Sieben einfache Möglichkeiten, wie wir wissen, dass Einstein Recht hatte

Seit 100 Jahren hat Albert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie so gut wie jeden Test überstanden, den Physiker durchgeführt haben. Die im November 1915 angekündigten Feldgleichungen des berühmten Wissenschaftlers erweiterten Isaac Newtons langjährige Gesetze, indem sie die Schwerkraft als Verzerrung im Gefüge von Raum und Zeit und nicht als einfache Kraft zwischen Objekten interpretierten.

Verwandte Inhalte

• Nach einem Jahrhundert der Suche haben wir endlich Gravitationswellen entdeckt
• Fünf Dinge, die Sie über Gravitationswellen wissen sollten
• Warum Albert Einstein, das Genie hinter der Relativitätstheorie, seine Pfeife liebte
• Fünf praktische Anwendungen für die "gruselige" Quantenmechanik

Die Ergebnisse der Verwendung von allgemeinen Relativitätsgleichungen ähneln denen der Newtonschen Mathematik, sofern die beteiligten Massen nicht zu groß sind und die Geschwindigkeiten im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit relativ gering sind. Das Konzept war jedoch eine Revolution für die Physik.

Verzerrte Raumzeit bedeutet, dass das Licht selbst viel stärker von der Schwerkraft beeinflusst wird, als Newton vorausgesagt hatte. Dies bedeutet auch, dass sich Planeten auf eine leicht veränderte, aber sehr signifikante Weise um ihre Umlaufbahnen bewegen, und dass exotische Objekte wie schwarze Monsterlöcher und Wurmlöcher vorhergesagt werden.

Die allgemeine Relativitätstheorie ist nicht perfekt - die Regeln von Einsteins Schwerkraft scheinen zu brechen, wenn man sie auf die Regeln der Quantenmechanik anwendet, die auf subatomaren Skalen herrschen. Das lässt viele spannende Lücken in unserem Verständnis des Universums. Noch heute stoßen Wissenschaftler an ihre Grenzen, um zu sehen, wie weit die Relativitätstheorie uns bringen kann. In der Zwischenzeit sehen wir im Folgenden einige Möglichkeiten, wie die Relativitätstheorie konsequent in Aktion umgesetzt wird:

Merkurs Umlaufbahn

Das MESSENGER-Raumschiff, das als erstes Mercury umkreist, hat diese Falschfarben-Ansicht des winzigen Planeten aufgenommen, um chemische, mineralogische und physikalische Unterschiede auf seiner Oberfläche aufzuzeigen. (NASA / JHUAPL / Carnegie Institution)

Bereits im 19. Jahrhundert bemerkte der Astronom Urbain LeVerrier ein Problem mit der Umlaufbahn von Merkur. Planetenbahnen sind nicht kreisförmig, sie sind Ellipsen, was bedeutet, dass Planeten näher oder weiter von der Sonne und voneinander entfernt sein können, wenn sie sich durch das Sonnensystem bewegen. Wenn Planeten aneinander ziehen, bewegen sich ihre Punkte am nächsten auf vorhersehbare Weise, ein Prozess, der als Präzession bezeichnet wird.

Aber selbst nachdem die Auswirkungen aller anderen Planeten berücksichtigt worden waren, schien Merkur ein kleines Stück weiter zu gehen, als es in jedem Jahrhundert sein sollte. Zuerst dachten die Astronomen, dass sich ein anderer, unsichtbarer Planet namens Vulcan in der Umlaufbahn von Mercury befinden muss, was der Mischung seine Anziehungskraft verleiht.

Aber Einstein benutzte die Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie, um zu zeigen, dass kein mysteriöser Planet benötigt wurde. Merkur, der der Sonne am nächsten ist, wird einfach mehr durch die Art und Weise beeinflusst, wie unser massereicher Stern das Gefüge der Raum-Zeit krümmt, was die Newtonsche Physik nicht berücksichtigte.

