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Die Zeit vergeht auf einem Berg schneller als auf Meereshöhe

"Absolute Zeit" ist eine Illusion.

Ein Satellit umkreist die Erde. Nasa/Unsplash

Im Februar 1919 organisierten Frank Dyson vom Royal Greenwich Observatory und Arthur Eddington von der Cambridge University zwei Astronomenteams, um eine Sonnenfinsternis zu beobachten und zu fotografieren, die im Mai dieses Jahres stattfinden sollte, als sie sich über Südamerika, den Atlantik, bewegteOzean und Afrika. Ein Team war in Sobral, Brasilien, und das andere auf der kleinen Insel Principe vor der Westküste Afrikas stationiert.

Die Expeditionen sollten Albert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie auf die Probe stellen. Die 1915 nach Jahren des mathematischen Versuchs und Irrtums veröffentlichte Theorie hatte sich zu dieser Zeit in der wissenschaftlichen Gemeinschaft als umstritten und umstritten erwiesen.

Eine der Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie war, dass Licht, das an einem Objekt wie der Sonne vorbeigeht, sich zu biegen scheint. Aufgrund ihrer Größe würden astronomische Körper nach Einsteins Theorie eine Verzerrung in der Raumzeit verursachen, so dass sogar Lichtwellen – wasmit der absoluten kosmischen Geschwindigkeitsbegrenzung von 186.000 Meilen pro Sekunde 300.000 Kilometer pro Sekunde und in absolut geraden Linien fahren – würde auch verzerren.

Die Dunkelheit einer Sonnenfinsternis bot den Astronomen die Möglichkeit, die Sterne zu beobachten, die aus der Perspektive der Erde der Sonne am nächsten erscheinen, da sie sonst von der Helligkeit unseres Sterns völlig ausgewaschen würden.

Quelle: Jongsun Lee/Unsplash

Die Mission der Teams war ein Erfolg. Nachdem sie Fotos von einem Sternhaufen namens Hyaden im Sternbild Stier gemacht hatten, verglichen sie die Bilder mit Referenzaufnahmen desselben Sternhaufens, die nachts aufgenommen worden waren, um irgendwelche zu berechnenPotenzialunterschied durch die Anwesenheit der Sonne. Im November desselben Jahres gaben sowohl Dyson als auch Eddington bekannt, dass ihre Ergebnisse die Theorie stützen. Die Skeptiker wurden zum Schweigen gebracht und Einstein und seine Arbeit wurden sofort zu Ruhm katapultiert.

Allgemeine Relativitätstheorie: lass uns komisch werden

Die Allgemeine Relativitätstheorie kann ohne Übertreibung als eine der tiefsten wissenschaftlichen Erkenntnisse über das Universum beschrieben werden, die die Menschheit je erarbeitet hat. Nachdem Eddington und Dyson ihre Ergebnisse bekannt gegeben hatten, hat der Physiker JJ Thomson beschrieb angeblich Einsteins Theorie als „ein ganzer Kontinent wissenschaftlicher Ideen.“

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Wissenschaftler erforschen immer noch die Topographie dieses Kontinents. Die Krümmung des Lichts um massive astronomische Objekte ist nur eine seltsame physikalische Manifestation, die die Theorie beschreibt.

Wenn Sie jemals von den Ideen der Allgemeinen Relativitätstheorie verwirrt waren, befinden Sie sich in guter Gesellschaft – die Theorie führt die Menschheit im Wesentlichen in die Tatsache ein, dass der Weltraum biegsam und das Universum seltsam isttechnische Perspektive, das ist die wesentliche Wahrheit der Umwelt, die jeder und alles bewohnt.

Der einfachste Weg, die Theorie zu erklären, ist, dass die Masse eines Objekts mit seiner Gravitationskraft korreliert. Je größer die Masse, desto größer die Gravitationskraft, und je größer die Kraft, desto mehr Verzerrungen des Raums treten aufDenken Sie daran, dass die Auswirkungen der Schwerkraft das sichtbare Ergebnis der Verzerrung des Raum-Zeit-Gefüges sind.Wenn Sie eine Murmel von der Spitze eines Wolkenkratzers fallen lassen, fällt sie nicht so sehr frei durch eine stabile Raummatrix als siefolgt der Biegung des Raumes zum Boden.

