Warum fallen die Dinge?

Warum fallen Steine ​​von einem Berg zu Boden? Warum fällt etwas? Nun, uns wurde gesagt, dass die schwer fassbare Schwerkraft schuld ist. Da haben wir es also, Dinge fallen, weil sie vom Erdmittelpunkt 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 sollte überhaupt etwas zum Erdmittelpunkt hingezogen werden? Außer, dass sie nicht sind.

Einstein formulierte seine Allgemeine Theorie im Alter von 36 Jahren

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

Dieser bizarre Gedanke, der nur durch die wildesten Teile der Vorstellungskraft möglich ist und große Köpfe bis heute verwirrt, wurde von Einstein anschaulich visualisiert, eine Visualisierung, die wir bis heute nur schwer schaffen können.

In diesem Artikel werde ich versuchen, unser Verständnis weiter voranzutreiben, 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

Bei der Erörterung der Physik oder einer 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 dennoch revolutionär. Warum? Weil es die Konzepte von Raum und Zeit völlig umkippte.

Verzeihen Sie den Kontext, der langweilig erscheinen mag, aber seien Sie versichert, dass er entscheidend ist, um zu verstehen, was Schwerkraft ist.

Raum und Zeit, vor Einsteins Relativitätstheorie, galten als absolut. Dies bedeutet, dass zwei gleichzeitig gestartete bewegliche Uhren die gleiche Länge und Zeit messen würden. Mit anderen Worten, es würde eine vollständige Übereinstimmung darüber bestehen, welche Strecke zurückgelegt wurde und wie viel Zeit vergangen war.

Einstein hat dieses Konzept als falsch erwiesen. 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 daher nicht mehr getrennt. Es war Raumzeit, die existierte. Jegliche Änderungen in 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

Das Verständnis von geraden Linien ist der Schlüssel zur Schwerkraft. Was ist eine gerade Linie? Was zeichnet eine gerade Linie aus, 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 Kugeliges, etwas Gebogenes an, zum Beispiel einen Globus. Nehmen Sie sich eine Minute Zeit und schauen Sie sich das Bild an. Welche Linien sehen gerade aus? Die Breiten oder Längen? Auch wenn die Breitenlinien gerade erscheinen mögen, sind sie es nicht. Warum? Weil sie sich drehen und gerade Linien sich per Definition nicht drehen.

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

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

Lassen Sie uns unter Berücksichtigung der vorherigen Beobachtung versuchen, uns 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 sollte. Hast du ein Bild im Kopf? Höchstwahrscheinlich hast du es nicht getan. Holen Sie sich 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.

Cone Geodesics, Quelle: Wolfram

Sieh es jetzt? Wie sieht unsere gerade Linie jetzt aus? Wir hatten eine gerade Linie auf der Koordinatenebene, aber auf dem Kegel gibt es keine gerade Linie. Nun, die gerade Linie befindet sich 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 Geodäten vorstellen. Eine gerade Linie auf einer gekrümmten Oberfläche ist eine Geodät. Dies bedeutet, dass jede gerade Linie, wenn sie auf einer gekrümmten Oberfläche gezeichnet wird, gerade bleibt, aber nicht gerade aussieht.

Raum-Zeit-Geodäten

Nachdem wir das Konzept von Raum-Zeit und Geodäten verstanden haben, ist das Verständnis der Schwerkraft in unserer Reichweite. Wir beginnen mit der Visualisierung einiger Grafiken. Stellen Sie sich ein Diagramm von Raum gegen Zeit vor, ähnlich wie das Diagramm 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-Zeit-Diagramm

In diesem Diagramm soll die y-Koordinate Änderungen im Raum und die x-Koordinate Änderungen in der Zeit darstellen. Dieser Graph dient dann als Raum-Zeit-Diagramm für ein stationäres Objekt.

Was würde nun passieren, wenn Sie dieses Diagramm nehmen und zu einem Kegel falten würden?

Das Ergebnis wäre erwartungsgemäß unserer vorherigen Kegelbeobachtung sehr ähnlich.

Was bedeutet das?

Wenn wir die Linie auf dem Kegel betrachten, sehen wir, dass die Raum-Zeit-Ereignisse geändert wurden. Wir sehen, wie die Linie allmählich abfällt. Ein statisches Objekt in flacher Raumzeit behält seine räumliche Position über die Zeit bei, wie im ungefalteten Diagramm dargestellt. Aber wie auf dem in einen Kegel gefalteten Diagramm zu sehen ist, fällt ein statisches Objekt in gekrümmter Raumzeit im Laufe 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 anzunehmen.

Ein statisches oder sich bewegendes Objekt wird anscheinend von einem anderen Objekt angezogen, nicht weil es eine Kraft gibt, die als Schwerkraft bezeichnet wird, 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 machte ihm klar, 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 wahrscheinlich elegantesten Gleichung, die als Feldgleichung bekannt ist.

Einsteins Feldgleichung

So wurde die Allgemeine Relativitätstheorie geboren und hat jeden einzelnen Test bis heute bestanden. Einstein definierte die Schwerkraft richtig neu, was die 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, was zu dem führt, was wir als Schwerkraft und Erfahrung als Zeit betrachten.

Die Schwerkraft ist keine Kraft, sie ist Raum-Zeit.