Einsteins Baby: Wie hat sich die Relativitätstheorie im Laufe der Zeit gehalten?

Albert Einstein 1879 - 1955 ist ein guter Begriff, und das aus gutem Grund. Dank der immensen Beiträge, die er im Laufe seines Lebens zu verschiedenen Bereichen der Wissenschaft geleistet hat, trägt Einstein genau diesen NamenSynonym für Genie werden.

Das Bild des weißhaarigen Wissenschaftlers mit der skurrilen Einstellung ist auch ihm zu verdanken. Selbst diejenigen, die sich mit Physik, Kosmologie oder Quantenmechanik nicht auskennen, erkennen wahrscheinlich den Begriff Relativitätstheorie oder die elegante Gleichung. E = mc² .

VERBINDUNG: EINSTEINS THEORIE DER ALLGEMEINEN RELATIVITÄT HÄLT JETZT AUF

Diese Theorie, die unser Verständnis des Universums revolutioniert hat, ist wohl Einsteins tiefgreifendster und dauerhaftester Beitrag. Und obwohl die Relativitätstheorie vor über einem Jahrhundert vorgeschlagen wurde, wird sie bis heute getestet und verifiziert. Aber zunächst ein kleiner Hintergrund...

Was vielleicht weniger bekannt ist, ist die Tatsache, dass Einstein den Begriff Relativitätstheorie nicht geprägt hat. Der Verdienst dafür geht an Galileo Galiläa 1564-1642, der das Konzept auch bekannt als galiläische Invarianz als Argumentationsmethode für den Heliozentriker vorschlugModell des Universums.

Galileos Schiff

Im Rahmen seiner Förderung des heliozentrischen Modells argumentierte Galileo, dass die Bewegungsgesetze in allen Trägheitsrahmen gleich sind. Dies wurde als galiläische Relativität oder Invarianz bekannt, die wie folgt zusammengefasst wird :

„Zwei Beobachter, die sich mit konstanter Geschwindigkeit und Richtung zueinander bewegen, erzielen für alle mechanischen Experimente die gleichen Ergebnisse.“

Er beschrieb dieses Prinzip zuerst in seiner Abhandlung von 1632 Dialog über die beiden Hauptsysteme der Welt Dies war seine Verteidigung des heliozentrischen Modells von Copernicus. Zur Veranschaulichung verwendete er ein Beispiel eines Schiffes, das mit konstanter Geschwindigkeit auf glattem Wasser fährt.

Für einen Beobachter unter Deck, so Galileo, wäre nicht klar, ob sich das Schiff bewegte oder stationär war. Wenn die Person auf dem Deck einen Ball auf den Fuß fallen lassen würde, würde er direkt nach unten fallenwenn es tatsächlich mit dem Schiff vorwärts fahren würde, wenn es fällt.

Dieses Argument war eine Möglichkeit zu zeigen, wie sich die Erde durch den Weltraum bewegen kann dh die Sonne umkreist, aber Beobachter, die auf ihrer Oberfläche stehen, würden es nicht sofort bemerken.

In ähnlicher Weise soll Galileo auch Experimente mit fallenden Körpern durchgeführt haben, bei denen er Kugeln unterschiedlicher Masse vom Schiefen Turm von Pisa fallen ließ.

Während diese Geschichte als apokryphisch angesehen wird, hat Galileo beobachtet, dass Objekte mit unterschiedlichen Massen mit der gleichen Geschwindigkeit auf den Boden fallen würden, wenn sie von einem erhöhten Punkt aus freigegeben werden.

Dies widersprach dem konventionellen aristotelischen Gedanken, dass die Geschwindigkeit, mit der ein Objekt fiel, von seiner Masse abhängt. Galileo fügte hinzu, dass Objekte ihre Geschwindigkeit beibehalten würden, wenn nicht eine externe Kraft diese Geschwindigkeit behindert.

Diese Beobachtungen würden den britischen Polymath Isaac Newton inspirieren, der diese Beobachtungen in einem einzigen System zusammenfassen würde, das über Jahrhunderte eine akzeptierte Konvention bleiben würde danach bekannt als Newtonsche Physik .

