Materie & Energie

Relativitätstheorie - Experimentelle Beweise für die allgemeine Relativitätstheorie

Experimentelle Beweise für die allgemeine Relativitätstheorie

Bald nach der Veröffentlichung der Allgemeinen Relativitätstheorie im Jahr 1915 wurde der englische AstronomArthur Eddington als Einstein der Vorhersage , dass Lichtstrahlen sind gebogen in der Nähe von einem massiven Körper, und er erkannte , dass es durch sorgfältiges Vergleichen überprüft werden kann Sternpositionen in den Bildern der Sonne während eines Sonne genommen Eklipse mit Bildern von der gleichen Region von Raum , wenn die Sonne war in einem anderen Teil des Himmels. Der Nachweis wurde durch verzögerte Weltkrieg , aber im Jahr 1919 eine hervorragende Gelegenheit präsentierte sich mit einer besonders langen totalen Sonnenfinsternis, in der Nähe der hellen Hyaden - Sternhaufen, das war von Nordbrasilien bis zur afrikanischen Küste sichtbar. Eddington leitete eine Expedition nach Príncipe, einer Insel vor der afrikanischen Küste, und Andrew Crommelin vom Royal Greenwich Observatory leitete eine zweite Expedition nach Sobral, Brasilien. Nach einem sorgfältigen Vergleich der Fotos beider Expeditionen mit Referenzfotos der Hyaden erklärte Eddington, dass das Sternenlicht etwa 1,75 Bogensekunden abgelenkt worden war, wie dies durch die allgemeine Relativitätstheorie vorhergesagt wurde. (Der gleiche Effekt führt zu Gravitationslinsen, bei denen ein massives kosmisches Objekt Licht von einem anderen Objekt jenseits fokussiert, um ein verzerrtes oder vergrößertes Bild zu erzeugen. Die astronomische Entdeckung von Gravitationslinsen im Jahr 1979 unterstützte die allgemeine Relativitätstheorie zusätzlich.)

Weitere Beweise kamen vom Planeten Quecksilber . Im 19. Jahrhundert wurde festgestellt, dass Merkur nicht jedes Mal, wenn er seine elliptische Umlaufbahn vollendet, an genau dieselbe Stelle zurückkehrt. Stattdessen dreht sich die Ellipse langsam im Raum, so dass auf jeder Umlaufbahn dieDas Perihel - der Punkt, an dem es sich der Sonne am nächsten nähert - bewegt sich in einen etwas anderen Winkel. Newtons Gravitationsgesetz konnte diese Perihelverschiebung nicht erklären, aber die allgemeine Relativitätstheorie ergab die richtige Umlaufbahn.

Eine weitere bestätigte Vorhersage der allgemeinen Relativitätstheorie ist, dass sich die Zeit in einem Gravitationsfeld erweitert, was bedeutet, dass Uhren langsamer laufen, wenn sie sich der Masse nähern, die das Feld erzeugt. Dies wurde direkt und auch durch die gemessenGravitationsrotverschiebung des Lichts. Durch die Zeitdilatation schwingt das Licht innerhalb eines Gravitationsfeldes mit einer niedrigeren Frequenz. somit wird das Licht in Richtung einer längeren Wellenlänge verschoben, dh in Richtung Rot. Andere Messungen haben das Äquivalenzprinzip bestätigt, indem sie zeigten, dass Trägheits- und Gravitationsmasse genau gleich sind.

Die auffälligste Vorhersage der allgemeinen Relativitätstheorie ist die von Gravitationswellen . Elektromagnetische Wellen werden durch beschleunigte elektrische Ladungen verursacht und erkannt, wenn sie andere Ladungen in Bewegung setzen . In ähnlicher Weise würden Gravitationswellen durch bewegte Massen verursacht und werden erfasst, wenn sie eine Bewegung in anderen Massen auslösen. Die Schwerkraft ist jedoch im Vergleich zum Elektromagnetismus sehr schwach . Nur ein großes kosmisches Ereignis wie die Kollision zweier Sterne kann nachweisbare Gravitationswellen erzeugen. Die Bemühungen, Gravitationswellen zu erfassen, begannen in den 1960er Jahren, und solche Wellen wurden erstmals 2015 entdeckt, alsLIGO beobachtete zwei schwarze Löcher in 1,3 Millionen Lichtjahren Entfernung, die sich spiralförmig ineinander wanden.

