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Äquivalenzprinzip, Geodäten, gekrümmte Raumzeit


CC-BY-NC-SA 3.0

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nun soll's von der speziellen Relativitätstheoriezur allgemeinenRelativitätstheoriegehenund die wesentliche Idee dazu ist das Äquivalenzprinzipnämlich das schwereeigentlichdasselbe ist wie Trägheitund dass das in der klassischen Formulierung bei Newtonnicht wirklich klar wird geschweige denn ausgenutztwirdwenn ich ein Labor habe das auf der Erdoberflächestehtein kleines Laborgibt zwei chemische Experimenteund ein paar mechanisch Experimenteund was auch sonst immer nochwenn ich in diesem Laborexperimentedurchführen und nicht raus gucke aus dem Fensterdann kann ich das nicht unterscheidenvon einer Rakete die beschleunigtdurchs All fliegtsind ihrmitten im Alter jenseits vonden nächsten Sternenund beschleunigenmit neun Komma acht einsMeter pro Sekunde Quadratdas Labor hier innerhalb der Raketeliefert dieselbenMessergebnissewie das Labor was hier fest auf der Erdoberfläche stehtund wenn ich im Schwerefeld der Erde bindicht über den Erdbodenin einem Labor das freie Feldhoffentlich gibt's dann einen Rettungsfallschirmam Endevon Liebermann ausein freifallendesLabordicht über dem Erdbodenin dem Laborder SternSchwerelosigkeitscheinbarSchwerelosigkeitweil alles gleich schnell fliegtdas ist dasselbe als ob ich mit dem Labor in meiner Raketemit konstanter Geschwindigkeitdurchs allfliegeich habe Schwerelosigkeitauch diese beiden Situationen lassen sich nicht unterscheiden durch Experimenteinnerhalb dieser kleinen Laboredass ich sage kleine Labore ist wichtigwenn mein Labor nämlich zu groß wird?? so groß im Verhältnis zur Erdedann kriege ich noch ein neues Phänomen dazuGezeitenkräftedieser Körperwirdzum Mittelpunkt der Erde gezogendieser zum Mittelpunkt der Erdedieser zum Mittelpunkt der Erde etwas schwächer als dieser war dieser näher dran istund man sieht dass diese drei Richtungen verschieden sind und höchst wahrscheinlich auch die Stärken verschieden sindwenn man Labor zu groß wirdfällt sowas aufdas nennt sich Gezeitenkräftealso bitte das Labor nicht zu groß wählenund es zeigt sich gleich das in diesen Gezeitenkräfteneigentlich die Essenz der Schwerkraft stecktin der klassischen newtonschen Physik ist es ein großes Wunder dass die träge Masseals die Masse die sich der Beschleunigungwidersetztdieselbe Masse ist wie die schwereMassealso die Masse die an der Schwerkraft teilnimmtgenauer gesagt sind die einzig dann gar nicht gleichsind zumindest proportionalmit demselben proportioniert jetzt Faktor für jedesDing für jede Materieartvon Materiediebe habendas ist höchst überraschend warum soll das gleich dem seindas doch zum Beispiel in der Gleichung auffür ein Teilchen das sich im Schwerefeldeiner großen Masse bewegtdie Beschleunigungeines Teilchensmal seine träge Massegibt mir welche Kraft ich aufwenden muss für diese Beschleunigungträge Masse widersetzt sich der Beschleunigungdas ist die eine Seite der Gleichungund auf der anderen Seite der Gleichung habe ich die Schwerkraft stehen dass es minusGravitationskonstantemal die große Masse soll im Ursprung sitzendie alles anziehtmal Abstandsvektordurch Abstandsvektorlängedritte Potenzmal die schwere Masse meines Teilchensin dieser Gleichung ist es ein größeres Wunder warum hier diese Masseetwas mit der Masse zu tun hatwarum die immer im selben Verhältnis stehen müssenund jetzt dieses Feld ist dann einfach zu einskönnte ein anderes nehmen und es muss immer dasselbe Verhältnis sein egal was für naht Materie das gibt ob das Wasserstoffatomesindunter Uranatomeoder reine Elektronendiese beiden hier müssen immer im selben Verhältnis stehensonst würde nicht alles gleich schnell fallennebenbei aus der Relativitätstheorieder speziellen Relativitätstheorieist mir natürlich Punkt das muss auch irgendwie für die Energie geltenwenn es für die ganz normale Masse giltsowas muss dann später eingebaut sein in die allgemeine Relativitätstheorieder Gedanke hinter dem Äquivalenzprinzipist nun das man sachtwir werden die Schwerkraft losindem wir einfach in das richtige KoordinatensystemgehenPunkt da wird dann eben keine Schwerkraft mehr die zweite Ableitung ist gleich nulloder gleich welche Krafteben sonst noch wirktaußer der Schwerkraftstellt sich heraus damit man das verwirklichen kann muss man praktisch immer in krummsinnige Koordinatengehendas macht das ganze sehr unhandlichlässt sich aber nicht vermeidensimples Beispieleinen Körperwird von der Erde angezogen wir sind dicht an der ErdoberflächeKonstante schwere Beschleunigungder Staaten in einer Höhe von X nullund mit einer Anfangsgeschwindigkeitvon V nullmal das jetzt um neunzig Grad gedrehtdamit das ganze gleichsam bisschen wie Minkowskidiagrammaussiehtich nehme das nur das übliche Koordinatensystemwas auf der Erdoberfläche ruhtX soll die Höhe seinund dann aber noch die Zeitangefangen mit der Höhe X null anfliegen raufund kehren dann irgendwann wieder umdas sie wäre der Scheitel der Bewegung die höchste Höhe dieses Objekt erreichtdie Höhe zur Zeit Twird seindie Anfangshöheplus die Anfangsgeschwindigkeitmal die Zeitminus ein halbG malT Quadrat G die schwere Beschleunigung der Erdedie