Licht biegen

Ein Bild der Sonnenfinsternis vom 29. Mai 1919. ("Eine Bestimmung der Lichtablenkung durch das Gravitationsfeld der Sonne aus Beobachtungen bei der totalen Sonnenfinsternis vom 29. Mai 1919") Philosophische Transaktionen der Royal Society of London, Serie A)

Gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie sollte das Licht, das sich durch die Raumzeit des Gewebes bewegt, den Kurven dieses Gewebes folgen. Das bedeutet, dass sich Licht, das sich um massive Objekte bewegt, um sie biegen sollte. Als Einstein seine Artikel zur allgemeinen Relativitätstheorie veröffentlichte, war es nicht klar, wie man diese Verzerrung beobachtet, da der vorhergesagte Effekt gering ist.

Der britische Astronom Arthur Eddington hatte eine Idee: Schauen Sie sich die Sterne in der Nähe des Sonnenrandes während einer Sonnenfinsternis an. Mit dem vom Mond geblendeten Sonnenlicht konnten Astronomen feststellen, ob sich die scheinbare Position eines Sterns geändert hatte, als die Schwerkraft der massiven Sonne ihr Licht bog. Die Wissenschaftler machten Beobachtungen von zwei Orten aus: einem in Ostbrasilien und einem in Afrika.

Sicher genug, Eddingtons Team sah die Vertreibung während einer Sonnenfinsternis von 1919 und Schlagzeilen trompeten der Welt zu, dass Einstein Recht hatte. In den letzten Jahren haben neue Untersuchungen der Daten gezeigt, dass das Experiment nach modernen Maßstäben fehlerhaft war - es gab Probleme mit den Fotoplatten, und die 1919 verfügbare Präzision reichte nicht aus, um den richtigen Grad an Ablenkung bei den Messungen zu zeigen aus Brasilien. Spätere Experimente haben jedoch gezeigt, dass die Wirkung vorhanden ist, und da keine moderne Ausrüstung vorhanden ist, war die Arbeit solide genug.

Heute können Astronomen mit leistungsstarken Teleskopen beobachten, wie das Licht entfernter Galaxien von anderen Galaxien gebogen und vergrößert wird. Dieser Effekt wird heute als Gravitationslinseneffekt bezeichnet. Das gleiche Werkzeug wird derzeit verwendet, um die Massen von Galaxien zu schätzen, nach dunkler Materie zu suchen und sogar Planeten ausfindig zu machen, die andere Sterne umkreisen.

Schwarze Löcher

Das Chandra-Weltraumteleskop der NASA hat das Schwarze Loch in der Mitte unserer Galaxie namens Schütze A * gesehen, das im Januar einen besonders hellen Röntgenstrahl auslöste. (NASA / CXC / Amherst College / D. Haggard et al.)

Die vielleicht spektakulärste Vorhersage der allgemeinen Relativitätstheorie ist die Existenz von Schwarzen Löchern, Objekten, die so massiv sind, dass nicht einmal Licht ihrer Anziehungskraft entgehen kann. Die Idee war jedoch nicht neu. 1784 präsentierte ein englischer Wissenschaftler namens John Mitchell es auf den Versammlungen der Royal Society, und 1799 gelangte der französische Mathematiker Pierre-Simon LaPlace zu demselben Konzept und verfasste einen strengeren mathematischen Beweis. Trotzdem hatte niemand so etwas wie ein Schwarzes Loch beobachtet. Darüber hinaus schienen Experimente von 1799 und später zu zeigen, dass Licht eher eine Welle als ein Teilchen sein muss, damit es von der Schwerkraft nicht auf die gleiche Weise beeinflusst wird, wenn überhaupt.

Einstein betreten. Wenn die Schwerkraft tatsächlich auf eine Krümmung der Raum-Zeit zurückzuführen ist, kann sie das Licht beeinflussen. 1916 verwendete Karl Schwarzschild Einsteins Gleichungen, um zu zeigen, dass nicht nur schwarze Löcher existieren können, sondern dass das resultierende Objekt fast das gleiche ist wie das von LaPlace. Schwarzschild führte auch das Konzept eines Ereignishorizonts ein, einer Oberfläche, von der kein materieller Gegenstand entkommen konnte.

