"Als hochrangiger Kamerad muss ich Sie von dieser Aktivität abbringen, denn erstens werden Sie in dieser Aktivität keinen Erfolg haben, und selbst wenn Sie Erfolg haben, wird Ihnen sowieso niemand glauben."
Aus Max Plancks Brief an Albert Einstein über Einsteins Versuch, den Widerspruch zwischen Spezieller Relativitätstheorie und Newtonscher Schwerkraft aufzulösen
Seit jeher war die Menschheit von den Konzepten Raum (Himmel) und Zeit (Anfang, Veränderung und Ende) fasziniert. Frühe Denker, angefangen bei Gautama Buddha, Lao Tzu und Aristoteles, haben sich aktiv mit diesen Konzepten befasst. Im Laufe der Jahrhunderte hat der Inhalt der Argumentation dieser Denker im menschlichen Bewusstsein jene mentalen Bilder kristallisiert, die wir jetzt in unserem täglichen Leben verwenden. Wir betrachten den Raum als ein dreidimensionales Kontinuum, das uns umgibt. Wir stellen die Zeit als die Dauer eines Prozesses dar, der in keiner Weise von den im physischen Universum wirkenden Kräften beeinflusst wird. Und zusammen bilden sie die Bühne, auf der sich das gesamte Drama der Interaktionen entwickelt, deren Akteure alles andere sind - Sterne und Planeten, Felder und Materie, du und ich.
Seit über tausend Jahren bilden vier von Aristoteles verfasste Physikbücher die Grundlage für die Naturwissenschaften. Während Heraklit glaubte, dass sich das Universum in einer unendlichen Entwicklung befindet und alle Prozesse in ihm niemals begannen und niemals endeten, lehrte Parmenides, dass das Konzept der Bewegung nicht mit dem vereinbar ist, wer das Eine, Kontinuierliche und Ewige ist. Aristoteles hat diese beiden Ideen in sein kosmogonisches System aufgenommen. Alle Veränderungen waren nun mit der Erde und dem Mond verbunden, da diese Veränderungen offensichtlich waren. Die Unveränderlichkeit wurde auf andere Planeten übertragen, die Sonne und die Sterne, weil sie schön, unveränderlich und ewig waren. In moderner Sprache kann argumentiert werden, dass Aristoteles mit absoluter Zeit, Raum mit absoluter Struktur operierte und all dies von der sich verändernden Erde bereitgestellt wurde. Diese Konzepte bildeten die Grundlage für die damalige wahre Wahrnehmung und Beschreibung der Welt, die Isaac Newton 1661 - 1665 als Student in Cambridge studierte.
Zwanzig Jahre später hob Newton diese jahrhundertealten Dogmen auf. Indem er 1686 seine Vision von der Welt um uns herum veröffentlichte, verschaffte er ein neues Verständnis des Universums um uns herum. Nach seinen Prinzipien erwies sich die Zeit als Fensterbrett, das ein dimensionales Kontinuum ersetzte. Es war immer noch absolut und für alle Beobachter gleich. Alle gleichzeitigen Ereignisse bildeten ein dreidimensionales räumliches Kontinuum. Somit verschwand die absolute Struktur des Raumes in seiner Argumentation. Dank der Lehren von Kopernikus wurde die Erde aus ihrer privilegierten Position im Universum entfernt. Die galiläische Relativitätstheorie brachte alle Trägheitsbeobachter mit mathematischer Präzision auf eine physikalische Plattform. Die Newtonschen Prinzipien zerstörten die aristotelische Orthodoxie, indem sie die Unterscheidung zwischen Himmel und Erde aufhoben. Der Himmel war nicht mehr derselbe. Zum ersten Mal in der Physik entstanden universelle Prinzipien. Der auf die Erde fallende Apfel und die Planeten, die sich in ihren Umlaufbahnen um die Sonne bewegten, unterlagen nun denselben Gesetzen. Der Himmel war nicht mehr so mysteriös, wie er dem Bewusstsein des menschlichen Geistes unterworfen war. Bereits im frühen 18. Jahrhundert, bei den Anhörungen der Royal Society of Great Britain, tauchten Arbeiten auf, die nicht nur die Bewegung des Jupiter, sondern auch die Bewegung seiner Monde vorhersagten! Es ist nicht verwunderlich, dass die Haltung gegenüber Newton zu dieser Zeit nicht nur von Skepsis, sondern auch von Angst geprägt war, und zwar nicht nur von Laien, sondern auch von Seiten der führenden europäischen Intelligenz. Zum Beispiel der Marquis de L'Hôpital, der modernen Studenten für seine Regel zur Berechnung von Grenzwerten bekannt ist,schrieb aus Frankreich an John Arbuthnot in England über Newton und seine Prinzipien wie folgt:
- Mein Gott! Welche Wissensgrundlagen erscheinen uns in diesem Buch? Isst und trinkt und schläft er? Sind andere Männer wie er?