schulbuchmäßigeFormund wundert sich das Äquivalenzprinzipum und gehe in ein anderes Koordinatensystemein freifallendesKoordinatensystemals klassischdie Zeitdieselbe wie in meinem ursprünglichen Koordinatensystemaber die neue X Koordinate ändert sich das ist die alte plus ein halb malGT Quadratein neues Koordinatensystemsitzt hierund fälltdurch den Erdboden durchdas heißt was auf dem Erdboden liegen bleibt ?? eine größereund immer größere Koordinate in diesem Systemdie Strichkoordinateversuche ich diese neuen Koordinaten mal in mein Diagramm unterzubringenzur Zeit T gleich nullist X gleich X strichdie T Strichachsedie ist da wo X strich gleich Null istsowie die Teeachseda ist vor X gleich null istästhetisch Strichachse da ?? X strich gleich Null ist wohl Schrägstrich gleich null da wo X gleich minusein halb GT Quadrat istalso hier eine Parabelso sieht meine Teestrichachseausdas setzt sich dann fortdas ist mein neues Koordinatensystemmit X strich und Tee strichund in meinem neuen Koordinatensystemsieht die Bewegung viel einfacher ausX Strich von Tdie Kriege Schrägstrich von T ich nehme X von T und addiere ein halb GT Quadratdieses Plus an halb GT Quadratdie Beschleunigung hinten fliegt rausSchrägstrich von T ist also schlicht und ergreifend X nullplus V null mal T die Beschleunigung ist wegund obendrein weiß ich das Tier gleich Beistrich ist also ?? kann ich auch schreibenTee strichBeistrichdas ist ja hier noch klassisch gerechnetgab noch keinen Ärger mit Zeitdilatationund ähnlichemund wir sind uns die Welt aus Sicht des SystemsX strichdie strichmanauch in diesem System staatlich bei X null wenn Tee strich gleich null istComplex null rausaber nun ist meine Bewegungscheinbarunbeschleunigteine geradeich habe die SchwerkraftWeg transformiertdas ganze Problem mit träger Masse und schwerer Masse löst sich in Luft aufalles hier gar keine Schwerkraft mehr gibtman Originalsystemhier das schwarzeXT Systemhat natürlich nun solche Koordinatenachsendas ist der Preis nicht zahlenich arbeite in krummen Linienkoordinatensich als aber soll ich noch mal sagen ich habe jetzt die klassischenewtonscheMechanik verwendetum zu begründen dass es gut ist in krumm ledigen Koordinaten zu arbeitensind also noch nicht wirklich bei der Relativitätstheorieaber gerne gute Ideedass es nicht vermeiden lassen wird krumm innige Koordinaten einzuführenund dieses Äquivalenzprinzipauszureizenund nun möchte ich mir überlegen wie man das jetzt diese Ideemit der speziellen Relativitätstheorieverheiratenkannich gucke mir einen Testpartikelandas durch ein Schwerefeld fliegtTestpartikel soll heißendass es irgend ein Staubkornund ein winziger Materieklumpender selbst das Schwerefeld nicht verändertsonderneinfach nur ausprobiertwie denn die Kräfte gerade wirken deshalb Testartikeldas nicht verändert ist natürlichnicht ganz war jede Masse wird dieses Feld verändernaber wenn diese Masse hinreichend kleines gegenüber den anderen Massen die am Spiel beteiligt sind kann ich die Wirkung von diesem Testpartikel auf das Gravitationsfeldignorierenund der Trick ist nun folgenderich gucke mirein freifallendesLabor an ein freifallendesBezugssystemschön kleindenn es sollen hier keine Gezeitenkräfteund störenein kleines freifallendesLaborKomma frei fallendkann auch heißen das ich hier mit der Rakete gestartet bin von der Erdeund dann so durch den Raum Pflege und irgendwann wieder zurückkommenoder sich im Orbitum die Erde herum fliegen all das würde als frei fallend geltenin diesem der Bohren herrschtSchwerelosigkeitscheinbarwenn hier aber scheinbar Schwerelosigkeitherrschtheißt dasin dem Laborlokalenkann ich die spezielleRelativitätstheorieanwendenohne Schwerkraft ist da die Welt in Ordnungund wenn ich nicht weit rausgehen hab ich auch keine Gezeitenkräftein jedem dieser Labore wenn dich die spezielle Relativitätstheorieandas ist der Trickum das Äquivalenzprinzipmit der speziellen Relativitätstheoriezu verbindenich gucke mir ein freifallendeslokales Bezugssystemanderen habe ich lokalkeine Schwerkraftund wenn ich lokal keine Schwerkraft habe kann ich lokal die spezielle RelativitätstheorieanwendenSRTdas hört sich alles ganz fürchterlich an Beistrich hier Millionenan Raketen durch die Gegend schießen um zu bestimmen jeweilswas ist das Partikel tun sollnetterweise gibt es für diese Bahnkurveeine geometrische Beschreibungdiese geometrische Beschreibung der Bahn des Testartikelszu verstehen Komma dass man an die man eine kräftefreie Bewegung in der speziellenRelativitätstheoriegeometrisch deuten kannich mir die Achsen X strich und CT strichschon klarzumachendas soll so ein System seinein freifallendeslokales Systemdann guck ich mir nun ein Partikel anes kommt gleich durch eine Fenster rein das nenn ich EreignisAstimmt der Zeitpunktbestimmter Ortdes Gateways andere Fenster wieder raus das männliche Ereignis Bund klar ist Kräftefreibewegungheißt diese beidensind den Jahr verbundenoder anders geschrieben die zweite Ableitungvon X strichnach der Eigenzeitist nullTau für die Eigenzeitdie Bahn ist geradlinigdas muss sowas sein konstanter Vektor plus ein konstanter Vektor maldie Eigenzeites gibt aber auch eine geometrische Interpretationwenn ich eine alternativeBahn hin Maleoffensichtlich beschleunigt istsehe