Einsteins Entstehung der Relativitätstheorie. Einsteins Relativitätstheorie, erklärt und gelesen in kurzen, verständlichen Worten

Vor hundert Jahren, im Jahr 1915, schlug ein junger Schweizer Wissenschaftler, der damals bereits revolutionäre Entdeckungen in der Physik gemacht hatte, ein grundlegend neues Verständnis der Schwerkraft vor.

1915 veröffentlichte Einstein die Allgemeine Relativitätstheorie, die die Schwerkraft als grundlegende Eigenschaft der Raumzeit charakterisiert. Er stellte eine Reihe von Gleichungen vor, die die Auswirkung der Krümmung der Raumzeit auf die Energie und Bewegung der darin vorhandenen Materie und Strahlung beschrieben.

Hundert Jahre später wurde die Allgemeine Relativitätstheorie (GTR) zur Grundlage für den Aufbau der modernen Wissenschaft, sie hielt allen Tests stand, mit denen Wissenschaftler sie angriffen.

Doch bis vor Kurzem war es unmöglich, Experimente unter extremen Bedingungen durchzuführen, um die Stabilität der Theorie zu testen.

Es ist erstaunlich, wie stark sich die Relativitätstheorie in 100 Jahren bewährt hat. Wir verwenden immer noch, was Einstein geschrieben hat!

Clifford Will, theoretischer Physiker, University of Florida

Wissenschaftler verfügen nun über die Technologie, um nach Physik jenseits der Allgemeinen Relativitätstheorie zu suchen.

Ein neuer Blick auf die Schwerkraft

Die Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt die Schwerkraft nicht als Kraft (wie sie in der Newtonschen Physik erscheint), sondern als eine Krümmung der Raumzeit aufgrund der Masse von Objekten. Die Erde dreht sich um die Sonne, nicht weil der Stern sie anzieht, sondern weil die Sonne die Raumzeit deformiert. Wenn Sie eine schwere Bowlingkugel auf eine gespannte Decke legen, verändert die Decke ihre Form – die Schwerkraft wirkt sich auf die gleiche Weise auf den Raum aus.

Einsteins Theorie sagte einige verrückte Entdeckungen voraus. Zum Beispiel die Möglichkeit der Existenz von Schwarzen Löchern, die die Raumzeit so stark krümmen, dass nichts aus ihrem Inneren entweichen kann, nicht einmal Licht. Basierend auf der Theorie wurden Beweise für die heute allgemein akzeptierte Meinung gefunden, dass sich das Universum ausdehnt und beschleunigt.

Die Allgemeine Relativitätstheorie wurde durch zahlreiche Beobachtungen bestätigt. Einstein selbst nutzte die allgemeine Relativitätstheorie, um die Umlaufbahn des Merkur zu berechnen, dessen Bewegung nicht durch Newtons Gesetze beschrieben werden kann. Einstein sagte die Existenz von Objekten voraus, die so massereich sind, dass sie Licht beugen. Dies ist ein Gravitationslinsenphänomen, dem Astronomen häufig begegnen. Beispielsweise beruht die Suche nach Exoplaneten auf dem Effekt subtiler Veränderungen der Strahlung, die durch das Gravitationsfeld des Sterns, um den der Planet kreist, gebeugt wird.

Einsteins Theorie testen

Die Allgemeine Relativitätstheorie funktioniert gut für die gewöhnliche Schwerkraft, wie Experimente auf der Erde und Beobachtungen der Planeten des Sonnensystems zeigen. Es wurde jedoch noch nie unter Bedingungen extrem starker Felder in Räumen getestet, die an den Grenzen der Physik liegen.

Der vielversprechendste Weg, die Theorie unter solchen Bedingungen zu testen, ist die Beobachtung von Veränderungen in der Raumzeit, sogenannten Gravitationswellen. Sie entstehen als Folge großer Ereignisse, der Verschmelzung zweier massiver Körper wie Schwarzer Löcher oder besonders dichter Objekte – Neutronensterne.

Ein kosmisches Feuerwerk dieser Größenordnung würde nur kleinste Wellen in der Raumzeit widerspiegeln. Wenn beispielsweise zwei Schwarze Löcher irgendwo in unserer Galaxie kollidieren und verschmelzen, könnten Gravitationswellen den Abstand zwischen Objekten, die einen Meter voneinander entfernt sind, auf der Erde um ein Tausendstel des Durchmessers eines Atomkerns dehnen und komprimieren.

Es sind Experimente aufgetaucht, die Veränderungen in der Raumzeit aufgrund solcher Ereignisse aufzeichnen können.

Es besteht eine gute Chance, in den nächsten zwei Jahren Gravitationswellen nachzuweisen.

Clifford Will

Das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) mit Observatorien in der Nähe von Richland (Washington) und Livingston (Louisiana) verwendet einen Laser, um winzige Verzerrungen in zwei L-förmigen Detektoren zu erkennen. Wenn Raumzeitwellen durch die Detektoren laufen, dehnen und komprimieren sie den Raum, wodurch der Detektor seine Abmessungen ändert. Und LIGO kann sie messen.

LIGO startete im Jahr 2002 eine Reihe von Starts, konnte jedoch keine Ergebnisse erzielen. Im Jahr 2010 wurden Verbesserungen vorgenommen, und der Nachfolger der Organisation, Advanced LIGO, soll in diesem Jahr wieder einsatzbereit sein. Viele der geplanten Experimente zielen auf die Suche nach Gravitationswellen.

Eine andere Möglichkeit, die Relativitätstheorie zu testen, besteht darin, die Eigenschaften von Gravitationswellen zu untersuchen. Sie können beispielsweise polarisiert sein, wie Licht, das durch eine Polarisationsbrille fällt. Die Relativitätstheorie sagt die Merkmale eines solchen Effekts voraus, und Abweichungen von den Berechnungen können Anlass sein, an der Theorie zu zweifeln.

Einheitliche Theorie

Clifford Will glaubt, dass die Entdeckung der Gravitationswellen Einsteins Theorie nur stärken wird:

Ich denke, wir müssen weiterhin nach Beweisen für die allgemeine Relativitätstheorie suchen, um sicherzugehen, dass sie korrekt ist.

Warum sind diese Experimente überhaupt notwendig?

Eine der wichtigsten und schwer fassbaren Aufgaben der modernen Physik ist die Suche nach einer Theorie, die Einsteins Forschung, also die Wissenschaft des Makrokosmos, und die Quantenmechanik, die Realität der kleinsten Objekte, miteinander verbindet.

Fortschritte in diesem Bereich, der Quantengravitation, erfordern möglicherweise Änderungen der Allgemeinen Relativitätstheorie. Möglicherweise würden Quantengravitationsexperimente so viel Energie benötigen, dass sie nicht durchführbar wären. „Aber wer weiß“, sagt Will, „vielleicht gibt es im Quantenuniversum einen Effekt, der zwar unbedeutend, aber durchsuchbar ist.“

A. EINSTEINS ALLGEMEINE RELATIVITÄTSTHEORIE

Im Rahmen der Theorie, die über einen Zeitraum von zehn Jahren, von 1906 bis 1916, entstand, wandte sich A. Einstein dem Problem der Schwerkraft zu, das seit langem die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler auf sich gezogen hatte. Daher wird die Allgemeine Relativitätstheorie oft auch als Gravitationstheorie bezeichnet. Es beschrieb neue Abhängigkeiten der Raum-Zeit-Beziehungen von materiellen Prozessen. Diese Theorie basiert nicht auf zwei, sondern auf drei Postulaten:

- Erstes Postulat Allgemeine Relativitätstheorie - erweiterte Relativitätstheorie, das die Invarianz der Naturgesetze in jedem Bezugssystem, sowohl trägen als auch nicht trägen, mit Beschleunigung oder Verzögerung behauptet. Er sagt, dass es unmöglich ist, nicht nur der Geschwindigkeit einen absoluten Charakter zuzuschreiben, sondern auch der Beschleunigung, die in Bezug auf den sie bestimmenden Faktor eine spezifische Bedeutung hat.

- Zweites Postulat-Prinzip der konstanten Lichtgeschwindigkeit- bleibt unverändert.