Newtons Apfel

Im späten 17. Jahrhundert verwendete Sir Isaac Newton 1642 - 1726/27 dieses Prinzip und Galileos Beobachtungen über die Schwerkraft, um seine zu entwickeln. Drei Bewegungsgesetze und sein Gesetz der universellen Gravitation . Die drei Gesetze besagen, dass :

1. Ein ruhender Körper bleibt in Ruhe und ein bewegter Körper bleibt in Bewegung, es sei denn, eine äußere, unausgeglichene Kraft wirkt auf ihn ein. Dies wird ansonsten als Trägheitsgesetz bezeichnet.
2. Kraft ist gleich Masse mal Beschleunigung, mathematisch ausgedrückt als f t = m ⋅ a t - wobei f Kraft ist, t Zeit ist, m Masse ist und a Beschleunigung ist.
3. Für jede Handlung in der Natur gibt es eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion - z. B. wenn Objekt A eine Kraft auf Objekt B ausübt, übt Objekt B auch eine gleiche Kraft auf Objekt A aus.

Newtons drei Gesetze haben die Schwerkraft effektiv über die Erde hinaus erweitert und argumentiert, dass dieselbe Kraft, die dazu führt, dass ein Apfel von einem Baum fällt, auch dazu führt, dass der Mond die Erde umkreist und die Planeten die Sonne umkreisen.

Die universelle Gravitation sagt uns, dass jeder Körper im Universum andere Körper mit einer Kraft anzieht, die direkt proportional zum Produkt ihrer Massen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes zwischen ihnen ist.

Mathematisch wird dies ausgedrückt als F = G m ₁ m ₂ / r², wo F ist die Gravitationskraft zwischen zwei Objekten m ₁ und m ₂ sind die Massen der Objekte r ist der Abstand zwischen ihnen und G ist die Gravitationskonstante.

Diese Theorien enthielten ausnahmslos zwei Schlussfolgerungen über die Natur von Raum und Zeit. Erstens, dass ein Trägheitsrahmen ein Bezugspunkt zu einem "absoluten Raum" ist. Zweitens, dass alle Trägheitsrahmen eine universelle Zeit teilen. Mit anderen Worten, Zeit undRaum sind absolut und getrennt.

Erst im späten 19. / frühen 20. Jahrhundert stieß die Newtonsche Physik auf ernsthafte Probleme. Dank zahlreicher Entdeckungen im Bereich der Atom- und Subatomphysik, der Natur von Materie & Energie sowie Zeit & Raumkam befragt.

Am Ende war es ein in der Schweiz lebender theoretischer Physiker der in einem Patentamt arbeitete, der eine Theorie anbot, die sich als revolutionär erweisen würde. Dies war kein anderer als Albert Einstein, dessen Relativitätstheorie aus zwei Teilen bestand.

Der erste, seine Theorie der Speziellen Relativitätstheorie, befasste sich mit Elektromagnetismus und dem Verhalten von Licht in Bezug auf Raum und Zeit. Der zweite, Allgemeine Relativitätstheorie, befasste sich mit Gravitationsfeldern in Bezug auf Raum und Zeit.

Spezielle Relativitätstheorie

1905 erlebte Einstein, was er sein nannte annus mirabilis "Wunderjahr", in dem er während seiner Arbeit beim Patentamt in Bern, Schweiz, mehrere bahnbrechende Arbeiten veröffentlichte.

Zuvor hatten sich Wissenschaftler mit den Inkonsistenzen zwischen der Newtonschen Physik und den Gesetzen zum Elektromagnetismus Teil des aufstrebenden Feldes der Quantenmechanik auseinandergesetzt.

Diese wurden durch Arbeiten der 19./20. Physiker James Clerk Maxwell 1831-1879 und Hendrik Antoon Lorentz 1853-1928 charakterisiert - speziell Maxwellsche Gleichungen und die Lorentz-Kraftgesetz .

Maxwells Gleichungen sind eine Reihe von Differentialgleichungen, die ein mathematisches Modell für das Verhalten von Elektrizität, Magnetismus und verwandten Phänomenen liefern. Im Wesentlichen drücken sie aus, wie sich schwankende elektrische und magnetische Felder mit konstanter Geschwindigkeit ausbreiten c im Vakuum.

Die Lorentzkraft beschreibt andererseits die elektromagnetische Kraft auf ein geladenes Teilchen, wenn es sich durch ein elektrisches und magnetisches Feld bewegt. Während diese Forschungsfelder genau beschrieben, wie sich elektrische und magnetische Wellen verhalten, stimmten sie nicht mit der Newtonschen Physik überein- was damals noch vorherrschte.