ich dass diese Bahn auf jeden Fall zu einer kleinerenEigenzeit führtdas Testpartikeldas doof liegtwird jüngerbeim Ereignis B ankommendas es schlicht und ergreifend das Zwillingsparadoxonin Aktionwenn ich diesen Umweg hier abkürzenist die gestrichelte Linie eine mit längerer Eigenzeitund hier dieser Umwegmit der Beschleunigungan dieser StelleZwillingsparadoxonhat eine kürzere Eigenzeitgenauso kann ich das ja abschneidenund dann schneidig noch die beiden studierten abim Endeffekt muss es so sein dass diese Kräfte freie Bewegung diejenige ist die die längstedie größte Eigenzeit hatdas Kräfte ?? Artikel in der speziellen Relativitätstheorienimmt die Bahndie dafür sorgt dass es am Ende am meisten gealtert istdie Bahn mit der größten Eigenzeitund jetzt können uns überlegen was denn das für diese frei fallenden Labore bedeutetmein Testpartikelnicht durch den Raumund dann habe ich hier eines meiner freifallendenLaboremit seinem eingebauten Koordinatensystemich sage mal X Strich einsund?? Schrägstrich zweiund es hat natürlich auch noch Uhr eingebaut?? Schrägstrich nullim Zentrum eines Laborsgibt es keine Gezeitenkräfteweiter weg vom Zentrum kann da was schief gehendass man merkt dass das Schwerefeld nicht homogen istaber ganz im Zentrumich kann Gezeitenkräftedas heißt im Zentrum giltdas die zweite Ableitungvon meinen Koordinaten nach der Eigenzeit dieses Teilchensgleichnull ist vorgemerkt genau an dieser stetig wachsende zu Tau ist gleichwelche Eigenzeit man da auch immer hat in der Mitte?? guck ich mir an was das denn im Großen heißtirgendwo fliegt man Testpartikelnirgendwo ist das freifallend Bezugssystemauf der Bahn zu diesem Zeitpunktwas heißt das jetzt im großenfür die ungestrichenenKoordinatenich gehe von dieser Gleichung aus null isteinmaldie gestrichenen Koordinatennach der Eigenzeit ableitenund dann noch mal nach der Eigenzeit ableitenan der richtigen StelleTau ist gleichwas auch immerjetzt kann ich diese Ableitung hier hinten aber mit den ungestrichenenden sozusagen großenKoordinaten ausrechnenalso den ersten Teil das sie stehen die Ableitungnach der Eigenzeitan der richtigen Stelleund nun drücke ich diese Ableitungmithilfe von X auswie ändert sichX Strich in Abhängigkeitvon Xund nun die AbleitungvonXund nun habe ich ein Produkt abzuleitenich fange mal mit dem hinteren an Punkt das zeichnete ausden ersten stehen ProduktregelDiäten habe ich jetzt die zweite Ableitungvon X Menüalso von dem einflussreichen großen Koordinatensystemnach der Eigenzeitan der richtigen Stelleund muss in Foren ableitendrin stehen lassenmuss also diesen Ausdruck diese Ableitung nach der Eigenzeit ableitendazu guck ich wie dieser AusdruckvonX abhängtund leite X nach der Eigenzeit abalso nun die zweite Ableitung von Schrägstrich Mühennach XMenüund nach Xlanden dawie hängt das Ding von X Lander abMaldie Ableitung von X lambdanach der Eigenzeitdiese beiden Endenzu der Eigenzeit genommenbei der wir in der Mitte unseres Labors sinddas wird alles schon hübsch und übersichtlichkönnen's etwas klarer machen mit einem kleinen Trickund zwar kann ich Konica DeltaSigmaMenüschreiben als folgendesich leite die X Koordinate Nummer Sigma ab nach der X Koordinatenummernmühlwegdieselbe Koordinate nach derselben ableite sich vergleichenmit S einsund wenn ich eine Koordinate nach einer anderen ableite Sigma Und-Zeichen ?? drittes nullgenau Konica Deltadas kann ich immer weiter ausbuchstabierenstatt dass ich direkt nach X nie ableite kann ich auch überdie X Strich gehen ich kann erstmaligSigmanach X Strichmühlableitenund dann X Strichmühlnach X Menü ableitensummiert über alle Mühe automatischmit dem Trick finde ich dasnull ?? ist gleichcatch habe ich erst mal das hin was ich oben hattedie partielle Ableitungvon X strich Mühe nach Isnymal die zweite Ableitung von Echsenölnach der Eigenzeitzum richtigen Zeitpunktplusdass er hintenzweite Ableitungvon ?? Schrägstrich Mühlgemischnach ExcellanderX Menüund jeweils hier die Ableitungen nach der Eigenzeitundder Kunstgriffist jetzt alles dieses mit dem hierzu multiplizierendie partielle Ableitungvon X Sigmanach X strich mirmuss es ja weiterhin Null bleibenund natürlich eingebaut die Summation über Mülldieses hierX Sieg war partiell nach X strich Mühl malmit Summation über MüheSchrägstrich Mühe partiell nach Echsen Üist aber Chronik der DeltaSigma nur ihr vorn steht Konica DeltaSigmaMenüdas heißt der erste Ausdruck hierindemgeht das Menü weg ich Summierung über alle Menüsund nehme nur den Ausdruck bei dem Menü gleichSieg meistes bleibt also die zweite Ableitung von X Siegmar nach der Eigenzeitdiesem etwas monströsen Ausdruck hier gibt man noch einen Namennämlich groß Kommaoben Sigmaunten Lambdaund Menü das müsste nach außen nicht sichtbarunten am da unten Menüan der Stellenicht dazugeschriebenversteht sich von selbst an der Stelle X von dem richtigen Taumittenin unseremfrei fallenden Koordinatensystemdiese Größen hier groß Komma heißen Christoffel Symboledie Klinke demnächst doch mal auf einem ganz anderen Wegschon zwei Anmerkungenkann sie schon überlegen dass diese Christoffel Symbole nicht von dem System X Strich abhängenhänge nicht davon ab welches freifallende Koordinatensystemich tatsächlich nehmediese Rakete oder jene Rakete wie