Obwohl Schwarzschilds Mathematik solide war, brauchten Astronomen Jahrzehnte, um Kandidaten zu beobachten - Cygnus X-1, eine starke Röntgenquelle, wurde in den 1970er Jahren als erstes Objekt weithin als Schwarzes Loch akzeptiert. Jetzt glauben Astronomen, dass jede Galaxie ein Schwarzes Loch in ihrem Kern hat - sogar unser eigenes. Die Astronomen verfolgten sorgfältig die Umlaufbahnen der Sterne um eine andere helle Röntgenquelle in der Mitte der Milchstraße, Schütze A *, und stellten fest, dass sich das System wie ein extrem massereiches Schwarzes Loch verhält.

"Für Systeme wie Cygnus X-1 oder Sagittarius A * können wir die Masse und den Radius des kompakten Objekts messen und wir können einfach kein anderes astrophysikalisches Objekt finden, das die gleichen Beobachtungseigenschaften hätte", sagt Paul M Sutter, Astrophysiker und Gastwissenschaftler an der Ohio State University.

Den Mond schießen

Teil eines Mondlaser-Ranging-Experiments, das Apollo 15 auf dem Mond hinterlassen hat. (NASA)

Bei der Entwicklung seiner allgemeinen Relativitätstheorie erkannte Einstein, dass die Auswirkungen der Schwerkraft und die Auswirkungen der Beschleunigung beide durch die Krümmung der Raumzeit verursacht werden und dass die Gravitationskraft, die jemand erfahren würde, der auf einem massiven Objekt steht, mit der Wirkung vergleichbar wäre von jemandem erlebt, der beispielsweise durch das Fahren mit einer Rakete davon beschleunigt.

Das heißt, die in einem Labor gemessenen Gesetze der Physik sehen immer gleich aus, egal wie schnell sich das Labor bewegt oder wo es sich in der Raumzeit befindet. Wenn Sie ein Objekt in ein Gravitationsfeld setzen, hängt seine Bewegung nur von seiner Anfangsposition und seiner Geschwindigkeit ab. Diese zweite Aussage ist wichtig, weil sie impliziert, dass die Schwerkraft der Sonne auf der Erde und auf dem Mond sehr stabil sein muss - ansonsten, wer weiß, welche Schwierigkeiten auftreten können, wenn unser Planet und der Mond mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten auf die Sonne "fallen".

In den 1960er Jahren richteten die Apollo-Missionen und die sowjetischen Mondsonden Reflektoren auf dem Mond ein, und Wissenschaftler auf der Erde feuerten Laserstrahlen auf sie ab, um eine Reihe wissenschaftlicher Experimente durchzuführen, darunter die Messung der Entfernung zwischen Erde und Mond und ihrer relativen Bewegungen um die Sonne. Eine der Lehren aus dieser Mondentfernungsmessung war, dass Erde und Mond tatsächlich mit der gleichen Geschwindigkeit auf die Sonne fallen, wie die allgemeine Relativitätstheorie vorhersagt.

Leertaste ziehen

Eine zusammengesetzte Zeichnung des Satelliten Gravity Probe B. (Katherine Stephenson, Stanford University und Lockheed Martin Corporation)

In den meisten Beschreibungen der allgemeinen Relativitätstheorie stellen sich die Menschen die Erde als eine Bowlingkugel vor, die an einem Stück Stoff aufgehängt ist, auch bekannt als Raum-Zeit. Durch die Kugel verzieht sich der Stoff in eine Vertiefung. Aber da sich die Erde dreht, sagt die allgemeine Relativitätstheorie, dass sich die Depression verdrehen und verzerren sollte, wenn sich der Ball dreht.