Wie Richard Westfold es in seiner hoch angesehenen Newton's Never Alone-Biografie ausdrückte:
- Bis 1687 war Newton in philosophischen Kreisen kaum eine berühmte Person. Nichts hat die Welt der Naturphilosophie jedoch auf die Entstehung ihrer Prinzipien vorbereitet. Prinzipien, die zu einem Wendepunkt für Newton selbst wurden, der nach zwanzigjähriger Forschung schließlich von Leistung zu Leistung folgte. Prinzipien, die zum Wendepunkt der Naturphilosophie wurden.
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Die Newtonschen Prinzipien wurden zur neuen Orthodoxie und regierten mehr als 150 Jahre lang. Die erste Herausforderung für das Newtonsche Weltverständnis wurde in ein völlig unerwartetes Gebiet der Physik geworfen und war mit der Entwicklung des Verständnisses elektromagnetischer Phänomene verbunden. Mitte des 19. Jahrhunderts erreichte der schottische Physiker James Clark Maxwell eine erstaunliche Synthese aller auf diesem Gebiet gesammelten Kenntnisse, indem er seine vier berühmten Vektorgleichungen aufschrieb. Diese Gleichungen lieferten ferner ein Verständnis der besonderen Bedeutung der Lichtgeschwindigkeit. Aber zu der Zeit war es unmöglich zu verstehen. Die absolute Übertragungsgeschwindigkeit der Interaktion widersprach eindeutig Galileos Relativitätsprinzip, das der Eckpfeiler von Newtons Modell der Raumzeit war. Zu diesem Zeitpunkt glaubten die meisten Physiker bedingungslos an die Wahrheit der Newtonschen Welt und kamen daher zu dem Schluss, dass Maxwells Gleichungen nur in einer bestimmten Umgebung namens Äther erfüllt werden können. Mit solchen Aussagen kehrten sie jedoch unwillkürlich zu Aristoteles zurück, der behauptete, die absolute Struktur des Raumes sei der Natur inhärent. Und in diesem Zustand dauerte dieses Problem etwa 50 Jahre.
Und jetzt veröffentlicht der 26-jährige Albert Einstein sein berühmtes Werk "Über die Elektrodynamik bewegter Medien". In dieser Arbeit akzeptierte Einstein die Wahrheit der Werte der in Maxwells Gleichungen enthaltenen Konstanten und zeigte anhand einfacher Gedankenexperimente deutlich, dass die Lichtgeschwindigkeit eine universelle Konstante ist, die ihren Wert für alle Trägheitsbeobachter beibehält. Er zeigte, dass das Konzept der absoluten physischen Gleichzeitigkeit unhaltbar ist. Räumlich getrennte Ereignisse, die für einen Beobachter gleichzeitig zu sein scheinen, gelten nicht für einen anderen Beobachter, der sich relativ zum ersten mit konstanter Geschwindigkeit bewegt.
