Warum fallen die Dinge?

Warum fallen Steine ​​von einem Berg auf den Boden? Warum fällt etwas? Nun, es wurde uns gesagt, dass die schwer fassbare Schwerkraft die Schuld trägt. Da wir es also haben, fallen die Dinge, weil sie vom Mittelpunkt der Erde angezogen werden.

Nicht wirklich. Siehst du was ich dort gemacht habe? Die scheinbare Lösung war nichts anderes als eine bloße Umsetzung des vorherigen Problems. Warum wird überhaupt etwas zum Erdmittelpunkt hingezogen? Außer sie sind nicht.

Einstein formulierte seine allgemeine Theorie im Alter von 36 Jahren

Willkommen zu Einsteins Prinzip der Allgemeinen Relativitätstheorie. Dinge fallen nicht, weil sie sich von etwas angezogen fühlen, sondern weil sie es nicht sind.

Dieser bizarre Gedanke, der nur durch die wildesten Bereiche der Vorstellungskraft möglich ist und bis heute große Köpfe verwirrt, wurde von Einstein anschaulich visualisiert, eine Visualisierung, für die wir uns auch heute noch schwer tun.

In diesem Artikel werde ich versuchen, unser Verständnis weiter zu verbessern, vielleicht in Richtung dessen, wovon Einstein geträumt hatte. Wie er einmal sagte: „Jeder Dummkopf kann es wissen. Es geht darum zu verstehen “.

Raum und Zeit

Für die Erörterung der Physik oder irgendeiner Wissenschaft ist eine klare und funktionierende Konzeption der beiden grundlegendsten Bestandteile des Universums erforderlich. Einsteins Theorie der Speziellen Relativitätstheorie, die ungefähr 10 Jahre vor der Allgemeinen Relativitätstheorie veröffentlicht wurde, war äußerst einfach und doch revolutionär. Warum? Weil es die Konzepte von Raum und Zeit völlig umgeworfen hat.

Verzeihen Sie den Kontext, der langweilig erscheinen mag, aber seien Sie versichert, dass er entscheidend ist, um ein Verständnis für die Schwerkraft zu erlangen.

Raum und Zeit vor Einsteins Relativitätstheorie galten als absolut. Dies impliziert, dass zwei sich bewegende Uhren, die zur gleichen Zeit gestartet wurden, die gleiche Länge und Zeit messen würden. Mit anderen Worten, es würde völlige Übereinstimmung darüber geben, welche Entfernung zurückgelegt wurde und wie viel Zeit vergangen war.

Einstein bewies, dass dieses Konzept falsch ist. Raum und Zeit sind nicht absolut, sie sind relativ. Er nahm Minkowskis Theorie der 4-dimensionalen Raumzeit in seine Theorie der speziellen Relativitätstheorie auf. Raum und Zeit waren also nicht mehr getrennt. Es war Raumzeit, die existierte. Jegliche Änderungen der Bewegung eines Objekts im Raum beeinträchtigten direkt seine Zeiterfahrung.

Ich werde hier nicht weiter auf die Spezielle Relativitätstheorie eingehen. Es verdient einen eigenen Artikel. Aber das Mitnehmen von hier ist entscheidend für das Erfassen der Schwerkraft. Um es noch einmal zusammenzufassen: Raum und Zeit existieren als ein Raum-Zeit-Kontinuum und es ist nicht absolut, es ist relativ zum Beobachter und der beobachteten Bewegung.

Linien, gebogen und gerade

Gerade Linien zu verstehen ist der Schlüssel zur Schwerkraft. Was ist eine gerade Linie? Was ist die Besonderheit einer geraden Linie, die sie von nicht geraden Linien trennt? Die Frage mag zunächst albern und offensichtlich erscheinen, aber ich möchte Sie warnen, das ist es nicht.

Stellen Sie sich zwei gerade, parallele Linien vor, die sich nie treffen. Stellen Sie sich nun eine gekrümmte Linie vor. Wir wissen sicherlich, dass die gerade Linie völlig anders ist als die gekrümmte, aber nicht immer.

Eine kugelförmige Kugel

Schauen Sie sich etwas Kugelförmiges, etwas Gebogenes an, zum Beispiel eine Kugel. Nehmen Sie sich eine Minute Zeit und schauen Sie sich das Bild an. Welche Linien sehen gerade aus? Die Breiten oder Längen? Obwohl die Breitenlinien gerade erscheinen mögen, sind sie es nicht. Warum? Denn sie drehen sich, und gerade Linien drehen sich nach ihrer Definition nicht.

Gerade Linien auf einer Ebene sind also auf einer Kugel oder gekrümmten Oberfläche nicht genau gleich.

Es ist wichtig, diese gedankliche Unterscheidung von geraden Linien auf Oberflächen unterschiedlicher Geometrie zu schaffen.