- Drittes Postulat-Prinzip der Äquivalenz von trägen und schweren Massen. Diese Tatsache war bereits in der klassischen Mechanik bekannt. Somit ist im von Newton formulierten Gesetz der universellen Gravitation die Schwerkraft immer proportional zur Masse des Körpers, auf den sie einwirkt. Aber im zweiten Newtonschen Gesetz ist die Kraft, die einem Körper Beschleunigung verleiht, auch proportional zu seiner Masse. Im ersten Fall handelt es sich um die schwere Masse, die die Fähigkeit eines Körpers charakterisiert, von einem anderen Körper angezogen zu werden, im zweiten Fall handelt es sich um die träge Masse, die das Verhalten eines Körpers unter dem Einfluss äußerer Einflüsse charakterisiert Kräfte und ist ein Maß für die Trägheit des Körpers. Beim freien Fall eines Körpers ist die Beschleunigung g = 9,8 m/s 2 jedoch nicht von der Masse abhängig. Galilei stellte dies in seinen Experimenten fest. Genauer gesagt wurde die Äquivalenz dieser Massen 1890 vom ungarischen Physiker L. Eotvos festgestellt. Heute wurden diese Schlussfolgerungen mit einem hohen Maß an Genauigkeit bestätigt – bis zu 10 -12.

Nach der Entwicklung der speziellen Relativitätstheorie fragte sich Einstein, ob sich die Gravitationseigenschaften von Körpern ändern, wenn ihre Trägheitseigenschaften von der Bewegungsgeschwindigkeit abhängen. Die theoretische Analyse des Wissenschaftlers führte zu dem Schluss, dass die Physik keine Möglichkeit kennt, die Wirkung der Schwerkraft von der Wirkung der Beschleunigung zu unterscheiden. Mit anderen Worten: Kinematische Effekte, die unter dem Einfluss von Gravitationskräften entstehen, sind äquivalent zu Effekten, die unter dem Einfluss von Beschleunigung entstehen. Wenn also eine Rakete mit einer Beschleunigung von 2 abhebt G, dann wird sich die Raketenbesatzung so fühlen, als befände sie sich im doppelten Schwerefeld der Erde. Ebenso kann ein Beobachter in einem geschlossenen Aufzug nicht feststellen, ob sich der Aufzug beschleunigt bewegt oder ob im Inneren des Aufzugs Gravitationskräfte wirken. Auf der Grundlage des Äquivalenzprinzips wurde das Relativitätsprinzip verallgemeinert.

Die wichtigste Schlussfolgerung der Allgemeinen Relativitätstheorie war die Vorstellung, dass Veränderungen der geometrischen (räumlichen) und zeitlichen Eigenschaften von Körpern nicht nur bei hoher Geschwindigkeit auftreten, wie die Spezielle Relativitätstheorie bewiesen hat, sondern auch bei starker Gravitation Felder. Die daraus gezogene Schlussfolgerung verband die allgemeine Relativitätstheorie untrennbar mit der Geometrie, doch die allgemein anerkannte Geometrie Euklids war dafür nicht geeignet.

Euklids Geometrie ist axiomatischer Natur, basiert auf fünf Axiomen und impliziert die Gleichheit und Homogenität des Raums, der als flach gilt. Doch nach und nach befriedigte diese Geometrie viele Mathematiker nicht mehr, da ihr fünftes Postulat nicht selbstverständlich war. Wir sprechen von der Aussage, dass durch einen Punkt, der außerhalb einer Geraden liegt, nur eine Gerade parallel zu dieser gezogen werden kann. Mit diesem Axiom ist die Aussage verbunden, dass die Winkelsumme eines Dreiecks immer 180° beträgt. Wenn wir dieses Axiom durch ein anderes ersetzen, können wir eine neue Geometrie konstruieren, die sich von der Geometrie Euklids unterscheidet, aber in sich gleichermaßen konsistent ist. Genau das haben der russische Mathematiker N. I. Lobatschewski, der Deutsche B. Riemann und der Ungar J. Bolyay im 19. Jahrhundert unabhängig voneinander getan. Riemann verwendete das Axiom, dass es unmöglich ist, auch nur eine einzige Gerade parallel zu einer gegebenen Linie zu zeichnen. Lobachevsky und Bolyay gingen davon aus, dass man durch einen Punkt außerhalb einer Geraden unendlich viele Geraden parallel zu dieser ziehen kann. Auf den ersten Blick klingen diese Aussagen absurd. Im Flugzeug sind sie tatsächlich falsch. Aber es kann auch andere Oberflächen geben, auf denen neue Postulate stattfinden.

Stellen Sie sich zum Beispiel die Oberfläche einer Kugel vor. Dabei wird der kürzeste Abstand zwischen zwei Punkten nicht entlang einer Geraden gemessen (es gibt keine Geraden auf der Oberfläche einer Kugel), sondern entlang des Bogens eines Großkreises (der sogenannten Kreise, deren Radien gleich sind). Radius der Kugel). Auf dem Globus dienen Meridiane als ähnliche kürzeste Linien oder, wie sie genannt werden, als geodätische Linien. Alle Meridiane schneiden sich bekanntlich an den Polen, und jeder von ihnen kann als gerade Linie parallel zu jedem Meridian betrachtet werden. Die Kugel hat ihre eigene Kugelgeometrie, in der die Aussage gilt, dass die Winkelsumme eines Dreiecks immer größer als 180° ist. Stellen Sie sich ein Dreieck auf einer Kugel vor, das aus zwei Meridianen und dem Äquatorbogen besteht. Die Winkel zwischen den Meridianen und dem Äquator betragen 90°, zu ihrer Summe wird der Winkel zwischen den Meridianen mit ihrem Scheitelpunkt am Pol addiert. Somit gibt es auf der Kugel keine disjunkten Linien.

Es gibt auch Flächen, für die sich Riemanns Postulat als wahr erweist. Dabei handelt es sich um eine sattelförmige Oberfläche, auch Pseudosphäre genannt. Auf ihr beträgt die Winkelsumme eines Dreiecks immer weniger als 180° und es ist unmöglich, eine einzige gerade Linie parallel zu dieser zu zeichnen.

Nachdem Einstein von der Existenz dieser Geometrien erfahren hatte, kamen Zweifel am euklidischen Charakter der realen Raumzeit auf. Es wurde klar, dass es verdreht war. Wie kann man sich die Krümmung des Raumes vorstellen, die durch die Allgemeine Relativitätstheorie beschrieben wird? Stellen wir uns eine sehr dünne Gummiplatte vor und gehen davon aus, dass es sich dabei um ein Weltraummodell handelt. Platzieren wir auf diesem Blatt große und kleine Kugeln – Modelle von Sternen und Planeten. Je größer ihre Masse, desto stärker biegen die Kugeln die Gummiplatte, was die Abhängigkeit der Raumzeitkrümmung von der Masse des Körpers deutlich macht. Somit erzeugt die Erde um sich herum eine gekrümmte Raumzeit, die als Gravitationsfeld bezeichnet wird. Dies führt dazu, dass alle Körper auf die Erde fallen. Aber je weiter wir vom Planeten entfernt sind, desto schwächer wird die Wirkung dieses Feldes sein. In sehr großer Entfernung wird das Gravitationsfeld so schwach sein, dass Körper nicht mehr auf die Erde fallen, und daher wird die Krümmung der Raumzeit so unbedeutend sein, dass sie vernachlässigt werden kann und die Raumzeit als flach betrachtet werden kann.

Die Krümmung des Raumes muss nicht als Krümmung einer Ebene wie einer euklidischen Kugel verstanden werden, bei der sich die äußere Oberfläche von der inneren unterscheidet. Von innen sieht seine Oberfläche konkav aus, von außen sieht sie konvex aus. Aus der Sicht nichteuklidischer Geometrien sind beide Seiten einer gekrümmten Ebene gleich. Die Krümmung des Raumes manifestiert sich nicht visuell und wird als Abweichung seiner Metrik von der euklidischen verstanden, die in der Sprache der Mathematik genau beschrieben werden kann.

Die Relativitätstheorie begründete nicht nur die Krümmung des Raumes unter dem Einfluss von Gravitationsfeldern, sondern auch die Verlangsamung der Zeit in starken Gravitationsfeldern. Sogar die Schwerkraft der Sonne, einem für kosmische Verhältnisse recht kleinen Stern, beeinflusst das Tempo der Zeit und verlangsamt sie in ihrer Nähe. Wenn wir also ein Funksignal an einen Punkt senden, dessen Weg in der Nähe der Sonne verläuft, dauert die Reise des Funksignals länger, als wenn sich auf dem Weg dieses Signals keine Sonne befindet. Die Signalverzögerung beim Vorbeiflug an der Sonne beträgt etwa 0,0002 s. Solche Experimente werden seit 1966 durchgeführt. Als Reflektoren dienten sowohl die Oberflächen von Planeten (Merkur, Venus) als auch die Ausrüstung interplanetarer Stationen.