Es wurde klar, dass das Newtonsche Modell der Raumzeit nur eine Annäherung sein kann, die für den Fall gültig ist, dass die betrachteten Geschwindigkeiten viel geringer sind als die Lichtgeschwindigkeit. Es ist ein neues Modell der Raum-Zeit entstanden, einschließlich eines neuen Relativitätsprinzips, der speziellen Relativitätstheorie. Diese Theorie hatte zu ihrer Zeit eine revolutionäre Bedeutung. Ihrer Meinung nach hat die Zeit ihre absolute Position in der Physik verloren. Das vierdimensionale Raum-Zeit-Kontinuum ist absolut geworden. Die Abstände in der vierdimensionalen Raumzeit zwischen Ereignissen sind gut definiert, aber nur zeitliche oder nur räumliche Intervalle zwischen Ereignissen hingen von der Wahl eines Bezugsrahmens ab, dh von der Bewegungsgeschwindigkeit eines Beobachters relativ zu einem anderen. Die neue Theorie gab ungewöhnliche, spektakuläre Vorhersagen,die zu der Zeit schwer wahrzunehmen waren. Energie und Masse verloren ihre Einzigartigkeit und konnten nach der bekannten Formel E = mc2 ineinander umgewandelt werden. Es sei hier angemerkt, dass diese Beziehung erstmals 1895 in der Arbeit von Henri Poincaré "Über die Messung der Zeit" erschien, die in der Pariser philosophischen Zeitschrift veröffentlicht wurde und daher die Aufmerksamkeit der Physiker nicht auf sich zog, aber nach der Arbeit von Einstein ihre aktuelle Bedeutung erlangte. Stellen Sie sich vor, die in einem Gramm Materie enthaltene Energie könnte eine ganze Stadt ein Jahr lang beleuchten. Ein Zwilling, der seine Schwester auf der Erde zurückließ und sich in einem Raumschiff mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegte, würde zurückkehren und feststellen, dass seine Schwester im Vergleich dazu um mehrere Jahrzehnte gealtert war. Diese Vorhersagen waren so unerwartet, dass viele Wissenschaftler an führenden Universitäten argumentiertendass die gegebene Theorie nicht durchführbar sein kann. Sie waren jedoch alle falsch. Kernreaktoren arbeiten auf der Erde und Sterne leuchten am Himmel und wandeln Masse in Energie um, was genau der Formel E = mc2 entspricht. In Hochenergielabors leben instabile Partikel, die auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt wurden, zehn- und hundertmal länger als ihre auf der Erde ruhenden Gegenstücke.
Trotz aller revolutionären Natur der SRT blieb ein Aspekt der Raumzeit aristotelisch. Es blieb eine passive Arena für alle Ereignisse, eine Leinwand, auf die die treibenden Kräfte des Universums ihr Bild malen. Mitte des 19. Jahrhunderts stellten Mathematiker fest, dass die Geometrie von Euklid, die wir alle in der Schule studiert haben, eine der möglichen Geometrien ist. Dies führte zu der Idee, die Richard Riemann 1854 am deutlichsten formulierte. Er sagte, dass die Geometrie des physischen Raums möglicherweise nicht den Axiomen von Euklid gehorcht, sondern aufgrund der Anwesenheit von Materie im Universum gekrümmt sein könnte. In seinen Ideen hörte der Raum auf, passiv zu sein und wurde durch Materie verändert. Es dauerte weitere 61 Jahre, bis diese Idee gefragt war.
Ein so großes Ereignis war die Veröffentlichung seiner Allgemeinen Relativitätstheorie durch Einstein im Jahr 1915. In dieser Theorie nahm die Raumzeit die Form eines vierdimensionalen Kontinuums an. Die Geometrie dieses Kontinuums ist gekrümmt, und der Krümmungsgrad simuliert die Gravitationsfelder im Kontinuum selbst. Die Raumzeit ist nicht mehr träge. Es wirkt auf Materie und Materie wirkt darauf. Wie der berühmte amerikanische Physiker John Wheeler sagte:
- Materie sagt Raum-Zeit, wie man sich biegt, und Raum-Zeit sagt Materie, wie man sich bewegt.
Es gibt keine Zuschauer mehr im kosmischen Tanz, keinen Hintergrund, auf dem sich alle Ereignisse entfalten. Die Szene selbst schloss sich der Besetzung an. Dies ist eine tiefgreifende Veränderung in der Weltanschauung. Da sich alle physikalischen Systeme in der Raumzeit befinden, hat eine solche Änderung der Sichtweise alle Grundlagen der Naturphilosophie erschüttert. Es dauerte viele Jahrzehnte, bis sich die Physiker mit den vielen Anwendungen dieser Theorie auseinandergesetzt hatten, und die Philosophen kamen mit einem neuen Verständnis der Welt klar, das aus der Allgemeinen Relativitätstheorie hervorging.