ist die gestartetPflicht im Orbitdas ist egalals man schon man sich das hier anguckt dieses X strich das X strich wenn ich den beiden dasselbe an Tour in gewisser Weise wird sich da was weggebenund noch eine Fußnotediese Christoffelsymbolesindkeine Zensorendie haben so eine Schreibweise wie die Zensoren sind aber keinmuss ich ob das maldemnächst erzählen was den Zensorenin diesem Spiel sindmit krummen innigen Koordinatenwas man dann ?? wir zum Schluss stehen hatdie zweiteAbleitungnach der Eigenzeitplusdiese monströse Ausdrücke hinten wird null werden das heißt hier hinten muss etwas stehenwie minus eine Kraftoder genauer gesagt dann eine Scheinkraftdurch die Massedas ist die anschauliche Bedeutung von diesem ausgehendenChristoffel SymbolmalOrt nach Zeitgeschwindigkeitsgeschwindigkeitkontrahiert Überlander undhier steht die zweite Ableitung nach der Eigenzeitdann muss hier sowas stehen wie minus eine Kraft durch die Massedie Masse des Testartikelsgenauer gesagt eine Scheinkraftdenn im richtigen Koordinatensystemwird das sicher sogar null ?? Mixstrichsystemist diese zweite Ableitung nullneun X Systemkann hier was anderes als ?? stimmt vielleichtich kann diese Kraftwegtransformierenund die Christoffelsymbolebeschreibenwie denScheinkraft zustande kommtmithilfedes genauer anguckt X nach Zeit exakt Seite steht sowas wie die Vierergeschwindigkeitdieser Zusammenhangder muss nun für jede Zeit geltenwerden uns eine angegucktund das frei fallenden Bezugssystemgerade passend fallen lassenund das kann natürlich für jede Zeit machenund damit habe ich eine Differenzialgleichungzweiter Ordnungdie zweite Ableitungnach der Eigenzeitmuss sein Minus was hinten stehtunter kommt noch die erste Ableitung vor und die Position als solchejetzt weiß man aber von Differenz ?? Gleichung zweiter Ordnung dass die eindeutigzu lösen sindwenn man den Startwerthat in diesem Fall X Mühegleich neun zwei dreiam Anfangsagen StartzeitX nullund Startpositionund wenn man die Anfangsgeschwindigkeithatihr dann also so eine Art Vierergeschwindigkeitdie Ableitungder Ex Mühe nach der Eigenzeitam Anfangdas Differentialgleichungzweiter Ordnung ist es nicht so überraschend es ist auch klassisch bei Newton eine Differenzialgleichungzweiter Ordnungnicht weiß wo ich anfangemit welcher Geschwindigkeitkann ich die komplette Bewegung angebenzu beliebig negativenund beliebig positiven Zeitenschon in der klassischen Mechanikhier ist es genausoim wahren Leben könnte so eine Band zum Beispiel so aussehendas am Ursprungdie Sonne sitztam Ursprung in X Yfür alle Zeitendie Sonne sitztund ich gucke mir nun an wie ein Asteroidals Testpartikelund die Sonne fliegtder Staate zu einer bestimmten Zeitan einer PositionX Y Z kann ich endlich Leerzeichenmit einer bestimmten Vierer Anfangsgeschwindigkeitdaraus ergibt sich dann eine mehr oder minder komplizierte Bahnhierfür dir zum Beispiel einmal um die Sonne rum fliegenvernetzte Differenzialgleichungfür diese Bahn des Testartikelsund aus der speziellen Relativitätstheoriemüssen schon das im Kleinen in frei fallenden Koordinatensystemendie Eigenzeit am längsten wird's deshalb ist die Vermutung groß auchdiese Kurve insgesamtwird diese Eigenschaft habendass diese Bahneine Kurve istmit längsterEigenzeitstimmt nicht hundertprozentigmit lokallängsterEigenzeit ich sage gleich mehr dazuguckt erst mal an warumeine Kurve mit Lokalängste Eigenzeitdiese Differenzialgleichungerfülltdiese Richtungich habe also eine Kurve gegebeneine Bahn gegebenim vier dimensionalen?? zwischen zwei Ereignissenzwei feste Ereignisseund ich weiß dass diese Bahndie lokallängsteEigenzeit hat wenn ich irgendwo abweicheund kleine Strecke des Pokalsnicht irgendwo eine kleine Strecke abweicheist mein Originalbahnzwischen diesen beiden Ereignissen vorn und hinten davor dem Umweg und nach dem Umweg ist dieseoriginaleBahn die mit der längsten Eigenzeitdas soll das heißenich ein kleinen Umweg machebin ich auf jeden Fallschneller was die Eigenzeit angeht will sagen ich werde weniger Altzeitpunktesind ja dieselbenEreignisse sind dieselben aber ich bin jünger wenn ich ankommenicht Umweg nehmenebenso eine Bahnmit der lokal längsten Eigenzeitdann heißt das jawenn ich hier irgendwo im ganz kleinen einen winzigen Umweg machehabe ich etwasmitkürzerer Eigenzeit ich bin schneller dadas könnte ich mir auch in einem mitfahrenden Koordinatensystemanguckendiese Bahnist in diesem lokalen Systemdie mit der längsten Eigenzeitund wir wissen schongenau das ist die Bahn die hier die Differenzialgleichungerfüllt die ganze Bahn wird also die Differenzialgleichungerfüllendas ist diese Richtung der Folgedie andere Richtunggegeben eine Band die die Differenzialgleichungerfüllt warum ist das eine Kurve mit Lokalängste Eigenzeitich starte also mit einer Lösung der Differenzialgleichungzu einem Anfangspunktund einem AnfangsgeschwindigkeitsvektorVierervektordie beiden gegebennun will ich zeigen dass diese Lösungskurveihr diese Bahn wieder rauskommtlokal überall die längste Eigenzeit hatdie Kurve ist die überhinreichend Kurzstreckendie längste Eigenzeit hatzu irgendeinem Ereignis hier das nicht zu weit weg ist von meinem Staat Punkt statt Ereignis sehr genauerZeit und Raumzu irgendeinem Ereignis das nicht zu weit weg ist