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

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

Albert Einstein (1879 - 1955) ist aus gutem Grund ein "bekannter Name". Dank der immensen Beiträge, die er im Laufe seines Lebens in verschiedenen Bereichen der Wissenschaft geleistet hat, ist der Name Einstein zum Synonym für Genie geworden.

Das Bild des weißhaarigen Wissenschaftlers mit der skurrilen Einstellung, das liegt auch an ihm. 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 revolutionierte, 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 zuerst 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 Galilee (1564-1642), der das Konzept (auch bekannt als Galilean Invariance) vorschlug, um für das heliozentrische Modell des Universums zu argumentieren.

Galileos Schiff

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

"[A] ny zwei Beobachter, die sich mit konstanter Geschwindigkeit und Richtung zueinander bewegen, werden für alle mechanischen Experimente die gleichen Ergebnisse erzielen."

Dieses Prinzip beschrieb er erstmals in seiner Abhandlung von 1632 Dialog über die beiden Hauptsysteme der WeltDies 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, sei nicht klar, ob sich das Schiff bewegte oder stationär war. Wenn die Person auf dem Deck einen Ball auf ihren Fuß fallen lassen würde, würde er direkt nach unten fallen (obwohl er tatsächlich mit dem Schiff vorwärts fahren würde, wenn es fällt).

Dieses Argument war ein Weg zu zeigen, wie sich die Erde durch den Weltraum bewegen könnte (d. H. Die Sonne umkreisen), 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, beobachtete Galileo, dass Objekte mit unterschiedlichen Massen mit der gleichen Geschwindigkeit auf den Boden fallen würden, wenn sie von einem erhöhten Punkt aus losgelassen würden.

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 eine externe Kraft diese Geschwindigkeit nicht behindere.

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

Während des späten 17. Jahrhunderts verwendete Sir Isaac Newton (1642 - 1726/27) dieses Prinzip und Galileos Beobachtungen über die Schwerkraft, um seine drei Bewegungsgesetze und sein Gesetz der universellen Gravitation zu entwickeln. 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. Wenn Objekt A eine Kraft auf Objekt B ausübt, übt Objekt B auch eine gleiche Kraft auf Objekt A aus.

Newtons drei Gesetze erweiterten effektiv die Schwerkraft über die Erde hinaus und argumentierten, dass dieselbe Kraft, die einen Apfel von einem Baum fallen lässt, 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 m1m2/ r², wo F. ist die Gravitationskraft zwischen zwei Objekten, m1 und m2 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. Zum einen ist ein Trägheitsrahmen ein Bezugspunkt zu einem "absoluten Raum". Zweitens, dass alle Trägheitsrahmen eine universelle Zeit teilen. Mit anderen Worten, Zeit und Raum 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 wurde die Natur von Materie & Energie sowie Zeit & Raum in Frage gestellt.

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.

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

Spezielle Relativität

1905 erlebte Einstein, wie er es nannte annus mirabilis ("Wunderjahr"), in dem er während seiner Arbeit im Patentamt in Bern 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 - insbesondere durch Maxwells Gleichungen und das 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) In einem 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 das Verhalten elektrischer und magnetischer Wellen genau beschrieben, stimmten sie nicht mit der damals noch vorherrschenden Newtonschen Physik überein.

Diese Inkonsistenzen wurden besonders deutlich, wenn es darum ging, wie Licht von dem einen oder anderen Punkt aus wanderte. 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 war und sich ähnlich verhielt. Leider stellte dies eine Reihe theoretischer Probleme dar. Wie bei jeder anderen Art von Welle (z. B. Schall) würden die Phänomene ein Medium benötigen, um sich auszubreiten.

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 sei.

Kurz gesagt bedeutete dies, dass die Geschwindigkeit des Lichts - 299.792.458 m / s (300.000 km / s; 186.000 mps) - die Summe seiner Geschwindigkeit durch den Äther war Plus die Geschwindigkeit dieses Äthers. Mit anderen Worten, die Lichtgeschwindigkeit (gemessen) war nicht absolut und hing von dem Medium ab, mit dem sie 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 brachte zahlreiche theoretische Probleme mit sich.

Zum Beispiel hat das Fizeau Water Tube Experiment (1851) die Lichtgeschwindigkeit gemessen, wenn es durch Wasser wanderte. 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 bei weitem nicht so stark wie erwartet. Andere Experimente hatten ähnliche Ergebnisse, wie Fresnels Hypothese des partiellen Ätherwiderstands und die Experimente von Sir George Stokes.