Diese Inkonsistenzen wurden besonders deutlich, wenn es darum ging, wie sich Licht von dem einen oder anderen Punkt aus bewegte. Bis zum 19. Jahrhundert war es Wissenschaftlern gelungen, die Lichtgeschwindigkeit anhand von Experimenten mit elektromagnetischen Wellen zu berechnen.

Dies führte zu der Erkenntnis, dass Licht tatsächlich eine elektromagnetische Welle ist und sich ähnlich verhält. Leider stellte dies eine Reihe theoretischer Probleme dar. Wie bei jeder anderen Art von Welle z. B. Schall würden die Phänomene ein Medium benötigenum sich zu verbreiten.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts bestand der wissenschaftliche Konsens darin, dass Licht durch ein sich bewegendes Medium im Raum wanderte und daher von diesem Medium mitgerissen wurde. Um dies zu erklären, postulierten Wissenschaftler, dass der Raum mit einem mysteriösen "leuchtenden Äther" gefüllt war".

Kurz gesagt bedeutete dies, dass die Lichtgeschwindigkeit - 299.792.458 m / s 300.000 km / s; 186.000 mps - war die Summe seiner Geschwindigkeit durch den Äther plus die Geschwindigkeit dieses Äthers. Mit anderen Worten, die Lichtgeschwindigkeit gemessen war nicht absolut und hing von dem Medium ab, mit dem er sich ausbreitete.

Eine Folge davon war, dass entweder der Äther selbst durch bewegte Materie gezogen oder mit ihm transportiert wurde. Leider stimmte dies nicht mit den experimentellen Ergebnissen überein und stellte zahlreiche theoretische Probleme dar.

Zum Beispiel die Fizeau Water Tube Experiment 1851 hat die Lichtgeschwindigkeit beim Durchgang durch Wasser gemessen. Wenn die aktuelle Theorie der Lichtausbreitung korrekt wäre, hätte das Experiment eine merkliche Verringerung der Geschwindigkeit gezeigt.

Und während die Ergebnisse zeigten, dass Licht, das durch ein Medium wandert, einem Widerstand ausgesetzt war, war der Effekt nicht annähernd so stark wie erwartet. Andere durchgeführte Experimente hatten ähnliche Ergebnisse, wie z. Fresnels partielle Ätherwiderstandshypothese und die Experimente von Sir George Stokes .

Dies führte dazu, dass sich Wissenschaftler am Kopf kratzten. 1905 ging Einstein mit seiner wegweisenden Arbeit auf diese Inkonsistenzen ein. Zur Elektrodynamik bewegter Körper " "Zur Elektrodynamik bewegter Körper" .

Darin argumentierte Einstein, dass die Lichtgeschwindigkeit c im Vakuum ist konstant, unabhängig vom Trägheitsreferenzrahmen der Quelle oder des Beobachters. Dies wurde als Einsteins Theorie der speziellen Relativitätstheorie bekannt, die oft durch die einfache Gleichung zusammengefasst wird E = mc² wo E ist Energie, m ist Masse und c ist die Lichtgeschwindigkeit.

Diese Theorie würde Jahrhunderte wissenschaftlicher Orthodoxie auf den Kopf stellen und aufgrund ihrer Einfachheit und der Lösung der Inkonsistenzen zwischen Elektromagnetismus und klassischer Mechanik bahnbrechend sein.

Zum einen wurden Maxwells Gleichungen für Elektrizität und Magnetismus mit den Gesetzen der Newtonschen Mechanik in Einklang gebracht. Außerdem wurde die Mathematik vereinfacht, indem überflüssige Erklärungen abgeschafft und die Existenz eines Äthers unnötig gemacht wurden.

Einsteins Theorie führte auch die Idee ein, dass bei Annäherung eines Objekts an die Lichtgeschwindigkeit große Änderungen in Bezug auf die Raumzeit auftraten. Dies schließt die Zeitdilatation ein, bei der sich die Wahrnehmung der Zeit für den Betrachter verlangsamt, je näher er kommt. c.

All dies würde dazu dienen, die klassische Mechanik auf den Kopf zu stellen. Während das konventionelle Denken der Ansicht war, dass Materie und Energie getrennt sind, schlug Einsteins Theorie im Wesentlichen vor, dass beide Ausdrücke derselben Realität waren.

Mit anderen Worten, man kann sich nicht durch den Raum bewegen, ohne sich auch durch die Zeit zu bewegen.

