Fragen Sie Ethan: Wenn sich die Masse in Raum-Zeit verbiegt, wie richtet sie sich dann wieder auf?

Die Krümmung der Raum-Zeit in der Nähe eines massiven Objekts wird durch die Kombination von Masse und Abstand zum Massenmittelpunkt bestimmt. Andere Parameter wie Geschwindigkeit, Beschleunigung und andere Energiequellen müssen berücksichtigt werden.

Materie sagt dem Raum, wie er sich biegen soll, und gekrümmter Raum sagt der Materie, wie er sich bewegen soll. Dies ist das Grundprinzip von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, die zum ersten Mal ein Phänomen wie die Schwerkraft mit Raum-Zeit und Relativitätstheorie verband. Platzieren Sie die Masse irgendwo im Universum, und der Raum um sie herum reagiert durch Krümmung. Aber wenn Sie die Masse entfernen oder bewegen, was bewirkt, dass die Raumzeit "an ihren Platz fällt" und eine unverzerrte Position einnimmt? Eine solche Frage stellt unser Leser:

Uns wird beigebracht, dass Masse die Raumzeit verformt und die Krümmung der Raumzeit um die Masse die Schwerkraft erklärt - zum Beispiel bewegt sich ein Objekt in einer Umlaufbahn um die Erde tatsächlich in einer geraden Linie, die in einer gekrümmten Raumzeit liegt. Angenommen, dies ist sinnvoll, aber wenn sich eine Masse (wie die Erde) durch die Raumzeit bewegt und sie biegt, warum bleibt die Raumzeit nicht gekrümmt? Welcher Mechanismus begradigt diese Zeitspanne, wenn sich die Masse bewegt?

Mit dieser Frage sind viele interessante Dinge verbunden, und die Antwort kann Ihnen tatsächlich helfen, die Funktionsweise der Schwerkraft zu verstehen.


Die Krümmung des Raums, die ihm von den Planeten und der Sonne in unserem Sonnensystem gegeben wird, muss bei allen Beobachtungen berücksichtigt werden, die ein Raumschiff oder ein anderes Observatorium machen kann. Die Auswirkungen der allgemeinen Relativitätstheorie, auch der kleinsten, können nicht ignoriert werden.

Hunderte von Jahren vor Einstein war Newtonian unsere beste Gravitationstheorie. Das Konzept des Universums von Newton war einfach, unkompliziert und befriedigte philosophisch nicht viele. Er erklärte, dass sich zwei beliebige Massen des Universums, unabhängig von ihrem Standort und ihrer Entfernung, mit Hilfe einer gegenseitigen Kraft, die als Schwerkraft bekannt ist, sofort anziehen. Je massiver jeder Körper ist, desto größer ist die Kraft und je weiter sie entfernt sind, desto geringer ist die Kraft (die mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt). Dies gilt für alle Objekte des Universums, und Newtons Gesetz der universellen Gravitation stimmte im Gegensatz zu allen anderen existierenden Alternativen idealerweise mit den Beobachtungen überein.


Newtons Gesetz der universellen Gravitation, ersetzt durch Einsteins Relativitätstheorie, basierte auf der augenblicklichen Wirkung von Kräften in der Ferne

Aber er führte eine Idee ein, die viele der größten Köpfe dieser Zeit nicht akzeptieren konnten: das Konzept des Fernhandelns. Wie können sich zwei Objekte an verschiedenen Enden des Universums plötzlich und sofort gegenseitig beeinflussen? Wie können sie in so großer Entfernung interagieren, dass nichts zwischen ihnen ist? Descartes konnte dieses Konzept nicht akzeptieren und formulierte stattdessen ein anderes, in dem es eine Umgebung gab, durch die sich die Schwerkraft ausbreitete. Er behauptete, der Kosmos sei mit irgendeiner Art von Materie gefüllt, und wenn sich Masse durch sie bewegt, verdrängt sie Materie und erzeugt Wirbel - dies war eine frühe Version des Äthers. Diese Theorie war die erste in einer langen Reihe von sogenannten mechanischen (oder kinetischen) Gravitationstheorien .


In der Version von Descartes 'Schwerkraft war der Raum mit Äther gefüllt, und nur seine Verschiebung konnte die Schwerkraft erklären. Diese Idee führte nicht zur Formulierung der Schwerkraft, die mit den Beobachtungen zusammenfiel.