Dies ließ Wissenschaftler sich am Kopf kratzen. 1905 ging Einstein mit seiner wegweisenden Arbeit auf diese Unstimmigkeiten 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. Es vereinfachte auch die Mathematik, indem es überflüssige Erklärungen beseitigte und die Existenz eines Äthers unnötig machte.

Einsteins Theorie führte auch die Idee ein, dass, wenn sich ein Objekt der Lichtgeschwindigkeit näherte, große Veränderungen 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, legte Einsteins Theorie im Wesentlichen nahe, 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.

Generelle Relativität

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 allmählich bemerkten, dass Newtons Gesetz der universellen Gravitation Grenzen hatte.

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

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

"Nachdem wir die Wirkung des umgebenden Mediums sowohl der magnetischen als auch der elektrischen Anziehungskräfte und Abstoßungen verfolgt und festgestellt haben, dass sie vom umgekehrten Quadrat der Entfernung abhängen, werden wir natürlich dazu gebracht, zu untersuchen, ob die Anziehungskraft der Gravitation dem gleichen Gesetz folgt 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 dies nicht lösen konnte.

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 schließlich mit seiner Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie argumentieren würde.

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

In dieser Arbeit schlug Einstein das Äquivalenzprinzip vor, das besagt, dass die Gravitationsmasse mit der Trägheitsmasse identisch ist. Zur Veranschaulichung erklärte er, dass die Beschleunigung von Körpern in Richtung Erdmittelpunkt mit einer Geschwindigkeit von 1 G (G = 9,81 m / s2) entspricht der Beschleunigung eines sich träg bewegenden Körpers, die auf einer Rakete im freien Raum beobachtet würde, die mit einer Geschwindigkeit von 1 beschleunigt wirdG. Der freie Fall ist also tatsächlich Trägheit und der Betrachter 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 in einem unveränderlichen Gravitationsfeld stillsteht.

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.

In demselben Artikel sagte er die Biegung von Licht in einem Gravitationsfeld und die Gravitationsrotverschiebung (auch bekannt als Doppler-Verschiebung) voraus. Ersteres ist eine Folge des Äquivalenzprinzips, bei dem der Lichtdurchgang durch die Krümmung der Raumzeit beeinflusst wird und seine Ablenkung von der Masse des betroffenen Körpers abhängt.

Letzteres betrifft Licht, das einen massiven Körper verlässt (wie einen entfernten 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 Einstein 1907 argumentierte) durch astronomische Beobachtungen verifiziert werden konnten. Einstein schrieb in den kommenden Jahren mehrere weitere Artikel, in denen er seine Gravitationstheorien erweiterte, und ab 1915 wurden sie akzeptiert.

Seit dieser Zeit wurde die Allgemeine Relativitätstheorie durch mehrere Experimente bestätigt und ist für die moderne Astrophysik von zentraler Bedeutung. Es 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)?

Kurze Antwort: Neun Wege ab Sonntag!

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Sowohl die Spezielle Relativitätstheorie (SR) als auch die Allgemeine Relativitätstheorie (GR) wurden im Laufe des vergangenen 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). Darüber hinaus dauerte es nicht lange, bis Wissenschaftler seine Theorien übernahmen, um weitere Durchbrüche zu erzielen.

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 gestärkt.

Merkurs Präzession des Perihels

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

Während diese Mechanik die Exzentrizität der Umlaufbahn des Planeten erklären könnte, könnten 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 war.

Es wurde eine Reihe von Lösungen 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.

Dies 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) ihr entweichen könnte.

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 werden (später als Schwarzchild-Radius bekannt).

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

In den 1970er Jahren entdeckten Astronomen, dass eine Radioquelle 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, dass Sag A * tatsächlich ein supermassives Schwarzes Loch (SMBH) war.

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. Es wurde sogar festgestellt, dass einige Düsen aus überhitztem Material aus ihren Kernen kommen, die sich über Millionen von Lichtjahren erstrecken.

Im Jahr 2016 gaben Wissenschaftler des Laserinterferometer-Gravitationswellenobservatoriums (LIGO) 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 festgestellt.

Am 10. April 2019 kündigte das wissenschaftliche Gemeinschaftsprojekt The Event Horizon Telescope (EHT) das erste direkte Bild des Ereignishorizonts um ein SMBH an, das sich im Kern von Messier 87 befindet.

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 lieber glaubte, 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 die Figur Lamba (Λ) dargestellt wurde.