Allgemeine Relativitätstheorie

Zwischen 1907 und 1915 begann Einstein zu überlegen, wie seine Theorie der Speziellen Relativitätstheorie auf Gravitationsfelder angewendet werden könnte. Dies war ein weiterer Stolperstein für moderne Wissenschaftler, die dies zu bemerken begannen. Newtons Gesetz der universellen Gravitation hatte Grenzen.

Auch hier wurden Inkonsistenzen aufgrund von Durchbrüchen auf dem Gebiet des Elektromagnetismus festgestellt. Beispielsweise veröffentlichte James Clerk Maxwell 1865 sein Hauptwerk. " Eine dynamische Theorie des elektromagnetischen Feldes ".

Am Ende dieses Artikels machte er die folgenden Kommentare zur Gravitation :

"Nachdem wir die Wirkung des umgebenden Mediums sowohl der magnetischen als auch der elektrischen Anziehungskraft und Abstoßung verfolgt und festgestellt haben, dass sie vom umgekehrten Quadrat der Entfernung abhängen, werden wir natürlich gefragt, ob die Anziehungskraft der Gravitation, die der folgtdas gleiche Gesetz der Entfernung ist auch nicht auf die Wirkung eines umgebenden Mediums zurückzuführen. "

Maxwell räumte jedoch ein, dass dies ein Paradoxon aufwirft. Grundsätzlich würde die Anziehung ähnlicher Körper bedeuten, dass die Energie des umgebenden Mediums in Gegenwart dieser Medien abnimmt. Ohne einen Grund für die Gravitation zu finden, gab Maxwell zu, dass er nicht in der Lage warum dies zu lösen.

In den Jahren 1900 und 1905 theoretisierten Lorentz und der Mathematiker Henri Poincaré, dass die Gravitation mit der Ausbreitung von Licht zusammenhängen könnte, was das widerspiegelte, was Einstein letztendlich mit seiner argumentieren würde. Allgemeine Relativitätstheorie .

1907 veröffentlichte Einstein den ersten einer Reihe von Artikeln, die diese Probleme lösen sollten. Titel " Über das Relativitätsprinzip und die daraus gezogenen Schlussfolgerungen ", Einstein ging darauf ein, wie die Regel der speziellen Relativitätstheorie auch für die Beschleunigung gelten könnte.

In diesem Artikel schlug Einstein das vor Äquivalenzprinzip was besagt, dass die Gravitationsmasse mit der Trägheitsmasse identisch ist. Zur Veranschaulichung erklärte er dies die Beschleunigung von Körpern in Richtung Erdmittelpunkt mit einer Geschwindigkeit von 1 g g = 9,81 m / s ² entspricht der Beschleunigung eines sich träg bewegenden Körpers, die bei einer Rakete im freien Raum beobachtet würde, die mit einer Geschwindigkeit von 1 beschleunigt wird. g . So Freier Fall ist tatsächlich Trägheit und der Beobachter erfährt dadurch kein Gravitationsfeld.

In dieser Hinsicht argumentierte Einstein, dass Raum und Zeit - die auch von der klassischen Physik getrennt wurden - zwei Ausdrücke derselben Sache seien.

Bis 1911 erweiterte Einstein sein Papier von 1907 um ein neues Papier mit dem Titel „ Über den Einfluss der Gravitation auf die Lichtausbreitung " . Dabei sagte er voraus, dass ein Objekt, das sich von einer Gravitationsquelle weg beschleunigt, schneller Zeit erfahren würde als eines, das still in einem unveränderlichen Gravitationsfeld sitzt.

Dieses Phänomen ist als Gravitationszeitdilatation bekannt, bei der die Wahrnehmung der Zeit in Abhängigkeit von der Entfernung des Beobachters von einer Gravitationsmasse oder Position innerhalb eines Gravitationsfeldes unterschiedlich ist.

Im selben Artikel sagte er die Biegung des Lichts in einem Gravitationsfeld und die Rotverschiebung der Gravitation auch bekannt als voraus. Dopplerverschiebung .Ersteres ist eine Folge des Äquivalenzprinzips, bei dem der Lichtdurchgang durch die Krümmung der Raum-Zeit beeinflusst wird und seine Ablenkung von der Masse des betroffenen Körpers abhängt.

Letzteres betrifft Licht, das einen massiven Körper verlässt wie ein entfernter Stern oder eine Galaxie, der dann aufgrund von Energieverlust zum roten Ende des Spektrums verschoben wird, um Gravitationsfeldern zu entkommen mehr dazu weiter unten.

