Absoluter Raum und Zeit – Wikipedia

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Theoretische Grundlagen der Newtonschen Mechanik

Absoluter Raum und Zeit ist ein Konzept in Physik und Philosophie über die Eigenschaften des Universums. In der Physik können absoluter Raum und Zeit ein bevorzugter Rahmen sein.

Vor Newton[edit]

Eine Version des Konzepts des absoluten Raums (im Sinne eines bevorzugten Rahmens) ist in der aristotelischen Physik zu sehen.[1]Robert S. Westman schreibt, dass bei Copernicus ein “Hauch” des absoluten Raums zu beobachten ist De revolutionibus orbium coelestium, wo Copernicus das Konzept einer unbeweglichen Sternenkugel verwendet.[2]

Ursprünglich von Sir Isaac Newton in eingeführt Philosophiæ Naturalis Principia MathematicaDie Konzepte der absoluten Zeit und des absoluten Raums bildeten eine theoretische Grundlage, die die Newtonsche Mechanik erleichterte.[3] Nach Newton sind absolute Zeit und Raum unabhängige Aspekte der objektiven Realität:[4]

Die absolute, wahre und mathematische Zeit an sich und aus ihrer eigenen Natur fließt gleichermaßen ohne Rücksicht auf irgendetwas Äußeres und wird unter einem anderen Namen Dauer genannt: relative, scheinbare und gemeinsame Zeit ist ein vernünftiges und äußeres (ob genaues oder ungleiches) Maß der Dauer durch die Bewegung, die üblicherweise anstelle der wahren Zeit verwendet wird …

Laut Newton existiert die absolute Zeit unabhängig von jedem Wahrnehmenden und schreitet im gesamten Universum mit gleichbleibender Geschwindigkeit voran. Im Gegensatz zur relativen Zeit glaubte Newton, die absolute Zeit sei nicht wahrnehmbar und könne nur mathematisch verstanden werden. Laut Newton kann der Mensch nur die relative Zeit wahrnehmen, dh eine Messung der wahrnehmbaren Objekte in Bewegung (wie Mond oder Sonne). Aus diesen Bewegungen schließen wir den Lauf der Zeit.

Der absolute Raum bleibt seiner Natur nach ohne Rücksicht auf irgendetwas Äußeres immer ähnlich und unbeweglich. Der relative Raum ist eine bewegliche Dimension oder ein Maß für die absoluten Räume. was unsere Sinne durch ihre Position zu Körpern bestimmen: und was vulgär für unbeweglichen Raum gehalten wird … Absolute Bewegung ist die Übersetzung eines Körpers von einem absoluten Ort in einen anderen: und relative Bewegung, die Übersetzung von einem relativen Ort in einen anderen. .

– –Isaac Newton

Diese Vorstellungen implizieren, dass absoluter Raum und Zeit nicht von physischen Ereignissen abhängen, sondern eine Kulisse oder ein Bühnenbild sind, in dem physikalische Phänomene auftreten. Somit hat jedes Objekt einen absoluten Bewegungszustand relativ zum absoluten Raum, so dass sich ein Objekt entweder in einem Zustand absoluter Ruhe befinden oder sich mit einer absoluten Geschwindigkeit bewegen muss.[5] Um seine Ansichten zu untermauern, lieferte Newton einige empirische Beispiele: Newton zufolge kann abgeleitet werden, dass sich eine einzelne rotierende Kugel um ihre Achse relativ zum absoluten Raum dreht, indem die Ausbuchtung ihres Äquators beobachtet wird, und ein einzelnes Kugelpaar, das durch ein Seil gebunden ist Daraus wird geschlossen, dass sie sich in absoluter Rotation um ihren Schwerpunkt (Schwerpunkt) befinden, indem die Spannung im Seil beobachtet wird.

Unterschiedliche Ansichten[edit]

Zwei Kugeln, die um eine Achse kreisen. Die Kugeln sind so weit entfernt, dass ihre Auswirkungen aufeinander ignoriert werden können, und sie werden von einem Seil zusammengehalten. Wenn das Seil unter Spannung steht, liegt dies daran, dass sich die Körper gemäß Newton relativ zum absoluten Raum drehen oder dass sie sich gemäß Mach relativ zum Universum selbst drehen, oder daran, dass sie sich gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie relativ zur lokalen Geodäsie drehen.

