Die maximale Eigenzeit

Wenn ihr euch nochmal an die Bewegung auf der Kugel erinnert, dann gab es dort zwei Möglichkeiten, um eine kräftefreie Bahn (also die Bewegung auf einem Großkreis) zu charakterisieren: Ihr könnt die kürzeste Verbindung zwischen zwei Punkten betrachten, oder ihr könnt an einem Ort in einer bestimmten Richtung losmarschieren. Beide Möglichkeiten legen eine Geodäte auf der Kugel eindeutig fest. (Mathematisch liegt das daran, dass ihr es mit einer Differentialgleichung 2. Ordnung zu tun habt, die braucht zwei Randbedingungen.)

Bei einer Bewegung in der Raumzeit der ART gilt dasselbe Prinzip. Eben haben wir die Bewegungsgleichung verwendet – die beruht darauf, dass ihr wisst, wann und wo ihr startet und welche Geschwindigkeit ihr habt. Dann könnt ihr zu jedem Zeitpunkt die Beschleunigung ausrechnen und damit die Bahn verfolgen.

Alternativ könnt ihr euch aber auch fragen: “Welche Geodäte verbindet zwei unterschiedliche Raumzeitpunkte?” Also, in etwas alltäglicherer Sprache ausgedrückt: Welche Bahn muss ein Objekt nehmen, auf das nur die Schwerkraft wirkt, um vom Ort A in einer bestimmten zeit zum Ort B zu kommen. Wenn ihr nochmal oben auf das Bild der Parabeln schaut, seht ihr, dass die Bahn, die der nach oben geworfene Ball nimmt, eindeutig festliegt, wenn ihr wisst, wie lange der Abstand zwischen Hochwerfen und Auffangen sein soll.

Diese Geodäte lässt sich auf folgende Weise festlegen: Stellt euch vor, der Ball hätte eine kleine Uhr bei sich. Während er sich im “Schwerefeld” (also der gekrümmten Raumzeit) herumbewegt, wird der Gang dieser Uhr auf zwei Weisen beeinflusst: Zum einen dadurch, dass die Zeit ja in unterschiedlicher Höhe unterschiedlich schnell läuft, zum anderen dadurch, dass für ein schnell bewegtes Objekt die Zeit ja nach der speziellen Relativitätstheorie etwas langsamer läuft. Insgesamt ist die Geodäte diejenige Bahn in der Raumzeit, bei der die Zeit, die für den Ball vergeht, maximiert wird. (Und man kann mathematisch zeigen, dass das äquivalent zur Bewegungsgleichung ist, die wir oben aufgestellt haben, ähnlichwie die Geodäte auf der Kugel einerseits die kürzeste Verbindung zwischen zwei Punkten ist und andererseits die Kurve, der ein Objekt folgt, dass an einem bestimmten Ort in eine bestimmte Richtung losrollt.) Das ist das “Prinzip der maximalen Eigenzeit”, das ich etwas ausführlicher auch hier erklärt habe.

Vergleicht noch einmal die beiden Bilder der Geodäten auf der Kugel und in der Raumzeit:

paralleltransportGeodaeteparabelGeodaete

Die Bahn im Bild links ist nach oben gekrümmt, weil dort die Abstände in Ost-West-Richtung zwischen den Längegraden kleiner werden, dafür müssen wir einen kleinen Nord-Süd-Umweg in Kauf nehmen. Zu weit nach oben gekrümmt darf die Bahn deshalb nicht sein, sonst wird der Nord-Süd-Umweg zu groß. Die Bahn rechts ist gekrümmt, weil in größerer Höhe die Zeit etwas schneller verläuft (und der hochgeworfene Ball soll ja die maximale Eigenzeit bekommen). Zu weit nach oben kann der Ball aber nicht fliegen, dann wird seine Geschwindigkeit zu groß (er soll ja nach festgelegter Zeit wieder ankommen), und die Zeitdilatation der SRT schlägt zu. Die Logik ist also in beiden Fällen ziemlich ähnlich.