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Hier werden die Dinge wirklich trippig. Da dieses Gewebe aus vier Dimensionen besteht – drei Dimensionen des Raums und einer der Zeit – biegen sich auch massive kosmische KörperZeit. Die beiden sind untrennbar miteinander verbunden, daher der Ausdruck "Raum-Zeit".

Zurück zu unserer Murmel. Wenn sie in der Erdumlaufbahn platziert wird, fällt diese Murmel aufgrund der Krümmung des Weltraums auf die Oberfläche des Planeten. Aber, wie wir bemerkt haben, ist die Zeit eine Dimension der Position dieser Murmel. Als Krümmung des Raumszieht es physisch näher an die Erde, die Krümmung der Zeit bewegt die Murmel auch durch die Zeit vorwärts.

Zeit ist das Wesen des Raumes

Professor Eric Poisson ist theoretischer Physiker und Lehrstuhl für Forschungsleitung am Department of Physics der University of Guelph in Ontario, Kanada. Seine Arbeit hat uns geholfen, einige der mysteriösesten astronomischen Körper im Universum besser zu verstehen: Schwarze Löcher, NeutronenSterne und die von ihnen erzeugten Gravitationswellen.

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Quelle: Robson Hatsukami Morgan/Unsplash

Im Interview mit Interessante Technik | wissenschaft-x.com hat Dr. Poisson erklärt, dass die Zeit aufgrund der allgemeinen Relativitätstheorie nicht immer gleich vergeht, und wie dies auch bei Messungen an verschiedenen Orten der Erde zutrifft.

„Eines der ersten Dinge, die Einstein entdeckte, ist, dass zwei Uhren, von denen sich eine relativ zur anderen bewegt, unterschiedlich schnell ticken. Das zweite, was er uns beibrachte, war, dass es nicht nur relativ istBewegungen zwischen Uhren, es ist die relative Position in einem Gravitationsfeld. Eine Uhr tief in einem Gravitationsfeld würde also langsam laufen im Vergleich zu einer Uhr, die weit von allen Gravitationsquellen entfernt ist.

Deshalb misst eine Uhr auf dem Mount Everest die Zeit anders als eine Uhr auf Meereshöhe, die zum Beispiel auf dem Berggipfel nur geringfügig schneller läuft als die Uhr in niedrigerer Höhe.

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Die meisten Uhren sind jedoch nicht empfindlich genug, um diesen Unterschied, der einige Millionstel Sekunden beträgt, tatsächlich zu registrieren. Dies mag zwar wie eine niedliche, für Spieleshows geeignete wissenschaftliche Tatsache erscheinen, zeigt jedoch tatsächlich, wie sich die allgemeine Relativitätstheorie auf unser tägliches Leben auswirkt.

„Das GPS-System beinhaltet Uhren, die im Orbit stationiert sind“, fuhr Poisson fort. „Diese Zeitstempel, die über Funksignale zu uns kommen, werden ausgearbeitet, um eine Position auf der Erde zu offenbaren. Wir haben eine ganze Reihe von tickenden Uhren an verschiedenen Orten im Orbit.“, klicken mit anderen Geschwindigkeiten, insbesondere anders als bei Uhren auf der Erde. Wenn wir nicht von diesem [zeitlichen] Unterschied aufgrund der Schwerkraft wüssten, würden wir feststellen, dass das gesamte System nicht wie geplant funktioniert. Es ist ein sehr grundlegender Aspekt der Schwerkraftfür uns täglich.”

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Gravitationswellen und binäre Schwarze Löcher

Poisson und andere Astrophysiker nehmen jetzt die Allgemeine Relativitätstheorie und gehen damit neue Wege. Seine Forschung beschäftigt sich hauptsächlich mit Schwarzen Löchern und den von ihnen erzeugten Gravitationswellen, für die er die Auszeichnung erhielt.Herzberg-Medaille 2005von der Canadian Association of Physicists. Und dank seiner Arbeit, zusammen mit der seines ehemaligen Doktorandenberaters Werner Israel, verstehen wir jetzt besser die internen Abläufe von Schwarzen Löchern, dem verwirrendsten Ding im beobachtbaren Universum.