Ein Raumfahrzeug namens Gravity Probe B, das im Jahr 2004 gestartet wurde, hat ein Jahr lang die Krümmung der Raumzeit um die Erde gemessen. Es gab Hinweise darauf, dass Einstein die Schwerkraft betrachtet oder dass die Erde das kosmische Gewebe mitzieht, während es sich dreht, was zur Bestätigung von Einsteins Bild der Schwerkraft beiträgt.

Raum-Zeit-Wellen

Zwei massive Pulsare, die sich umeinander drehen, würden das Raum-Zeit-Gefüge so stark stören, dass Gravitationswellen entstehen, die wir auf der Erde nachweisen könnten. (NASA)

Eine andere Konsequenz von Objekten, die sich durch die Raum-Zeit bewegen, ist, dass sie manchmal Wellen und Wellen im Stoff erzeugen, ähnlich wie bei einem Schiff. Diese Gravitationswellen würden die Raum-Zeit in einer Weise dehnen, die theoretisch beobachtbar ist. Bei einigen Experimenten wird beispielsweise ein Laserstrahl zwischen zwei Spiegelsätzen und die Zeit, die der Strahl benötigt, um zwischen ihnen zu springen, eingestrahlt. Wenn eine Raum-Zeit-Welligkeit die Erde durchquert, sollten solche Detektoren eine winzige Verlängerung und Kontraktion des Strahls sehen, die sich als Interferenzmuster zeigen würde.

Bisher sind Gravitationswellen eine der letzten wichtigen Vorhersagen für die allgemeine Relativitätstheorie, die noch zu sehen sind, obwohl es Gerüchte über eine Entdeckung in einer Einrichtung in den USA gibt. Es gibt jedoch einige indirekte Beweise. Pulsare sind tote Sterne, die ein Vielfaches der Sonnenmasse in einen Raum von der Größe Manhattans packen. Beobachtungen von zwei Pulsaren, die sich gegenseitig umkreisen, lassen vermuten, dass Gravitationswellen real sind.

"Es wurde beobachtet, dass die Umlaufzeit des ersten binären Pulsars mit der Zeit um etwa 0, 0001 Sekunden pro Jahr abnimmt", sagt der Physiker Alan Kostelecky von der Indiana University. "Die Zerfallsrate entspricht dem Energieverlust durch Gravitationsstrahlung, der durch die allgemeine Relativitätstheorie vorhergesagt wird."

Geographisches Positionierungs System

Das Rendering eines Künstlers zeigt einen GPS-IIRM-Satelliten im Orbit. (Nationales US-Exekutivkomitee für weltraumgestütztes Positionieren, Navigieren und Timing)

Global Positioning Systems sind keine Relativitätstests, aber sie sind absolut darauf angewiesen. GPS verwendet ein Netzwerk von umlaufenden Satelliten, die Signale an Telefone und Mietwagen auf der ganzen Welt senden. Um eine Position zu erhalten, müssen diese Satelliten wissen, wo und wann sie sich befinden. Daher messen sie die Zeit mit einer Genauigkeit von milliardstel Sekunden.

Aber die Satelliten kreisen 12.550 Meilen über unseren Köpfen und spüren dort weniger die Anziehungskraft des Planeten als die Menschen am Boden. Basierend auf Einsteins Relativitätstheorie, die besagt, dass die Zeit für Beobachter, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen, unterschiedlich vergeht, ticken die Satellitenuhren etwas langsamer als die Uhr eines erdgebundenen Reisenden.

Die allgemeine Relativitätstheorie hilft jedoch, diesen Effekt aufzuheben, da die Schwerkraft in der Nähe der Erdoberfläche die Zecken einer Uhr im Vergleich zur Geschwindigkeit des Satelliten verlangsamt. Ohne diese relativistische Kombination wären die GPS-Uhren um etwa 38 Mikrosekunden pro Tag abgeschaltet. Das mag nach einem kleinen Fehler klingen, aber GPS erfordert eine so hohe Genauigkeit, dass die Diskrepanz dazu führen würde, dass Ihr zugeordneter Standort innerhalb weniger Stunden merklich falsch ist.