Weil Newtonsche Schwerkraft, wo sie tatsächlich als Kraft betrachtet wird, eine ausreichende Annäherung an die Situationen darstellt, die Sie in der Mittelschule (und darüber hinaus) betrachten.

Allgemeine relativistische Effekte sind auf den gewöhnlichen Skalen, die wir Menschen betrachten, sehr schwach, und es wäre übertrieben, die vollständige Maschinerie der allgemeinen Relativitätstheorie einzuführen (die eine wesentlich fortgeschrittenere mathematische Behandlung erfordert als gewöhnliche Newtonsche Kräfte), um Situationen zu behandeln, in denen der Fehler nur durch aufgetreten ist Die Verwendung der Newtonschen Version ist vernachlässigbar.

Selbst bei der allgemeinen relativistischen Behandlung können Sie den Effekt auf sich bewegende Partikel als "Kraft" betrachten, genau wie Sie die Zentrifugalkraft Um eine fiktive Kraft zu sein, die in rotierenden Koordinatensystemen auftritt, siehe auch die Antworten auf Warum müssen wir uns die Schwerkraft immer noch als Kraft vorstellen?

Auch wenn wir uns auf eine Newtonsche Weltanschauung beschränken, existieren Kräfte nicht . Eine wesentliche Sache, die im Physikunterricht nicht genug betont wird, ist, dass die Physik (in all ihren Wundern) nichts anderes als ein mathematisches Modell der Realität ist, die wir wahrnehmen. Ob Sie Newtonsche Mechanik, Relativitätstheorie oder Quantenmechanik betrachten.

In der Realität gibt es weder Koordinaten noch Vektoren noch ähnliches. Wir verwenden diese mathematischen Werkzeuge, um Bedeutung zuzuordnen und Messungen und Beobachtungen, die wir machen, in Beziehung zu setzen - und hoffentlich zu erklären. Dieser Ansatz hatte einen großen Erfolg, sowohl bei mehr oder weniger direkten Anwendungen (denken Sie an die NASA oder viele Spitzentechnologien) als auch bei theoretischen Fortschritten wie der Quantenmechanik (wo die richtige Verallgemeinerung des Hamiltonschen Formalismus die Dinge auf Partikelebene irgendwie magisch erklärt ).

Beachten Sie im speziellen Fall von Kräften, dass Sie niemals eine Kraft messen. Was Sie messen, sind seine Konsequenzen (meistens eine Verschiebung oder eine Änderung des Stroms oder viele andere Dinge) und Sie interpretieren diese Änderung unter Verwendung des Newtonschen Modells als die Wirkung einer Kraft.

Tim B. vertritt die Auffassung, dass dies ein Beispiel für das Anlügen von Kindern ist. Ich bin völlig anderer Meinung; Meiner Ansicht nach ist dies ein Beispiel für Idealisierung , was jedes Modell in jedem Wissenschaftszweig tun muss. Wie George EPBox einmal schrieb:

Im Wesentlichen sind alle Modelle falsch, aber einige sind nützlich.

Es lügt nicht, es heißt Wissenschaft machen. Ergo wird das Lehren, dass die Schwerkraft eine Kraft ist, nur dann unehrlich, wenn der Lehrer nicht die Tatsache zur Sprache bringt, dass die Newtonsche Schwerkraft lediglich ein Modell der Gravitationsinteraktion ist und dass im Wesentlichen alle Modelle falsch sind, einschließlich GR und Quantengravitation. Kurz gesagt, ich denke, dass die Gravitation eine hervorragende pädagogische Gelegenheit bietet, die Praxis der Wissenschaft und die Philosophie der Wissenschaft in einem Klassenzimmer zu diskutieren. und daher, wenn es richtig gemacht wird, nicht als Beispiel für das Lügen von Kindern zu qualifizieren.

Hier gibt es eine kleine Subtilität. Soweit bekannt, könnte es möglich sein, eine Theorie von allem (ToE) zu entdecken, die nicht nur alle Phänomene berücksichtigt, über die wir derzeit Bescheid wissen, sondern die tatsächlich alle Phänomene berücksichtigt, die wir können jemals wissen und alle Entitäten, mit denen wir jemals interagieren können.