Eine der fantastischsten Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie ist völliger Stillstand der Zeit in einem sehr starken Gravitationsfeld. Je stärker die Schwerkraft ist, desto größer ist die Zeitdilatation. Die Zeitdilatation äußert sich in der gravitativen Rotverschiebung des Lichts: Je stärker die Schwerkraft ist, desto mehr nimmt die Wellenlänge zu und ihre Frequenz ab. Unter bestimmten Bedingungen kann die Wellenlänge ins Unendliche und ihre Frequenz gegen Null gehen.

Bei dem von der Sonne emittierten Licht könnte dies passieren, wenn unser Stern plötzlich schrumpft und sich in eine Kugel mit einem Radius von 3 km oder weniger verwandelt (der Radius der Sonne beträgt 700.000 km). Aufgrund dieser Kompression wird die Gravitationskraft auf der Oberfläche, von der das Licht kommt, so stark zunehmen, dass die gravitative Rotverschiebung tatsächlich unendlich ist. Die Sonne wird einfach unsichtbar, kein einziges Photon wird aus ihr herausfliegen.

Sagen wir gleich, dass dies mit der Sonne niemals passieren wird. Am Ende seiner Existenz, nach mehreren Milliarden Jahren, wird es viele Veränderungen erfahren; seine zentrale Region kann zwar erheblich schrumpfen, aber immer noch nicht so sehr. Aber andere Sterne, deren Massen das Dreifache oder mehr der Sonnenmasse betragen, werden am Ende ihres Lebens höchstwahrscheinlich unter dem Einfluss ihrer eigenen Schwerkraft eine schnelle, katastrophale Kompression erfahren. Dies wird sie in den Zustand eines Schwarzen Lochs führen.

Schwarzes Loch - Dies ist ein physischer Körper, der eine so starke Schwerkraft erzeugt, dass die Rotverschiebung des in seiner Nähe emittierten Lichts bis ins Unendliche gehen kann. Damit ein Schwarzes Loch entsteht, muss der Körper auf einen Radius komprimiert werden, der das Verhältnis der Körpermasse zur Sonnenmasse multipliziert mit 3 km nicht überschreitet. Dieser kritische Radiuswert wird aufgerufen Gravitationsradius Körper.

Physiker und Astronomen sind sich absolut sicher, dass es in der Natur Schwarze Löcher gibt, obwohl sie bisher nicht entdeckt wurden. Die Schwierigkeiten astronomischer Suchen hängen mit der Natur dieser ungewöhnlichen Objekte zusammen. Schließlich sind sie einfach nicht sichtbar, da sie nicht leuchten, nichts in den Weltraum abgeben und daher im wahrsten Sinne des Wortes schwarz sind. Nur durch eine Reihe indirekter Anzeichen kann man hoffen, ein Schwarzes Loch beispielsweise in einem Doppelsternsystem zu bemerken, dessen Partner ein gewöhnlicher Stern wäre. Aus Beobachtungen der Bewegung eines sichtbaren Sterns im allgemeinen Gravitationsfeld eines solchen Paares wäre es möglich, die Masse des unsichtbaren Sterns abzuschätzen, und wenn dieser Wert die Masse der Sonne um das Dreifache oder mehr übersteigt, wäre dies der Fall kann man behaupten, dass ein Schwarzes Loch gefunden wurde. Mittlerweile gibt es mehrere gut untersuchte Doppelsternsysteme, bei denen die Masse des unsichtbaren Partners auf 5-8 Sonnenmassen geschätzt wird. Höchstwahrscheinlich handelt es sich dabei um Schwarze Löcher, aber bis diese Schätzungen verfeinert sind, bezeichnen Astronomen diese Objekte lieber als Kandidaten für Schwarze Löcher.

Die gravitative Dilatation der Zeit, deren Maß und Beweis die Rotverschiebung ist, ist in der Nähe von Neutronensternen sehr bedeutsam, und in der Nähe des Gravitationsradius eines Schwarzen Lochs ist sie dort aus der Sicht eines externen Beobachters so groß, dass die Zeit dort vergeht , friert einfach ein. Für einen Körper, der in das Gravitationsfeld eines Schwarzen Lochs mit einer Masse von drei Sonnenmassen fällt, dauert der Sturz aus einer Entfernung von 1 Million km bis zum Gravitationsradius nur etwa eine Stunde. Aber nach der Uhr, die weit vom Schwarzen Loch entfernt sein wird, wird sich der freie Fall des Körpers in seinem Feld zeitlich bis ins Unendliche erstrecken. Je näher sich der fallende Körper dem Gravitationsradius nähert, desto langsamer erscheint dieser Flug für einen entfernten Beobachter. Ein aus der Ferne beobachteter Körper wird sich unendlich lange dem Gravitationsradius nähern und ihn nie erreichen. Und in einer bestimmten Entfernung von diesem Radius friert der Körper für immer ein – für einen externen Beobachter ist die Zeit stehen geblieben, so wie in einem Standbild ein eingefrorener Moment des Sturzes eines Körpers sichtbar ist.

Die in Einsteins Relativitätstheorie formulierten Vorstellungen über Raum und Zeit sind bei weitem die konsistentesten. Sie sind jedoch makroskopisch, da sie auf der Erfahrung bei der Untersuchung makroskopischer Objekte, großer Entfernungen und langer Zeiträume beruhen. Bei der Konstruktion von Theorien, die die Phänomene der Mikrowelt beschreiben, wurde dieses geometrische Bild, das die Kontinuität von Raum und Zeit (Raum-Zeit-Kontinuum) voraussetzt, unverändert auf einen neuen Bereich übertragen. Es gibt keine experimentellen Daten, die der Anwendung der Relativitätstheorie in der Mikrowelt widersprechen. Aber gerade die Entwicklung von Quantentheorien erfordert möglicherweise eine Überarbeitung der Vorstellungen über physikalischen Raum und Zeit.

Einige Wissenschaftler sprechen bereits über die Möglichkeit der Existenz eines Raumquants, einer Grundlänge L. Durch die Einführung dieses Konzepts wird die Wissenschaft in der Lage sein, viele der Schwierigkeiten moderner Quantentheorien zu vermeiden. Wenn die Existenz dieser Länge bestätigt wird, wird sie zu einer weiteren fundamentalen Konstante in der Physik. Die Existenz eines Raumquantums impliziert auch die Existenz eines Zeitquantums gleich L/C, was die Genauigkeit der Bestimmung von Zeitintervallen einschränkt.

Die Allgemeine Relativitätstheorie berücksichtigt nicht träge Bezugssysteme und sieht die Möglichkeit vor, sie mit trägen Bezugssystemen zu identifizieren (bei Vorhandensein eines Gravitationsfelds). Einstein formuliert das Wesentliche des Hauptprinzips dieser Theorie wie folgt: „Alle Bezugssysteme sind für die Beschreibung der Natur (Formulierung ihrer allgemeinen Gesetze) gleichwertig, unabhängig davon, in welchem ​​Bewegungszustand sie sich befinden.“ Genauer gesagt besagt das allgemeine Relativitätsprinzip, dass jedes Gesetz der Physik gleichermaßen wahr und anwendbar ist, sowohl in nicht trägen Bezugssystemen bei Vorhandensein eines Gravitationsfelds als auch in trägen Bezugssystemen, jedoch in dessen Abwesenheit.

Konsequenzen aus der Allgemeinen Relativitätstheorie:

1. Die Gleichheit von träger und schwerer Masse ist eines der wichtigen Ergebnisse der Allgemeinen Relativitätstheorie, die alle Bezugssysteme als gleichwertig betrachtet, nicht nur träge.

2. Die Krümmung eines Lichtstrahls in einem Gravitationsfeld zeigt an, dass die Lichtgeschwindigkeit in einem solchen Feld nicht konstant sein kann, sondern von einem Ort zum anderen in ihrer Richtung variiert.

3. Drehung der elliptischen Umlaufbahn von Planeten, die sich um die Sonne bewegen (zum Beispiel für Merkur – 43° pro Jahrhundert).

4. Zeitdilatation im Gravitationsfeld massiver oder superdichter Körper.

5. Änderung der Frequenz des Lichts, wenn es sich in einem Gravitationsfeld bewegt.