kann ich dielängst mögliche Verbindung suchen die Verbindung mit der längsten Eigenzeitnicht hinein Punkt variierenwerde ich irgendwann dahin kommen dass sich eine Bahnfintemit längster Eigenzeitdem Startpunkt beginnt mit dem richtigen Anfangsgeschwindigkeitsvektorich weiß dass diese Bahn die Differenzialgleichungerfülltdas müssen schon aus dem ersten Teilder für die Differenzialgleichungzum Startpunktund Anfangsgeschwindigkeitsvektordie Lösung ist aber eindeutigalso muss dieser blaue Teil hierdie Bahn mit der lokal längsten Eigenzeit diese blaue Kurve muss Teil der Lösungskurveseindeshalb ist dann auch die Lösungskurvehier lokaleine Kurve mit der längsten Eigenzeitdieser Stelle gibt's einen neuen Fachbegriffdie Geodätedie heißt auch gerne mal Geodäte schöneoder Geodäte Linieoder im englischenChi und der sicdas kommt von der Geodäsieder Erdmessungdie Erstellung von Landkartennicht zum Beispiel so eine gekrümmte Fläche im Raum habedann ist eine Geoder hätteeine Verbindungsliniedie lokal am kürzestenist hier geht's um Raumabständeda will ich die kürzeste Verbindung habenalso wenn ich hier über kleine Strecken abweichensoll die Verbindung länger werden jede Abweichungüber kleine Strecken ist ein Umwegdas soll heißen dass diese Kurve eine Geodäte istsozusagen die kürzeste möglich zumindest lokal Gottes mögliche Verbindungda muss man jetzt vorsichtig seinwenn's um Raummessungengehtder Geodäsiesucht man kürzester Verbindungen wir suchen aber längste und zwar in der Eigenzeitlängste Verbindungenwie nennt man dann trotzdem Geodätewarum ich so auf dem Lokal herumreitedas ist die lokal kürzeste beziehungsweise längste Verbindung istkann ich auch im Raum leicht erklären wenn ich die Kugeloberflächenehmenur die Oberfläche nicht das Innere der Kugelnur die Oberfläche der Kugel nehmenunter zwei Punkte drauf platzierendann istdiese Verbindungoffensichtlicheine Geodätequasi die direkte Verbindungaber auch die Verbindung einmal rumum die gesamte Kugelgroß Kreis wieder so schön heißt der Äquatorauch die Verbindung einmal rum ist eine Geodäteund iranisches offensichtlich nicht die kürzest mögliche Verbindungaus ist lokal am kürzestenwenn ich über kleine Strecken hinreichend kleine Strecken abweichewird die Verbindung längerzusammengefassthabe damit jetzt für die allgemeine Relativitätstheoriedass die Bahnen von TestpartikelnGeodäte sind in diesem verallgemeinertenSinneallerdings nicht jede Art von Geodäteman Anfangsvektor muss zeitartigsein und dann bleibt der auch die ganze Zeitzeitartigzur Erinnerung in der speziellen Relativitätstheoriedas war zeitartigdas wachraumartigund das war lichtartigje nach dem Vorzeichendes Produkts der Vierergeschwindigkeitmit sich selbsthier geht's um physikalische Partikeldie gründerzeitartigFliegengucken ?? doch nicht Fotonen anund mit Überlichtgeschwindigkeitgeht derzeit auch noch nichtund nun stellt sich heraus dass wir nicht nur Grundlinie Koordinaten brauchenstellt sich herausvielmehr ist die Raumzeitin sich gekonntkriegen sie nicht platt gebügeltdas nennt sich intrinsische Krümmungdie Krümmung steckt drinunveränderlichich zeige dass man an klassischen Flächenwas zweidimensionalesvierdimensionalso schwer vorzustellendie Oberfläche der Kugel mal wiedernicht das innere nur die Oberflächedie Oberfläche eines Zylindersnicht das in nicht der Inhalt der Dosenur die Hölleohne Deckelund eine Sattelflächeeine Parabel so rumnoch einen dieselbe Richtungdie eine Parabel andersrumbei der Kugel es relativ offensichtlichdie kann man nicht platt drücken ohne dass sie aufreißtdas ist der Ärgerim Zeichen von Landkartenbeim Sattel genausoder Zylinderden kann man platt drücken den schneidig einfach auseinanderund rollen ihn aufder Zylinderist intrinsische ?? nicht gekrümmtden krieg ich plattdie Kugel nennt man positiv gekrümmtdie Sattelfläche negativ gekrümmtund der Zylinder ist dann gar nicht gekrümmt hat also die Krümmung nullGünter Geodäte benutzenum die Krümmung zu messennehme zwei Geodäte nundie sehr dicht nebeneinander starten mit denselbenAnfangsvektorenüber mit diesem Begriff was heißt er nicht derselbe Vektor ein Millimeterdaneben mit Vorsicht genießen müsste aber anschaulich scheint das zu gehenzwei Punktedichthier auf der Kugeloberflächesehr Vektoren dran gemalt und nun guck ich mir die Koteletten an die aus diesen Punktenin diese Richtungen startenund auf der Kugelwerden die allmählichaufeinander zu laufenund denke an die Längenkreisedie zum Pol hinzu laufendas heißt wenn ich mir den Abstand angucke denen ich manuelldieser Abstanddefiniertkleiner werden im Laufe der Zeitwelches auf dem Zylinder machelaufen diese beiden Gerätenlocker nebeneinander herdie haben immer denselben Abstandund wenn ich das auf dem Sattel machendürften die beiden Geräten auseinanderdieser Abstand vergrößert sichjetzt kann ich mir angucken wie denn dieser Abstand davon abhängt wie lange ich gelaufen binsozusagen die Eigenzeitoder die Streckenormalerweise führte man hierbei Flächen jetzt einfach von der Strecke ausgehenwelche Strecke bin ich gegangenwas ist der Abstand nach dieser Streckebeim Zylinder ist es immer dasselbeKomma nur muss also heißen dass das konstant bleibtbei der Kugel wird der Abstand kleiner und offensichtlichquadratischklein