Historisch gesehen gab es unterschiedliche Ansichten zum Konzept des absoluten Raums und der absoluten Zeit. Gottfried Leibniz war der Meinung, dass der Raum keinen Sinn ergab, außer als relative Position von Körpern, und die Zeit keinen Sinn machte, außer als relative Bewegung von Körpern.[6]George Berkeley schlug vor, dass eine Kugel in einem ansonsten leeren Universum ohne Bezugspunkt nicht als rotierend und ein Kugelpaar als relativ zueinander, aber nicht um ihren Schwerpunkt rotierend gedacht werden könne.[7] Ein Beispiel, das Albert Einstein später in seiner Entwicklung der allgemeinen Relativitätstheorie anführte.

Eine neuere Form dieser Einwände wurde von Ernst Mach gemacht. Machs Prinzip besagt, dass es in der Mechanik ausschließlich um die Relativbewegung von Körpern geht und insbesondere die Masse Ausdruck einer solchen Relativbewegung ist. So hätte beispielsweise ein einzelnes Teilchen in einem Universum ohne andere Körper keine Masse. Nach Mach veranschaulichen Newtons Beispiele lediglich die relative Rotation der Kugeln und den Großteil des Universums.[8]

Wenn wir dementsprechend sagen, dass ein Körper seine Richtung und Geschwindigkeit unverändert beibehält im Weltraumist unsere Behauptung nichts mehr oder weniger als ein abgekürzter Verweis auf das gesamte Universum.
– Erst Mach; wie von Ciufolini und Wheeler zitiert: Gravitation und Trägheit, p. 387

Diese Ansichten, die sich dem absoluten Raum und der absoluten Zeit widersetzen, können aus heutiger Sicht als Versuch angesehen werden, operationelle Definitionen für Raum und Zeit einzuführen, eine Perspektive, die in der speziellen Relativitätstheorie explizit gemacht wird.

Selbst im Kontext der Newtonschen Mechanik ist die moderne Ansicht, dass absoluter Raum unnötig ist. Stattdessen hat der Begriff des Trägheitsreferenzrahmens Vorrang, dh eine bevorzugte einstellen von Referenzrahmen, die sich gleichmäßig zueinander bewegen. Die Gesetze der Physik wandeln sich gemäß der galiläischen Relativitätstheorie von einem Trägheitsrahmen in einen anderen um, was zu folgenden Einwänden gegen den absoluten Raum führt, wie von Milutin Blagojević dargelegt:[9]

  • Die Existenz des absoluten Raums widerspricht der internen Logik der klassischen Mechanik, da nach dem galiläischen Relativitätsprinzip keiner der Trägheitsrahmen herausgegriffen werden kann.
  • Der absolute Raum erklärt keine Trägheitskräfte, da sie mit der Beschleunigung in Bezug auf einen der Trägheitsrahmen zusammenhängen.
  • Der absolute Raum wirkt auf physische Objekte, indem er deren Widerstand gegen Beschleunigung induziert, aber er kann nicht bearbeitet werden.

Newton selbst erkannte die Rolle von Trägheitsrahmen.[10]

Die Bewegungen von Körpern, die in einem bestimmten Raum enthalten sind, sind untereinander gleich, unabhängig davon, ob dieser Raum in Ruhe ist oder sich gleichmäßig in einer geraden Linie vorwärts bewegt.

In der Praxis werden Trägheitsrahmen häufig als Rahmen betrachtet, die sich gleichmäßig in Bezug auf die Fixsterne bewegen.[11] Weitere Informationen hierzu finden Sie im Inertial-Referenzrahmen.

Mathematische Definitionen[edit]

Raum, wie in der Newtonschen Mechanik verstanden, ist dreidimensional und euklidisch mit einer festen Orientierung. Es wird bezeichnet E.3. Wenn irgendwann Ö im E.3 ist fest und definiert als Ursprung, der Position von jedem Punkt P. im E.3 wird eindeutig durch seinen Radiusvektor bestimmt

r=ÖP.→{ displaystyle mathbf {r} = scriptstyle { vec {OP}}}

(Der Ursprung dieses Vektors stimmt mit dem Punkt überein Ö und sein Ende fällt mit dem Punkt zusammen P.). Der dreidimensionale lineare Vektorraum R.3 ist eine Menge aller Radiusvektoren. Der Raum R.3 ist mit einem skalaren Produkt ⟨,⟩ ausgestattet.

Zeit ist ein Skalar, der im gesamten Raum gleich ist E.3 und wird bezeichnet als t. Das bestellte Set { t } heißt Zeitachse.

Bewegung (ebenfalls Pfad oder Flugbahn) ist eine Funktion r : Δ → R.3 das bildet einen Punkt im Intervall Δ von der Zeitachse auf eine Position (Radiusvektor) in ab R.3.