Das bedeutendste Ergebnis der Allgemeinen Relativitätstheorie ist die Feststellung der Abhängigkeit der Raum-Zeit-Eigenschaften der umgebenden Welt vom Ort und der Dichte gravitierender Massen.

Zusammenfassend stellen wir fest, dass sich eine Reihe von Schlussfolgerungen der Allgemeinen Relativitätstheorie qualitativ von den Schlussfolgerungen der Newtonschen Gravitationstheorie unterscheiden. Die wichtigsten davon hängen mit der Existenz von Schwarzen Löchern, Raum-Zeit-Singularitäten (Orte, an denen laut Theorie formal die Existenz von Teilchen und Feldern in der uns bekannten üblichen Form endet) und der Anwesenheit von Gravitationswellen (Gravitationswellen) zusammen Strahlung). Die Grenzen von Einsteins allgemeiner Gravitationstheorie beruhen auf der Tatsache, dass diese Theorie keine Quantentheorie ist; und Gravitationswellen können als Fluss spezifischer Quanten betrachtet werden – Gravitonen.

Es wurden keine weiteren Einschränkungen der Anwendbarkeit der Relativitätstheorie festgestellt, obwohl wiederholt darauf hingewiesen wurde, dass das Konzept eines Punktereignisses und damit die Relativitätstheorie bei sehr kleinen Entfernungen möglicherweise nicht anwendbar sind. Moderne Quantentheorien grundlegender Wechselwirkungen (elektromagnetische, schwache und starke Wechselwirkungen) basieren genau auf der Geometrie der Raum-Zeit-Relativitätstheorie. Von diesen Theorien wurde die Quantenelektrodynamik von Leptonen mit der höchsten Genauigkeit getestet. Die Experimente zur Untermauerung der Relativitätstheorie in den ersten Jahrzehnten ihres Bestehens wurden mit hoher Genauigkeit wiederholt. Heutzutage sind solche Experimente von überwiegend historischem Interesse, da der Hauptbeweis für die Allgemeine Relativitätstheorie aus Daten über die Wechselwirkungen relativistischer Elementarteilchen besteht.

Es erklärte das Bewegungsmuster zweier Objekte relativ zueinander im selben Koordinatensystem, abhängig von konstanter Geschwindigkeit und Homogenität der äußeren Umgebung.

Die grundsätzliche Begründung der SRT basierte auf zwei Komponenten:

1. Empirisch gewonnene analytische Daten. Bei der Beobachtung sich bewegender Körper in einer strukturellen Parallele wurden die Art ihrer Bewegung, signifikante Unterschiede und Merkmale bestimmt;
2. Bestimmung von Geschwindigkeitsparametern. Als Grundlage diente die einzige unveränderliche Größe – die „Lichtgeschwindigkeit“, die 3*10^8 m/s beträgt.

Der Weg zur Entstehung der Relativitätstheorie

Möglich wurde die Entstehung der Relativitätstheorie durch die wissenschaftlichen Arbeiten von Albert Einstein, der den Unterschied in der Wahrnehmung von Raum und Zeit in Abhängigkeit von der Position des Beobachters und der Bewegungsgeschwindigkeit von Objekten erklären und beweisen konnte. Wie ist das passiert?

Mitte des 18. Jahrhunderts wurde eine damals geheimnisvolle Struktur namens Äther zur zentralen Forschungsgrundlage. Nach vorläufigen Daten und Schlussfolgerungen der wissenschaftlichen Gruppe ist dieser Stoff in der Lage, beliebige Schichten zu durchdringen, ohne deren Geschwindigkeit zu beeinträchtigen. Es wurde auch vermutet, dass Veränderungen in der äußeren Geschwindigkeitswahrnehmung die Lichtgeschwindigkeit selbst verändern (ihre Konstanz wurde von der modernen Wissenschaft nachgewiesen).

Nachdem Albert Einstein diese Daten studiert hatte, lehnte er die Lehren des Äthers völlig ab und wagte die Annahme, dass die Lichtgeschwindigkeit eine bestimmende Größe sei, die nicht von äußeren Faktoren abhängt. Ihm zufolge verändert sich nur die visuelle Wahrnehmung, nicht jedoch das Wesen der ablaufenden Prozesse. Um seine Überzeugungen zu beweisen, führte Einstein später ein differenziertes Experiment durch, das die Gültigkeit dieses Ansatzes bewies.

Das Hauptmerkmal der Studie war die Einführung menschlicher Faktoren. Mehrere Personen wurden gebeten, sich parallel, jedoch mit unterschiedlicher Geschwindigkeit, von Punkt A nach Punkt B zu bewegen. Als sie den Ausgangspunkt erreichten, wurden diese Personen gebeten, zu beschreiben, was sie um sich herum sahen und welche Eindrücke sie von dem Prozess hatten. Jede Person aus der ausgewählten Gruppe zog ihre eigenen Schlussfolgerungen und die Ergebnisse stimmten nicht überein. Nachdem das gleiche Experiment wiederholt wurde, sich die Menschen jedoch mit der gleichen Geschwindigkeit und in die gleiche Richtung bewegten, ähnelten sich die Meinungen der Versuchsteilnehmer. Somit wurde das Endergebnis zusammengefasst und Einsteins Theorie wurde vollständig bestätigt.

Die zweite Entwicklungsstufe von STR – die Lehre vom Raum-Zeit-Kontinuum

Grundlage der Lehre vom Raum-Zeit-Kontinuum war der Verbindungsfaden zwischen der Bewegungsrichtung eines Objekts, seiner Geschwindigkeit und Masse. Diesen „Hinweis“ für die weitere Forschung lieferte das erste erfolgreiche Demonstrationsexperiment, das unter Beteiligung externer Beobachter durchgeführt wurde.

Das materielle Universum existiert in drei Phasen der Richtungsmessung: links-rechts, oben-unten, vorwärts-rückwärts. Wenn wir ihnen einen konstanten Indikator für die Zeitmessung hinzufügen (die zuvor erwähnte „Lichtgeschwindigkeit“), erhalten wir eine Definition des Raum-Zeit-Kontinuums.

Welche Rolle spielt dabei der Massenanteil des Messobjekts? Alle Schüler und Studenten kennen die physikalische Formel E=m*c², in der gilt: E ist Energie, m ist Körpermasse, c ist Geschwindigkeit. Nach dem Anwendungsgesetz dieser Formel nimmt die Masse eines Körpers durch eine Erhöhung der Lichtgeschwindigkeit deutlich zu. Daraus folgt, dass die Masse des ursprünglichen Objekts in jeder Bewegungsrichtung umso größer ist, je höher die Geschwindigkeit ist. Und das Raum-Zeit-Kontinuum bestimmt nur die Reihenfolge der Vergrößerung und Ausdehnung, das Volumen des Raumes (wenn es um die Elementarteilchen geht, auf denen alle physischen Körper aufgebaut sind).

Ein Beweis für diesen Ansatz waren Prototypen, mit denen Wissenschaftler versuchten, die Lichtgeschwindigkeit zu erreichen. Sie waren eindeutig davon überzeugt, dass es mit einer künstlichen Erhöhung des Körpergewichts immer schwieriger wird, die gewünschte Beschleunigung zu erreichen. Dafür war eine konstante, unerschöpfliche Energiequelle erforderlich, die es in der Natur einfach nicht gibt. Nach Erhalt der Schlussfolgerung Albert Einsteins Theorie wurde vollständig bewiesen.

Das Studium der Relativitätstheorie erfordert ein umfassendes Verständnis physikalischer Prozesse und der Grundlagen der mathematischen Analysis, die im Gymnasium und in den ersten Jahren berufsbildender Fachschulen und höherer Bildungseinrichtungen mit technischem Profil vermittelt werden. Ohne die Vermittlung der Grundlagen ist es einfach nicht möglich, alle Informationen zu erfassen und die Bedeutung der Forschung eines brillanten Physikers zu würdigen.

Material aus dem Buch „A Brief History of Time“ von Stephen Hawking und Leonard Mlodinow

Relativität

Einsteins grundlegendes Postulat, das sogenannte Relativitätsprinzip, besagt, dass alle Gesetze der Physik für alle sich frei bewegenden Beobachter gleich sein müssen, unabhängig von ihrer Geschwindigkeit. Wenn die Lichtgeschwindigkeit konstant ist, dann sollte jeder frei bewegte Beobachter den gleichen Wert aufzeichnen, unabhängig von der Geschwindigkeit, mit der er sich der Lichtquelle nähert oder sich von ihr entfernt.