Aber selbst wenn ein Forschungsprogramm einen ToE entdeckt, gibt es grundsätzlich keine Möglichkeit, dies zu tun jemals wissen, dass es ein ToE ist. Um zu vermeiden, dass die Physik vollständig unterdrückt wird, müssen wir immer davon ausgehen, dass es möglicherweise weitere Phänomene gibt, von denen noch niemand etwas weiß, auch wenn der derzeit bevorzugte ToE alle bekannten Phänomene zu erklären scheint.

Natürlich waren wir schon einmal in dieser Situation; Lange Zeit wurde allgemein angenommen, dass die Newtonsche Mechanik ein ToE war, der im Wesentlichen die gesamte Physik erklären konnte. Wie falsch wir lagen und wie glücklich, dass bestimmte Denker sich weigerten zu akzeptieren, dass die Physik im Wesentlichen "erledigt" war!

Es ist ein Beispiel für "Lüge an Kinder".

https://en.wikipedia.org/wiki/Lie-to-children

Da einige Themen ohne Erfahrung äußerst schwer zu verstehen sein können, kann es überwältigend sein, einem Schüler oder Kind auf einmal ein hohes Maß an Komplexität zu bieten. Daher werden elementare Erklärungen so vereinfacht, dass die Lektion verständlicher wird, obwohl sie technisch falsch ist. Eine Lüge an Kinder soll schließlich durch eine differenziertere Erklärung ersetzt werden, die der Wahrheit näher kommt.

Wenn wir unseren Lehrplan einhalten, ist fast die gesamte Physik, die wir lernen, Newtonsche Physik. Alles von der Kraft bis zu den Bewegungsgesetzen basiert auf Newtonschen Ideen.

Und die allgemeine Relativitätstheorie ist ein modernes Konzept, das tatsächlich wahrer ist. Aber Sie wissen, dass die GTR für ein Kind ein schwer zu verstehendes Konzept ist. Um den Kurs zu vereinfachen, werden uns diese Dinge als Kraft beigebracht.

Und auch vor Einstein glaubte jeder an die Schwerkraft als Kraft. Daher hat sich die klassische Tradition in unseren Büchern fortgesetzt. Die ernsthaft überarbeitet werden müssen.

Um Ihnen auch in der Chemie ein Beispiel zu geben, wird das Atom den Kindern als eine Art Sonnensystem beigebracht. Was es eindeutig nicht ist.

Ich möchte diese Frage aus einem etwas anderen Blickwinkel betrachten und darauf hinweisen, dass die meisten Physiker glauben, dass die Schwerkraft tatsächlich eine Kraft ist. Der große Triumph der modernen Teilchenphysik, das Standardmodell, enthält die starken, schwachen und elektromagnetischen Kräfte. Diese Kräfte werden im Standardmodell durch das Vorhandensein von Kraftträgern (Spin-1-Gauge-Bosonen) dargestellt: die Gluon-, W- und Z-Bosonen bzw. das Photon, die sich an geladene Teilchen (elektroschwach oder farbig) koppeln. Das Standardmodell ist eine Quantenfeldtheorie. Bei der Untersuchung der Struktur von Materie bei hoher Energie ist diese Darstellung notwendig. Bei niedrigen Energien kann man jedoch effektive Theorien konstruieren, die viel einfacher sind. Maxwells Gleichungen sind ein Beispiel. In ähnlicher Weise glauben die meisten Physiker, dass die Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie (Einsteins Gleichungen) die energiearme Lösung einer Quantenfeldtheorie der Schwerkraft sind. Es ist daher natürlich anzunehmen, dass Einsteins Gleichungen auf einer großen Energieskala zusammenbrechen (zum Beispiel in der Nähe des Zentrums eines Schwarzen Lochs). Das Problem ist, dass der Kraftträger für die Schwerkraft (das Graviton) im Gegensatz zu den anderen Kraftträgern ein Spin-2-Teilchen sein sollte, und es erweist sich als sehr schwierig, eine konsistente Quantenfeldtheorie für Spin-2-Gauge-Teilchen zu konstruieren. Derzeit ist die Stringtheorie der Hauptkandidat für eine solche Theorie.

Während der Ausbildung zum Physiker lernt man also zuerst, dass die Schwerkraft eine Kraft von Newton ist, und dass sie wirklich das Ergebnis einer solchen ist gekrümmter Raum von Einstein, und dann muss es doch wirklich eine Kraft sein! Welchen Namen wir dieser letzten Lektion zuschreiben werden, muss anscheinend noch entschieden werden.