Natürlich stellte sich Descartes 'Konzept als falsch heraus. Die Nützlichkeit der physikalischen Theorie bestimmt die Übereinstimmung mit dem Experiment und nicht unsere Veranlagung zu bestimmten ästhetischen Kriterien. Als GTR erschien, veränderte es grundlegend das Bild, das durch Newtons Gesetze gezeichnet wurde. Z.B:

• Raum und Zeit waren nicht überall absolut und gleich, sondern waren miteinander verbunden und verhielten sich für Beobachter, die sich an verschiedenen Orten mit unterschiedlicher Geschwindigkeit bewegten, unterschiedlich.
• Die Schwerkraft wirkt nicht sofort, sondern bewegt sich mit einer begrenzten Geschwindigkeit - mit Lichtgeschwindigkeit.
• Die Schwerkraft wird nicht direkt durch Masse und Position bestimmt, sondern durch die Krümmung des Raumes, die wiederum durch die gesamte Masse und Energie im Universum bestimmt wird.

Die Fernwirkung ist nicht verschwunden, aber Newtons "Kraft, die in unendlicher Entfernung durch den stillen Raum wirkt", wurde durch die Krümmung der Raumzeit ersetzt.


Die Krümmung der Raumzeit bedeutet, dass die Uhren, die sich tiefer im Gravitationsschacht befinden - und daher im stärker gekrümmten Raum - mit einer Geschwindigkeit arbeiten, die sich von den Uhren in einem weniger tiefen, weniger gekrümmten Raum unterscheidet.

Wenn die Sonne plötzlich aus dem Universum verschwinden würde, würden wir einige Zeit nichts davon wissen. Die Erde wäre nicht in einer geraden Linie weggeflogen; es würde sich weitere 8 Minuten und 20 Sekunden lang um den Ort der Sonne drehen. Die Schwerkraft wird nicht durch die Masse bestimmt, sondern durch die Krümmung des Raumes, die durch die Summe aller darin enthaltenen Materie und Energie bestimmt wird.

Wenn Sie die Sonne entfernen, wechselt der Raum von einem gekrümmten in einen flachen Zustand, aber diese Transformation erfolgt nicht sofort. Raumzeit ist ein Stoff, und der Übergang sollte in Form einer scharfen Bewegung stattfinden, die sehr große Wellen - Gravitationswellen - durch das Universum sendet, die sich wie Wellen auf der Oberfläche eines Teichs durch das Universum ausbreiten.


Jede Welle, die sich in einem Medium oder in einem Vakuum ausbreitet, hat eine Ausbreitungsgeschwindigkeit. Es gibt keine unendliche Geschwindigkeit, und theoretisch sollte die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Gravitationswellen mit der im Universum zulässigen Höchstgeschwindigkeit übereinstimmen: der Lichtgeschwindigkeit.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Wellen wird auf die gleiche Weise bestimmt wie die Geschwindigkeit von allem in der Relativitätstheorie: ihre Energie und Masse. Da Gravitationswellen keine Masse, sondern endliche Energie haben, müssen sie sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Und das bedeutet, dass die Erde nicht wirklich direkt an den Ort der Sonne im Weltraum gebunden ist - sie ist an den Ort gebunden, an dem die Sonne vor etwas mehr als 8 Minuten war.


Gravitationsstrahlung tritt jedes Mal auf, wenn sich eine Masse in einer Umlaufbahn um eine andere bewegt, daher nehmen die Umlaufbahnen für eine ziemlich lange Zeit ab. Irgendwann in der Zukunft wird die Erde spiralförmig in die Überreste der Sonne fallen, wenn zuvor kein Körper sie aus der Umlaufbahn geworfen hat. Die Erde ist an dem Ort befestigt, an dem die Sonne vor ungefähr 8 Minuten war, und nicht an dem Ort, an dem sie sich gerade befindet.

Dies ist seltsam und möglicherweise ein Problem, da wir das Sonnensystem recht gut untersucht haben. Wenn die Erde an den Ort der Sonne gebunden wäre, den sie vor 8 Minuten nach Newtons Gesetzen einnahm, würden die Umlaufbahnen der Planeten nicht mit den Beobachtungen übereinstimmen. GRT unterscheidet sich jedoch in einem anderen Aspekt. Für Berechnungen ist es notwendig, die Geschwindigkeit des Planeten zu berücksichtigen, der sich in der Umlaufbahn um die Sonne bewegt.

Zum Beispiel „reitet“ die Erde, da sie sich auch bewegt, in gewisser Weise auf diesen Wellen, die sich durch den Weltraum bewegen, und fällt nicht dort hin, wo sie zuvor angehoben worden war. Es gibt zwei neue Phänomene in GR, die es stark von Newton unterscheiden: Die Wahrnehmung der Schwerkraft des Objekts wird durch die Geschwindigkeit jedes Objekts sowie durch Änderungen im Gravitationsfeld beeinflusst.


Das Gewebe der Raum-Zeit, mit Wellen und Verformungen, die aufgrund der Anwesenheit von Massen auftreten. Das Raumgefüge ist natürlich gekrümmt, aber wenn sich die Masse durch ein sich änderndes Gravitationsfeld bewegt, passieren viele interessante Dinge.

