Äquivalenzprinzip

Das Äquivalenzprinzip besagt, dass die Auswirkungen der Gravitation lokal identisch mit denen der Beschleunigung sind, sodass alle Körper unabhängig von ihrer Zusammensetzung mit der gleichen Beschleunigung fallen.

Definition

Das Äquivalenzprinzip ist die Aussage, dass gravitative und träge Masse gleich sind, sodass in einem ausreichend kleinen, frei fallenden Bezugssystem die Gravitation lokal nicht nachweisbar ist und die Gesetze der Physik auf die der speziellen Relativitätstheorie reduziert werden.

Scope

Dieses Thema behandelt das schwache Äquivalenzprinzip (Universalität des freien Falls), das Einstein'sche Äquivalenzprinzip, das die lokale Lorentz- und Positionsinvarianz hinzufügt, das starke Äquivalenzprinzip, das sich auf gravitierende Körper erstreckt, die Gedankenexperimente fallender Aufzüge und beschleunigender Raketen sowie die Präzisionstests, die jede Verletzung einschränken.

Core questions

• Warum fallen alle Objekte in einem Gravitationsfeld mit der gleichen Beschleunigung?
• In welchem Sinne ist ein frei fallendes Laboratorium von einem im leeren Raum nicht zu unterscheiden?
• Wie präzise wurde das Äquivalenzprinzip getestet, und könnte es versagen?

Key concepts

• Träge versus gravitative Masse
• Universalität des freien Falls
• Lokale Lorentz-Invarianz
• Lokale Positionsinvarianz
• Gedankenexperiment des fallenden Aufzugs
• Eötvös-artige Tests

Key theories

Universalität des freien Falls

Da gravitative und träge Masse gleich sind, fallen alle Körper unabhängig von Masse oder Zusammensetzung mit der gleichen Beschleunigung, eine empirische Tatsache, die es ermöglicht, die Gravitation lokal durch den Übergang in ein frei fallendes Bezugssystem zu eliminieren.

Einstein'sches Äquivalenzprinzip

In jedem lokalen, frei fallenden Bezugssystem nehmen die nicht-gravitativen Gesetze der Physik ihre speziellen relativistischen Form an, unabhängig von der Geschwindigkeit und dem Ort des Bezugssystems, was die präzise Aussage ist, die der geometrischen Beschreibung der Gravitation zugrunde liegt.

Clinical relevance

Das Äquivalenzprinzip wird immer präziser getestet, da jede Verletzung neue Physik jenseits der allgemeinen Relativitätstheorie signalisieren würde; Torsionswaagen- und Mondlaser-Entfernungs-Experimente sowie der MICROSCOPE-Satellit schränken zusammensetzungsabhängige Kräfte ein, die aus zusätzlichen Feldern oder modifizierter Gravitation entstehen könnten.

History

Die Gleichheit von gravitativer und träger Masse wurde von Newton überprüft und um 1900 von Eötvös mit Torsionswaagen verfeinert; Einstein erhob sie 1907 zu einem fundamentalen Prinzip, nannte es seinen glücklichsten Gedanken, und moderne Eot-Wash- und Weltraumexperimente bestätigen sie bis auf Teile in 10^15.

Key figures

• Albert Einstein
• Lorand Eotvos
• Robert Dicke

Seminal works

• einstein1916
• mtw1973

Frequently asked questions

Ist das Äquivalenzprinzip exakt oder nur annähernd?

Es gilt exakt nur im Grenzfall eines infinitesimalen Bereichs; über einen ausgedehnten Bereich treten Gezeiteneffekte aufgrund der Variation des realen Gravitationsfeldes auf, und diese restlichen Gezeitenkräfte sind genau das, was die Raumzeitkrümmung beschreibt.

Was würde es bedeuten, wenn ein Test eine Verletzung feststellen würde?

Ein gemessener Unterschied in der Freifallbeschleunigung verschiedener Materialien würde eine neue zusammensetzungsabhängige Wechselwirkung implizieren, die die einfachste Form der allgemeinen Relativitätstheorie falsifizieren und auf zusätzliche Felder hinweisen würde, wie sie von einigen vereinheitlichten oder Dunkle-Materie-Theorien vorhergesagt werden.