Ein Diagramm einer starken Raum-Zeit-Krümmung nahe dem Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs. Je näher Sie einem massiven Körper kommen, desto mehr Raum ist gekrümmt. Infolgedessen befinden Sie sich an einem Ort, an dem selbst Licht nicht entweichen kann: innerhalb des Ereignishorizonts.
Die meisten Menschen, die an das Universum denken, stellen sich materielle Objekte vor, die sich in großen kosmischen Abständen voneinander befinden. Unter dem Einfluss der eigenen Schwerkraft kollabiert die Materie und bildet kosmische Strukturen wie Galaxien. Gaswolken, die zusammenbrechen, lassen Sterne und Planeten entstehen. Sterne emittieren Licht, indem sie bei Kernfusionsreaktionen Brennstoff verbrennen. Dieses Licht wandert durch das gesamte Universum und beleuchtet alles, was auf ihn trifft. Im Universum geht es jedoch nicht nur um Objekte in ihm. Es gibt auch das Gefüge der Raum-Zeit, das nach seinen eigenen Regeln spielt - nach den Regeln der Allgemeinen Relativitätstheorie (GR). Das Gewebe der Raumzeit ist in Gegenwart von Materie und Energie gekrümmt, während die Krümmung des Gewebes der Raumzeit bestimmt, wie sich Materie und Energie bewegen. Aber was speziell Raum-Zeit ist, ist etwas "Reales",oder nur ein Rechenwerkzeug? Der Leser fragt uns danach:
Was genau ist Raumzeit? Ist es eine reale Sache wie Atome oder ist es ein mathematisches Konstrukt, das verwendet wird, um zu beschreiben, wie Masse Schwerkraft "erzeugt"?
Gute Frage, und das Thema ist schwer genug zu überlegen. Darüber hinaus war unser Verständnis des Universums vor Einsteins Erscheinen sehr verschieden von dem gegenwärtigen. Kehren wir zurück in die ferne Vergangenheit des Universums, als wir noch nicht das Konzept der Raumzeit hatten, und wir werden bis heute weitermachen.
Auf allen Skalen, von makroskopisch bis subatomar, spielen die Größen der Grundpartikel bei der Bestimmung der endgültigen Größen von Verbundstrukturen nur eine geringe Rolle. Ob diese Bausteine der Materie wirklich grundlegende Punktteilchen sind, ist noch unbekannt. Wir verstehen jedoch die Struktur des Universums von gigantischen kosmischen Skalen bis zu winzigen subatomaren. Zum Beispiel enthält der menschliche Körper ungefähr 1028 Atome.
Grundsätzlich haben wir lange vermutet, dass Sie, wenn Sie ein Objekt im Universum nehmen und es in immer kleinere Bestandteile aufteilen, irgendwann etwas Unteilbares erreichen können. Das Wort "Atom" bedeutet wörtlich "unteilbar" aus dem Griechischen ἄτομος. Die erste Erwähnung dieser Idee erfolgt vor 2400 Jahren in Demokrit... Es ist jedoch wahrscheinlich, dass die Idee früher erfunden worden sein könnte. Solche unteilbaren Einheiten existieren tatsächlich - sie werden als Quantenteilchen bezeichnet. Trotz der Tatsache, dass wir die Elemente der Periodensystematome genannt haben, sind subatomare Teilchen - Quarks, Gluonen und Elektronen (sowie jene Teilchen, die überhaupt nicht in Atomen vorkommen) wirklich unteilbar.
Alle diese Quanten verbinden sich und bilden alle uns heute bekannten Bestandteile des Universums - von Protonen und Atomen bis hin zu Molekülen und Menschen. Und all diese Quanten existieren unabhängig von ihrer Art - Materie oder Antimaterie, ob sie Masse haben oder nicht, grundlegend oder zusammengesetzt, subatomar oder kosmisch - im Rahmen desselben Universums wie wir.
Wenn Sie alle Regeln kennen, die die Bewegung eines Objekts in Raum-Zeit regeln, sowie die Anfangsbedingungen und alle Kräfte, die zwischen dem Objekt und dem Rest des Systems wirken, können Sie vorhersagen, wie es sich durch Raum und Zeit bewegen wird. Die Position eines Objekts kann jedoch nicht genau angegeben werden, ohne den räumlichen Koordinaten eine zeitliche hinzuzufügen.
Und das ist wichtig, denn wenn Sie möchten, dass alle Dinge im Universum etwas miteinander tun - interagieren, verbinden, Strukturen bilden, Energie übertragen - müssen Sie einen Weg finden, dies zu tun. Stellen Sie sich ein Stück vor, in dem alle Charaktere geschrieben sind, die Schauspieler bereit sind, sie zu spielen, die Kostüme vorbereitet werden, alle Zeilen geschrieben und gelernt werden. Das einzige, was fehlt, ist eine sehr wichtige Sache - die Szene.