Die Forderung, dass sich alle Beobachter über die Lichtgeschwindigkeit einig sein müssen, erzwingt eine Änderung des Zeitbegriffs. Nach der Relativitätstheorie schätzen ein Beobachter in einem Zug und ein Beobachter auf dem Bahnsteig die vom Licht zurückgelegte Strecke unterschiedlich ein. Und da Geschwindigkeit die Entfernung geteilt durch die Zeit ist, können sich Beobachter nur dann auf die Lichtgeschwindigkeit einigen, wenn sie sich auch hinsichtlich der Zeit nicht einig sind. Mit anderen Worten: Die Relativitätstheorie hat der Idee der absoluten Zeit ein Ende gesetzt! Es stellte sich heraus, dass jeder Beobachter sein eigenes Zeitmaß haben muss und dass identische Uhren für verschiedene Beobachter nicht unbedingt die gleiche Zeit anzeigen.

Wenn wir sagen, dass der Raum drei Dimensionen hat, meinen wir, dass die Position eines Punktes darin durch drei Zahlen ausgedrückt werden kann – Koordinaten. Wenn wir die Zeit in unsere Beschreibung einbeziehen, erhalten wir eine vierdimensionale Raumzeit.

Eine weitere bekannte Konsequenz der Relativitätstheorie ist die Äquivalenz von Masse und Energie, ausgedrückt durch Einsteins berühmte Gleichung E = mс 2 (wobei E die Energie, m die Körpermasse und c die Lichtgeschwindigkeit ist). Aufgrund der Äquivalenz von Energie und Masse erhöht die kinetische Energie, die ein materieller Gegenstand aufgrund seiner Bewegung besitzt, seine Masse. Mit anderen Worten: Es wird schwieriger, das Objekt zu beschleunigen.

Dieser Effekt ist nur für Körper von Bedeutung, die sich mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen. Beispielsweise ist die Körpermasse bei einer Geschwindigkeit von 10 % der Lichtgeschwindigkeit nur 0,5 % größer als im Ruhezustand, bei einer Geschwindigkeit von 90 % der Lichtgeschwindigkeit ist die Masse jedoch mehr als doppelt so groß das normale. Mit zunehmender Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit nimmt die Masse eines Körpers immer schneller zu, so dass für seine Beschleunigung immer mehr Energie erforderlich ist. Nach der Relativitätstheorie kann ein Körper niemals die Lichtgeschwindigkeit erreichen, da in diesem Fall seine Masse unendlich werden würde und aufgrund der Äquivalenz von Masse und Energie dafür unendlich viel Energie erforderlich wäre. Aus diesem Grund verurteilt die Relativitätstheorie jeden gewöhnlichen Körper für immer dazu, sich mit einer Geschwindigkeit zu bewegen, die unter der Lichtgeschwindigkeit liegt. Nur Licht oder andere Wellen, die keine eigene Masse haben, können sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen.

Verzerrter Raum

Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie basiert auf der revolutionären Annahme, dass die Schwerkraft keine gewöhnliche Kraft ist, sondern eine Folge der Tatsache, dass die Raumzeit nicht flach ist, wie bisher angenommen. In der Allgemeinen Relativitätstheorie wird die Raumzeit durch die in ihr eingebrachte Masse und Energie gebogen oder gekrümmt. Körper wie die Erde bewegen sich auf gekrümmten Bahnen und unterliegen nicht dem Einfluss einer Kraft namens Schwerkraft.

Da eine geodätische Linie die kürzeste Linie zwischen zwei Flughäfen ist, leiten Navigatoren Flugzeuge entlang dieser Routen. Sie könnten beispielsweise den Kompassanzeigen folgen und die 5.966 Kilometer von New York nach Madrid fast genau östlich entlang der geografischen Breite fliegen. Allerdings müssen Sie nur 5.802 Kilometer zurücklegen, wenn Sie in einem großen Kreis fliegen, zunächst nach Nordosten und dann nach und nach nach Osten und dann nach Südosten. Das Erscheinungsbild dieser beiden Routen auf einer Karte, auf der die Erdoberfläche verzerrt (als flach dargestellt) ist, täuscht. Wenn man sich „geradeaus“ nach Osten von einem Punkt zum anderen auf der Erdoberfläche bewegt, bewegt man sich eigentlich nicht entlang einer geraden Linie, oder besser gesagt, nicht entlang der kürzesten geodätischen Linie.

Projiziert man die Flugbahn eines Raumfahrzeugs, das sich geradlinig durch den Weltraum bewegt, auf die zweidimensionale Erdoberfläche, so stellt sich heraus, dass diese gekrümmt ist.

Gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie sollten Gravitationsfelder das Licht beugen. Die Theorie sagt beispielsweise voraus, dass sich Lichtstrahlen in der Nähe der Sonne unter dem Einfluss der Masse des Sterns leicht zu ihr hin krümmen. Das bedeutet, dass das Licht eines entfernten Sterns, wenn er zufällig in der Nähe der Sonne vorbeizieht, um einen kleinen Winkel abweicht, weshalb ein Beobachter auf der Erde den Stern nicht genau dort sehen wird, wo er sich tatsächlich befindet.

Erinnern wir uns daran, dass nach dem Grundpostulat der speziellen Relativitätstheorie alle physikalischen Gesetze für alle frei bewegten Beobachter gleich sind, unabhängig von ihrer Geschwindigkeit. Grob gesagt erweitert das Äquivalenzprinzip diese Regel auf diejenigen Beobachter, die sich nicht frei, sondern unter dem Einfluss eines Gravitationsfeldes bewegen.

In ausreichend kleinen Raumregionen ist es unmöglich zu beurteilen, ob man sich in einem Gravitationsfeld befindet oder sich mit konstanter Beschleunigung im leeren Raum bewegt.

Stellen Sie sich vor, Sie befinden sich in einem Aufzug inmitten eines leeren Raums. Es gibt keine Schwerkraft, kein „oben“ und „unten“. Sie schweben frei. Anschließend beginnt sich der Aufzug mit konstanter Beschleunigung zu bewegen. Sie spüren plötzlich Gewicht. Das heißt, Sie werden gegen eine der Wände des Aufzugs gedrückt, die nun als Boden wahrgenommen wird. Wenn Sie einen Apfel aufheben und loslassen, fällt er zu Boden. Da Sie sich jetzt mit Beschleunigung bewegen, geschieht tatsächlich alles im Inneren des Aufzugs genauso, als ob sich der Aufzug überhaupt nicht bewegen würde, sondern in einem gleichmäßigen Gravitationsfeld ruhe. Einstein erkannte, dass man in einem Eisenbahnwaggon nicht erkennen kann, ob er stillsteht oder sich gleichmäßig bewegt, und dass man auch in einem Aufzug nicht erkennen kann, ob er sich mit konstanter Beschleunigung oder in gleichmäßiger Bewegung bewegt. Gravitationsfeld. Das Ergebnis dieses Verständnisses war das Äquivalenzprinzip.

Das Äquivalenzprinzip und das gegebene Beispiel seiner Manifestation sind nur dann gültig, wenn die träge Masse (Teil des zweiten Newtonschen Gesetzes, das bestimmt, wie viel Beschleunigung eine auf einen Körper ausgeübte Kraft einem Körper verleiht) und die schwere Masse (Teil des Newtonschen Gesetzes) berücksichtigt werden der Schwerkraft, die das Ausmaß der Anziehungskraft bestimmt) sind ein und dasselbe.

Einsteins Verwendung der Äquivalenz träger und schwerer Massen zur Ableitung des Äquivalenzprinzips und letztendlich der gesamten Allgemeinen Relativitätstheorie ist ein Beispiel für die beständige und konsequente Entwicklung logischer Schlussfolgerungen, die in der Geschichte des menschlichen Denkens beispiellos sind.

Zeitdilatation

Eine weitere Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie besagt, dass sich die Zeit um massive Körper wie die Erde verlangsamen sollte.

Da wir nun mit dem Äquivalenzprinzip vertraut sind, können wir Einsteins Gedanken folgen, indem wir ein weiteres Gedankenexperiment durchführen, das zeigt, warum die Schwerkraft die Zeit beeinflusst. Stellen Sie sich eine Rakete vor, die im Weltraum fliegt. Der Einfachheit halber gehen wir davon aus, dass sein Körper so groß ist, dass das Licht eine ganze Sekunde braucht, um ihn von oben nach unten zu passieren. Nehmen wir schließlich an, dass sich in der Rakete zwei Beobachter befinden: einer oben, nahe der Decke, der andere unten, auf dem Boden, und beide sind mit derselben Uhr ausgestattet, die die Sekunden zählt.