Anwendungen relativistischer Ideen

Obwohl relativistische Effekte vernachlässigbar im gewöhnlichen Leben sind, erscheinen relativistische Ideen in einer Reihe von Bereichen von der Grundlagenwissenschaft zu ziviler und militärischen Technologie .

Grundstufe Partikel

Die Beziehung E = m c 2 ist wesentlich für das Studium vonsubatomare Teilchen . Es bestimmt die Energie, die erforderlich ist, um Partikel zu erzeugen oder einen Typ in einen anderen umzuwandeln, und die Energie, die freigesetzt wird, wenn ein Partikel vernichtet wird . Beispielsweise können zwei Photonen mit jeweils der Energie E kollidieren, um zwei Teilchen mit jeweils der Masse m = E / c 2 zu bilden . Dieser Paarproduktionsprozess ist ein Schritt in der frühen Evolution des Universums , wie im Urknallmodell beschrieben .

Teilchenbeschleuniger

Das Wissen über Elementarteilchen stammt hauptsächlich von Teilchenbeschleunigern . Diese Maschinen heben subatomare Teilchen, normalerweise Elektronen oder Protonen , auf nahezu Lichtgeschwindigkeit an . Wenn diese energetischen Kugeln in ausgewählte Ziele einschlagen, erklären sie, wie subatomare Partikel interagieren und produzieren häufig neue Arten von Elementarteilchen.

Teilchenbeschleuniger könnten ohne spezielle Relativitätstheorie nicht richtig konstruiert werden . In dem Typ, der als Elektron bezeichnet wird Synchrotron zum Beispiel gewinnen Elektronen Energie, wenn sie eine riesige kreisförmige Laufbahn durchqueren . Bei knapp unter der Lichtgeschwindigkeit ist ihre Masse tausendfach größer als ihre Ruhemasse. Infolgedessen muss das Magnetfeld, mit dem die Elektronen in Kreisbahnen gehalten werden, tausendfach stärker sein, als wenn sich die Masse nicht ändern würde.

Spaltung und Fusion: Bomben und Sternprozesse

Energie wird in zwei Arten von Kernprozessen freigesetzt. ImKernspaltung Ein schwerer Kern wie Uran spaltet sich in zwei leichtere Kerne auf. imnuclear fusion two light nuclei combine into a heavier one. In each process the total final mass is less than the starting mass. The difference appears as energy according to the relation E = Δmc2, where Δm is the mass deficit.

Fission is used in atomic bombs and in reactors that produce power for civilian and military applications. The fusion of hydrogen into helium is the energy source in stars and provides the power of a hydrogen bomb. Efforts are now under way to develop controllable hydrogen fusion as a clean, abundant power source.

The global positioning system

Das Global Positioning System (GPS) hängt von relativistischen Prinzipien ab. Ein GPS-Empfänger bestimmt seinen Standort auf der Erdoberfläche, indem er Funksignale von vier oder mehr Satelliten verarbeitet. Die Entfernung zu jedem Satelliten wird als Produkt der Lichtgeschwindigkeit und der Zeitverzögerung zwischen Senden und Empfangen des Signals berechnet. Das Gravitationsfeld der Erde und die Bewegung der Satelliten verursachen jedoch Zeitdilatationseffekte, und die Erdrotation hat auch relativistische Auswirkungen . Daher umfasst die GPS-Technologie relativistische Korrekturen, mit denen Positionen auf wenige Zentimeter genau berechnet werden können.