Versuchen wir uns unter Berücksichtigung der vorherigen Beobachtung eine gerade Linie auf einer gekrümmten Oberfläche vorzustellen. Verwenden wir der Einfachheit halber einen Kegel als gekrümmte Oberfläche. Denken Sie daran, dass sich die Linie niemals drehen darf. Hast du ein Bild in deinem Kopf? Höchstwahrscheinlich hast du nicht. Nehmen Sie lieber ein Stück Papier mit einer geraden Linie und falten Sie das Papier zu einem Kegel. Es sollte ungefähr so ​​aussehen wie auf dem Bild unten.

Kegelgeodäten, Quelle: Wolfram

Sieh es jetzt? Wie sieht unsere gerade Linie jetzt aus? Wir hatten eine gerade Linie in der Koordinatenebene, aber auf dem Kegel gibt es keine gerade Linie. Nun, die gerade Linie ist offensichtlich auf dem Kegel, da wir nur das Papier gefaltet haben, aber sobald es zu einem Kegel gefaltet ist, ähnelt es nicht mehr einer geraden Linie.

Lassen Sie mich Ihnen die Geodäsie vorstellen. Eine gerade Linie auf einer gekrümmten Oberfläche ist eine Geodätik. Dies bedeutet, dass eine gerade Linie, wenn sie auf einer gekrümmten Oberfläche gezeichnet wird, gerade bleibt, aber nicht gerade aussieht.

Raum-Zeit-Geodäten

Jetzt, da wir das Konzept von Raum-Zeit und Geodäsie verstehen, ist das Verständnis der Schwerkraft in unserer Reichweite. Wir beginnen mit der Visualisierung einiger Grafiken. Stellen Sie sich eine Grafik aus Raum und Zeit vor, ähnlich der Grafik auf dem Bild oben. Überlegen Sie nun, was die gerade Linie im Raum-Zeit-Diagramm darstellt. Es repräsentiert die Bewegung eines Objekts über die Zeit. Die Linie repräsentiert die Summe aller Einzelereignisse in Raum und Zeit.

Raum-gegen-Zeit-Diagramm

Lassen Sie in diesem Diagramm die y-Koordinate Änderungen durch den Raum darstellen und die x-Koordinate Änderungen in der Zeit. Dieser Graph dient dann als Raum-Zeit-Diagramm für ein stationäres Objekt.

Was würde nun passieren, wenn Sie diese Grafik nehmen und zu einem Kegel falten würden?

Das Ergebnis wäre, wie erwartet, unserer vorherigen Kegelbeobachtung sehr ähnlich.

Also, was bedeutet das?

Wenn wir uns die Linie auf dem Kegel ansehen, sehen wir, dass sich die Raum-Zeit-Ereignisse geändert haben. Wir sehen, wie die Linie allmählich abfällt. Ein statisches Objekt in flacher Raumzeit behält seine räumliche Position über die Zeit bei, wie im entfalteten Graphen dargestellt. Aber wie auf dem zu einem Kegel gefalteten Diagramm zu sehen ist, fällt ein statisches Objekt in gekrümmter Raum-Zeit mit der Zeit durch den Raum. Sehen Sie den Punkt? Das Objekt und das Szenario sind in beiden Fällen ein und dasselbe, alles, was sich geändert hat, ist die Geometrie der Raumzeit, ihre Form, ihre Krümmung. Die letztere Beobachtung ist ein Symptom dessen, was wir Schwerkraft nennen.

Daher besteht die Möglichkeit, dass die Schwerkraft keine mysteriöse Kraft ist, sondern nur ein gekrümmtes Raum-Zeit-Kontinuum. Dies würde erklären, wie und warum Dinge fallen, ohne die Existenz einer Kraft, eines Stoßes oder eines Zuges vorauszusetzen.

Ein Objekt, statisch oder sich bewegend, scheint von einem anderen Objekt angezogen zu sein, nicht weil es eine Kraft namens Schwerkraft gibt, sondern weil diese Objekte einfach ihrer Raum-Zeit-Geodät folgen. Gerade Linien in gekrümmter Raumzeit.

Fazit

Alles, was ich bisher in dem Artikel besprochen habe, war nur ein Gedankenexperiment für Einstein. Dies ließ ihn erkennen, dass der Apfel auf Newton fiel, nicht weil er von der Erde gezogen wurde, sondern weil er immer seiner Raum-Zeit-Geodät folgte.

Dies wirft jedoch eine andere Frage auf. Wie und warum ist der Raum gekrümmt? Einstein kam auf die Theorie, dass Masse Raum-Zeit verbiegt. Beschrieben in der wohl elegantesten Gleichung, der sogenannten Feldgleichung.

Einsteins Feldgleichung

So wurde die Allgemeine Relativitätstheorie geboren, die bis heute jeden einzelnen Test bestanden hat. Einstein definierte die Schwerkraft korrekt neu, was Wissenschaftler in der gesamten Menschheitsgeschichte verwirrt hatte.

Erkenne, dass in der flachen Raumzeit die Dinge nicht fallen würden, es würde keine Zeit geben. Aber aufgrund der Sonne und der Erde und allem anderen im Universum ist die Raumzeit gekrümmt und führt zu dem, was wir als Schwerkraft und Erfahrung als Zeit sehen.

Die Schwerkraft ist keine Kraft, sie ist Raumzeit.