Nehmen wir an, dass der obere Beobachter, nachdem er darauf gewartet hat, dass seine Uhr herunterzählt, sofort ein Lichtsignal an den unteren sendet. Bei der nächsten Zählung sendet es ein zweites Signal. Nach unseren Bedingungen dauert es eine Sekunde, bis jedes Signal den unteren Beobachter erreicht. Da der obere Beobachter zwei Lichtsignale im Abstand von einer Sekunde sendet, wird der untere Beobachter diese auch im gleichen Abstand registrieren.

Was würde sich ändern, wenn die Rakete in diesem Experiment nicht frei im Weltraum schweben würde, sondern auf der Erde stünde und der Wirkung der Schwerkraft ausgesetzt wäre? Nach Newtons Theorie hat die Schwerkraft keinerlei Einfluss auf die Sachlage: Wenn der Beobachter oben Signale im Sekundenabstand sendet, empfängt der Beobachter unten diese im gleichen Abstand. Das Äquivalenzprinzip sagt jedoch eine andere Entwicklung der Ereignisse voraus. Welches, können wir verstehen, wenn wir nach dem Äquivalenzprinzip gedanklich die Wirkung der Schwerkraft durch konstante Beschleunigung ersetzen. Dies ist ein Beispiel dafür, wie Einstein das Äquivalenzprinzip nutzte, um seine neue Gravitationstheorie zu entwickeln.

Nehmen wir also an, unsere Rakete beschleunigt. (Wir gehen davon aus, dass sie langsam beschleunigt, sodass ihre Geschwindigkeit nicht die Lichtgeschwindigkeit erreicht.) Da sich der Raketenkörper nach oben bewegt, muss das erste Signal eine kürzere Strecke zurücklegen als zuvor (bevor die Beschleunigung beginnt). und es wird früher beim unteren Beobachter ankommen, als nach einer Sekunde. Wenn sich die Rakete mit konstanter Geschwindigkeit bewegen würde, würde das zweite Signal genau gleich früher eintreffen, sodass der Abstand zwischen den beiden Signalen gleich einer Sekunde bleiben würde. Aber im Moment des Sendens des zweiten Signals bewegt sich die Rakete aufgrund der Beschleunigung schneller als im Moment des Sendens des ersten, sodass das zweite Signal eine kürzere Strecke zurücklegt als das erste und noch weniger Zeit benötigt. Der Beobachter unten, der auf seine Uhr schaut, wird feststellen, dass der Abstand zwischen den Signalen weniger als eine Sekunde beträgt, und wird dem Beobachter oben widersprechen, der behauptet, er habe die Signale genau eine Sekunde später gesendet.

Im Falle einer beschleunigenden Rakete sollte dieser Effekt wahrscheinlich nicht besonders überraschend sein. Schließlich haben wir es gerade erklärt! Aber denken Sie daran: Das Äquivalenzprinzip besagt, dass dasselbe passiert, wenn die Rakete in einem Gravitationsfeld ruht. Selbst wenn die Rakete nicht beschleunigt, sondern beispielsweise auf der Startrampe auf der Erdoberfläche steht, treffen daher Signale ein, die der obere Beobachter im Abstand von einer Sekunde (gemäß seiner Uhr) sendet niedrigerer Beobachter mit kleinerem Intervall (gemäß seiner Uhr). Das ist wirklich erstaunlich!

Die Schwerkraft verändert den Fluss der Zeit. So wie die spezielle Relativitätstheorie uns sagt, dass die Zeit für Beobachter, die sich relativ zueinander bewegen, unterschiedlich vergeht, sagt uns die allgemeine Relativitätstheorie, dass die Zeit für Beobachter in unterschiedlichen Gravitationsfeldern unterschiedlich vergeht. Gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie registriert der untere Beobachter einen kürzeren Abstand zwischen den Signalen, weil die Zeit an der Erdoberfläche langsamer vergeht, weil dort die Schwerkraft stärker ist. Je stärker das Gravitationsfeld ist, desto größer ist dieser Effekt.

Auch unsere biologische Uhr reagiert auf Veränderungen im Laufe der Zeit. Wenn einer der Zwillinge auf einem Berggipfel und der andere am Meer lebt, altert der erste schneller als der zweite. In diesem Fall wird der Altersunterschied vernachlässigbar gering sein, er wird sich jedoch erheblich vergrößern, sobald einer der Zwillinge eine lange Reise in einem Raumschiff antritt, das auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Wenn der Wanderer zurückkehrt, wird er viel jünger sein als sein auf der Erde zurückgelassener Bruder. Dieser Fall ist als Zwillingsparadoxon bekannt, aber es ist nur für diejenigen ein Paradoxon, die an der Idee der absoluten Zeit festhalten. In der Relativitätstheorie gibt es keine eindeutige absolute Zeit – jeder Mensch hat sein eigenes Zeitmaß, das davon abhängt, wo er sich befindet und wie er sich bewegt.

Mit dem Aufkommen hochpräziser Navigationssysteme, die Signale von Satelliten empfangen, hat der Unterschied in den Taktraten in verschiedenen Höhen praktische Bedeutung erlangt. Würde die Ausrüstung die Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie ignorieren, könnte der Fehler bei der Standortbestimmung mehrere Kilometer betragen!

Das Aufkommen der Allgemeinen Relativitätstheorie veränderte die Situation radikal. Raum und Zeit erlangten den Status dynamischer Einheiten. Wenn sich Körper bewegen oder Kräfte wirken, verursachen sie eine Krümmung von Raum und Zeit, und die Struktur der Raumzeit beeinflusst wiederum die Bewegung von Körpern und die Wirkung von Kräften. Raum und Zeit beeinflussen nicht nur alles, was im Universum geschieht, sondern sie selbst hängen von allem ab.

Stellen wir uns einen unerschrockenen Astronauten vor, der während einer katastrophalen Kontraktion auf der Oberfläche eines kollabierenden Sterns bleibt. Irgendwann, so seine Uhr, etwa um 11:00 Uhr, wird der Stern auf einen kritischen Radius schrumpfen, jenseits dessen sich das Gravitationsfeld so stark verstärkt, dass es unmöglich ist, ihm zu entkommen. Nehmen wir nun an, dass der Astronaut gemäß den Anweisungen jede Sekunde auf seiner Uhr ein Signal an ein Raumschiff senden muss, das sich in einer festen Entfernung vom Zentrum des Sterns im Orbit befindet. Die Signalübertragung beginnt um 10:59:58 Uhr, also zwei Sekunden vor 11:00 Uhr. Was wird die Besatzung an Bord des Raumschiffs registrieren?

Nachdem wir zuvor ein Gedankenexperiment mit der Übertragung von Lichtsignalen im Inneren einer Rakete durchgeführt hatten, waren wir überzeugt, dass die Schwerkraft die Zeit verlangsamt und dass der Effekt umso bedeutender ist, je stärker sie ist. Ein Astronaut auf der Oberfläche eines Sterns befindet sich in einem stärkeren Gravitationsfeld als seine Kollegen im Orbit, sodass eine Sekunde auf seiner Uhr länger dauert als eine Sekunde auf der Schiffsuhr. Während sich der Astronaut mit der Oberfläche in Richtung Sternmitte bewegt, wird das auf ihn einwirkende Feld immer stärker, sodass die Abstände zwischen seinen an Bord der Raumsonde empfangenen Signalen immer länger werden. Diese Zeitdilatation wird bis 10:59:59 Uhr sehr gering sein, so dass für Astronauten im Orbit der Abstand zwischen den Signalen, die um 10:59:58 Uhr und um 10:59:59 Uhr gesendet werden, kaum mehr als eine Sekunde beträgt. Aber das um 11:00 Uhr gesendete Signal wird auf dem Schiff nicht mehr empfangen.

Alles, was auf der Oberfläche des Sterns zwischen 10:59:59 und 11:00 Uhr auf der Uhr des Astronauten passiert, erstreckt sich auf der Uhr des Raumfahrzeugs über einen unendlichen Zeitraum. Je näher 11:00 Uhr rückt, desto länger werden die Abstände zwischen der Ankunft aufeinanderfolgender Gipfel und Täler der vom Stern ausgesendeten Lichtwellen in der Umlaufbahn; Das Gleiche gilt für die Zeitintervalle zwischen den Astronautensignalen. Da die Frequenz der Strahlung durch die Anzahl der Kämme (oder Täler) bestimmt wird, die pro Sekunde eintreffen, wird die Raumsonde immer niedrigere Frequenzen der Strahlung des Sterns aufzeichnen. Das Licht des Sterns wird zunehmend rot und verblasst gleichzeitig. Schließlich wird der Stern so dunkel, dass er für Beobachter an der Raumsonde unsichtbar wird; Alles, was bleiben wird, ist ein schwarzes Loch im Weltraum. Die Wirkung der Schwerkraft des Sterns auf das Raumschiff wird jedoch bestehen bleiben und es wird seine Umlaufbahn fortsetzen.