Wenn Sie die Krümmung der Raumzeit an einem beliebigen Punkt im Raum berechnen möchten, können Sie dies mit GR tun, aber Sie müssen zuerst etwas wissen. Sie müssen den Ort, die Größe und die Verteilung aller Massen des Universums genau so kennen, wie Newton es verlangt hat. Darüber hinaus benötigen Sie Informationen zu folgenden Themen:

• wie sich diese Massen bewegen und bewegen
• wie alle anderen Energieformen, die nicht zur Masse gehören, verteilt werden,
• wie sich das Objekt, von dem aus Sie beobachten, in einem sich ändernden Gravitationsfeld bewegt,
• und wie sich die Krümmung des Raumes im Laufe der Zeit ändert.

Und nur zusammen mit diesem zusätzlichen Wissen können wir die Krümmung des Raumes an einem bestimmten Punkt in Raum und Zeit berechnen.


Die Entwicklung der Raumzeit und die Arbeit der Schwerkraft werden nicht nur von der Position und Größe der Massen bestimmt, sondern auch davon, wie sie sich relativ zueinander bewegen und in einem sich ändernden Gravitationsfeld beschleunigen.

Diese Krümmung und Begradigung haben ihre Kosten. Die sich beschleunigende Erde kann sich nicht einfach im sich ändernden Gravitationsfeld der Sonne ohne Konsequenzen bewegen. Sie existieren, obwohl klein, und können gemessen werden. Im Gegensatz zu Newtons Theorie, wonach die Erde eine geschlossene Ellipse beschreiben sollte, die sich um die Sonne bewegt, sagt GR voraus, dass diese Ellipse im Laufe der Zeit eine Präzession erfahren sollte und die Umlaufbahn langsam abnimmt. Das Zeitintervall, in dem dies geschehen wird, kann das aktuelle Alter des Universums überschreiten, aber die Umlaufbahn bleibt dennoch für eine beliebige Zeit nicht stabil.

Noch bevor wir Gravitationswellen gemessen haben, war dies die Hauptmethode zur Messung der Schwerkraftgeschwindigkeit. Nicht am Beispiel der Erde, sondern am Beispiel eines Systems mit extremen Parametern, bei dem die Änderung der Umlaufbahn leicht bemerkt werden kann: ein System aus zwei Objekten in einer engen Umlaufbahn, von denen mindestens eines ein Neutronenstern ist.


Der einfachste Weg, diesen Effekt zu erkennen, besteht darin, dass sich ein massives Objekt mit sich schnell ändernder Geschwindigkeit in einem starken und sich ändernden Gravitationsfeld bewegt. Und solche Bedingungen geben uns binäre Sternensysteme von Neutronensternen! Ein oder zwei dieser rotierenden Sterne senden Impulse aus, die jedes Mal auf der Erde sichtbar sind, wenn die Achse des Sterns durch die Sichtlinie verläuft. Die Vorhersagen von Einsteins Gravitationstheorie sind äußerst empfindlich gegenüber der Lichtgeschwindigkeit, so dass wir selbst nach Beobachtung des allerersten Pulsars, des in den 1980er Jahren entdeckten Binärsystems PSR 1913 + 16 ( das Hals-Taylor-Binärsystem ), die Gravitationsgeschwindigkeit einschränkten fiel mit der Lichtgeschwindigkeit innerhalb des Messfehlers von nur 0,2% zusammen!


Die Abnahmerate in der Umlaufbahn eines Doppelpulsars hängt stark von der Schwerkraftgeschwindigkeit und den Umlaufbahnparametern des binären Systems ab. Wir haben binäre Pulsardaten verwendet, um die Schwerkraft zu begrenzen und sie mit einer Genauigkeit von 99,8% der Lichtgeschwindigkeit gleichzusetzen

Nur am Beispiel dieser Doppelpulsare haben wir erfahren, dass die Schwerkraftgeschwindigkeit im Bereich von 2,993 × 10 ⁸ - 3,003 × 10 ⁸ m / s liegt. Dies bestätigt die GTR und schließt die Newtonsche Schwerkraft und andere Alternativen aus. Aber ein Mechanismus, der erklärt, warum sich der Raum nicht verbiegt, wenn die Masse, die sich an einem Ort befand, ihn verlässt; GR ist keine Erklärung dafür. Eine Masse, die sich mit Beschleunigung durch ein sich änderndes Gravitationsfeld bewegt, strahlt Energie aus, und diese Energie besteht aus Wellen, die als Gravitationswellen bezeichnet werden und die Raum-Zeit-Materie durchlaufen. Eine Rückkehr zu einem unverzerrten Gleichgewichtszustand erfolgt auf natürliche Weise. Es bedarf keiner weiteren Erklärung, GR ist alles. [ Als Newton nach der Natur der Schwerkraft gefragt wurde, antwortete er: Ich mache keine Hypothese / ca. perev. ]]