Diese Argumente waren besonders einflussreich, weil sie anders als das, was Einstein 1907 argumentierte durch astronomische Beobachtungen verifiziert werden konnten. Einstein schrieb in den kommenden Jahren mehrere weitere Arbeiten, in denen er seine Gravitationstheorien erweiterte, und bis 1915 begannen sieakzeptiert werden.

Seit dieser Zeit wurde die Allgemeine Relativitätstheorie durch mehrere Experimente bestätigt und spielt eine zentrale Rolle in der modernen Astrophysik. Sie würde eine Rolle bei der Entwicklung der Theorien über Schwarze Löcher, kosmische Expansion, Dunkle Energie und andere Aspekte der modernen Kosmologie spielen.

Wie wurde die Relativitätstheorie getestet und bestätigt?

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Sowohl die Spezielle Relativitätstheorie SR als auch die Allgemeine Relativitätstheorie GR wurden im Laufe des letzten Jahrhunderts wiederholt getestet und immer wieder bestätigt.

Noch bevor Einstein seine Theorie der SR vorschlug, gab es eine experimentelle Grundlage dafür was ihn letztendlich dazu veranlasste, seine Theorie zu entwickeln. Außerdem dauerte es nicht lange, bis Wissenschaftler seine Theorien übernahmenweitere Durchbrüche machen.

Aber erst in den Jahrzehnten seit dem Vorschlag der Relativitätstheorie wurden Einsteins Theorien so gründlich überprüft und getestet. Tatsächlich hat vieles, was Astronomen über unser Universum gelernt haben, seit Einstein SR und GR vorgeschlagen hat, seine Theorien verstärkt.

Merkurs Präzession des Perihels

Für den Anfang löste GR ein Problem, das Astronomen seit 1859 zu lösen versucht hatten. Dies war die merkwürdige Natur der Merkur-Umlaufbahn. Jahrhunderte lang verließen sich Astronomen auf die Newtonsche Mechanik, um die Umlaufbahn von Merkur um die Sonne zu berechnen.

Während diese Mechanik die Exzentrizität der Umlaufbahn des Planeten erklären könnte, konnten sie nicht erklären, warum sich der Punkt, an dem Merkur das Perihel erreichte der am weitesten entfernte Punkt seiner Umlaufbahn, im Laufe der Zeit um die Sonne verschob.

Dieses Problem war als Merkurs "Präzession des Perihels" bekannt, was nach der klassischen Physik keinen Sinn ergab, da nach Newton der Punkt des Perihels in einem Zweikörpersystem festgelegt wurde.

Eine Reihe von Lösungen wurde vorgeschlagen, die jedoch tendenziell mehr Probleme mit sich brachten als sie lösten. Einsteins GR-Theorie - bei der die Gravitation durch die Krümmung der Raumzeit vermittelt wird - stimmte jedoch mit dem beobachteten Ausmaß der Perihelverschiebung überein.

Das war eine der ersten, aber definitiv nicht die letzten Vorhersagen von Einstein, die bestätigt werden würden. Hier noch ein paar ...

Schwarze Löcher und Gravitationswellen

Eine der Vorhersagen von GR ist, dass eine ausreichend kompakte Masse die Raumzeit so weit verformen könnte, dass innerhalb ihrer äußeren Grenze auch bekannt als Ereignishorizont die Zeit aufhört und die Gesetze der Physik nicht mehr voneinander zu unterscheiden sind.

Eine Folge davon ist, dass die Gravitationsstärke tatsächlich die Lichtgeschwindigkeit überschreiten würde, was diese kompakte Masse zum idealen "schwarzen Körper" macht - was bedeutet, dass keine elektromagnetische Strahlung einschließlich Licht entweichen kann.

Während Wissenschaftler zuvor über solche Massen theoretisiert hatten, war Karl Schwarzschild der erste, der die Existenz von "Schwarzen Löchern" als Lösung von GR vorschlug. 1916 berechnete er den Radius, den eine Masse erreichen müsste, um ein Schwarzes Loch zu werdendanach als Schwarzchild Radius bekannt.

Schwarze Löcher blieben jahrzehntelang eine wissenschaftliche Kuriosität. In den 1960er Jahren, die oft als "Goldenes Zeitalter der Allgemeinen Relativitätstheorie" bezeichnet werden, begann die Erforschung von GR und kosmologischen Phänomenen den Einfluss von Schwarzen Löchern zu demonstrieren.