Die obigen vier Konzepte sind die “bekannten” Objekte, die Isaac Newton in seiner Principia erwähnt hat:

Ich definiere Zeit, Raum, Ort und Bewegung nicht als allen bekannt.[12]

Spezielle Relativität[edit]

Die Konzepte von Raum und Zeit waren in der physikalischen Theorie vor dem Aufkommen der speziellen Relativitätstheorie getrennt, die beide verband und zeigte, dass beide von der Bewegung des Referenzrahmens abhängig waren. In Einsteins Theorien wurden die Vorstellungen von absoluter Zeit und Raum durch den Begriff der Raumzeit in der speziellen Relativitätstheorie und der gekrümmten Raumzeit in der allgemeinen Relativitätstheorie ersetzt.

Absolute Gleichzeitigkeit bezieht sich auf die zeitliche Übereinstimmung von Ereignissen an verschiedenen Orten im Raum in einer Weise, die in allen Bezugsrahmen vereinbart ist. Die Relativitätstheorie hat kein Konzept der absoluten Zeit, weil es eine Relativitätstheorie der Gleichzeitigkeit gibt. Ein Ereignis, das gleichzeitig mit einem anderen Ereignis in einem Referenzrahmen stattfindet, kann in der Vergangenheit oder Zukunft dieses Ereignisses in einem anderen Referenzrahmen liegen.[6]::59 was die absolute Gleichzeitigkeit negiert.

Einstein[edit]

Einstein, der unten aus seinen späteren Arbeiten zitiert wird, identifizierte den Begriff Äther mit “Eigenschaften des Raums”, eine Terminologie, die nicht weit verbreitet ist. Einstein stellte fest, dass der “Äther” in der allgemeinen Relativitätstheorie nicht mehr absolut ist, da die geodätische und damit die Struktur der Raumzeit von der Anwesenheit von Materie abhängt.[13]

Den Äther zu leugnen bedeutet letztendlich anzunehmen, dass der leere Raum überhaupt keine physischen Eigenschaften hat. Die grundlegenden Tatsachen der Mechanik stimmen nicht mit dieser Ansicht überein. Denn das mechanische Verhalten eines im leeren Raum frei schwebenden Körpersystems hängt nicht nur von relativen Positionen (Abständen) und relativen Geschwindigkeiten ab, sondern auch von seinem Rotationszustand, der physikalisch als eine Eigenschaft angesehen werden kann, die das System an sich nicht betrifft. Um die Rotation des Systems zumindest formal als etwas Reales betrachten zu können, objektiviert Newton den Raum. Da er seinen absoluten Raum mit realen Dingen klassifiziert, ist für ihn auch die Rotation relativ zu einem absoluten Raum etwas Reales. Newton hätte seinen absoluten Raum nicht weniger als “Äther” bezeichnen können; Wesentlich ist lediglich, dass neben beobachtbaren Objekten eine andere Sache, die nicht wahrnehmbar ist, als real angesehen werden muss, damit Beschleunigung oder Rotation als etwas Reales betrachtet werden können.

– –Albert Einstein, Äther und Relativitätstheorie (1920)[14]

Da es nicht mehr möglich war, im absoluten Sinne von gleichzeitigen Zuständen an verschiedenen Stellen im Äther zu sprechen, wurde der Äther sozusagen vierdimensional, da es keinen objektiven Weg gab, seine Zustände allein nach Zeit zu ordnen. Auch nach der speziellen Relativitätstheorie war der Äther absolut, da sein Einfluss auf die Trägheit und die Ausbreitung von Licht als unabhängig vom physikalischen Einfluss angesehen wurde. Die Relativitätstheorie löste dieses Problem, indem sie das Verhalten des elektrisch Neutralen festlegte Punktmasse nach dem Gesetz der geodätischen Linie, wonach Trägheits- und Gravitationseffekte nicht mehr als getrennt betrachtet werden. Dabei wurden dem Äther Eigenschaften zugeordnet, die von Punkt zu Punkt variieren, die Metrik und das dynamische Verhalten von Materialpunkten bestimmen und ihrerseits durch physikalische Faktoren bestimmt werden, nämlich die Verteilung von Masse / Energie. Der Äther der allgemeinen Relativitätstheorie unterscheidet sich daher von dem der klassischen Mechanik und der speziellen Relativitätstheorie darin, dass er nicht “absolut” ist, sondern in seinen lokal variablen Eigenschaften durch erwägbare Materie bestimmt wird.

