Frage von Otakumitherz, 39

Gravitation, Gewichtskraft, Erdanziehungskraft, Schwerkraft, Krümmung des Raumes, ja was nun?

Unser Lehrer meinte, dass Gegenstände sich gegenseitig anziehen. Die mit mehr Masse stärker. So bekommt alles seine Umlaufbahn und seine Routine! Okay, aber er meint, dass direkt die Gegenstände sich anziehen aber das stimmt ja gar nicht! Die Gegenstände krümmen den Raum (die massereicheren halt mehr) und dann gelangen die dinge halt in die umlaufbahn und sind dort "gefangen" Warum erzählt das unser Lehrer denn nicht? Er lügt ja dann praktisch (und mir glaubt ja keiner <_<) und wegen der headline, wollte ich wissen wie genau es denn jetzt heißt

Antwort
von PeterKremsner, 39

Es lügt keiner von euch zwei, die Gravitationskraft ist eben eine Art Scheinkraft die aus der Geometrie der Raumkrümmung folgt. Newton der das Gravitionsgesetz und die Gravitationskraft aufgestellt hat, kannte eben Albert Einstein nicht und darum wusste er nicht dass der Raum gekrümmt ist.

Da aber ein Apfel zu Boden fällt, dachte er da muss eine Kraft wirken und darum hat er gesagt Gravition ist eine Kraft und die Stärke der Kraft wird nach dem Gravitationsgesetz berechnet.

Albert Einstein hat dann das ganze erweitert und gesagt die Gravitation ist an sich keine Kraft sondern eine Eigenschaft des gekrümmten Raumes, denn er hat erkannt, dass die gekrümmten Umlaufbahnen in einer gekrümmten Raumzeit eigentlich Geraden sind (Trajektorien). Desswegen hat er die Theorie aufgestellt dass die Masse den Raum so krümmen muss dass diese Geraden eine Umlaufbahn werden, vereinfacht gesagt.

Kommentar von Otakumitherz ,

und wie genau heißt das ganze jetzt?

Kommentar von PeterKremsner ,

Naja das von Albert Einstein ist die Allgemeine Relativitätstheorie.https://de.wikipedia.org/wiki/Allgemeine_Relativit%C3%A4tstheorie

Naja und da geht's hald dann um die Raumkrümmung, das hat keinen besonderen Namen.

Antwort
von SlowPhil, 6

Okay, aber er meint, dass direkt die Gegenstände sich anziehen aber das stimmt ja gar nicht!

Aber ja doch. Selbst wenn man der Auffassung ist, dass sie dies lediglich indirekt tun, nämlich über Raumkrümmung, so macht das die Aussage "die Massen ziehen einander an" keineswegs falsch.

Die Gegenstände krümmen den Raum (die massereicheren halt mehr) und dann gelangen die dinge halt in die umlaufbahn und sind dort "gefangen"

Gegenstände oder vielmehr Massen krümmen die Raumzeit. Das sorgt dafür, dass es keine wirklich geraden Wege durch sie hindurch gibt, sondern nur geradeste Wege, so genannte geodätische Linien wie etwa auf einer Kugeloberfläche die Großkreise.

Scheinbar gerade Wege durch die Raumzeit (etwa von einem Körper, der sich der Schwerkraft ständig widersetzt und deshalb nicht frei fällt) sind in Wahrheit noch "krummer" als offensichtlich gebogene geodätische Wege. Der Grund, warum sich die Gravitation überhaupt "geometrisieren" lässt, ist der, dass sie im Grunde ein Beschleunigungsfeld ist, denn die Kraft ist proportional zur Masse eines Körpers in einem Gravitationsfeld.

Ein völlig homogenes Gravitationsfeld wäre übrigens keine Raumkrümmung, ebenso wenig wie eine Zylindermantelfäche wirklich gekrümmt ist. Eine solche Fläche lässt sich ganz einfach auf einer Ebene ausrollen, ohne sie zu verzerren. Und so ließe sich ein völlig homogenes Gravitationsfeld komplett wegtransformieren.

Expertenantwort
von uteausmuenchen, Community-Experte für Universum, 25

Hallo Otakumitherz

Der Physiker und Philosoph Gerhard Vollmer ist genau Deiner Frage einmal in einem hervorragenden Essay nachgegangen: "Darf man Falsches lehren?" heißt der. Vollmers Gedanken helfen bestimmt auch Dir, das Vorgehen Deines Lehrers besser zu verstehen. Deswegen folge ich diesen Gedankengängen hier einmal genauer.

Wenn wir uns die Frage stellen "Darf man Falsches lehren?" und diese mit "Nein" beantworten wollen, dann folgt daraus unmittelbar, dass wir immer nur Wahres lehren dürfen.