In den 1970er Jahren entdeckten Astronomen, dass eine Funkquelle im Zentrum der Milchstraße Schütze A * ebenfalls eine helle und sehr kompakte Komponente aufwies. In Kombination mit nachfolgenden Beobachtungen der Umgebung führte dies zu der Theorie, dassSag A * war in der Tat ein Supermassive Black Hole SMBH.

Seitdem haben Astronomen beobachtet, dass die meisten massiven Galaxien ähnlich aktive Kerne haben, die dazu führen, dass sie in den Wellenlängen von Radio, Infrarot, Röntgen und Gammastrahlen hell leuchten. Bei einigen wurde sogar festgestellt, dass Jets aus überhitztem Material kommenaus ihren Kernen, die sich über Millionen von Lichtjahren erstrecken.

2016 Wissenschaftler aus dem Laserinterferometer-Gravitationswellenobservatorium LIGO gab bekannt, dass sie erstmals Gravitationswellen detektiert haben. Ursprünglich von GR vorhergesagt, handelt es sich bei diesem Phänomen im Wesentlichen um Wellen in der Raumzeit, die durch katastrophale Ereignisse verursacht werden.

Dazu gehören Ereignisse wie binäre Schwarze Löcher oder Neutronensternfusionen, Schwarze Löcher, die mit Neutronensternen verschmelzen, oder Kollisionen zwischen anderen kompakten Objekten. Seit 2016 wurden mehrere Gravitationswellenereignisse erkannt.

Am 10. April 2019 wurde das wissenschaftliche Gemeinschaftsprojekt bekannt als Das Event Horizon Telescope EHT kündigte das erste direkte Bild des Ereignishorizonts um ein SMBH an - im Kern von Messier 87.

Kosmologische Konstante und dunkle Energie

Eine weitere Konsequenz der Feldgleichungen für die Relativitätstheorie war, dass sich das Universum entweder in einem Expansions- oder einem Kontraktionszustand befinden musste. Seltsamerweise passte dies nicht gut zu Einstein, der es vorzog zu glauben, das Universum sei statisch und stabil.

Um dies anzugehen, stellte sich Einstein eine Kraft vor, die die Schwerkraft "zurückhalten" und so sicherstellen würde, dass das Universum nicht in sich zusammenbricht. Er nannte diese Kraft die "kosmologische Konstante", die wissenschaftlich durch den Charakter Lamba dargestellt wurde Λ.

Der amerikanische Astronom Edwin Hubble löste das Problem jedoch 1929 dank seiner Entdeckung benachbarter Galaxien. Nachdem er ihre Rotverschiebung gemessen hatte, stellte er fest, dass sich die meisten Galaxien im Universum von unseren eigenen entfernten.

Kurz gesagt, das Universum befand sich in einem Expansionszustand, dessen Geschwindigkeit als bekannt wurde. Hubble-Konstante Einstein nahm die Entdeckung gnädig an und behauptete, die kosmologische Konstante sei "der größte Fehler" seiner Karriere gewesen.

In den 1990er Jahren waren Astronomen jedoch in der Lage, Beobachtungen durchzuführen, die immer weiter in den Kosmos hineinschauten und folglich weiter in die Vergangenheit zurückreichen. Diese Beobachtungen schienen zu zeigen, dass die Geschwindigkeit, mit der sich das Universum ausdehnte, tatsächlich zunahm.

Nach der aktuellen Theorie wurde das Universum von der frühesten beobachtbaren Periode des Universums ca. eine Milliarde Jahre nach dem Urknall bis etwa zehn Milliarden Jahre nach dem Urknall von der Schwerkraft dominiert und dehnte sich langsamer aus.

Aber vor vier Milliarden Jahren waren die großräumigen Strukturen im Universum weit genug voneinander entfernt, dass dunkle Energie zur dominierenden Kraft wurde und sich alles schneller auseinander bewegte. Einsteins mysteriöse Kraft, die die Schwerkraft zurückhielt, war gefunden worden!

Experimentelle Beweise für Relativitätstheorie

Seit 1905 wurden Hunderte von Experimenten mit unglaublicher Reichweite und Vielfalt durchgeführt, die SR bestätigten. Dies beinhaltete mehrere Experimente, die bestätigten, dass Licht isotrop ist dh bei Messung in alle Richtungen die gleichen Eigenschaften aufweist.