Gravitationswellen sind ein kosmisches Phänomen von Einstein 1916 vorhergesagt und zum ersten Mal im Jahr 2015 von der LIGO Scientific Collaboration beobachtet, einer Gruppe von Wissenschaftlern, die sich der Erkennung und Nutzung der Wellen als neues Werkzeug zur Erforschung des Universums widmet.

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Poissons Beitrag zur Detektion dieser Wellen war entscheidend. Anfang der 1990er Jahre arbeitete er drei Jahre unter Kip Thorne, einem der Gründungsmitglieder von LIGO, der 2017 zusammen mit Rainer Weiss und Rainer Weiss den Nobelpreis für Physik erhielt.Barry C. Barish Poissons Methode zur mathematischen Lösung störender Gravitationswellengleichungen ist ein wichtiger Bestandteil der Analysen, die von Gruppen wie LIGO verwendet werden, um ihre Existenz zu erkennen.

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vereinfacht gesagt, Gravitationswellen sind winzige Wellen im Gefüge der Raumzeit, das durch die Bewegung massereicher Körper wie Schwarze Löcher und Neutronensterne entsteht. Wie LIGO demonstrierte, als sie ihre Ergebnisse in der Zeitschrift veröffentlichtenPhysical Review Letters, Wissenschaftler haben jetzt die Technologie, um solche Wellen tatsächlich zu messen, was die Verschiebung hochempfindlicher Laserstrahlen beinhaltet.

"Wir hoffen, dass wir in den 2030er Jahren Gravitationswellendetektoren ins All bringen können."

„Die große Herausforderung besteht darin, [sie] zu messen“, fuhr Poisson fort. „Das Schwierige ist die Tatsache, dass sie so winzig sind. Im Grunde werden Laserstrahlen verwendet. Wenn Sie zwei Objekte haben, die sich frei im Raum bewegen, was ist das?Wenn eine Gravitationswelle durchläuft, beginnt die Entfernung zu schwingen. Sie können einen Laserstrahl verwenden, um diesen relativen Abstand zwischen den beiden Massen zu messen.“

Leider kann fast alles diese Messung stören. Aufgrund der Empfindlichkeit der Detektoren auf der Erde und der geringen Größe der Wellen selbst kann die Technologie fast alles andere als a registrierenGravitationswelle selbst. Seismische Aktivität ist nur ein Beispiel für Phänomene, die Messwerte stören können. Aus diesem Grund hoffen Poisson und andere, in naher Zukunft Detektoren in der Erdumlaufbahn zu haben.

"Wir hoffen, dass wir in den 2030er Jahren in der Lage sein werden, Gravitationswellendetektoren in den Weltraum zu bringen. Wir sind ziemlich hoffnungsvoll [es wird passieren] innerhalb der nächsten 20 Jahre."

Poisson ist besonders begeistert von der Aussicht, dass Gravitationswellen uns helfen, Einblicke in einige der grundlegenden Geheimnisse des Universums zu gewinnen. „Wir befinden uns in einer Welt, in der die Astronomie jetzt mit Gravitationswellen betrieben wird“, sagte er. „Wir sinddas Universum auf ganz neue Weise entdecken.“

Um zu erklären, warum das so wichtig ist, wurde Poisson lebhaft. „Wenn wir das Universum zum Beispiel durch sichtbares Licht betrachten, sehen wir bestimmte Dinge. Als wir das elektromagnetische Spektrum öffneten, um Radiowellen zu erkennen, begannen wir, ein Universum zu sehen.“Das war ganz anders als das, was wir zuvor gesehen hatten. Das sichtbare Universum war sehr ruhig, im sichtbaren Licht ändert sich im Laufe einer menschlichen Zeitskala nicht viel, aber in Radiowellen, Röntgenstrahlen, Gammawellen findet man ein Universum, das sehr aufgewühlt ist.“

Gravitationswellen sind ein weiteres Fenster in dieses Universum. Diesmal ist es jedoch ein Fenster zu den dunklen Teilen des Universums, über die wir sehr wenig wissen.