Und das birgt, wie man sehr schnell feststellen musst, eine unüberwindbare Problematik: Erstens existiert gar kein allgemeingültiger Wahrheitsbegriff. Schon gar nicht für alle Themen. Zweitens und vor allem ist es absolut unmöglich zu wissen, ob unser Wissen denn tatsächlich wahr ist.

Eine naturwissenschaftliche Theorie ist ein Erklärungsmodell: Es ist eine quantitativ formulierte Annahme über in der Natur ablaufende Prozesse. Mit diesen Erklärungsmodellen gelingt es uns, vorhandene Beobachtungen - die sonst völlig unlogisch nebeneinander stehen würden - in einen gemeinsamen logischen Kontext zu stellen. Sie geben uns also die Möglichkeit, zu verstehen, warum wir diese Beobachtungen machen (und nicht andere) und ermöglichen uns exakte Vorhersagen über zukünftige Anwendungen und Beobachtungen.

Wir können in der Naturwissenschaft unsere Modelle aber immer nur mit einer bestimmten Messgenauigkeit und innerhalb eines bestimmten Wertebereiches überprüfen. Wir können unmöglich also überprüfen, ob unsere Erklärungsmodelle uneingeschränkt, überall, zu allen Zeiten und mit beliebiger Genauigkeit die Natur perfekt beschreiben.

Kurz: In der Naturwissenschaft ist es nicht möglich, die perfekte Übereinstimmung von Theorie und Natur zu beweisen, weil wir nicht unendlich viele Beobachtungen mit unendlicher Genauigkeit zu diesem beweis heranziehen können. Uns stehen immer nur endlich viele Messungen mit endlicher Genauigkeit zur Verfügung.

Der Naturwissenschaftler geht daher grundsätzlich anders vor: Er testet seine sich im Alltag bewährenden Modelle (die "gesicherten Theorien") immer und immer wieder in neuen Wertebereichen und mit immer größerer Genauigkeit. Das Ziel jedes guten Naturwissenschaftlers ist es, Experimente aufzuspüren, bei denen unsere bisherigen Vorstellungen versagen.

Der Naturwissenschaftler arbeitet also streng genommen daran, auch für bewährte Modelle zu zeigen, dass sie nicht die letztgültige Wahrheit über die Natur darstellen. Oder - anders formuliert - dass sie falsch sind.

So. Das klingt jetzt alles etwas frustrierend - und ist letztlich die Basis für Sprüche über die Naturwissenschaft wie "Wissenschaft ist nur der aktuellste Irrtum". Wer Solches schreibt, hat aber nicht wirklich verstanden, wie Naturwissenschaft funktioniert: Es ist nicht die Schwäche der Naturwissenschaft, dass sie ihre eigenen Aussagen immer wieder konsequent erneuert, es ist ihre eigentliche Stärke.

An dieser Stelle wird der Begriff "Korrespondenzprinzip" wichtig: Ersetzen wir eine aufgrund einer neuen Messung als falsch erkannte Theorie durch eine neuere, dann muss die neue Theorie, die die alte ersetzt, überall dort, wo die alte Theorie im Rahmen der bisherigen Messgenauigkeit die Natur gut beschrieb, im Rahmen dieser Messgenauigkeit dieselben Ergebnisse liefern, wie die alte Theorie.

Das ist eine ganz wesentliche Forderung, die heute bestätigte Theorien an neue, noch zu findende Theorien stellen: Im Rahmen heutiger Messgenauigkeit müssen die alten, durch Messung bestätigten Theorien in den neuen enthalten sein. Sie sind Randbedingungen für neue Theorien.

Wir ersetzen also in der Naturwissenschaft immer wieder Modellvorstellungen über die Natur durch verbesserte Modelle. Dabei mag sich das verwendete "Bild" komplett ändern. Im Ergebnis aber muss die neue Theorie im gesicherten Wertebereich mit der alten im Rahmen der bestehenden Messgenauigkeit dieselben Ergebnisse liefern - einfach deshalb, weil wir dort durch die Natur selbst festgelegt sind.

Was bedeutet all das, was ich jetzt erklärt habe, für Deinen Lehrer und die Theorie der Gravitation?

Wir müssen als erstes anerkennen, dass es unvermeidbar ist, dass wir auch Falsches lernen oder gelernt haben, weil wir gar nicht von allen Aussagen wissen können, ob sie denn richtig sind. Der Irrtum ist in den menschlichen Erkenntnisprozess leider unvermeidbar eingebaut. Die absolute Sicherheit unseres Wissens ist eine Illusion.

Deswegen müssen wir die Fragestellung korrigieren: Darf der Lehrer Newtons Gravitation lehren, im vollen Bewusstsein, dass es eine neurer Theorie der Gravitation gibt?