Dazu gehört das Michelson-Morley-Experiment MMX von 1887, mit dem die Lichtgeschwindigkeit in senkrechten Richtungen mit einem Interferometer gemessen werden sollte - einem Gerät, bei dem zwei Lichtquellen vorhanden sind. zusammengeführt, um ein Interferenzmuster zu erstellen.

Ziel war es, die relative Bewegung der Materie in diesem Fall der Erde durch den „leuchtenden Äther“ zu erfassen. Das Experiment war ein Fehlschlag, da es zeigte, dass es keinen signifikanten Unterschied zwischen der Lichtgeschwindigkeit in derRichtung der Erdumlaufbahn und Lichtgeschwindigkeit im rechten Winkel.

Ähnliche Experimente wurden im frühen 20. Jahrhundert mit verschiedenen Geräten und Instrumenten mit zunehmender Empfindlichkeit durchgeführt, aber alle führten zum gleichen Null- Ergebnis.

In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurden Experimente mit Lasern durchgeführt, um die Isotropie des Lichts zu messen. Diese Experimente umfassten die Messung der Einweg- und Umlaufgeschwindigkeit des Lichts sowie die Verwendung sowohl stationärer als auch beweglicher Objekte.

Wiederum erzielten diese Experimente Nullergebnisse, was mit SR übereinstimmt. Im Vergleich zu Experimenten, die das Vorhandensein oder den Einfluss eines "Äthers" nicht bestätigen konnten, bleibt Einsteins Lösung die eleganteste und umfassendste bis heute.

In Bezug auf die Allgemeine Relativitätstheorie GR wurden umfangreiche Beobachtungskampagnen durchgeführt, die die vorhergesagten Auswirkungen auf die Arbeit zeigen. Zum Beispiel hat 2017 ein Team europäischer Astronomen gezeigt, wie zwanzig Jahre unter Beobachtung von Schütze A * - das Supermassive Black Hole SMBH im Zentrum unserer Galaxie - bestätigte Vorhersagen von Einstein und GR.

Verwendung von Daten der Europäischen Südsternwarte Sehr großes Teleskop VLT in Chile und anderen Teleskopen überwachten sie drei Sterne, die den Schützen A * umkreisen, und stellten fest, wie sie sich auf ihre Exzentrizität auswirken.

Sie fanden heraus, dass einer der Sterne S2 einer besonders elliptischen Umlaufbahn um das SMBH folgt, deren Fertigstellung 15,6 Jahre dauert. Am nächsten Punkt erreicht er die 120-fache Entfernung zwischen Sonne und Erde 120AU. Diese Abweichungen in der Umlaufbahn stimmten mit GR überein.

Gravitationslinse und Rotverschiebung

Kurz nachdem Einstein seine Theorie über das Verhalten von Raum und Zeit in Gegenwart eines Gravitationsfeldes vorgeschlagen hatte, bot sich die Gelegenheit, es zu testen. 1919 wussten die Astronomen, dass am 29. Mai eine totale Sonnenfinsternis eintreten würde, die eine Gelegenheit bot.

Einstein und der deutsche Astronom Erwin Finlay-Freundlich forderten Wissenschaftler aus aller Welt auf, GR zu testen, indem sie die Lichtablenkung während dieses Ereignisses messen.

Sir Arthur Eddington, ein britischer Astronom und Wissenschaftskommunikator, der Konzepte wie Relativitätstheorie erklären konnte, nahm die Herausforderung an und unternahm eine Expedition zur Insel Principe vor der Küste von Äquatorialguinea, Afrika.

Während der Sonnenfinsternis wurden die Sonnenstrahlen durch die Anwesenheit des Mondes verdeckt, wodurch die Sterne um ihn herum sichtbar wurden. Eddington machte Fotos von diesen Sternen und bestätigte, dass sich der Weg ihres Lichts aufgrund des Gravitationseinflusses der Sonne verschoben hatte.

Am 7. November 1919 Die Zeiten veröffentlichte die Ergebnisse seiner Kampagne unter der Überschrift: “ Revolution in der Wissenschaft - Neue Theorie des Universums - Newtonsche Ideen gestürzt ”.

Dieser Effekt, bei dem der Lichtdurchgang von einem großen Objekt beeinflusst wird, führte zu der als "Gravitationslinsen" bekannten Methode. Dabei wird auf das Vorhandensein eines großen Himmelsobjekts Sterne, Galaxien, Galaxienhaufen, Schwarze Löcher zurückgegriffenusw. Objekte jenseits von ihnen zu beobachten.

