@Z.@nocheinPoet Vorweg:
Es kann sein dass ich hier auch aus anderen Threads Zitate beziehe. Es scheint vieles an Aussagen redundant zu sein.
Das ist mir schlicht und ergreifend zu viel. Auch bin ich hier um über Physik zu reden, nicht um persönliche Fehden zu analysieren.
Ich wollte ursprünglich auch die Feldgleichungen ableiten, allerdings ist dies einfach hier nicht machbar, insbesondere da ich großen Wert auf formale Strenge lege. Darüber hinaus lassen sich Gleichungen hier nur als Bild einbinden - bei hunderten davon "ein wenig" nervig, oder eben als Kette Unicode Zeichen darstellen, was bei Tensoren aufgrund einer Indizierung oben und unten am Zeichen suboptimal ist.
Ebenso ist dies mein letzter Beitrag bezüglich der Thematik, das ist schlichtweg zu zeitraubend. Wenn ich mich mit Physik befasse, dann ist das hauptsächlich im Bereich der Quanteninformatik.
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Abschnitt 1: Metadiskussion.
@nocheinPoetSchöner Gedanke, tolle Idee, netter Lösungsansatz, bedingt aber das X und Y dasselbe Ziel verfolgen und dieses dann lautet, die physikalisch richtige Beschreibung zu finden und nicht einfach nur Recht zu behalten und/oder den anderen Diskutanten als unwissender als man selbst darzustellen um sich so selber zu erheben.
Es gibt in der Wikipedia einen Grundsatz der heißt "Assume good faith" - Gehe von guten Absichten aus. Wenn jemand eine Änderung an einen wikipedia Artikel vornimmt, die unsinnig ist, soll man dennoch davon ausgehen, dass die Änderung gut gemeint war. Bezogen auf das reale Leben ist der Grundsatz sicherlich naiv. Dennoch, sollte man diesen Satz im Hinterkopf gespeichert haben.
@Z. Ich werde mich auf dies nur kurz beziehen:
Deine Behandlung betrift den "allgemeinen Umgang" untereinander, inkl. der erfolgten Konklusionen deinerseits, welches ich so jederzeit blanko unterzeichnen würde.
Hier aber, speziell die erfolgte Auseinandersetzung das Gegenüber betreff, ist dieser "angestrebt allg. Rahmen" nicht ausreichend um die Auswüchse innerhalb der bereits erfolgten "Diskussion" zu erfassen. Und selbstverständlich, jeder macht Fehler, ich wäre bereits Milliardär wenn ich jeden einzelnen meiner Eignen versteigert hätte.
This. Albert E. hat die Feldgleichungen mehr oder minder über das try and error, fast schon brute force gefunden. Das Problem war eben, die klassische newtonsche Mechanik noch unterzukriegen. Try & error ist durchaus ein häufiges Lösungsverfahren in der Wissenschaft.
Deshalb sollten Fehler und Fehleranalyse eben alltägliche Dinge bei wissenschaftlichen Betrachtungen sein.
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Abschnitt 2: Zitate
Erst einmal zu den Aussagen von nocheinPoet
Gesamtenergie = Masse + Rotationsenergie
Wir lösen mal nach Masse auf:
Die Überlegung ist an sich korrekt, aber Attention. Man darf nicht immer, einfach mal auflösen. Es läuft nicht bei allen Arten von Gleichungen so.
@Z."Ein Körper erhält potentielle Energie grundsätzlich nur aufgrund Impulsen aus dem jeweiligen Gravitationsfeld."
Angenommen Du bist in einem nahezu gravitationsfreien Gebiet des Kosmos und schaltest einen Elektromotor ein. Dann erzeugt dieser ein elektromagnetisches Feld. Platzierst Du nun ein Testpartikel wie ein Elektron im Feld, hat es aufgrund seiner Lage innerhalb des EM Feldes potentielle Energie, auch ganz ohne Gravitation. Ein Impuls durch ein anderes Teilchen kann nun die potentielle Energie erhöhen oder verringern, das kommt ganz darauf an, wie sich die Lage des Elektrons zum EM Feld ändert. Entfernt es sich, so nimmt auch die potentielle Energie ab. Kommt es näher an die Quelle des Feldes, nimmt die potentielle Energie zu.