2. Die Schwerkraft ist die Geometrie
„Es ist, als ob die Mauer, die uns von der Wahrheit trennt, eingestürzt ist. Größere Räume und bodenlose Tiefen öffneten sich für das Auge, um Wissen zu suchen, Bereiche, von denen wir keine Ahnung hatten. “
Hermann Weil "Allgemeine Relativitätstheorie"
Es ist davon auszugehen, dass Einstein beim Schreiben seiner Arbeit offenbar von zwei recht einfachen Tatsachen inspiriert war. Erstens die Universalität der Schwerkraft, die Galileo in seinen berühmten Experimenten am schiefen Turm von Pisa demonstrierte. Die Schwerkraft ist universell, da alle Körper vom Turm gleichermaßen fielen, wenn nur die Gravitationskraft auf sie einwirkt. Zweitens manifestiert sich die Schwerkraft immer als Anziehung. Diese Eigenschaft unterscheidet es beispielsweise stark von der elektrostatischen Kraft, die vom Gesetz in derselben Form wie das Gesetz der universellen Gravitation beschrieben wird und sich je nach Art der wechselwirkenden Ladungen sowohl als Anziehung als auch als Abstoßung manifestiert. Während die elektrostatische Kraft abgeschirmt werden kann und es leicht genug ist, Bereiche zu schaffen, in denen sie nicht wirkt,Die Schwerkraft kann grundsätzlich nicht abgeschirmt werden. Die Schwerkraft ist also allgegenwärtig und wirkt auf alle Körper gleich. Diese beiden Tatsachen sprechen von einem starken Unterschied zwischen der Schwerkraft und anderen fundamentalen Wechselwirkungen und legen nahe, dass die Schwerkraft eine Manifestation von etwas Tieferem und Universellerem ist. Da die Raumzeit auch allgegenwärtig und universell ist, schlug Einstein vor, dass sich die Schwerkraft nicht als Kraft, sondern als Krümmung der Geometrie der Raumzeit manifestiert. Die Raumzeit in der Allgemeinen Relativitätstheorie ist formbar und kann durch eine zweidimensionale Gummiplatte modelliert werden, die von massiven Körpern gebogen wird. Zum Beispiel verbiegt die Sonne, die schwer ist, stark die Raumzeit. Die Planeten bewegen sich wie alle auf die Erde fallenden Körper auf „geraden“Flugbahnen, jedoch nur in einer Kurvengeometrie. In einem genauen mathematischen Sinne folgen sie den kürzesten Pfaden, die als geodätische Linien bezeichnet werden - dies sind Verallgemeinerungen von geraden Linien der ebenen Geometrie von Euklid auf die gekrümmte Geometrie von Riemann. Wenn wir zum Beispiel eine gekrümmte Raumzeit betrachten, wird die Erde in einem solchen Raum die optimale Flugbahn wählen, die ein vollständiges Analogon einer geraden Linie ist. Da jedoch die Raumzeit bei der Projektion auf den flachen Raum von Euklid und Newton gekrümmt ist, ist diese Flugbahn elliptisch. Da die Raumzeit bei der Projektion auf den flachen Raum von Euklid und Newton gekrümmt ist, ist diese Flugbahn elliptisch. Da die Raumzeit bei der Projektion auf den flachen Raum von Euklid und Newton gekrümmt ist, ist diese Flugbahn elliptisch.
Der Reiz der Allgemeinen Relativitätstheorie liegt in der Tatsache, dass sie mithilfe konzeptioneller Mathematik diese konzeptuell einfachen Ideen in konkrete Gleichungen umwandelte und diese Gleichungen verwendet, um erstaunliche Vorhersagen über die Natur der physikalischen Realität zu treffen. Sie sagt voraus, dass die Uhr in Kathmandu schneller laufen sollte als in Jalta. Galaktische Kerne sollten wie riesige Gravitationslinsen wirken und uns spektakuläre, vielfältige Bilder entfernter Quasare zeigen. Zwei Neutronensterne, die sich um ein gemeinsames Zentrum drehen, müssen aufgrund von Wellen in der gekrümmten Raumzeit, die durch ihre Spiralbewegung verursacht werden und zu einem einzigen Zentrum konvergieren, gefolgt von ihrer Kollision, Energie verlieren. In den letzten Jahren wurden viele Experimente durchgeführt, um diese und noch exotischere Vorhersagen zu testen. Und jedes Mal setzte sich die Allgemeine Relativitätstheorie durch. Die Genauigkeit einiger Experimente übertraf die Genauigkeit der legendären Experimente zur Detektion eines Quantums des elektromagnetischen Feldes. Diese Kombination aus konzeptioneller Tiefe, mathematischer Eleganz und Beobachtungserfolg ist beispiellos. Aus diesem Grund wird die Allgemeine Relativitätstheorie einerseits als eine der höchsten physikalischen Theorien angesehen und weckt andererseits als Gegenstand verschiedener und nicht immer professioneller Kritik großes Interesse.warum die Allgemeine Relativitätstheorie einerseits als eine der höchsten physikalischen Theorien angesehen wird und andererseits als Objekt aller Art und nicht immer professioneller Kritik großes Interesse erregt.warum die Allgemeine Relativitätstheorie einerseits als eine der höchsten physikalischen Theorien angesehen wird und andererseits als Objekt aller Art und nicht immer professioneller Kritik großes Interesse erregt.
