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Wie die Relativitätstheorie bewiesen werden konnte

Albert Einstein stellte 1905 fest, dass die Gesetze der Physik für alle nicht-beschleunigenden Beobachter gleich sind und dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum unabhängig von der Bewegung aller Beobachter ist. Das war die spezielle Relativitätstheorie. Sie führte einen neuen Rahmen für die gesamte Physik ein und schlug neue Konzepte von Raum und Zeit vor.

Einstein verbrachte dann 10 Jahre damit, die Beschleunigung in die Theorie einzubeziehen und veröffentlichte 1915 seine allgemeine Relativitätstheorie. Darin stellte er fest, dass massive Objekte eine Verzerrung der Raumzeit verursachen, die als Gravitation empfunden wird.

Der Schlepper der Schwerkraft

Zwei Objekte üben eine Anziehungskraft auf einander aus, die als "Schwerkraft" bezeichnet wird. Sir Isaac Newton quantifizierte die Schwerkraft zwischen zwei Objekten, als er seine drei Bewegungsgesetze formulierte. Die Kraft, die zwischen zwei Körpern zieht, hängt davon ab, wie massiv jeder einzelne ist und wie weit die beiden voneinander entfernt liegen. Selbst wenn der Mittelpunkt der Erde dich zu sich zieht (und dich fest auf dem Boden hält), zieht sich dein Massenschwerpunkt auf die Erde zurück. Aber der massivere Körper spürt kaum den Zug von dir, während du mit deiner viel kleineren Masse dank der gleichen Kraft fest verwurzelt bist. Doch Newtons Gesetze gehen davon aus, dass die Schwerkraft eine angeborene Kraft eines Objekts ist, die über eine Entfernung wirken kann.

Albert Einstein stellte in seiner speziellen Relativitätstheorie fest, dass die Gesetze der Physik für alle nicht-beschleunigenden Beobachter gleich sind und er zeigte, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum gleich ist, egal mit welcher Geschwindigkeit ein Beobachter reist. Als Ergebnis fand er heraus, dass Raum und Zeit zu einem einzigen Kontinuum verwoben waren, das als Raum-Zeit bekannt ist. Ereignisse, die für einen Beobachter gleichzeitig auftreten, können für einen anderen Beobachter zu unterschiedlichen Zeiten auftreten.

Als er die Gleichungen für seine allgemeine Relativitätstheorie ausarbeitete, erkannte Einstein, dass massive Objekte eine Verzerrung der Raumzeit verursachten. Stellen Sie sich vor, Sie setzen einen großen Körper in die Mitte eines Trampolins. Der Körper drückte sich in das Gewebe, wodurch es sich kräuselte. Eine um den Rand gerollte Murmel würde sich nach innen zum Körper hin winden, ähnlich wie die Schwerkraft eines Planeten an Felsen im Weltraum zieht.

Experimentelle Beweise

Obwohl Instrumente weder Raumzeit sehen noch messen können, haben sich einige der durch ihre Verzerrung vorhergesagten Phänomene bestätigt.

Gravitationslinsen: Licht um ein massives Objekt, wie z.B. ein schwarzes Loch, wird gebogen, wodurch es als Linse für die Dinge dient, die dahinter liegen. Astronomen verwenden diese Methode routinemäßig, um Sterne und Galaxien hinter massiven Objekten zu untersuchen.

an interstellar illusion caused by intense gravitational lensing.

Einsteins Kreuz, ein Quasar im Sternbild Pegasus, ist ein hervorragendes Beispiel für Gravitationslinsen. Der Quasar ist etwa 8 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt und sitzt hinter einer Galaxie, die 400 Millionen Lichtjahre entfernt ist. Vier Bilder des Quasars erscheinen um die Galaxie herum, weil die intensive Schwerkraft der Galaxie das vom Quasar kommende Licht beugt.

Gravitationslinsen können es Wissenschaftlern ermöglichen, einige ziemlich coole Dinge zu sehen, aber bis vor kurzem ist das, was sie um die Linse herum entdeckt haben, ziemlich statisch geblieben. Da das Licht, das sich um die Linse herum bewegt, jedoch einen anderen Weg nimmt und sich jeweils über eine andere Zeitspanne bewegt, konnten die Wissenschaftler eine Supernova viermal beobachten, da sie durch eine massive Galaxie vergrößert wurde.

In einer anderen interessanten Beobachtung entdeckte das Kepler-Teleskop der NASA einen toten Stern, der als Weißer Zwerg bekannt ist und einen Roten Zwerg in einem binären System umkreist. Obwohl der Weiße Zwerg massiver ist, hat er einen viel kleineren Radius als sein Begleiter.

"Die Technik entspricht dem Beobachten eines Flohs auf einer 3.000 Meilen entfernten Glühbirne, ungefähr so weit von Los Angeles nach New York City", sagte Avi Shporer vom California Institute of Technology in einer Erklärung.