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

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

In den neunziger 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 gegenwärtigen 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 die Relativitätstheorie

Seit 1905 wurden Hunderte von Experimenten mit unglaublicher Reichweite und Vielfalt durchgeführt, die SR bestätigt haben. Dies umfasste mehrere Experimente, die bestätigten, dass Licht isotrop war (d. H. Die gleichen Eigenschaften aufweist, wenn es in jede Richtung gemessen wird).

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 zu einem Interferenzmuster zusammengeführt werden.

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 Richtung der Erdumlaufbahn und der Lichtgeschwindigkeit im rechten Winkel gab.

Ähnliche Experimente wurden im frühen 20. Jahrhundert mit verschiedenen Apparaten 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 und die Verwendung sowohl stationärer als auch beweglicher Objekte.

Diese Experimente ergaben erneut 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 bei der Arbeit zeigen. Zum Beispiel zeigte 2017 ein Team europäischer Astronomen, wie zwanzig Jahre Beobachtung von Schütze A * - dem supermassiven Schwarzen Loch (SMBH) im Zentrum unserer Galaxie - Vorhersagen von Einstein und GR bestätigten.

Mithilfe von Daten des Very Large Telescope (VLT) des European Southern Observatory in Chile und anderer Teleskope 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 kommt es auf das 120-fache der Entfernung zwischen Sonne und Erde (120 AE). Diese Abweichungen in der Umlaufbahn stimmten mit GR überein.

Gravitationslinsen und Rotverschiebung

Kurz nachdem Einstein seine Theorie vorgeschlagen hatte, wie sich Raum-Zeit in Gegenwart eines Gravitationsfeldes verhält, 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 durch ein großes Objekt beeinflusst wird, führte zu der als "Gravitationslinsen" bekannten Methode. Dies beinhaltet die Verwendung eines großen Himmelsobjekts (Sterne, Galaxien, Galaxienhaufen, Schwarze Löcher usw.), um Objekte jenseits dieser Objekte zu beobachten.

Tatsächlich haben Astronomen herausgefunden, dass bei einer nahezu perfekten Ausrichtung zwischen einer Lichtquelle, einer Gravitationslinse und einem Beobachter das Licht zu einem Ring deformiert wird - 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 mithilfe eines Galaxienhaufens den am weitesten entfernten Einzelstern betrachtete, der jemals beobachtet wurde (Ikarus genannt, 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 ausgedehnt wird. Dies ist das oben erwähnte Phänomen, das als "Rotverschiebung" bekannt ist, bei dem der Einfluss eines Gravitationsfeldes bewirkt, dass die Wellenlänge des Lichts länger wird.

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 sie beeinflussende Gravitationsfeld ist.

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 gestreckt wird.

Es wurde jedoch auch als Methode zum Testen von GR verwendet; insbesondere wenn beobachtet wird, wie sich Licht in Gegenwart eines Schwarzen Lochs verhält. Ein gutes Beispiel hierfür waren auch Beobachtungen eines Sterns, der den Schützen A * umkreist.

Das verantwortliche Team bestand aus Mitgliedern der GRAVITY-Kollaboration, die mithilfe des VLT S2 vor dem Schwarzen Loch überwachte, das im Mai 2018 stattfand. Am nächsten Punkt seiner Umlaufbahn befand sich der Stern im Inneren 20 Milliarden km (12,4 Milliarden Meilen) der SMBH und fast drei Prozent der Lichtgeschwindigkeit.

In Übereinstimmung mit GR beobachtete das Team eine Rotverschiebung der Gravitation, die sich verstärkte, je näher S2 an Schütze A * kam. Das sehr starke Gravitationsfeld des Schwarzen Lochs streckte die Wellenlänge des Sternenlichts und verursachte eine Verschiebung zum roten Ende des Spektrums.

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 möglichen Probleme aufwerfen.

Als er starb, hinterließ Einstein ein Erbe, das in der Geschichte der Wissenschaft kaum zu übertreffen war. Er bot alten und neuen Theorien 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.

  • Wikipedia - Allgemeine Relativitätstheorie
  • NASA - Newtons Bewegungsgesetze
  • NASA - 100 Jahre Allgemeine Relativitätstheorie
  • Wikipedia - Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie
  • Universität St. Andrews - Allgemeine Relativitätstheorie
  • Neue Wissenschaftler - Sofortiger Experte: Allgemeine Relativitätstheorie
  • Physics Central - Galiläische Relativitätstheorie und Galileis Schiff
  • Pädagogisches Observatorium - Versuchsgrundlage für spezielle Relativitätstheorie


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