R bleibt erst ungefähr gleich großund wir dann immer schneller kleinerso wirkt sich also positive Krümmung ausund bei der Sattelfläche wird der Abstand größerhaben wir negative Krümmungmich also so etwas wie Krümmung in Zahlen angeben welche Schreiben ausdrücklich in Anführungszeichenhieralles etwas Halbseitenaber schon ein ziemlich gute Idee was Krümmung istdie Krümmung hat also offensichtlich mit der zweiten Ableitungdieser Funktion zu tunist die zweite Ableitung positivdie Krümmung negativ erst die zweite Ableitung negativ die kommen positivdie zweite Ableitung nullKomma nullalso ?? offensichtlich etwas wie minusdie zweite Ableitungund am einfachstenhiervon ausgerechnetwas mich jetzt noch ärgert ist das diese von dem anfangs Abstand abhängen würde wenn ich mit dem doppelten Anfangsabstandbeginnebleibt das ganze auch mehr oder minder doppelt so groß dass es ungeschickt deshalb teile ich durch den anfangs Abstandsich etwas habe wasvon der Fläche abhängt aber nicht von meinem anfangs Abstanddas ist eine etwas Hände wedelnaber durchaus brauchbare Art wie man eine Krümmung angeben kannPunkt jetzt will ich natürlich die Krümmung der Raumzeit bestimmenauch erst mal nicht relativistischalso das es jetzt ein ganz fürchterlicher Mix von Newton und Relativitätstheoriekommen sieht in welche Richtung das gehen mussich mindestens vier Dimensionenkann ich nicht mehr eine Länge angucken ich muss ein Volumen anguckenein Volumen zwischen Geodäteebenfalls eine Länge ein Abstand zwischen Geodäte schon hier ist es jetzt ein Volumengenetische Kriege ich in dem ich Testpartikelfrei fallen lasse ?? Klasse viertes Partikel frei fallenund konstruiere daraus ein Volumenund dann ist die Krümmungdie mich interessiertes offensichtlich so etwas wie einst durch das Anfangsvolumenmaldie zweite Ableitung des Volumensnach der ZeitamAnfangszeitPunktich leite nach der Zeit ab weil ich wie gesagt das ganze so etwas Halbseitennicht relativistisch machen willwas die Eigenzeit soll mehr oder minder gleich der Zeit seindas sich hier dannnach der Zeit ableiten kann statt nach der Eigenzeitauch noch ein paar Zutaten allein im Universumist das ganze nicht so vieldass dieses stattfinden in Staubalso meine viertes Partikel sollen frei fallen können kollidieren nicht mit dem Staub der Städte überhaupt nicht aber der Staub liefert eine Massendichtedienen ich mal proWeilchen fauler Mensch bin nämlich möglichst einfach Anfangsbedingungenich nenne diesePunkte hier mal nulleinszwei dreiund sageX einssoll am Anfang Zeitpunkt nullkleines X null sein und ich geh ein Stückchenin X Sichtung raus das nicht mal H eins null null Stück in Indexrichtungwegmit X zweiganz neue ?? mit X zwei möchte ich ein Stückchenin Y Richtung weg gehenund mit X dreimöchte ich ein Stückchen NZ Richtung vergehenso soll's losgehenmit den vier Punktenaußerdemso wie eben sollen alle dieselbe Anfangsgeschwindigkeithaben denselben Anfangsgeschwindigkeitsvektorhabenals X null Punktzum Zeitpunkt null soll dasselbe sein wie X einsPunkt zum Zeitpunkt null soll dasselbe sein wie sechs zweiPunkt zum Zeitpunkt nullund X dreiPunkt zum Zeitpunkt null als das selber nennt er das Vden Anfangsgeschwindigkeitsvektordamit habe ich AnfangspunkteAnfangsgeschwindigkeitenund es euch noch eine Differenzialgleichungwissen weitergehen soll ich nehme den üblichenNewtonzweite Ableitungder Koordinatevonnull eins zwei dreiegal welcher der vier Punktezur Zeit stehen soll sein der SchwerkraftVektorder an dieser Stellezu dieser Zeitauf diesen Punkt wirktdurch die Massedes Testartikelsdie Schwerkraft stammt nur aus dem Staubdes Partikel soll ja nicht das Feld beeinflussenso sieht als zu Beginn ausein Würfel mit Kantenlänge HPunkt alle Eckpunkte haben am Anfang den selben GeschwindigkeitsvektorVund mich interessiert die zweite Ableitung des Volumens nach der Zeitdass das Ganze in Richtung V fliegtin der das Volumen erst mal nichtsich zum Beispiel dieser Punkt relativ zu den anderen dreien so bewegtdann ändert sich das Volumen nichtes wird nur geschildert was hier unten wegfällt dieser Keil kommt oben wieder drangenauso bei der Richtungspannend ist die Bewegung dieses Punkteszu dieser Ebene hin die von den andern gebildet wird oder von dem Wegdiese Richtunges spanntdamit könnte jetzt die zweite Ableitungdes Volumens hinschreibenich werde mich wissenwie sich dieser Punkt relativ zu den anderenweg bewegtmaldiese Grundfläche?? Quadrat das gibt mirwie sich das Volumen ändertdie bewegt er sich wirklich das ist alsoX einssein Ortsvektorminus X null dessen Ortsvektorabgeleitetzweimal abgeleitet an der Stelle null ?? für die zweite Ableitung habenund davon die Ex Komponente nur diese Komponente gestatten ?? Nix Richtungum mich interessiert nur die Änderung in X Richtung alles andere ist bedeutungslosmal die Grundfläche?? Quadratplus dasselbe mit zwei statt eins und Yweit gehe ich nach hintenlos dasselbemit dreiund Zich habe aber die zweiten Ableitungendie sind Kraft durch die Masse des des Artikelssteht also die Kraftan der StelleX eins von nullnur die Ex Komponente davondurch die Masseminus dasselbe mitX nullmal H Quadratplus und so weitermit zwei und Y drei Zdas schreibe ich umeins durchkämmt sich nach vornesteht da die Differenz der X Komponenten