Objekte, auf die in der ART keine Kräfte wirken (die sich also in der gekrümmten Raumzeit bewegen) folgen also Bahnen, auf denen die Eigenzeit maximiert wird. So zumindest wird es gern formuliert, die Formulierung ist so aber etwas unsauber, wie man leicht merkt, wenn man sich folgende Frage stellt: “Warum fallen Objekte eigentlich nicht nach oben?”

Klingt verrückt? Objekte sollten doch wohl nach unten fallen. Aber wenn ihr euch vorstellt, das ein Objekt seine Geodäte so “sucht”, dass es seine Eigenzeit maximiert, dann wäre es doch sinnvoll, statt nach unten nach oben zu fallen, denn oben geht die Zeit schneller und ich bekomme “mehr” Eigenzeit. Wenn man so argumentiert, vergisst man aber, dass das Prinzip der maximalen Eigenzeit in dieser einfachen Form nur angewandt werden darf, wenn ich Anfangs- und Endpunkt festlege.

Gehen wir nochmal kurz zurück zur Kugeloberfläche: Wenn ihr zwei einigermaßen dicht benachbarte Punkte auf der Kugeloberfläche (wie immer auf der Nordhalbkugel) betrachtet und euch fragt “was ist der kürzeste Weg zwischen beiden”, dann ist dieser Weg immer leicht in Richtung Norden gekrümmt. Wenn ihr analog zwei benachbarte Raumzeitpunkte betrachtet und euch fragt “was ist der Weg maximaler Eigenzeit zwischen den beiden”, dann ist die Geodäte immer nach oben gekrümmt. Wenn ihr deshalb auf der Kugel genau in Richtung Osten startet, dann bewegt ihr euch entsprechend zwangsläufig nach einer Weile nach Süden, das Bild dazu gab’s oben schon:

paralleltransportGeodaete2

Um beim Weg nach Osten nach einer Weile wieder auf gleicher Höhe zu sein, müsst ihr am Anfang etwas nach Norden fliegen.

Und genauso gilt, wenn ihr in einem Schwerefeld in der gekrümmten Raumzeit im Raum-Zeit-Diagramm in horizontaler Richtung startet (ihr habt also keine Geschwindigkeit und seid anfänglich in Ruhe), dann bewegt ihr euch zwangsläufig nach unten:

parabelGeodaete4

Um nach kurzer Zeit wieder auf gleicher Höhe zu sein, müsst ihr am Anfang entsprechend nach oben fliegen.

Und genau deswegen fallen Dinge nach unten und nicht nach oben, auch wenn das Prinzip der maximalen Eigenzeit etwas anderes zu suggerieren scheint.

Fazit

Wie üblich ist der Artikel viiieeel länger geworden als gedacht – dass gleich drei Teile einer Serie draus werden, hatte ich am Anfang wirklich nicht erwartet. Am Ende zeigt sich aber, dass man in der ART tatsächlich (wenn man hinreichend viele Effekte vernachlässigt) die Bewegung genau so herausbekommt, wie sie auch bei Newton stand. Entscheidend dabei ist, dass die zeit in größerem Abstand von einer Masse etwas schneller verläuft. Das führt dazu, dass Geodäten “nach oben” gekrümmt sind. Die Bewegungsgleichung, die am Ende herauskommt, ist in beiden Fällen dieselbe. Bei Newton sind es Kräfte, die Beschleunigungen verursachen, in der ART ist es die Krümmung der Raumzeit (ganz analog zur Krümmung der Kugel, die unsere Geodäten auf der Landkarte krümmt). Die Verbindung zwischen beiden kommt dadurch zu Stande, dass in der Formel für die Zeitdilatation derselbe mathematische Ausdruck drinsteckt wie in der Newtonschen Formel für das Gravitationspotential.

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Kommentare (17)

  1. #1 Ingo
    9. April 2016

    Leider fehlt mir immer noch das mathematische Verständnis wie eine gekrümmte Geometrie mathematisch beschrieben wird.
    Weg der maximalen Eigenzeit – ok
    Eigenzeit abhängig vom Gravitationspotenzial abhängig von der Entfernung zur Masse und der Masse – ok.