Angenommen Du bist in einem nahezu EM Feld freien Raum und platzierst ein Probe-Teilchen in der Nähe eines Kometen (der relativ zu Dir ruht - das ist hier allerdings unwesentlich). Bewegst Du das Probe-Teilchen näher an den Kometen, nimmt auch die potentielle Energie des Probe-Teilchens zu, bewegst Du es weiter weg,
so nimmt auch die potentielle Energie des Probe-Teilchens ab.
"Dies legt den Gedanken nahe, daß die Masse als zusammengeballte potentielle Energie aufzufassen ist, die durch den Raum fortschreitet."
Îch weiß nicht welchen Kontext die Aussage Weyls entstammt, allerdings hat ein Probe-Teilchen potentielle Energie genau dann wenn es in einem Kraftfeld ist.
Masse resultiert aus dem Higgs Feld, welches kein klassisches Kraftfeld darstellt.
Gravitationspotential wird in der ART eben durch den metrischen Tensor beschrieben.
das die Ergosphäre potentielle Drehimpuls-Energie trägt (wohl gemerkt Keer-Loch = rotierende Vakuum-RZ, nur Gravitationsfeldstärken sonst nix), die einen Impuls auf Probekörper induziert.
Warum ?
Man muss mathematisch zeigen, dass ein Impuls auf ein Probekörper induziert wird. In der ART ist nichts trivial und man darf da nicht bildlich denken. Du musst also den Lagrangian für ein Probeteilchen aufstellen, dann kann man über Impulse reden, andernfalls ist das nur geraten.
Sprich die potentielle Energie der Keer Vakuum Lösung der RZ, ist abhängig Paramater a (Rotatiosngeschwindigkeit) aus der J = die Stärke jewl. Impulses im Feld resultiert.
Die Kerr Vakuum Lösung ist eine Metrik. Die hat selbst keine potentielle Energie.
Und wieder, für Teilchen innerhalb der Ergosphäre muss der Lagrangian aufgestellt werden.
Wenn Wissenschaftler in Populärwissenschaftlichen Büchern irgendwas darüber erzählen, wie ein SL funktioniert, dann haben sie davor auch quantitativ berechnet, dass es so funktioniert.
Wichtig: Im Kerr Falle ist die rotierende Ergosphäre Teil der Gesamt-Energie des Loches. M (von mir intrinsiche Energie" genannt , dazu noch später) nur Anteil der Gesamt-Energie, welche ohne Angabe J (Impuls-Energie, rotierende RZ=G-Feldstärke) unvollständig ist.
Soweit so gut. Dennoch muss ich in Selbstkritik feststellen nicht darauf hingewiesen zu haben, dass man differenzieren muss.
Es muss genau betrachtet werden, was alles noch zum SL gerechnet wird. Wird nur das eigentliche rotierende und ungeladene Loch als System betrachtet gilt für die Energie eben: E_gesammt = E_Rotation + E_Masse. Betrachtet man ebenso noch das Gravitationsfeld und das magnetische Feld als Teil des SL, müssen dessen Energie noch aufaddiert werden.
Der Killingvektor hat etwas mit der "Energie" Darstellung des G-Feldes zu tun.
Killing Vektoren sind Lösungen der Gleichung
∇_µe_v + ∇_ve_µ .
Deshalb
Leider erst später zu erweitertem Themenbereich, welcher mich wirklich sehr interessiert!
Vektorfelder, Skalarfelder, konservative Felder - all dies sind sehr relevante Dinge in der formalen Beschreibung der Allgemeinen Relativitätstheorie. Deshalb führte ich dies näher aus.
Angenommen ein Testobjekt bewegt sich entlang einer Geodäte, dann lassen sich mit Killing Vektorfeldern physikalische Größen wie Energie für das Testobjekt überhaupt erst definieren.
