiche: F=ma, also muss bei gegebenem F, wenn m größer ist, a kleiner sein.)

Betrachten Sie nun die Schwerkraft. Die Erde zieht Gegenstände nach unten, ohne sie zu berühren. Ohne weitere Bedingungen! Außerdem haben alle Objekte unabhängig von ihrer Masse die gleiche Erdbeschleunigung. Die Schwerkraft hat also die Kennzeichen einer fiktiven Kraft.

Betrachten Sie nun Einsteins GR. Kurz gesagt (und hier könnten mich die Physiker verprügeln, aber ich strebe nach Intuition, nicht nach mathematischer Gültigkeit): Einstein sagt, die Raumzeit sei gekrümmt. Wir nehmen die Kurve nicht wahr. Wenn wir also denken, dass wir mit konstanter Geschwindigkeit durch die Raumzeit reisen, beschleunigen wir tatsächlich. Daher sollten wir eine fiktive Kraft erkennen. Die Schwerkraft ist diese Kraft.

(Denken Sie daran, eine Kraft mag fiktiv sein, aber innerhalb des beschleunigten Bezugsrahmens ist sie sehr real.)

-Rauben

Die Schwerkraft ist überhaupt nichts Besonderes. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts schien es etwas Besonderes zu sein, aber jetzt sieht das Bild anders aus.

Felder sind mehr als nur Kräfte. Felder können ihre intrinsische Dynamik, Solitonen, topologische Merkmale, nicht triviales Vakuum haben.

Was den Kraftaspekt betrifft, macht das elektromagnetische Feld eine 4-Kraft$qF^{\mu\nu}u_{\nu}$, und Gravitationsfeld macht eine 4-Kraft$-m\Gamma^{\mu}_{\nu\lambda}u^{\nu}u^{\lambda}$. Das sieht im Wesentlichen ähnlich aus.

Jedes bekannte Feld hat eine Langangsche Dichte. Die Schwerkraft hat auch einen.

Andererseits sind Werte des Gravitationsfeldes, d.h.$g_{\mu\nu}$,$\Gamma^{\mu}_{\nu\lambda}$und$R^{\mu}{}_{\nu\lambda\rho}$, können als geometrische Größen interpretiert werden, die die gekrümmte Raumzeit beschreiben. Das scheint ein Unterschied zu sein ... zunächst. Aber die moderne Feldtheorie verwendet den gleichen Begriff auch für andere Felder! Sie besagt, dass elektromagnetisches Potential und Feldstärke geometrische Größen sind, die den gekrümmten Raum besonderer Art beschreiben – ein Faserbündel , dessen Basis unsere gewöhnliche Raumzeit ist. Alle Eichfelder können so interpretiert werden - und alle 4 "Grundkräfte" sind tatsächlich Eichfelder.

Und diese geometrische Interpretation behindert in keiner Weise die Quantisierung des Feldes. (Es kann im Sinne eines Feynman-Pfadintegrals für ein Feld verstanden werden.) Genauso wie die Quantisierung des elektromagnetischen Feldes Photon konstruiert - ein Teilchen, das elektromagnetische Wechselwirkung trägt, konstruiert die Quantisierung des Gravitationsfeldes Graviton , das die gleiche Rolle spielt. Die überall erwähnten Probleme mit der Quantisierung treten erst später auf - bei der Berechnung von Störungen und deren Zusammenfassung als renormierte Theorie.

Sie können sich das Kraftbild und das Raumzeitkrümmungsbild als zwei Standpunkte zum selben Thema vorstellen. Sie widersprechen sich nicht und behindern sich nicht, sondern ergänzen sich und helfen, sich unterschiedliche Phänomene vorzustellen und zu analysieren.

Meine Kenntnisse der Physik erstrecken sich nicht wirklich auf diese Bereiche, und ich entschuldige mich, wenn ich falsch liege oder vom Thema abweiche oder zu weit über meinen Kopf spreche. Es ist oft komisch, wie die Mathematisierung von Dingen ein gewisses Maß an Glauben oder Vereinheitlichung erzwingen kann, obwohl ich nur dem Mathematiker vertraue.