Kosmologie

Cosmology, the study of the structure and origin of the universe, is intimately connected with gravity, which determines the macroscopic behaviour of all matter. General relativity has played a role in cosmology since the early calculations of Einstein and Friedmann. Since then, the theory has provided a framework for accommodating observational results, such as Hubble’s discovery of the expanding universe in 1929, as well as the big-bang model, which is the generally accepted explanation of the origin of the universe.

The latest solutions of Einstein’s field equations depend on specific parameters that characterize the fate and shape of the universe. One is Hubbles Konstante , die definiert, wie schnell sich das Universum ausdehnt; Das andere ist die Dichte der Materie im Universum, die die Stärke der Schwerkraft bestimmt. Unterhalb einer bestimmten kritischen Dichte wäre die Schwerkraft schwach genug, dass sich das Universum für immer ausdehnen würde, so dass der Raum unbegrenzt wäre. Oberhalb dieses Wertes wäre die Schwerkraft stark genug, um das Universum nach einer endlichen Expansionsperiode, einem Prozess, der als „große Krise“ bezeichnet wird, auf seine ursprüngliche Minutengröße zurückschrumpfen zu lassen. In diesem Fall wäre der Raum wie die Oberfläche einer Kugel begrenzt oder begrenzt. Gegenwärtige Bemühungen in der Beobachtungskosmologie konzentrieren sich auf die Messung der genauesten möglichen Werte der Hubble-Konstante und der kritischen Dichte.

Relativitätstheorie, Quantentheorie und einheitliche Theorien

Das kosmische Verhalten im größten Maßstab wird durch die allgemeine Relativitätstheorie beschrieben. Das Verhalten auf der subatomaren Skala wird beschrieben durchDie Quantenmechanik begann 1900 mit der Arbeit des deutschen Physikers Max Planck und behandelt Energie und andere physikalische Größen in diskreten Einheiten, die Quanten genannt werden . Ein zentrales Ziel der Physik war es, Relativitätstheorie und Quantentheorie zu einer übergreifenden „Theorie von allem“ zu kombinieren , die alle physikalischen Phänomene beschreibt. Die Quantentheorie erklärt den Elektromagnetismus und die starken und schwachen Kräfte, aber eine Quantenbeschreibung der verbleibenden fundamentalen Schwerkraft wurde nicht erreicht.

Nachdem Einstein die Relativitätstheorie entwickelt hatte, suchte er erfolglos eine sogenannte unified field theory with a space-time geometry that would encompass all the fundamental forces. Other theorists have attempted to merge general relativity with quantum theory, but the two approaches treat forces in fundamentally different ways. In quantum theory, forces arise from the interchange of certain elementary particles, not from the shape of space-time. Furthermore, quantum effects are thought to cause a serious distortion of space-time at an extremely small scale called the Planck length, which is much smaller than the size of elementary particles. This suggests that quantum gravity cannot be understood without treating space-time at unheard-of scales.

Obwohl der Zusammenhang zwischen allgemeiner Relativitätstheorie und Quantenmechanik noch nicht geklärt ist , wurden einige Fortschritte in Richtung einer vollständig einheitlichen Theorie erzielt. In den 1960er Jahren lieferte die elektroschwache Theorie eine teilweise Vereinheitlichung und zeigte eine gemeinsame Grundlage für den Elektromagnetismus und die schwache Kraft innerhalb der Quantentheorie. Neuere Forschungen legen nahe, dass die Superstringtheorie , in der Elementarteilchen nicht als mathematische Punkte, sondern als extrem kleine Strings dargestellt werden, die in 10 oder mehr Dimensionen schwingen, vielversprechend ist, um eine vollständige Vereinigung, einschließlich der Gravitation, zu unterstützen. Bis zur Bestätigung durch experimentelle Ergebnisse bleibt die Superstringtheorie jedoch eine ungetestete Hypothese .