Ich denke, viele Leute hier sind einfach zu intelligent, um diesen Punkt zu erkennen:

, weil Sie keine bessere Wahl haben . Es ist einfach nicht praktisch und nicht machbar, Kindern in der High School etwas über die Allgemeine Relativitätstheorie beizubringen. (ähm ... erwarten sie, dass sie bereits einen Tensor kennen? und Raumzeit verstehen?)

Außerdem ist der Newton-Ansatz, wie von vielen anderen erwähnt, nicht so schlecht. In vielen Fällen liefert der Newton-Ansatz sehr gute numerische Antworten, die für viele Zwecke ausreichen.

Darüber hinaus bietet die Geschichte der Newtonschen Schwerkraft hervorragende Materialien für Kinder, um wissenschaftliche Methoden kennenzulernen, beispielsweise wie und warum Wissenschaftler die Gravitationskonstante gemessen haben. Selbst in dieser Frage begrüßen wir die Tatsache, dass Wissenschaft niemals die vollständige Geschichte der Natur ist, wie Feynman einmal sagte:

" Jedes Stück oder jeder Teil der gesamten Natur ist immer nur eine Annäherung an die vollständige Wahrheit oder die vollständige Wahrheit, soweit wir sie kennen. Tatsächlich ist alles, was wir wissen, nur eine Art Annäherung, weil wir wissen, dass wir kenne noch nicht alle Gesetze. " -Richard Feynman

und das wird Kinder wissen lassen, warum wir weiter Wissenschaft betreiben und sie dazu ermutigen sollten :)

Ich kenne zwei Gründe, warum wir die Schwerkraft als Kraft betrachten sollten. Das erste ist rein klassisch und Newtonsch: Gezeitenkräfte. Die Schwerkraft ist allein für die Erzeugung von Gezeitenkräften verantwortlich und kann nicht als fiktive Kraft angesehen werden, während die übliche Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft in gewissem Sinne immer als fiktiv angesehen werden kann. Sie wissen, dass Gezeitenkräfte reale Kräfte sind, indem sie direkt mit dem Riemannschen Krümmungstensor konstruiert werden, der nicht durch bloße Änderung der Koordinaten verschwinden kann. Vergleichen Sie dies mit der Erdbeschleunigung, die in einer allgemeinen relativistischen Umgebung durch die Verbindungskoeffizienten $ \ Gamma ^ a_ {bc} $ gekennzeichnet ist. Im Gegensatz zum Riemann-Tensor sind die Verbindungskoeffizienten nicht tensoriell und können durch eine Änderung der Koordinaten zum Verschwinden gebracht werden (diese Wahl der Koordinaten wird als Riemann-Normalkoordinaten bezeichnet). was die fiktive Natur dieser Kraft offenbart. Aus praktischer Sicht sollten Gezeitenkräfte als real angesehen werden, da sie zu Dingen wie der Erwärmung des Planeteninneren oder der Spaghettifizierung des armen Astronauten führen, der zufällig in ein Schwarzes Loch fällt.

Der zweite Grund, warum man die Schwerkraft als Kraft betrachten könnte, liegt eher in der Quanteneinstellung. In der Quantenfeldtheorie wird das Konzept der "Kraft" im Allgemeinen durch "Eichwechselwirkung" ersetzt, d. H. Ein Boson, das an einen konservierten Strom koppelt. Wenn Leute sagen, dass es vier fundamentale Kräfte gibt, ist dies im Allgemeinen der Sinn, in dem sie das Wort Kraft verwenden. Als Quantentheorie verhält sich die Schwerkraft sehr analog zu den elektromagnetischen, schwachen und starken Kräften, obwohl es natürlich Unterschiede in den Details gibt. Beachten Sie auch, dass wir eine Gravitationswelle erhalten, wenn wir die klassische Grenze vieler Gravitonen mit niedriger Energie (das krafttragende Teilchen für die Gravitationswechselwirkung) nehmen. Und welche Kräfte erzeugen Gravitationswellen? Gezeitenkräfte! Dies ist aus dem charakteristischen Dehnungs- und Quetschmuster ersichtlich, das mit der Gravitationswelle verbunden ist.

Ich würde also sagen, dass der kurze Ausdruck "Schwerkraft ist keine Kraft" die wahre Lüge für Kinder ist, die in pädagogischen Einführungen in die allgemeine Relativitätstheorie vorkommt.

Warum werden wir in der Mittelschule über Kräfte unterrichtet?