Mit dieser Fragestellung umgehen wir schon einmal die grundsätzlich unvermeidbare Unsicherheit unseres Wissens. Darf der Lehrer Theorien vorstellen, von denen wir schon wissen, dass sie heute nicht die endgültig Richtigen sind?

-------------- Fortsetzung im Kommentar -------------------

Kommentar von uteausmuenchen ,

------------- Fortsetzung ------------------

Die Antwort hierauf ergibt sich aus dem eben erläuterten Korrespondenzprinzip.

Wenn  wir heute eine Brücke bauen, ein Flugzeug starten lassen wollen oder einen Ball werfen, dann wäre es einfach komplett unnötig, mit den komplizierten Feldgleichungen aus Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie anzukommen.

Auch heute, nachdem die ART die Newtonschen Formeln als bessere Theorie der Gravitation ersetzt hat, stehen alle Brücken stabil, die mit den Newtonschen Formeln konstruiert wurden.

Mit dem Finden der neuen Theorie können wir nämlich auch im alten Wertebereich, in dem sich Newtons Formeln bewährt haben, abschätzen, wie groß der Fehler ist, den wir bei einer bestimmten Anwendung der alten Formeln machen. Bei einer Brücke müssen die Fehlertoleranzen, die wir wegen gänzlich anderer Effekte einkalkulieren müssen, um Größenordnungen größer sein als der Unterschied zwischen Newtons und Einsteins Formeln:

Wegen des Korrespondenzprinzips bleiben die alten Theorien in ihren gesicherten Wertebereichen auch nach dem Finden einer verbesserten Theorie brauchbar. Wir dürfen und werden (wegen ihrer meist erheblich größeren Einfachheit) widerlegte Theorien also im Alltag in den Wertebereichen, in denen sie sich bewährten also weiterhin benützen.

Und allein deshalb macht es sehr viel Sinn, sie zu lehren. Aber auch deshalb, weil dieses Vorgehen ermöglicht, uns zu erkennen, wie der menschliche Erkenntnisprozess eigentlich funktioniert. Ihr müsst nicht nur lernen, wie verschiedene Theorien aussehen, Ihr solltet auch lernen, welche Beobachtungen sie stützen, in welchen Wertebereichen sie die Natur gut beschreiben - und welche Beobachtungen sie nicht mehr beschreiben können und wie das dazu führte, sie durch bessere Theorien zu ersetzen.

Die neue Theorie kann uns Erfolg und Misserfolg der alten Theorie erklären. Die ART erklärt uns, in welchen Wertebereichen Newtons Formeln erfolgreich waren - und warum in anderen nicht.

Und ich sage Dir besser gleich: Auch die ART - die Allgemeine Relativitätstheorie - die Gravitation als einen Effekt der durch die Gegenwart von Massen veränderten Raumzeit beschreibt, ist nicht die endgültige Theorie der Gravitation. Die wäre eine quantisierte Theorie der Gravitation - und ist leider heute noch unbekannt.

Auch hier aber gilt: Die ART ist eine hervorragend bestätigte Theorie. Egal, wie die heute unbekannte übergeordnete Theorie, die die ART vielleicht einmal ersetzen wird, auch aussehen mag: Sie wird gemäß des Korrespondenzprinzips im Rahmen heutiger Genauigkeit die ART enthalten. Auch die ART wird also ihre Daseinsberechtigung immer behalten.

Dein Lehrer hätte also mit der ART exakt dasselbe Problem wie mit der Newtonschen Mechanik. Er würde Euch mit den Tensorfeldgleichungen einfach nur komplett überfordern, was letztlich dazu führen würde, dass Ihr selbst für Alltagsprobleme unfähig währt, Lösungen zu entwickeln. Und das kann es ja auch nicht sein.

Grüße

Antwort
von MonkeyKing, 27

Das ist keine Lüge, er benutzt nur ein einfacheres theoretisches Modell. In der Schule wird glaube ich ja auch immer noch das Atom anhand des Bohrschen Atommodells eingeführt (Neutronen und Protonen im Kern die von Elektronen umkreist werden) obwohl es schon seit Hundert Jahren überholt ist. Aber manchmal muss man mit einfacheren Modellen anfangen um die komplexeren Modelle verstehen zu können. Viele wären überfordert wenn gleich mit Raumkrümmung angefangen wird.

Kommentar von MonkeyKing ,

Übrigens ist die Allgemeine Relativitätstheorie auch nur ein Modell das irgendwann abgelöst werden wird.

Kommentar von PeterKremsner ,

Ja von einem anderen Modell, denn letztendlich beschreibt die Physik die Umwelt nicht so wie sie wirklich ist, sondern sie versucht nur ein Mathematisches Modell zu finden mit der sich die Umwelt beschreiben lässt, unbeachtet davon ob es wirklich so ist oder nicht.

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