Veränderungen in der Umlaufbahn des Merkurs: Die Umlaufbahn des Merkurs verschiebt sich im Laufe der Zeit sehr allmählich, aufgrund der Krümmung der Raumzeit um die massive Sonne. In ein paar Milliarden Jahren könnte es sogar mit der Erde kollidieren.

Frame-Dragging von Raum-Zeit um rotierende Körper: Die Drehung eines schweren Gegenstandes, wie der Erde, sollte die Raumzeit um ihn herum verdrehen und verzerren. Im Jahr 2004 brachte die NASA die Gravity Probe B GP-B) auf den Markt. Der präzise kalibrierte Satellit ließ die Achsen der Gyroskope im Inneren im Laufe der Zeit sehr leicht driften, ein Ergebnis, das mit Einsteins Theorie übereinstimmte.

"Stellen Sie sich die Erde vor, als ob sie in Honig eingetaucht wäre", sagte Francis Everitt, Leiter der Gravity Probe-B, von der Stanford University, in einer Erklärung.

"Wenn sich der Planet dreht, wirbelt der Honig um ihn herum und das Gleiche gilt für Raum und Zeit. GP-B bestätigte zwei der tiefgründigsten Vorhersagen von Einsteins Universum, die weitreichende Auswirkungen auf die Astrophysik haben."

Gravitations-Rotverschiebung: Die elektromagnetische Strahlung eines Objekts wird innerhalb eines Gravitationsfeldes leicht gestreckt. Denken Sie an die Schallwellen, die von einer Sirene auf einem Einsatzfahrzeug ausgehen; wenn sich das Fahrzeug auf einen Beobachter zubewegt, werden die Schallwellen komprimiert, aber wenn es sich wegbewegt, werden sie gestreckt oder rotverschoben. Bekannt als Dopplereffekt, tritt das gleiche Phänomen bei Lichtwellen auf allen Frequenzen auf. 1959 schossen zwei Physiker, Robert Pound und Glen Rebka, Gammastrahlen aus radioaktivem Eisen auf die Seite eines Turms an der Harvard University und stellten fest, dass sie aufgrund von Verzerrungen durch die Schwerkraft geringfügig kleiner als ihre Eigenfrequenz sind.

Gravitationswellen: Gewalttätige Ereignisse, wie die Kollision zweier Schwarzer Löcher, sollen in der Lage sein, Wellen in der Raumzeit zu erzeugen, die als Gravitationswellen bekannt sind. Im Jahr 2016 gab das Laserinterferometer Gravitationswellenobservatorium (LIGO) bekannt, dass es Beweise für diese verräterischen Indikatoren gefunden hat.

Im Jahr 2014 gaben Wissenschaftler bekannt, dass sie mit dem Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization (BICEP2) Telescope in der Antarktis Gravitationswellen aus dem Urknall entdeckt hatten. Man nimmt an, dass solche Wellen in den kosmischen Mikrowellenhintergrund eingebettet sind. Weitere Untersuchungen ergaben jedoch, dass ihre Daten durch Staub in der Sichtlinie verunreinigt waren.

"Die Suche nach dieser einzigartigen Aufzeichnung des sehr frühen Universums ist ebenso schwierig wie spannend", sagte Jan Tauber, der Projektwissenschaftler der Europäischen Weltraumorganisation Planck für die Suche nach kosmischen Wellen, in einer Erklärung.

LIGO entdeckte die erste bestätigte Gravitationswelle am 14. September 2015. Das aus Louisiana und Washington stammende Gerätepaar wurde vor kurzem aufgerüstet und war gerade dabei, kalibriert zu werden, bevor es online ging. Die erste Erkennung war so groß, dass das Team laut LIGO-Sprecherin Gabriela Gonzalez mehrere Monate der Analyse brauchte, um sich davon zu überzeugen, dass es sich um ein echtes Signal und nicht um eine Störung handelte.

"Wir hatten großes Glück bei der ersten Entdeckung, dass es so offensichtlich war", sagte sie während des Treffens der 228 American Astronomical Society im Juni 2016.

Ein zweites Signal wurde am 26. Dezember desselben Jahres entdeckt, und ein dritter Kandidat wurde zusammen mit ihm erwähnt. Während die ersten beiden Signale fast definitiv astrophysikalisch sind, sagte Gonzalez, dass weniger als ein Teil von einer Million von ihnen etwas anderes sei - der dritte Kandidat hat nur eine Wahrscheinlichkeit von 85 Prozent, eine Gravitationswelle zu sein.

Zusammen liefern die beiden festen Erkennungen Hinweise darauf, dass sich Paare von Schwarzen Löchern nach innen winden und kollidieren. Im Laufe der Zeit erwartet Gonzalez, dass weitere Gravitationswellen von LIGO und anderen kommenden Instrumenten, wie dem von Indien geplanten, erkannt werden.

"Wir können die allgemeine Relativitätstheorie testen, und die allgemeine Relativitätstheorie hat den Test bestanden", sagte Gonzalez.

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