Welche Rolle spielt die Szene in der Physik?
Bevor Einstein erschien, wurde die Bühne von Newton eingerichtet. Alle "Akteure" des Universums könnten durch einen Satz von Koordinaten beschrieben werden - einen Ort im dreidimensionalen Raum und einen Moment in der Zeit. Es war wie ein kartesisches Gitter - eine dreidimensionale Struktur mit den x-, y- und z-Achsen, in der jedes Objekt einen Impuls haben kann, der beschreibt, wie es sich als Funktion der Zeit durch den Raum bewegt. Die Zeit selbst wurde als linear angesehen und lief mit konstanter Geschwindigkeit. Nach Newtons Ansicht waren Raum und Zeit absolut.
Wir denken oft an den Raum als dreidimensionales Gitter, obwohl dies eine übermäßige Vereinfachung ist, die vom Bezugsrahmen abhängt. Tatsächlich ist die Raumzeit in Gegenwart von Materie und Energie gekrümmt, und die Entfernungen darin sind nicht festgelegt, sondern ändern sich mit der Expansion oder Kontraktion des Universums.
Die Entdeckung der Radioaktivität am Ende des 19. Jahrhunderts warf jedoch einen Schatten des Zweifels auf Newtons Weltbild. Als wir erfuhren, dass Atome subatomare Teilchen emittieren können, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, haben wir etwas Erstaunliches erkannt: Wenn sich ein Teilchen mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegt, nimmt es Raum und Zeit auf eine völlig andere Weise wahr als ein Objekt, das sich langsam oder langsam bewegt sich ausruhen.
Instabile Teilchen, die in Ruhe sehr schnell zerfallen, lebten umso länger, je näher ihre Geschwindigkeit an der Lichtgeschwindigkeit lag. Diese Partikel haben aufgrund ihrer Geschwindigkeit und Lebensdauer längere Strecken zurückgelegt, als sie sollten. Und beim Versuch, die Energie oder den Impuls eines sich bewegenden Teilchens zu berechnen, erhielten verschiedene Beobachter (die sich relativ dazu relativ schnell bewegen) nicht übereinstimmende Werte.
Es stellt sich heraus, dass etwas mit Newtons Konzept der Raumzeit nicht stimmte. Bei Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit verlängert sich die Zeit, die Entfernungen ziehen sich zusammen und Energie und Impuls hängen vom Bezugsrahmen ab. Das heißt, Ihre Wahrnehmung des Universums hängt davon ab, wie Sie sich bewegen.
Eine leichte Uhr, bei der ein Proton von zwei Spiegeln reflektiert wird, kann die Zeit für jeden Beobachter zählen. Und obwohl sich die beiden Beobachter nicht darüber einig sind, wie viel Zeit zwischen den beiden Momenten vergangen ist, können sie sich auf die Gesetze der Physik und die Konstanten des Universums einigen, insbesondere auf die Lichtgeschwindigkeit. Für einen stationären Beobachter läuft die Zeit wie gewohnt weiter, und für eine sich schnell bewegende Person läuft die Uhr langsamer als für einen stationären.
Einstein ist verantwortlich für einen bemerkenswerten Durchbruch im Konzept der Realität, in dem beschrieben wurde, welche Größen sich nicht ändern, wenn sich der Betrachter bewegt, und welche vom Bezugsrahmen abhängen. Zum Beispiel ist die Lichtgeschwindigkeit für alle Beobachter gleich, ebenso wie die Ruhemasse einer beliebigen Menge an Materie. Der Abstand zwischen zwei Punkten hängt jedoch stark von Ihrer Bewegung entlang der Verbindungslinie ab. Die Geschwindigkeit, mit der Ihre Uhr läuft, hängt auch von Ihrer Bewegung ab.
Raum und Zeit erwiesen sich als nicht absolut, wie Newton dachte, und wurden von verschiedenen Beobachtern auf unterschiedliche Weise wahrgenommen. Sie erwiesen sich als relativ, weshalb die Theorie als "Relativitätstheorie" bezeichnet wird. Darüber hinaus besteht ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Wahrnehmung von Raum und Zeit durch einen bestimmten Beobachter. Einige Jahre nach Einsteins Veröffentlichung der speziellen Relativitätstheorie (STR) wurde sie von seinem ehemaligen Professor Hermann Minkowski abgeleitet. Er folgerte eine einzige mathematische Struktur, die Raum und Zeit umfasst: Raum-Zeit. Wie er selbst schrieb:
Von nun an werden Zeit selbst und Raum an sich zu einer leeren Fiktion, und nur ihre Einheit behält eine Chance für die Realität.