    Aber um zu verstehen wie genau Licht gekrümmt wird reicht es leider nicht.
    Maximale Eigenzeit und kleinster Weg.
    Von Eigenzeit kann man bei Licht nicht sprechen da null.
    “Kleinster Weg” macht Sinn, da die Strecke in der nähe der Masse länger ist – daher gekrümmt.
    Aber welche Faktoren in den Formeln da herumspielen, ist mir noch unklar.
    (Allerdings war das Thema Newton-artige Bewegung und nicht ART)

    Ist euch hierzu eine Seite bekannt wo man sich genauer in die Mathematik gekummter Geometrien einlesen kann?

  2. #2 michael
    9. April 2016

    Kleine (irrelevant) Korrektur: \cos x \approx 1 - \frac{x^2}{2}

  3. #3 MartinB
    10. April 2016

    @michael
    Danke, ist korrigiert.

    @Ingo
    “Aber um zu verstehen wie genau Licht gekrümmt wird reicht es leider nicht.”
    Nein, das hier ist ja die Newtonsche Näherung (man kann in der die Lichtablenkung berechnen, aber die ist dann um einen Faktor 2 falsch). Das Prinzip ist aber auch für Licht-Geodäten dasselbe – dort muss als “Eigenzeit” immer exakt Null herauskommen. Und wenn du einen Weg mit Eigenzeit Null in der Nähe einer Masse suchst, dann ist der automatisch gekrümmt.

    Artikel zum Thema Raumzeitkrümmung hab ich ja reichlich geschrieben (die tag-Wolke oder die Stichwortsuche sollte die meisten finden); an Büchern ist ne Frage, wie tief di einsteigen willst. Der Klassiker ist das Buch von Misner Thorne Wheeler, das ist auch meine erste Anlaufstelle, wenn ich was wissen will.

  4. #4 Artur57
    11. April 2016

    Also für mich war es echt lehrreich, auch ein Einblick in die “fiese Mathematik”. Nur eben, was Martin in seiner universitären Umgebung vielleicht entgeht: Misner Thorne Wheeler sind für den Privatmann nicht unter 304 Euro zu haben. Ist ja schon ein kleine Hindernis.

    Warum tut man sich so schwer, die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit zu veranschaulichen? Wir haben in der Nähe der Sonne eine Lichtkrümmung und eine etwas langsamer gehende Zeit. Und wir haben den Shapiro-Effekt, wonach die Lichtgeschwindigkeit an diesem Punkt kleiner ist. Dafür wiederum ist für den dort befindlichen Beobachter eine Sekunde etwas länger. Sodass insgesamt c konstant bleibt.

    Kann man das so sagen?

  5. #5 MartinB
    11. April 2016

    @Artur57
    304 Euro? Wow. Aber auch als Privatmann kannst du dir z.B. ne Karte für die nächstbeste Uni-Bibliothek besorgen und das ding ausleihen. Solche seiten wie scribd bieten auch Zugriff.

    Ansonsten ist es zwar nicht der MTW, aber auch ziemlich gut (frei verfügbarer Download einer Buch-Vorversion):
    https://www.eftaylor.com/exploringblackholes/index.php

    Ob man das mit der Lichtgeschwindigkeit so sagen kann, bezweifle ich – der Shapiro-Effekt sagt ja, wie die Lichtgeschwindigkeit von außen betrachtet aussieht, aber Konstanz der Lichtgeschwindigkeit ist ja immer nur lokal.

  6. #6 Niels
    11. April 2016

    @Ingo @Artur57
    Der MTW ist für einen Einsteiger ein ziemlicher Overkill. Würde ich nicht empfehlen, selbst wenn man kostenlos drankommt.

    Ich würde mal Ulrich E. Schröder, Gravitation. Einführung in die Allgemeine Relativitätstheorie als Einstieg empfehlen.
    Da wird man nicht von der Mathematik erschlagen, man ist mit 19 Euro dabei, mit nur 160 Seiten bleibt die Sache erst einmal überschaubar und die Verwendung der deutschen Sprache ist bei der ersten Begegnung mit dem Thema bestimmt auch kein Nachteil.

    Danach dann, wenn Deutsch gewünscht wird:
    Ray d’Inverno, Einführung in die Relativitätstheorie
    oder
    Eckhard Rebhan, Theoretische Physik: Relativitätstheorie und Kosmologie
    beide für jeweils etwa 50 Euro.