der Kräfteschreibe ich doch kunstvoll dazu durch Haarmalen Haardadurch ist nichts kaputt gegangen aber sie steht kann ich an das Lesen das Haar durch ähmmalein Differenzen Quotientstarte mit X null vier starte ich mit X null von null und G um H mal den X eine Zweck ?? zur Seitedieses hier ist die partielle Ableitungnach XX Komponente der KraftX abgeleitetan der Stelle X null von null schreibe ich jetzt nicht dazuinsgesamtmit den beiden anderen Termenhabe ichA durch ähm Malaquadratgibt also H hoch drei durch ähmmal jetzt kommtdie Ex Komponente der Kraft nach X abgeleitet partiellhier kommt Y Komponente nach rülpsen abgeleitetDZ Komponente nach Z abgeleitet?? hoch drei ist unser Anfangsvolumender Würfel hat eine Kantenlänge von Haarund hier steht was man die Divergenz des Kraftfeldesnennt DFFdamit kann ich jetzt sagen was die Krümmung istmich interessiert die zweite Ableitung nach der Zeit des Volumensdurch das Anfangsvolumenmit ein Minuszeichenhier steht die zweite Ableitungich teile durch das Volumen eines Hauch drei wegich hab noch Minuszeichen davordann haben wir'salsodiese Krümmung in Anführungszeichender Raumzeitnicht relativistischistminus eins durch ähmmal die Divergenzdes Schwerkraftfeldmuss ich mir überlegen wie ich die Divergenz des Schwerkraftfeldkriegen kannund dass man den Fall an mit einer zentralenMassenämlich eine Kugel um die zentrale Masse mit einem bestimmten Radius und die habe ich eine Kugel mit dem doppelten Radiusdie Kraft des proportionalzu eins durch das Quadrat vom Abstanddas heißtwenn ich hier ein Kraft von diesem Betrag habe habe ich hier nur noch ein Viertel von dem Betragdie Kraft hier so aussieht ist es dennoch ein viertelund das ist genauso das es wie Wasser funktioniertsich diese Kraftganz anders lesen kann als Geschwindigkeitsvektorvon so einer Wasserströmungund in der Mitte ist ein Abfluss offensichtlichirgendwo muss das Wasser hinalles Wasser was hier außen durch diese äußere Kugel fließt muss auch durch diese innere fließendieselben Mengendie innere Kugel hat aber den halben Radiusdeshalb ein Viertel der Oberflächedeshalb muss sie das Wasser viermal so schnell durch diese innere Fläche fließen genau das ist das Wasser der Schwerkraft Feld machtdeshalb klappt diese Analogieund die Kräfte überlagern sich additivwenn ich hier noch ein zweitenAbflusszu sagen habe eine zweite Massestören sich diese Kräfte gegenseitig nicht genau wie sich die Geschwindigkeitenüberlagern würdendie Divergenz Komma noch in diesem Bild mit Wasser verstehenwenn ich einen kleinen Würfel habePunkt jetzt kleinen Würfel in diesem Volumenund gucke mir an wie viel Wasser da reinfließtund wieder rausfließtäußerlichen netto an Ausschluss aus diesem kleinen Volumen das hat mit der Divergenz zu tunAusfluss pro Zeitwird sein das Volumen mal die Divergenzdivergenzist damit sowas für eine Quellendichtewie viele Quellen sind da drin oder wenn sie negativ ist wie viel Senken sind da drindieses Volumen macht man Infinitesimalrechnungwarum haut das hinich gucke mir an wie viel links reinfließtsagt man Vektorfeldvon Vektorfeld interessiert mich dann aber nur die Ex Komponentewas quer fließt zu dieser Fläche interessiert mich nichtnur Komponenteich gucke mir an wie für rechts raus fließt auch da interessiert mich wieder nurdie Ex Komponentewas in der Bilanz davon übrig bleibt hat mit der Ableitungder X Komponentenach der Exkoordinatezu tun wie weit unterscheiden diese beiden sich dieses und diesesdass wir die Ableitung der Ex Komponente nach der Ex Koordinate werden partiellund Jeck Richter natürlich für die Vorderseite und die Rückseite die Y Komponenteabgeleitet nach Gibson Koordinate und hierfür Dach und Boden kriege ich die Z Komponente abgeleitet nach Zdas ist also die anschauliche Bedeutung der Divergenzausschlusspro Zeitund Volumen wenn ich das Volumen auf die andere Seite bringenmit dieser Analogie zu Wasseranalogiedes Schwerkraftfeldeszu einer Strömungvon Wasserkann man jetztganz schnell argumentierenwenn ich so ein Volumen habeund außerhalb eine Massedie Masse wirkt in diesem Spiel wie einAbflussim Raumeines gleiche drin sind weder Quellen noch Senkendie Divergenz muss Null seinwenn keine Masse enthalten istdie Divergenz hier an dieser Stelle mitten in dem unendlich kleinen Würfel vorgemerktwenn ich aber eine Masse drin habeich mich am einfachsten mal mit einer Kugelsitzt meine Massean Radius kleiner Radius groß RKraftfeldzeigt schönzur Masse hindann werde ich jetzt für die Divergenz erzähle ich was raus kriegenjetzt muss ich also tatsächlich ausrechnenwas istAusschlussdurch Zeitund Volumenoffensichtlich dies was rein also minusdie Kraft hat jetzt die Rolle der Geschwindigkeitmit dem Betrag der Kraftmal die Oberfläche der Kugel durch das Volumen der KugelblitzKomma das newtonsche kraft Gesetz einsetzendas ist Gravitationskonstantemal die Masse des zentralenObjektsmal die Masse unseres Testartikelsdurch Abstandsquadratdass es unsere Kraft mal die Oberfläche und die Oberfläche einer Kugel vier Pierre Quadratdurch das Volumen der KugelnQuadrat können sofort kürzenund haben damitdas ist minus vier PiGravitationskonstantedie Massedes zentralen Teilchens durch das Volumenmal die Masse unseres Testartikelsund netterweisevor das