– –Albert Einstein, Über den Äther (1924)[15]

Generelle Relativität[edit]

Spezielle Relativitätstheorie eliminiert die absolute Zeit (obwohl Gödel und andere vermuten, dass absolute Zeit für einige Formen der allgemeinen Relativitätstheorie gültig sein könnte)[16] und die allgemeine Relativitätstheorie reduziert den physikalischen Umfang des absoluten Raums und der absoluten Zeit durch das Konzept der Geodäten weiter.[6]::207–223 Es scheint einen absoluten Raum in Bezug auf die entfernten Sterne zu geben, da die lokalen Geodäten schließlich Informationen von diesen Sternen kanalisieren, aber es ist nicht erforderlich, einen absoluten Raum in Bezug auf die Physik eines Systems aufzurufen, da seine lokalen Geodäten ausreichen, um seine Raumzeit zu beschreiben.[17]

Siehe auch[edit]

Referenzen und Hinweise[edit]

  1. ^ Absolute und relationale Theorien von Raum und Bewegung
  2. ^ Robert S. Westman, Die kopernikanische Leistung, University of California Press, 1975, p. 45.
  3. ^ Knudsen, Jens M.; Hjorth, Poul (2012). Elemente der Newtonschen Mechanik (illustrierte Ausgabe). Springer Science & Business Media. p. 30. ISBN 978-3-642-97599-8.
  4. ^ Im Philosophiae Naturalis Principia Mathematica Siehe die Principia online bei Andrew Motte Übersetzung
  5. ^ Raum und Zeit: Trägheitsrahmen (Stanford Encyclopedia of Philosophy)
  6. ^ ein b c Ferraro, Rafael (2007), Einsteins Raum-Zeit: Eine Einführung in die spezielle und allgemeine Relativitätstheorie, Springer Science & Business Media, Bibcode:2007esti.book ….. F., ISBN 9780387699462
  7. ^ Paul Davies; John Gribbin (2007). Der Materiemythos: Dramatische Entdeckungen, die unser Verständnis der physischen Realität in Frage stellen. Simon & Schuster. p. 70. ISBN 978-0-7432-9091-3.
  8. ^ Ernst Mach; wie zitiert von Ignazio Ciufolini; John Archibald Wheeler (1995). Gravitation und Trägheit. Princeton University Press. S. 386–387. ISBN 978-0-691-03323-5.
  9. ^ Milutin Blagojević (2002). Gravitations- und Messsymmetrien. CRC Drücken Sie. p. 5. ISBN 978-0-7503-0767-3.
  10. ^ Isaac Newton: Principia, Folgerung V, p. 88 in Andrew Motte Übersetzung. Siehe die Principia online bei Andrew Motte Übersetzung
  11. ^ C Møller (1976). Die Relativitätstheorie (Zweite Ausgabe). Oxford Großbritannien: Oxford University Press. p. 1. ISBN 978-0-19-560539-6. OCLC 220221617.
  12. ^ Newton 1687 Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, Londini, Jussu Societatis Regiae ac Typis J. Streater, oder Die mathematischen Prinzipien der Naturphilosophie, London, englische Übersetzung von Andrew Motte 1700s. Aus einem Teil des Scholiums, abgedruckt auf Seite 737 von Auf den Schultern der Riesen: Die großen Werke der Physik und Astronomie (Werke von Copernicus, Kepler, Galileo, Newton und Einstein). Stephen Hawking, hrsg. 2002 ISBN 0-7624-1348-4
  13. ^ Kostro, L. (2001), “Albert Einsteins neuer Äther und seine allgemeine Relativitätstheorie” (PDF), Tagungsband der Konferenz für Angewandte Differentialgeometrie: 78–86, archiviert von das Original (PDF) am 02.08.2010.
  14. ^ Einstein, Albert: “Äther und Relativitätstheorie“(1920), Seitenlichter zur Relativitätstheorie (Methuen, London, 1922)
  15. ^ A. Einstein (1924), “Über den Äther”, Verhandlungen der Schweizerischen Naturforschenden Gesellschaft, 105 (2): 85–93. Englische Übersetzung: In Bezug auf den Äther Archiviert 04.11.2010 an der Wayback-Maschine
  16. ^ Savitt, Steven F. (September 2000), “Es gibt keine Zeit wie die Gegenwart (in Minkowski Spacetime)”, Philosophie der Wissenschaft, 67 (S1): S563 – S574, CiteSeerX 10.1.1.14.6140, doi:10.1086 / 392846, S2CID 121275903
  17. ^ Gilson, James G. (1. September 2004), Machs Prinzip II, arXiv:Physik / 0409010, Bibcode:2004physics … 9010G