Diese Raumzeit ist heute noch weit verbreitet, wenn die Schwerkraft vernachlässigt werden kann: Minkowski Raum .
Ein Lichtkegel, eine dreidimensionale Oberfläche, die aus allen möglichen Lichtstrahlen besteht, die von einem Punkt in der Raumzeit kommen und gehen. Je mehr Sie im Raum passieren, desto weniger Zeit verbringen Sie in der Zeit und umgekehrt. Heute kann man nur noch von dem beeinflusst werden, was sich im Lichtkegel der Vergangenheit befand. In Zukunft werden Sie nur die Dinge wahrnehmen können, die in Ihrem zukünftigen Lichtkegel enthalten sind. Dies ist eine Illustration eines flachen Minkowski-Raums, nicht eines gekrümmten allgemeinen Relativitätsraums.
Aber es gibt Schwerkraft im realen Universum. Diese Kraft wirkt nicht sofort über die weiten Weiten des Weltraums. Es breitet sich mit der gleichen Geschwindigkeit aus wie alle masselosen Quanten: mit Lichtgeschwindigkeit. Alle in der SRT formulierten Regeln bleiben anwendbar, aber um die Schwerkraft in das Bild einzubeziehen, war etwas mehr erforderlich: die Idee des Vorhandenseins einer Raumzeit mit eigener Krümmung, abhängig von der Anwesenheit von Materie und Energie darin.
In gewisser Weise ist es einfach: Wenn Sie Schauspieler auf die Bühne stellen, muss die Bühne in der Lage sein, ihr Gewicht zu tragen. Wenn die Schauspieler massiv sind und die Szene nicht perfekt rau ist, wird sie sich in ihrer Gegenwart verformen.
Das gleiche Phänomen wirkt sich auf die Raumzeit aus: Das Vorhandensein von Materie und Energie biegt sie, und diese Krümmung beeinflusst die Entfernung (Raum) und die Geschwindigkeit der Uhr (Zeit). Darüber hinaus erweist sich dieser Einfluss als recht komplex. Wenn wir den Einfluss von Materie und Energie auf die Raumzeit berechnen, hängen die räumlichen und zeitlichen Auswirkungen zusammen. Die Linien des dreidimensionalen Gitters, die wir in SRT dargestellt haben, sind in GRT gekrümmt.
Das Auftreten von Masse in einem leeren dreidimensionalen Gitter bewirkt, dass sich seine Linien auf eine bestimmte Weise biegen. Sie scheinen zur Masse hin gestreckt zu sein.
Raumzeit kann als rein rechnerisches Werkzeug betrachtet werden und dort aufhören. In der Mathematik kann sogar die Raumzeit mit einem metrischen Tensor beschrieben werden. Mit diesem Formalismus können Sie wie jedes Feld, jede Linie, jeden Bogen, jede Entfernung usw. berechnen. kann in einer bestimmten, genau beschriebenen Weise darin existieren. Der Raum kann flach oder willkürlich gekrümmt, endlich oder unendlich, offen oder geschlossen sein und aus einer beliebigen Anzahl von Dimensionen bestehen. In der allgemeinen Relativitätstheorie ist der metrische Tensor vierdimensional (mit drei räumlichen und einer zeitlichen Dimension), und die Krümmung der Raumzeit wird durch Materie, Energie und ihre inneren Spannungen bestimmt.
Einfach ausgedrückt wird die Krümmung der Raumzeit durch den Inhalt des Universums bestimmt. Und dann können Sie die Krümmung der Raumzeit nehmen und vorhersagen, wie sich Materie und Energie im Laufe der Zeit bewegen und verändern werden. Die Regeln der allgemeinen Relativitätstheorie erlauben es uns vorherzusagen, wie sich Materie, Licht, Antimaterie, Neutrinos und sogar Gravitationswellen durch das Universum bewegen werden. Alle diese Vorhersagen stimmen perfekt mit unseren Beobachtungen und Messungen überein.
Das Signal vom GW190521-Ereignis, das mit dem Auftreten von Gravitationswellen verbunden ist und von drei Detektoren aufgezeichnet wurde. Die Signaldauer betrug ungefähr 13 ms, repräsentiert jedoch die Energie, die der Umwandlung von 8 Sonnenmassen in reine Energie über Einsteins Gleichung E = mc 2 entspricht .