Tatsächlich haben Astronomen festgestellt, dass sich das Licht bei einer nahezu perfekten Ausrichtung zwischen einer Lichtquelle, einer Gravitationslinse und einem Beobachter zu einem Ring verformt - der jetzt als "Einstein-Ring" bezeichnet wird.

Dieser Effekt wurde regelmäßig von Astronomen beobachtet, insbesondere beim Einsatz von Weltraumteleskopen wie Hubble. Ein gutes Beispiel dafür war 2018, als ein Team internationaler Wissenschaftler einen Galaxienhaufen verwendete, um den am weitesten entfernten zu betrachten. einzelner Stern jemals beobachtet genannt Ikarus, 9 Milliarden Lichtjahre entfernt.

Ein weiterer Beweis, der die Allgemeine Relativitätstheorie bestätigt, ist die Art und Weise, wie die elektromagnetische Strahlung durch das Vorhandensein eines Gravitationsfeldes gedehnt wird. Dies ist das oben erwähnte Phänomen, das als "Rotverschiebung" bekannt ist, bei dem der Einfluss eines Gravitationsfeldes die Wellenlänge des Lichts verursachtlänger werden.

Mit anderen Worten, Licht, das von einem entfernten Himmelsobjekt einem Stern, einer Galaxie oder einem Galaxienhaufen ausgeht, wird zum roten Ende des Spektrums verschoben. Das Ausmaß der Rotverschiebung wird dann verwendet, um zu berechnen, wie massiv das Gravitationsfeld ist, das es beeinflusst.

Rotverschiebung wird auch häufig verwendet, um die Geschwindigkeit zu messen, mit der sich das Universum ausdehnt, da Licht von entfernten Galaxien durch den Zwischenraum zwischen der Lichtquelle und dem Beobachter gedehnt wird.

Es wurde jedoch auch als Methode zum Testen von GR verwendet, insbesondere bei der Beobachtung des Verhaltens von Licht in Gegenwart eines Schwarzen Lochs. Ein gutes Beispiel hierfür waren auch Beobachtungen eines Sterns, der den Schützen A * umkreist.

Das verantwortliche Team bestand aus Mitgliedern des GRAVITY-Zusammenarbeit der das VLT verwendete, um S2 zu überwachen, als es vor dem Schwarzen Loch vorbeiging - das in stattfand Mai 2018 . Am nächsten Punkt seiner Umlaufbahn befand sich der Stern innerhalb von 20 Milliarden km 12,4 Milliarden Meilen von der SMBH und bewegte sich mit fast drei Prozent der Lichtgeschwindigkeit.

In Übereinstimmung mit GR beobachtete das Team eine Rotverschiebung der Gravitation, die sich verstärkte, je näher S2 dem Schützen A * kam. Das sehr starke Gravitationsfeld des Schwarzen Lochs streckte die Wellenlänge des Lichts des Sterns und bewirkte, dass es sich zum roten Ende des Sterns hin verschobSpektrum.

Als Einstein seine Karriere als theoretischer Physiker begann, betrat er eine Welt am Rande der Revolution. Die alten Konventionen wurden aufgrund von Inkonsistenzen mit neuen Entdeckungen in Frage gestellt, die alle Arten von Problemen aufwerfen.

Als Einstein starb, hinterließ er ein Erbe, das in der Geschichte der Wissenschaft kaum zu übertreffen war. Er bot alten und neuen Theorien eine Synthese an und schuf ein neues Verständnis dafür, wie Raum-Zeit, Materie und Energie interagieren.

Darüber hinaus leistete er Pionierarbeit für Durchbrüche, die zu vielen weiteren Revolutionen in der Wissenschaft führen würden. Heute, über hundert Jahre später, halten seine Theorien immer noch an und prägen weiterhin unser Verständnis des Universums.

Weiterführende Literatur :

• Wikipedia - Allgemeine Relativitätstheorie
• NASA - Newtons Bewegungsgesetze
• NASA - 100 Jahre allgemeine Relativitätstheorie
• Wikipedia - Allgemeine Relativitätstests
• Universität St. Andrews - Allgemeine Relativitätstheorie
• Neue Wissenschaftler - Sofortiger Experte: Allgemeine Relativitätstheorie
• Physik Zentral - Galiläische Relativitätstheorie und Galileis Schiff
• Bildungsobservatorium - Versuchsgrundlage für spezielle Relativitätstheorie