Lässt sich kein zeitartiges Killing Vektorfeld formulieren, gilt auch keine globale Energieerhaltung. Allerdings sind die technischen Details recht komplex und ein Killing Vektorfeld ist nichts anschauliches und entbehrt jeglicher Beschreibung in Bildern oder natürlichen Sprachen.
Ich kann hier nicht auf alle Aussagen eingehen, dafür ist es schlichtweg zu viel.
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Abschnitt 3: Die Feldgleichungen
Aber okay, ich habe ja versprochen, ein wenig auf die generelle Methode einzugehen, wie man Probleme
in der Allgemeinen RT löst.
Folgende Abschnitte enthalten mathematische Konstrukte die wir benötigen, um die Realität zu formalisieren. Dabei muss beachtet werden, dass vieles von dem Folgenden einfach als gegeben angenommen
wird. In der Mathematik müsste man ganz exakt alles, jeden verwendeten Ausdruck auf Basis von bereits
bewiesenen Theoremen beweisen.
Wenn man extrem streng ist, muss man für mathematische Theorien Axiome in einer formalen Sprache aufstellen und jedes Theorem in Rahmen eines Kalküls (z.B. dem Hilbertkalkül in der Aussagenlogik) zur Ableitung weiterer Theoreme beweisen. So arbeiten zum Beispiel Theorembeweiser in der Informatik.
So eine Arbeitsweise wäre allerdings wie das Schreiben von Software in Maschinensprache,
Ergo wird vieles einfach als gegeben angenommen, man kann sich ja im Internet nach Beweisen umsehen.
Die Sprache der Physik ist die Mathematik und Bilder/ Analogien nicht mathematischer Natur sind irreführend wenn über Theorien geredet wird, die nicht Gegenstand newtonscher Physik sind. Die ist nämlich das, was wir im Alltag auch
erleben, wie auch der bekannte Physiker Susskind nicht müde wird zu betonen.
(07:30)
Lecture 1 | The Theoretical Minimum
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"You are not going to understand quantum mechanics by visualize it as some funny form of classical mechanics - It wont work.
You always get it wrong"
Das muss man sich wirklich verinnerlichen.
Ohne Mathematik sind Diskussionen über ART oder QFT/ ... nur Raterei, Zeitverschwendung und man ist ganz weit weg von der Substanz der Theorie. R_µv - 1/2 g_µv R + g_µv Λ = 8πG/c^4 T_µv
g_µv ist der metrische Tensor
T_µv ist der Energie Impuls Tensor
Λ ist die kosmologische Konstante
8πG/c^4 eine Konstante
R_µv ist der Ricci Tensor
Die µv an den Tensoren stehen, vereinfacht gesagt, für Tupel (R, Z) = ((x,y,z), t) - für die Koordinaten der Raumzeit. Die Gleichungen drücken ganz generell Koordinatenbeziehungen unter einen Satz von vorherschenden physikalischen Bedingungen aus, sind allerdings, wie axiomatisch gefordert unabhängig von der Wahl des KS. Das ist der Kern der ART.
Fangen wir mal mit den Tensoren an, dann hat man das Komplexeste schon hinter sich. Nehmen wir uns mal g_µv - den metrischen Tensor vor.
Es müsste erst einmal über Kurven und gekrümmte Flächen ganz unabhängig von der ART geredet werden. Ansonsten rät man nämlich nur. Mal ein paar motivierende Beispiele.
Angenommen wir haben eine Torus gegeben auf den es zwei nicht identische Punkt A und A' gibt.
Was ist die kürzeste Strecke zwischen A und A' ?
- Welche mathematischen Eigenschaften muss ein Torus haben damit man überhaupt vom Begriff der Strecke reden kann ?
- Was ist eine Strecke überhaupt exakt ?
Angenommen wir haben eine gekrümmte Fläche gegeben.
- Was versteht man unter Krümmung einer Fläche ?
- Wie groß ist der Flächeninhalt einer gekrümmten Fläche ?
usw.