Ich verstehe, dass die Kaluza-Klein-Theorie aus den zwanziger Jahren eine Form der Vereinigung von Gravitation und Elektromagnetismus darstellt. Durch die Erweiterung der allgemeinen Relativitätstheorie auf den 5-dimensionalen Raum erhielten sie Gleichungen, die in zwei Sätze aufgeteilt werden konnten, die jeweils den Einstein-Feldgleichungen und Maxwell entsprechen Gleichungen für das elektromagnetische Feld und einige zusätzliche ... Wikipedia

Mit anderen Worten, dieselben 5D-Raumzeitverzerrungen würden dann sowohl das Gravitationsfeld als auch das elektromagnetische Feld erzeugen. Dann gibt es keinen Grund, das eine als „Kraft“ zu sehen und es für das andere unvernünftig zu finden. Oder anders ausgedrückt, das elektromagnetische Feld kann auch das Ergebnis einer Raumverzerrung sein.

Nun, ich nehme an, es gibt viele Probleme mit der Kaluza-Klein-Theorie, die ich nicht einmal versuchen werde zu verstehen. Aber es scheint mir genug zu sein, die Vorstellung zu verwerfen, dass die Gravitation von anderer Natur sein sollte, oder es zumindest sehr plausibel macht, dass sie die gleiche Natur hat.

Dies wurde oben wahrscheinlich in eher technischen Begriffen gesagt. Aber so etwas wie die KK-Theorie, wie unzulänglich sie auch sein mag, spricht einen Laien wie mich besser an.

In der klassischen Mechanik erzeugen beschleunigte Rahmen fiktive Kräfte wie die Coriolis-Kraft. Nach dem Äquivalenzprinzip ist die Schwerkraft innerhalb eines unbeschleunigten Rahmens äquivalent zu einem beschleunigten Rahmen ohne Schwerkraft; Daraus folgt, dass die Schwerkraft nach dem Äquivalenzprinzip einer fiktiven Kraft entspricht.

In der Quantenphysik kann eine Kraft als Welle oder Teilchen (oder umgekehrt) dargestellt werden. Und in Bezug auf die Raumzeit ist die Schwerkraft eine "negative" Welle oder eine Welle, die anziehende Energie darstellt, die mit Energie und Materie interagiert. Da man sich Wellen in Quanten vorstellen kann, ist das Graviton, die Teilchendarstellung einer Gravitationswelle, eine Einheit der Anziehungskraft. Daher wird der Status der Schwerkraft als Kraft von der Quantentheorie bewahrt. (Dies wird beim Beschleunigen durch die Kraft veranschaulicht, die Sie entgegen der Richtung der Beschleunigung spüren, relativ zum Bezugsrahmen, der die Geschwindigkeit relativ zu einem äußeren Feld ändert ( Beachten Sie, dass dies von Einstein gesagt wurde (nicht von mir; ich sehe nicht, wie dies veranschaulicht, wie Raumzeit funktioniert), obwohl nicht Wort für Wort))

Um Ihre zweite Frage zu beantworten, ist die Wechselwirkung mit Unregelmäßigkeiten in der Raumzeit die Teilchen-Teilchen-Wechselwirkung. Die reine Raumzeit hat keine Energie und daher keine Quanten, die Materie beeinflussen könnten.

Als Nächstes gehen Sie zu Recht davon aus, dass Raumzeit das „Kraftfeld“ ist, mit dem Materie interagiert, um Schwerkraft zu erzeugen. (WARNUNG: PERSÖNLICHE MEINUNG VORAUS!!!!) Ich denke, das liegt daran, dass Materie in der Raumzeit als beweglicher Teil davon enthalten ist. Wenn es Teil der Raumzeit ist, würde seine "positive" Energie ein negatives Gegenstück erfordern; Daher existiert heute die Schwerkraft.

Der letzte Punkt ist, weil die Raumzeit all diese höheren Dimensionen umfasst. Das bedeutet, dass auch alle höheren Dimensionen als Länge, Breite, Höhe und Zeit von der Schwerkraft beeinflusst werden.

PS Ich habe diese Antwort so einfach wie möglich gemacht, während ich die Frage noch beantwortet habe. Bitte fragen Sie nach fehlenden Details.