Was wir nicht messen, ist die Raumzeit selbst. Wir können Entfernungen und Zeitintervalle messen - aber dies sind alles indirekte Erfassungen der zugrunde liegenden Raumzeit. Wir können alles messen, was mit uns interagiert - Körper, Instrumente, Detektoren -. Interaktion tritt jedoch nur auf, wenn sich zwei Objekte zum gleichen Zeitpunkt in der Raumzeit befinden und ein "Ereignis" registriert wird, wenn sie sich treffen.
Wir können alle Auswirkungen der gekrümmten Raumzeit auf die Materie und Energie des Universums messen, nämlich:
- Strahlungsrotverschiebung, die durch die Expansion des Universums erzeugt wird;
- Biegen des Lichts aufgrund der Anwesenheit von Massen im Vordergrund;
- Mitnahme von Trägheitsreferenzrahmen in Gegenwart eines rotierenden Körpers;
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Und auch viele andere Einflüsse. Aus der Tatsache, dass wir nur die Wirkung der Raumzeit auf die Materie und Energie des Universums messen können, nicht aber die Raumzeit selbst, folgt daraus, dass sich die Raumzeit auf eine Weise verhält, die von einem einfachen Berechnungswerkzeug nicht zu unterscheiden ist.
Die Quantengravitation versucht, Einsteins allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik zu kombinieren. Quantenkorrekturen für die klassische Schwerkraft werden in Form von Schleifendiagrammen angezeigt, wie sie in der Abbildung in Weiß dargestellt sind. Wenn das Standardmodell um die Schwerkraft erweitert wird, kann die die CPT (Lorentz-Symmetrie) beschreibende Symmetrie nur annähernd werden und es können Verstöße auftreten. Bisher wurden in Experimenten jedoch keine derartigen Verstöße beobachtet.
Dies bedeutet jedoch nicht, dass Raum-Zeit keine reale physische Einheit ist. Wenn Sie die Schauspieler beobachten, die ein Stück spielen, haben Sie das Recht, den Ort, an dem das Stück spielt, als "Bühne" zu bezeichnen, sei es ein Feld, eine Plattform, nackter Boden usw. Selbst wenn das Stück in der Schwerelosigkeit des Raumes aufgeführt würde, könnte man einfach feststellen, dass ein frei fallender Bezugsrahmen als Szene verwendet wird.
Im physischen Universum ist, soweit wir wissen, die Existenz von Objekten und die Interaktion zwischen ihnen ohne Raum-Zeit unmöglich. Wo Raum-Zeit ist, wirken die Gesetze der Physik, und es gibt grundlegende Quantenfelder, die allem zugrunde liegen. In gewissem Sinne ist "nichts" ein Vakuum der leeren Raumzeit, und darüber zu sprechen, was ohne Raumzeit geschieht, macht keinen Sinn - zumindest aus physikalischer Sicht. Es macht keinen Sinn, über „wo“ zu sprechen, das außerhalb der Grenzen des Raums liegt, und über „wann“, das außerhalb der Grenzen der Zeit liegt. Vielleicht existiert so etwas, aber wir haben keine physikalischen Konzepte dieser Entität.
Animation der Interaktion von Raum-Zeit mit Masse, die sich durch sie bewegt. Daraus ist ersichtlich, dass Raumzeit nicht nur eine Art Stoff ist. Der gesamte dreidimensionale Raum ist in Gegenwart von Masse und Energie gekrümmt. Mehrere umeinander rotierende Massen erzeugen Gravitationswellen.
Das Interessanteste ist, dass wir noch viele unbeantwortete Fragen zur Natur der Raumzeit haben. Sind Raum und Zeit quanten- und diskret, in unsichtbare Regionen unterteilt oder sind sie kontinuierlich? Ist die Schwerkraft wie alle anderen bekannten Kräfte eine Quantenwechselwirkung oder ein klassisches, kontinuierliches Netz, das sich bis auf Planck-Skalen erstreckt ?? Wenn sich die Raumzeit von der allgemeinen Relativitätstheorie unterscheidet, wie genau und wie können wir sie erkennen?
Aber trotz allem, was die Raumzeit uns vorhersagen und wissen lässt, ist es nicht dieselbe reale Einheit wie das Atom. Es ist in irgendeiner Weise unmöglich, Raumzeit direkt zu "erfassen" - Sie können nur einzelne Quanten von Materie und Energie erfassen, die in Ihrer Raumzeit existieren. Wir haben die Raumzeit in Form von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie beschrieben und sie prognostiziert und erklärt erfolgreich alle physikalischen Phänomene, die wir jemals entdeckt und gemessen haben. Die Frage, was es ist und ob es real ist oder nicht, bleibt jedoch für die moderne Wissenschaft offen.