ganze Additiv es kommt nicht drauf anob ich hiereine Masse drin habe oderzwei mal die halbe Masse drin habees wirddieselbe Menge an Wasser hier durch die Fläche fließen müssenPunkt ich kann sogar die Masse aus geschmiert haben dass es endlich was wir wollen Staubauf in dieselbe Masse ausgeschmiertistwird das immer noch so gelten?? wird hier Ausmaße durch Volumen einfach dieDichte unseres Staubsprodie Divergenz dieses Kraftfeldesrichten also eine einfacheGleichung minus vier die GravitationskonstanteDichte maldie Masse des Testartikelsdas setzen wir hier ein und haben ein Ausdruck für die Krümmungschreiben ?? weiterhin Krümmung in Anführungszeichenfür diesen einfachen Krümmungsbegriffwir hatten also eben das ist eins durch die Masse des Testartikelsmal die Divergenz von dem KraftfeldJamba die Differenz von Kraftfeldmassemassiert sich Weg minus minus siebzig weg ist bleibt vier PiGravitationskonstantemal die Dichte der Staubserste Beobachtungdie Dichte kann nicht negativ werdendas heißt diese Krümmung wird immer positiv seinvielleicht null werdenaber da wirklich Masse istmit die Krümmung positiv seinniemals negativdas kann man sich auch noch überlegen was denn das bedeutet für Matt von Newton weggeht zur Relativitätstheoriehin nicht jetzt die spezielle Relativitätstheorieeinbauedann kann da hinten nicht einfach die Massendichte stehen bleibendass es keine Größe die in der speziellen Relativitätstheorienackt stehen darfdie Massendichte ist versteckt im Energie-Impuls-Tensordas ist die null null Komponente des Energie-Impuls-Tensorsechzig vertratDavid allmählich ein Schuh draus in der Relativitätstheoriehier muss auf der rechten Seite ein Tensor stehen nicht nur T null null ich brauche den ganzen Energie-Impuls-Tensorsollte das keine kovariantGleichung ich brauche also eine Gleichung bei der auf der rechten Seite vier Pi Gravitationskonstantemal Energie-Impuls-TensorDurchcequadratstehtund hier auf der linken Seitesteht jetzt offensichtlich nicht mehr eine Zahl für die Krümmung unterstehen vier mal vier Zahlen für die Krümmung ich schreibe mal irgendwas mit Krümmungdes wirdoffensichtlichvon Wiedergabe werdenwerden also anscheinend irgendeinen Ausdruck für die Krümmung kriegenin dem sechzehn Zahlen stehen wie in dem Energie-Impuls-Tensorsechzehn Zahlen stehenein Tensor zweiter Stufeder die Krümmung beschreibtdas wir noch paar Stunden dauern den hinzu schreiben aber man weiß lustigerweise schon jetzt was auf der rechten Seite stehen mussdieses ganze werden dann die Einsteinschen Feldgleichungenlinks steht was mit der Raumzeit passiertdie verbogenistund rechts steht was in der Raumzeit drinnen istdie beeinflussen sich offensichtlichdann gegenseitigbastelt nach ?? bisschen mit den Konstanten rum hier steht dann später nicht vier Pi geh mal der Energie-Impuls-Tensorhundert acht Pi das was ich muss links auch mal zwei nehmen und dieses Ce Quadratmeternauch anders vergraben in dieser Gleichungwichtig ist Linkshaben etwas was die Krümmung beschreibt und rechts haben wir etwaswas mit Energie und Impuls zu tun hatgestern etwas um ein drohendes Missverständnisgar nicht aufkommen zu lassenin den Seinsactionfilmsieht man gerne eine Raumkrümmungnirgendwo hier in der Mitte liegt die Sonnequasi wie auf einem Gummituchdas sie nach unten ausbeutetund die Planetenfliegen jetzt auf dieser gekrümmten Flächedas ist eine sehr irreführende Darstellunggeht's jetzt nicht direkt um genetischeSuche nicht von dieser Positionzu dieser Positiondie kürzeste Verbindungin die Bahn des Planeten zum Beispielhängt nicht nur vom Anfangspunktund vom Endpunkt ab sondern auch von seiner Anfangsgeschwindigkeitin der hier schneller ist läuft der vielleicht soes geht nicht um die kürzeste Verbindung in diesem Bild mit der Raumkrümmungist schwer irritierendreden wir nicht direkt von den genetischender Physik geht's um die Krümmung der Raumzeitnicht nur des Raums das kann man sich anguckendie Krümmung des Raumsaber eigentlich Firmen essbares Wissen über die Krümmung der Raumzeitmuss Raum und Zeit gemeinsam betrachtensowas hier nur in zwei Dimensionen dargestellt ist Beistrich dannbräuchte ich dann in drei Dimensionendie Zeit nach oben und zwei Raumdimensionendie Sonne sitzt hierBeistrich null Y gleich nullund der Planetfliegt hier losauf einer Bahn mit lokallängsterEigenzeitalso wenn ich diesen Punkt schon festlass und in der oben fest lasse zu einer bestimmten Zeit ist der an diesem Ort da untenund zu einer anderen Zeit ist an diesem Ort da oben zwei Ereignissedie fest sindund wenn ich nun guckeindem mal Abweichungen von der Kurvedann werden dieseabweichendenBahneneine kurze Eigenzeit habendas Objekt der Planet Idee so fliegen würde wäre am Schluss ein Stückchen Jüngerbrauchen die Verbindungmit der lokal längsten Eigenzeitwenn ich ein bisschen schneller startevom selben Punkt wenn ich da schneller startedann bin ich eben schneller rumund komme einem anderen Punkt andas es in diesem Bild zu irritierendihr mich einen anderen Ent Punkt die grüne Kurve ist nun wieder eine Kurve mit lokalengster Eigenzeitaber sie hat ein anderer nennt Punkt hier scheint sie denselben Endpunkt zu haben wie die blaueman sucht also nicht in diesem Bildchen nach Geodäte schon zumindesttypischerweisenicht