Die Relativitätstheorie ist eine physikalische Theorie, die Raum-Zeit-Muster berücksichtigt, die für alle physikalischen Prozesse gültig sind. Die allgemeinste Theorie der Raumzeit wird Allgemeine Relativitätstheorie (GTR) oder Gravitationstheorie genannt. In der partiellen (oder speziellen) Relativitätstheorie (STR) werden die Eigenschaften der Raumzeit untersucht, die mit einer Genauigkeit gelten, mit der der Einfluss der Schwerkraft vernachlässigt werden kann. (Physical Encyclopedic Dictionary, 1995)

Zeit und Masse Der Körper zieht sich entlang der Bewegungsachse zusammen, wenn er sich der Lichtgeschwindigkeit nähert

Atomzerfall Die Atommasse neuer Atome und die erzeugte Bewegungsenergie entsprechen der Masse des ursprünglichen Atoms

Ende des 19. Jahrhunderts fanden die von Newton entdeckten Bewegungs- und Schwerkraftgesetze breite Anwendung für Berechnungen und fanden immer mehr experimentelle Bestätigung. Nichts schien auf eine Revolution in diesem Bereich hinzudeuten. Allerdings beschränkte sich die Angelegenheit nicht mehr nur auf die Mechanik: Als Ergebnis der experimentellen Arbeit vieler Wissenschaftler auf dem Gebiet der Elektrizität und des Magnetismus entstanden die Maxwell-Gleichungen. Hier begannen die Probleme mit den Gesetzen der Physik. Maxwells Gleichungen bringen Elektrizität, Magnetismus und Licht zusammen. Daraus folgt, dass die Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen, einschließlich der Lichtwellen, nicht von der Bewegung des Emitters abhängt und im Vakuum etwa 300.000 km/s beträgt. Dies steht in keiner Weise im Einklang mit der Mechanik von Newton und Galileo. Angenommen, ein Ballon fliegt relativ zur Erde mit einer Geschwindigkeit von 100.000 km/s. Schießen wir mit einer leichten Kanone mit einer leichten Kugel vorwärts, deren Geschwindigkeit 300.000 km/s beträgt. Dann müssten nach den Formeln von Galileo einfach die Geschwindigkeiten addiert werden, was bedeutet, dass die Kugel relativ zur Erde mit einer Geschwindigkeit von 400.000 km/s fliegt. Es gibt keine Konstanz der Lichtgeschwindigkeit!

Es wurden große Anstrengungen unternommen, um die Änderung der Lichtgeschwindigkeit zu erkennen, wenn sich der Emitter bewegt, aber keines der genialen Experimente war erfolgreich. Selbst das genaueste Experiment, das Michelson-Morley-Experiment, ergab ein negatives Ergebnis. Stimmt also etwas mit Maxwells Gleichungen nicht? Aber sie beschreiben alle elektrischen und magnetischen Phänomene perfekt. Und dann brachte Henri Poincaré die Idee zum Ausdruck, dass der Punkt nicht in den Gleichungen liegt, sondern im Relativitätsprinzip: Alle physikalischen Gesetze, nicht nur mechanische wie Newton, sondern auch elektrische, sollten in Systemen, die sich gleichmäßig relativ zueinander bewegen, gleich sein und geradlinig. Im Jahr 1904 erhielt der Däne Hendrik Anton Lorenz speziell für die Maxwell-Gleichungen neue Formeln zur Neuberechnung der Koordinaten eines bewegten Systems relativ zu einem stationären und umgekehrt. Dies half jedoch nur teilweise: Es stellte sich heraus, dass für Newtons Gesetze bestimmte Transformationen erforderlich waren und für Maxwells Gleichungen andere. Die Frage blieb offen.

Spezielle Relativitätstheorie

Die von Lorenz vorgeschlagenen Transformationen waren mit zwei wichtigen Konsequenzen verbunden. Es stellte sich heraus, dass beim Übergang von einem System zu einem anderen nicht nur Koordinatentransformationen, sondern auch Zeittransformationen erforderlich sind. Und außerdem änderte sich die Größe eines sich bewegenden Körpers, berechnet nach den Formeln von Lorentz – er wurde entlang der Bewegungsrichtung kleiner! Daher verloren Geschwindigkeiten über der Lichtgeschwindigkeit jegliche physikalische Bedeutung, da in diesem Fall die Körper auf Nulldimensionen komprimiert wurden. Viele Physiker, darunter auch Lorentz selbst, hielten diese Schlussfolgerungen lediglich für einen mathematischen Vorfall. Bis Einstein zur Sache kam.

Warum ist die Relativitätstheorie nach Einstein benannt, wenn das Relativitätsprinzip von Poincaré formuliert wurde, die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit von Maxwell abgeleitet wurde und die Regeln zur Koordinatentransformation von Lorentz erfunden wurden? Nehmen wir zunächst an, dass alles, worüber wir bisher gesprochen haben, nur die sogenannte „Spezielle Relativitätstheorie“ (STR) betrifft. Entgegen der landläufigen Meinung beschränkte sich Einsteins Beitrag zu dieser Theorie keineswegs auf eine einfache Verallgemeinerung der Ergebnisse. Erstens gelang es ihm, alle Gleichungen auf der Grundlage von nur zwei Postulaten zu erhalten – dem Relativitätsprinzip und dem Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit. Und zweitens verstand er, welche Änderungen am Newtonschen Gesetz vorgenommen werden mussten, damit es nicht aus dem neuen Weltbild herausfällt und sich während der Lorentz-Transformationen nicht ändert. Dazu war ein kritischer Blick auf zwei bisher unerschütterliche Grundlagen der klassischen Mechanik erforderlich – die Absolutheit der Zeit und die Konstanz der Körpermasse.

Nichts Absolutes

In der Newtonschen Mechanik wurde die Sternzeit stillschweigend mit der absoluten Zeit gleichgesetzt, aber in Einsteins Theorie entspricht jeder Bezugsrahmen seiner eigenen, „lokalen“ Zeit und es gibt keine Uhr, die die Zeit für das gesamte Universum messen könnte. Doch die Schlussfolgerungen zur Relativität der Zeit reichten nicht aus, um die Widersprüche zwischen Elektrodynamik und klassischer Mechanik zu beseitigen. Dieses Problem wurde gelöst, als eine weitere klassische Bastion, die Massenkonstanz, fiel. Einstein änderte Newtons Grundgesetz der Proportionalität von Kraft und Beschleunigung und stellte fest, dass die Masse bei Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit unbegrenzt zunimmt. Tatsächlich folgt aus den Postulaten der SRT, dass eine Geschwindigkeit größer als die Lichtgeschwindigkeit keine physikalische Bedeutung hat, was bedeutet, dass keine Kraft die Geschwindigkeit eines Körpers, der bereits mit Lichtgeschwindigkeit fliegt, also unter diesen, nicht mehr erhöhen kann Bedingungen bewirkt die Kraft keine Beschleunigung mehr! Je größer die Geschwindigkeit eines Körpers ist, desto schwieriger ist es, ihn zu beschleunigen.

Und da der Proportionalitätskoeffizient die Masse (oder Trägheit) ist, folgt daraus, dass die Masse eines Körpers mit zunehmender Geschwindigkeit zunimmt.

Es ist bemerkenswert, dass diese Schlussfolgerung zu einer Zeit gezogen wurde, als es keine offensichtlichen Widersprüche und Inkonsistenzen zwischen den experimentellen Ergebnissen und den Newtonschen Gesetzen gab. Unter normalen Bedingungen ist die Massenänderung unbedeutend und kann experimentell nur bei sehr hohen Geschwindigkeiten, nahe der Lichtgeschwindigkeit, nachgewiesen werden. Selbst für einen Satelliten, der mit einer Geschwindigkeit von 8 km/s fliegt, beträgt die Korrektur der Masse nicht mehr als einen Teil von zwei Milliarden. Doch bereits 1906 wurden die Schlussfolgerungen von STR durch die Untersuchung von Elektronen, die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegten, bestätigt: In Kaufmans Experimenten wurde eine Veränderung der Masse dieser Teilchen aufgezeichnet. Eine Beschleunigung von Teilchen mit modernen Beschleunigern ist jedoch schlicht nicht möglich, wenn die Berechnungen nach der klassischen Methode ohne Berücksichtigung der speziellen Relativitätstheorie durchgeführt werden.