Wie berechnen wir den Abstand von 2 Punkten A und A' in einem zweidimensionalen
euklidischen Raum ?
Sagen wir nun, dass A gegeben ist durch (a_1, a_2) und A' durch (b_1, b_2)
also ist der Abstand d = (a_1 - b_1)² + (a_1 - b_2)² nach Pythagoras
Stellen wir uns mal die Oberfläche einer 3D Kugel vor.
Für den Abstand zweier Punkte A und A' gilt dann nicht mehr der Pythagoras,
für einen infitesimal kleinen Abstand der Strecke AA'
gilt dann ds² = dθ² + sin²(θ) dδ²
sin²(θ) ist hier ein Korrekturfaktor. Ich werde später darauf zurück kommen.
Wie sieht es allgemein in gekrümmten Räumen aus ? Dazu müssen wir ein wenig über Tensoren reden.
Wofür braucht man diese überhaupt ?
Es gibt eine abstrakte Sichtweise auf Tensoren aus der Algebra, bei der Tensoren A, B schlichtweg als
Elemente eines Tensorproduktes A x B definiert wird, wobei man für dass Tensorprodukt A x B eine universelle Eigenschaft, (eine Methode sich ein Objekt mit bestimmten mathematischen Eigenschaften zu konstruieren) festlegt.
Wikipedia: Tensorprodukt#Universaldefinition Ein Mathematik Professor von mir pflegte immer zu sagen, dass Abstraktion vereinfacht. Man blendet unwichtige Details aus und kümmert
sich nur um die wesentlichen Eigenschaften des Betrachtungssystems.
Dennoch, da wir hier einen Bezug zur Physik haben, denke ich dass etwas weniger Abstraktion in dem
Fall vielleicht die Dinge eher vereinfacht, als mehr.
Tensoren verwendet man nun für eine koordinatenunabhängige Beschreibung von physikalischen Ereignissen.
Allgemeiner verwendet man sie in der Geometrie, um Aussagen über geometrische Eigenschaften von geometrischen Objekten (z.B. Linien) zu machen, unabhängig von der Wahl eines Koordinatensystems.
Im folgenden kürze ich Koordinatensystem(en) mit KS und Bezugssystem(en) mit BS ab.
Remember: Die physikalischen Gesetze müssen in allen BS die gleiche Form annehmen.
Wählt jemand also ein BS 1 (entspricht KS 1) und BS 2 (entspricht KS 2) müssen alle mechanischen
Gesetze unabhängig vom Koordinatensystem formulierbar sein.
Wir müssen also einen allgemeinen Mechanismus haben,
∂f/∂x^1 = k( ∂f/∂y^1 )
Wobei k eine Funktion ist, die eine Koordinate x^i des KS X in der Koordinate y^i des KS Y ausdrückt.
Zum anderem fordern wir in unseren Falle auch noch dass unsere Funktion k den Pythagoras korrigieren kann, wenn wir nicht im euklidischen Raum arbeiten.
Die Verbindung zweier verschiedener Punkte auf einer Kugeloberfläche war oben unser Beispiel einer Strecke, die nicht nach dem Pythagoras berechnet werden kann.
Um dies letzten Endes zu bewerkstelligen, führt man den metrischen Tensor ein.
Zum einen erlaubt er eine koordinatenunabhängige Beschreibung geometrischer Objekte, zum anderen lässt
sich damit die Streckenberechnung auf gekrümmten Flächen korrigieren.
Selbiges gilt für die anderen Tensoren - in den Feldgleichungen. Sie erlauben eine koordinatenunabhängige Beschreibung physikalischer Phänomene. Das ist der Grund, wieso man die Gleichungen tensoriell formuliert.
Nach dem Fundamentaltheorem der riemannschen Geometrie bestimmt die Metrik die Geodäten. Flache Raumzeit wird im metrischen Tensor repräsentiert mit:
span((-1, 0, 0, 0), (0, 1, 0, 1), (0, 0, 1, 0), (0, 0, 0, 1)). Das nennt man dann die Minkowski Metrik. Die Allgemeine Relativitätstheorie geht dann in die Spezielle Relativitätstheorie über.