    Oder auf Englisch die berühmten
    Lecture Notes on General Relativity von Sean M. Carroll.
    https://arxiv.org/abs/gr-qc/9712019
    Gibt es in erweiterter Fassung auch gebunden, Sean M. Carroll, Spacetime and Geometry:An Introduction to General Relativity
    Da würde ich mir die über 100 Euro für das Buch aber erst mal sparen und ins kostenlose Script schauen.
    Sehr gute Einführung, die viel fürs grundlegende Verständnis bringt, aber ohne die ganz fortgeschrittene Mathematik auskommt.

    Darüber hinaus gibt es natürlich zahllose sehr gute Vorlesungsscripte auf Englisch oder Deutsch.
    Wenn gewünscht, kann ich Empfehlungen liefern.

  7. #7 MartinB
    12. April 2016

    @Niels
    Danke für die Leseliste.

  8. #8 Artur57
    12. April 2016

    @Martin @Niels

    Ich glaube, das Problem ist damit behoben. Danke !!!

  9. #9 Niels
    14. April 2016

    @MartinB
    Na ja, dir würde ich andere Bücher empfehlen. Wenn du noch nie in den Carroll reingeschaut hast, lohnt sich das bei bestimmten Themen wahrscheinlich aber trotzdem.

    @Artur57
    Ich würde mich an deiner Stelle aber erst einmal gründlich mit der SRT beschäftigen, bevor ich bei der ART einsteige. Die wird in der ART-Literatur zwar häufig am Anfang kurz wiederholt, wenn man das vorher aber noch nie gesehen hat, reicht das aber höchstwahrscheinlich nicht aus.
    Reine SRT-Literatur kenne ich aber nicht, das habe ich im Laufe des Studiums mit in den Theorie-Vorlesungen gelernt, also über Kapitel in den bekannten Buchreihen zur theoretischen Physik.
    (Wobei ich gerade sehe: Den Nolting haben sie seit meinem Studium noch stärker aufgesplittet.
    Es gibt jetzt den
    Wolfgang Nolting, (Grundkurs Theoretische Physik 4/1: Spezielle Relativitätstheorie.
    Der Nolting ist für Einsteiger bestimmt am
    mit Geeignetsten und 15 Euro ist ein ziemlich guter Preis.

    Kostenlos und auf deutsch finde ich die Scripte von Hans-Jürgen Matschull zur Relativitätstheorie noch sehr gut.
    https://wwwthep.physik.uni-mainz.de/~matschul/
    Teil I sind 120 Seiten über die spezielle Relativitätstheorie. Allerdings wird hier Wert darauf gelegt, den mathematischen Brückenschlag zur ART vorzubereiten. Das ist zwar einerseits eine sehr gute Idee, andererseits für die erste Begegnung mit der SRT aber mathematisch schon ziemlich anspruchsvoll.

    Das gesamte Relativitätstheorie-Script von Matschull muss sich meiner Meinung nach vor den 60 Euro teuren deutschen ART-Büchern nicht verstecken, der Umfang dürfte sogar ein wenig größer sein.

  10. #10 Boombox
    21. April 2016

    Wie meistens ein sehr interessanter Artikel, aber ich habe ein Verständnisproblem.

    Dass die kürzeste Verbindung zwischen zwei Punkten auf der Nordhalbkugel bzw. in der gekrümmten Raumzeit etwas gekrümmt ist, leuchtet mir irgendwie ein.

    Warum allerdings ein Objekt, das sich auf der Nordhalbkugel genau nach Osten bewegt bzw. in der gekrümmten Raumzeit stillsteht, automatisch nach Süden bzw. unten abgelenkt wird, verstehe ich nicht. In beiden Fällen ändert sich ja nicht der jeweilige Maßstab auf dem Weg des Objekts. Auf einem Breitenkreis sind die Schnittpunkte mit den Längenkreisen immer gleich weit voneinander entfernt und die Zeit läuft auch nicht in horizontaler Richtung unterschiedlich schnell, sondern nur in vertikaler Richtung.