Doch dann stellte sich heraus, dass die Unbeständigkeit der Masse eine noch grundlegendere Schlussfolgerung zulässt. Mit zunehmender Geschwindigkeit nimmt die Masse zu, die Bewegungsenergie nimmt zu ... Ist das nicht dasselbe? Mathematische Berechnungen bestätigten die Vermutung über die Äquivalenz von Masse und Energie und 1907 erhielt Einstein seine berühmte Formel E = mc2. Dies ist die wichtigste Schlussfolgerung von SRT. Masse und Energie sind dasselbe und werden ineinander umgewandelt! Und wenn ein Körper (zum Beispiel ein Uranatom) plötzlich in zwei Teile zerfällt, die insgesamt weniger Masse haben, dann wird der Rest der Masse in Bewegungsenergie umgewandelt. Einstein selbst ging davon aus, dass man eine Massenänderung nur bei enormen Energiefreisetzungen feststellen könne, da der Koeffizient c2 in der von ihm ermittelten Formel sehr, sehr groß war. Aber dass diese theoretischen Überlegungen die Menschheit so weit bringen würden, hätte er wohl nicht erwartet. Die Schaffung der Atombombe bestätigte die Gültigkeit der speziellen Relativitätstheorie, allerdings zu einem sehr hohen Preis.

Es scheint, dass es keinen Grund gibt, an der Richtigkeit der Theorie zu zweifeln. Aber hier ist es an der Zeit, sich an die Worte Einsteins zu erinnern: „Die Erfahrung wird niemals „Ja“ zu einer Theorie sagen, sondern bestenfalls „Vielleicht“, aber meistens sagt sie einfach „Nein.“ Das letzte und genaueste Experiment zur Überprüfung eines der Postulate der SRT, der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit, wurde erst vor kurzem, im Jahr 2001, an der Universität Konstanz (Deutschland) durchgeführt. Eine stehende Laserwelle wurde in eine „Box“ aus hochreinem Saphir gelegt, auf die Temperatur von flüssigem Helium abgekühlt und die Änderung der Lichtfrequenz sechs Monate lang überwacht. Wenn die Lichtgeschwindigkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit des Labors abhängen würde, würde sich die Frequenz dieser Welle ändern, wenn sich die Erde im Orbit bewegt. Bisher konnten wir jedoch keine Änderungen feststellen.

Allgemeine Relativitätstheorie

Nachdem Einstein 1905 sein berühmtes Werk „Über die Elektrodynamik bewegter Körper“ veröffentlicht hatte, das der SRT gewidmet war, ging er noch einen Schritt weiter. Er war überzeugt, dass die Tankstelle nur ein Teil der Reise war. Das Relativitätsprinzip muss in jedem Bezugssystem gelten und nicht nur in solchen, die sich gleichmäßig und geradlinig bewegen. Dieser Glaube Einsteins war nicht nur eine Vermutung; er basierte auf einer experimentellen Tatsache, der Einhaltung des Äquivalenzprinzips. Lassen Sie uns erklären, was es ist. Zu den Bewegungsgesetzen gehört die sogenannte „träge“ Masse, die angibt, wie schwierig es ist, einen Körper zu beschleunigen, und zu den Gesetzen der Schwerkraft gehört die „schwere“ Masse, die die Anziehungskraft zwischen Körpern bestimmt. Das Äquivalenzprinzip geht davon aus, dass diese Massen einander genau gleich sind. Ob dies tatsächlich der Fall ist, kann jedoch nur die Erfahrung bestätigen. Aus dem Äquivalenzprinzip folgt, dass sich alle Körper in einem Gravitationsfeld mit der gleichen Beschleunigung bewegen müssen. Auch Galilei testete diesen Umstand, indem er der Legende nach verschiedene Körper vom Schiefen Turm von Pisa warf. Damals betrug die Messgenauigkeit 1 %, Newton brachte sie auf 0,1 %, und nach den neuesten Daten aus dem Jahr 1995 können wir sicher sein, dass das Äquivalenzprinzip mit einer Genauigkeit von 5 x 10−13 erfüllt ist.

Auf der Grundlage des Äquivalenzprinzips und des Relativitätsprinzips entwickelte Einstein nach zehn Jahren harter Arbeit seine Gravitationstheorie oder Allgemeine Relativitätstheorie (GR), die bis heute Theoretiker mit ihrer mathematischen Schönheit begeistert. Raum und Zeit waren in Einsteins Gravitationstheorie erstaunlichen Metamorphosen unterworfen. Das Gravitationsfeld, das Körper mit Masse um sich herum erzeugen, krümmt den umgebenden Raum. Stellen Sie sich einen Ball vor, der auf einem Trampolin liegt. Je schwerer der Ball ist, desto stärker verbiegt sich das Trampolinnetz. Und die in die vierte Dimension transformierte Zeit steht nicht daneben: Je größer das Gravitationsfeld, desto langsamer vergeht die Zeit.

Die erste bestätigte Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie wurde bereits 1915 von Einstein selbst gemacht. Es ging um die Bewegung des Merkur. Das Perihel dieses Planeten (d. h. der Punkt seiner größten Annäherung an die Sonne) ändert allmählich seine Position. Über hundert Jahre Beobachtungen von der Erde aus betrug die Verschiebung 43,1 Bogensekunden. Nur die Allgemeine Relativitätstheorie konnte diesen Wert – 43 Bogensekunden – erstaunlich genau vorhersagen. Der nächste Schritt waren Beobachtungen der Ablenkung von Lichtstrahlen im Gravitationsfeld der Sonne während der totalen Sonnenfinsternis von 1919. Seitdem wurden viele solcher Experimente durchgeführt, und alle bestätigen die Allgemeine Relativitätstheorie – obwohl die Genauigkeit ständig zunimmt. Beispielsweise lag sie 1984 bei 0,3 % und 1995 bei weniger als 0,1 %.

Mit dem Aufkommen der Atomuhren kam es auf die Zeit selbst an. Es reicht aus, eine Uhr auf den Gipfel eines Berges zu stellen, eine andere an seinen Fuß – und Sie können den Unterschied im Lauf der Zeit spüren! Und mit dem Aufkommen globaler Satellitenpositionierungssysteme gelangte die Relativitätstheorie schließlich von der Kategorie der wissenschaftlichen Unterhaltung in einen rein praktischen Bereich. GPS-Satelliten fliegen beispielsweise in einer Höhe von etwa 20.000 km mit einer Geschwindigkeit von etwa 4 km/s. Da sie ziemlich weit von der Erde entfernt sind, gehen ihre Uhren gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie um etwa 45 Mikrosekunden (μs) pro Tag vor, aber da sie aufgrund der SR mit hoher Geschwindigkeit fliegen, sind dieselben Uhren um etwa 7 μs verzögert täglich. Werden diese Änderungen nicht berücksichtigt, wird das gesamte System innerhalb weniger Tage wertlos! Bevor sie in die Umlaufbahn geschickt werden, werden die Atomuhren der Satelliten so eingestellt, dass sie pro Tag etwa 38 Mikrosekunden langsamer laufen. Und die Tatsache, dass mein einfacher GPS-Empfänger nach solchen Anpassungen Tag für Tag meine Koordinaten auf der riesigen Erdoberfläche korrekt anzeigt, stärkt mein Vertrauen in die Relativitätstheorie erheblich.

All diese Erfolge provozieren nur Relativitätsjäger. Heute verfügt jede Universität mit etwas Selbstachtung über ein Labor zur Suche nach Gravitationswellen, die sich nach Einsteins Gravitationstheorie mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten sollten. Wir konnten sie noch nicht finden. Ein weiterer Stolperstein ist der Zusammenhang zwischen allgemeiner Relativitätstheorie und Quantenmechanik. Beide stimmen hervorragend mit dem Experiment überein, sind jedoch völlig inkompatibel miteinander. Erinnert es nicht ein wenig an die klassische Mechanik und den Elektromagnetismus des späten 19. Jahrhunderts? Vielleicht sollten wir auf Veränderungen warten.