Das korrespondierende Linienelement zur Abstandsmessung lautet dann: ds² = -c² dt² + dx² + dy² + dz²
Ganz allgemein ist ein Raum X flach, wenn eine Koordinatentransformation existiert, die das Linienelement ds des Raumes X in das Linienelement ds' des euklidischen Raumes überführt.
Während in der ART der EIT Quelle des Gravitationsfeldes ist, kann die Energie des Gravitationsfeldes nicht tensoriell beschrieben werden, ebenso wie eine Definition des Energie Begriffes und Masse Begriffes nicht trivial ist, man hat dazu Pseudo - Tensoren eingeführt,
Wikipedia: Stress–energy–momentum_pseudotensor
Jetzt werde ich vielleicht noch ein wenig zu Schwarzen Löchern erzählen.
Überlegungen dazu gab es schon vor der Relativitätstheorie in Rahmen der newtonschen Physik.
Fragen wir uns mal, wie hoch die Fluchtgeschwindigkeit auf der Erde ist.
Um der Anziehung des Gravitationsfeldes der Erde zu entkommen muss mindestens so viel Arbeit aufwenden,
wie groß die Höhe der gravitativen Bindung zwischen der Erde und dem Fluchtobjekt ist.
Die Gravitationskraft F nach Newton ist:
F = G* m*M / r²
G ist Gravitationskonstante.
m die Masse des einen Körpers.
M die Masse eines anderen Körpers.
r ist der Abstand der Massen.
Nach Newton müssten m, M Punktmassen sein, da sonst auch r nicht definiert ist. Allerdings kann man
annäherungsweise die Erde als Punktmasse auffassen, ebenso unser Probeteilchen.
Die Arbeit die dabei im G Feld verrichtet wird ist definitionsgemäß
dass Integral über F entlang des Weges (wobei der Pfad egal ist, wir befinden uns in einem konservativen Kraftfeld), es ergibt sich
U = G*m*M / r
Die kinetische Energie eines Objektes mit sich mit weit Unterlichtgeschwindigkeit bewegt lautet:
T = 1/2*m*v²
Mit obiger Begründung setzen wir nun U = G
1/2*m*v² = G*m*M / r
nach der Geschwindigkeit v auflösen gibt:
v = (2*G*M /r)^(1/2)
Die selbe Formel ergibt sich auch, wenn man mit der ART rechnet.
Auf der Erdoberfläche ergibt sich somit eine Fluchtgeschwindigkeit von ca. 11 Km/s
Jetzt kann man umgekehrt fragen, auf welche Größe müsste die Erde den komprimiert sein, damit
die Fluchtgeschwindigkeit 300000 Km/s also ~c beträgt ?
Lösen wir also
v = (2*G*M /r)^(1/2)
nach dem Radius r auf erhalten wir:
r = 2*G*M/c²
Das nennt man den Schwarzschild Radius. Er gibt den Punkt an, an dem die Fluchtgeschwindigkeit gleich der Lichtgeschwindigkeit ist. Auf das kommt man auch schon mit Newton. Für die Erde beträgt dieser Wert 8mm.
In den Feldgleichungen R_µv - 1/2 g_µv R + g_µv Λ = 8πG/c^4 T_µv
stecken 16 Partielle DGL's. Alleine schon die Existenz einer Lösung bei einem System von nichtlinearen Differentialgleichungen zu bestimmen ist eine Wissenschaft an sich.
Was bei Lösungen von Differentialgleichungen raus kommt sind Funktionen die man plotten kann. Schwarze Löcher sind mathematisch auch nur Funktionen - allgemein betrachtet eben. Spezieller betrachtet sind es Metriken die eben auch geplottet werden können.
Auf keinen Fall allerdings kommt vernünftiges dabei raus, dass alles bildlich zu durchdenken. Es ist kein System, dass den Gesetzen unserer Alltagserfahrung folgt.
Soweit so gut.