Quelle: Guillermo Ferla/Unsplash

„Die Lektion war, jedes Mal, wenn Sie ein neues Fenster in das Universum öffnen, wie Gravitationswellen, sehen Sie etwas völlig anderes. Und jetzt sehen wir das dunkle Universum. Gravitationswellen werden in der Regel in Bereichen erzeugt, in denen sehr wenigLicht wird emittiert. Wir sehen die Verschmelzung von Schwarzen Löchern, die Verschmelzung von Neutronensternen, Dinge, die wir auf keine andere Weise entdecken konnten. Das [ist] das Versprechen von Gravitationswellen.“

Für Poisson ist dies eines der ermutigendsten Werkzeuge, um einen Einblick in die Geschichte einiger der größten Körper im Kosmos zu gewinnen. Schwarze Löcher und Neutronensterne werden oft in Paaren gefunden, die als Doppelsysteme bekannt sind und einander umkreisenunglaubliche Geschwindigkeiten, wodurch Gravitationswellen im ganzen Universum erzeugt werden. Die Hoffnung ist, dass die Analyse dieser Wellen uns helfen wird zu erfahren, wie diese Systeme entstanden sind.

"Für die Astrophysik ist das eine große Sache. [Gravitationswellen] informieren wirklich über die Sternentwicklung", erklärt Poisson.

Spielt das längste Spiel

Sie erinnern sich vielleicht, dass Freunde Ihren Social-Media-Feed im Jahr 2015 beleuchteten, als Gravitationswellen zum ersten Mal entdeckt wurden, aber es ist unwahrscheinlich, dass sie Sie in Ihrem Leben weiterhin begeistern. Bedeutende wissenschaftliche Fortschritte, insbesondere auf diesem Gebietder Astronomie, können für die breite Öffentlichkeit extrem blitzschnelle Momente sein.

Auf die Frage, wie man die Öffentlichkeit dazu bringen kann, sich mehr für Dinge wie Gravitationswellen und kosmische Phänomene zu interessieren, mit denen sie niemals interagieren werden, räumte Dr. Poisson bereitwillig ein, dass diese Arbeit im Wesentlichen das Konzept der verzögerten Befriedigung bis an seine absolute Grenze ist.

"Wir können die Menschheit bei diesen sehr wichtigen Fragen nicht im Dunkeln lassen."

„Das Studium von Schwarzen Löchern und Gravitationswellen hat möglicherweise keine unmittelbare Anwendung, wir retten weder Leben noch erfinden wir Technologien, die unser Leben in absehbarer Zeit verbessern werden“, räumte er einUniversums, darüber nachzudenken, was es da draußen auf den größten Skalen gibt, zu verstehen, wo wir sind und woher wir kommen – global gesehen denke ich, dass dies grundlegende Fragen sind, die sich die gesamte Menschheit seit jeher gestellt hat.“

Die Tatsache, dass Gravitationswellen ungefähr 100 Jahre nach ihrer ersten Vorhersage beobachtet wurden, ist ein Beweis für die Tugenden der Geduld mit und der Konsistenz innerhalb der wissenschaftlichen Forschung, für die wir uns unbedingt einsetzen müssen.

„Wir können die Menschheit bei diesen sehr wichtigen Fragen nicht im Dunkeln lassen“, betonte er. „Wir werden vielleicht feststellen, dass es sehr lange dauern wird, diese Fragen zu beantworten, aber als Menschheit müssen wir [sie] weiterhin stellen..“

Dank der Forschung und des Engagements von Menschen wie Poisson und seinen wissenschaftlichen Vorfahren und Zeitgenossen kommen wir diesen Antworten immer näher. Mögen sie so wunderbar betörend sein, wie sich das Universum bisher gezeigt hat.

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