    Warum “merkt” das Objekt dann trotzdem was davon und wird abgelenkt, anstatt sich einfach weiter nach Osten zu bewegen bzw. stillzustehen?

  11. #11 MartinB
    22. April 2016

    @Boombox
    Der Weg genau nach Osten ist schlicht kein Großkreis und deswegen nicht “gerade”, das sah man ja im zweiten Teil. Wenn du den Weg immer weiter läufst, umrundest du ja die Erde auf einem kleineren Kreis. Du kannst zwei Punkt auf einem Globus, die auf gleichem Breitengrad liegen, mit einem Faden verbinden, dann siehst du, dass der kürzeste Weg nicht der entlang des Breitengrads ist.
    Du kannst die auch schlicht vorstellen, dass du dein Koordinatensystem so verschiebst, dass dein aktueller Punkt der Pol ist, dann siehst du auch, welche Bahnen Großkreise sind.

  12. #12 Boombox
    22. April 2016

    Ah, danke. Ich glaube, jetzt habe ich es verstanden.

    Aber zur Sicherheit werde ich noch einmal die ganze Artikelserie von vorne lesen, sobald ich Zeit genug habe. 🙂

  13. #13 MartinB
    22. April 2016

    @Boombox
    Ja, das schadet nie (Klicks! $$$$!!!!)

  14. #14 RolfM
    Berlin
    24. April 2016

    Frage:
    In der Newtonschen Sicht hat ein Objekt im Abstand r eine um Gm0M/r geringere Energie, also m=m0-Gm0M/(rc^2)=m0(1-rS/(2r)), wobei rS= 2GM/c^2 der Schwarzschildradius ist. Hätte man eine Masse M, an die man sich bis auf z.B. 2rS nähern könnte, so würde von außen eine Ruhmassenabnahme von 25% sichtbar. Vermutlich aber führt das hier verwendete Newtonsche Potential zu falschem Ergebnis. Wie muss man ein Potential (oder Grav.-Energie) in der ART richtig berechnen, z.B. in der Schwarzschildmetrik?

  15. #15 MartinB
    24. April 2016

    @RolfM
    Das ist eine ziemlich knifflige Frage, weil es ein echtes “Potential” nicht gibt. Es wird ausführlich im Buch “Exploring Black holes” vorgerechnet, aber eine kurze, intuitive Antwort habe ich leider nicht.

  16. #16 Selina
    21. Dezember 2018

    Woran kann ich einfach sehen, dass die Eigenzeit MAXIMIERT werden soll? Es heißt immer in der klassischen Physik, dass Größen minimiert werden wollen, wie beim Prinzip der kleinsten Wirkung.

    Die kürzeste Verbindung in Raumzeit muss die maximale Eigenzeit haben; das ist schon bisschen wirdersprüchlich auf den ersten Blick, wenn man vom Standpunkt der klassischen Physik ausgeht. Das ist aber die Eigenart der Raumzeit und Relativitätstheorie.

    “dass es seine Eigenzeit maximiert, dann wäre es doch sinnvoll, statt nach unten nach oben zu fallen, denn oben geht die Zeit schneller und ich bekomme “mehr” Eigenzeit. Wenn man so argumentiert, vergisst man aber, dass das Prinzip der maximalen Eigenzeit in dieser einfachen Form nur angewandt werden darf, wenn ich Anfangs- und Endpunkt festlege.”

    Kann ich einfach sagen, dass der Ball runterfällt, weil die Raumzeit Krümmung ihn dort führt?

  17. #17 Selina
    21. Dezember 2018

    “Wenn man so argumentiert, vergisst man aber, dass das Prinzip der maximalen Eigenzeit in dieser einfachen Form nur angewandt werden darf, wenn ich Anfangs- und Endpunkt festlege.”

    Wenn der Ball noch höher fliegen sollte, dann müsste er ja eine höhere Geschwindigkeit haben. Das bedeutet aber, dass die Eigenzeit wegen SRT langsamer werden muss, was nicht gut für die Maximierung der Eigenzeit ist. Das hat aus meiner Sicht nichts mit Anfangs- und Endpunkt zu tun.