Ich würde Shings Antwort folgen. Es geht um Pädagogik: Für Kinder ist es einfach, Kraft zu denken und zu visualisieren. Sie können einen Stuhl schieben oder ein Gummiband ziehen. Wenn Sie einen Stein, der an eine Schnur in einem Kreis gebunden ist, schwingen , können Sie die Zentrifugalkraft fühlen.

Es folgt auch der historischen Entwicklung der Disziplin, die Sie meinen, Sie lernen, wie Wissenschaft durch die induktive Methode sowie durch Theorie und inspirierte Vermutung funktioniert: Schließlich hat Planck tatsächlich nur die Quanten erraten, um das Problem der Schwarzkörperstrahlung zu lösen.

Es ist auch die Sprache, die kodiert, wie Physik durchdacht und konzeptualisiert wird: Kraft wird als Impuls ausgedrückt, und dann geht der Übergang zum Lagrange-Formalismus zu verallgemeinerten Impulsen; und dann wieder zu QM, indem sie durch ihre Operatoräquivalente ersetzt werden.

Warum ist GR keine Kraft

Der andere Grund ist, dass der Wechsel zu GR nicht funktioniert die Newtonsche Mechanik nicht negieren oder verfälschen; In einem lokalen Rahmen gibt es eine Newtonsche Näherung, in der die Schwerkraft wie gewöhnlich als Kraft auftritt.

Auf dem globalen Bild kann man sehen, dass sie einer Geodät folgt, an die wir uns erinnern sollten ein Teilchen, das einer "geraden" Linie auf einer gekrümmten Oberfläche folgt; also eine Verallgemeinerung von Newtons erstem Gesetz.

Das Problem ist in gewisser Weise das Wort 'ist'; anstatt zu denken, dass es nur eine Sache bedeutet, ist es besser zu denken, dass es zwischen mehreren Beschreibungen nicht eindeutig ist:

Dieser Ball ist blau gestrichen; ist rund; liegt auf dem Boden: Mehrere sollen verschiedene Perspektiven auf die Situation one und single beschreiben.

Wenn die Schwerkraft keine Kraft ist, warum lernen wir dann in der Schule, dass sie es ist?

Weil sie eine Kraft ist. Es ist einfach keine Kraft im Newtonschen Sinne, wobei Arbeit = Kraft x Abstand. Wenn Sie einen Stein fallen lassen, fügt die "Schwerkraft" dem Stein keine Energie hinzu. Stattdessen wandelt es potentielle Energie in kinetische Energie um. Dies unterscheidet sich von dem, was Sie tun, wenn Sie den Stein horizontal beschleunigen. Dann arbeiten Sie daran. Sie fügen Energie hinzu. Sie arbeiten auch am Ziegel, wenn Sie ihn anheben. Sie üben eine Kraft x Abstand gegen die Schwerkraft aus und fügen dem Ziegel * Energie hinzu. Wenn Sie dann den Stein fallen lassen, wird diese potentielle Energie in kinetische Energie umgewandelt. Sobald der Stein den Boden berührt, wird diese Energie abgeführt und Sie starten den Zyklus erneut. Der Prozess ist nicht anders als das, was Sie tun würden, wenn Sie ein Elektron von einem Proton wegziehen würden. Denken Sie also nicht, dass die Schwerkraft in irgendeiner Weise einzigartig ist.

Ich habe einige von Einsteins Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie studiert und verstehe, dass die Schwerkraft keine Kraft ist, sondern die Auswirkungen von Objekten, die die Raumzeit krümmen. Wenn dies wahr ist

Es ist leider nicht ganz richtig. Die Raumzeitkrümmung bezieht sich auf die Gezeitenkraft, während sich die "Raumzeitneigung" auf die Schwerkraft bezieht. Sehen Sie die gekippten Lichtkegel hier.

Warum werden wir dann in der Mittelschule angewiesen, dass es sich um eine Kraft handelt?

Wiederum, weil es so ist. Sie erzählen dir einfach nicht die ganze Geschichte, das ist alles. Stellen Sie eine Frage zum Anheben eines Ziegels und zum Vergleich mit dem Abziehen des Elektrons vom Proton. Schauen Sie sich das Massendefizit an und stellen Sie immer wieder Fragen!

^{* Genau genommen fügen Sie der Erde auch Energie hinzu, aber während der Impuls gleichermaßen geteilt wird, ist Energie dies nicht. Die Erde bekommt einen so kleinen Anteil, dass wir ihn ignorieren. sup>}