3. Urknall und schwarze Löcher
„Physiker haben es gut gemacht, aber sie haben die Grenzen der Intuition aufgezeigt, ohne die Hilfe der Mathematik. Sie fanden heraus, dass es sehr schwierig ist, die Natur zu verstehen. Der wissenschaftliche Fortschritt musste mit dem abfälligen Eingeständnis bezahlt werden, dass die Realität so konstruiert war, dass sie von der menschlichen Wahrnehmung nicht leicht erfasst werden konnte. “
Edward O. Wilson „Zufall. Die Einheit des Wissens"
Das Aufkommen der Allgemeinen Relativitätstheorie leitete die Ära der modernen Kosmologie ein. In sehr großem Maßstab erscheint das Universum um uns herum homogen und isotrop. Diese Ansicht ist die größte Verwirklichung des kopernikanischen Prinzips: In unserem Universum gibt es keine gewählten Punkte, keine gewählte Richtung. 1922 zeigte der russische Mathematiker Alexander Fridman anhand von Einsteins Gleichungen, dass ein solches Universum nicht statisch sein kann. Es muss sich entweder ausdehnen oder zusammenbrechen. 1929 entdeckte der amerikanische Astronom Edwin Hubble, dass sich das Universum tatsächlich ausdehnte. Diese Tatsache impliziert wiederum, dass dieser Prozess seinen Anfang haben muss, in dem die Schwerkraftdichte und dementsprechend die Krümmung der Raumzeit unendlich groß sein müssen. Das Konzept des Urknalls entstand. Sorgfältige Beobachtung,Insbesondere in den letzten 20 Jahren hat sich gezeigt, dass dieses Ereignis wahrscheinlich vor 14 Milliarden Jahren stattgefunden hat. Seitdem haben sich Galaxien auseinander bewegt und die durchschnittliche Schwerkraft ist stetig gesunken. Durch die Kombination unserer Kenntnisse der Allgemeinen Relativitätstheorie mit der Laborphysik können wir viele detaillierte Vorhersagen treffen. Zum Beispiel können wir die relative Menge an Lichtelementen berechnen, deren Kerne in den ersten drei Minuten nach der Explosion gebildet wurden (siehe zum Beispiel hier). Wir können die Existenz und die Eigenschaften der Primärstrahlung (Reliktmikrowellenhintergrund) vorhersagen, die emittiert wurde, als das Universum ungefähr 400.000 Jahre alt war. Und wir können sagen, dass sich die ersten Galaxien gebildet haben, als das Universum eine Milliarde Jahre alt war. Eine erstaunliche Bandbreite an Zeiten und Phänomenen!fand vor 14 Milliarden Jahren statt. Seitdem haben sich Galaxien auseinander bewegt und die durchschnittliche Schwerkraft ist stetig gesunken. Indem wir unser Wissen über die Allgemeine Relativitätstheorie mit der Laborphysik kombinieren, können wir viele detaillierte Vorhersagen treffen. Zum Beispiel können wir die relative Menge an Lichtelementen berechnen, deren Kerne in den ersten drei Minuten nach der Explosion gebildet wurden (siehe zum Beispiel hier). Wir können die Existenz und die Eigenschaften der Primärstrahlung (Reliktmikrowellenhintergrund) vorhersagen, die emittiert wurde, als das Universum ungefähr 400.000 Jahre alt war. Und wir können sagen, dass sich die ersten Galaxien gebildet haben, als das Universum eine Milliarde Jahre alt war. Eine erstaunliche Bandbreite an Zeiten und Phänomenen!fand vor 14 Milliarden Jahren statt. Seitdem haben sich Galaxien auseinander bewegt und die durchschnittliche Schwerkraft ist stetig gesunken. 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Darüber hinaus veränderte die Allgemeine Relativitätstheorie die philosophische Herangehensweise an die Frage des Anfangs. Bis 1915 konnte dieses Thema diskutiert werden, als Emmanuel Kant argumentierte, dass das Universum möglicherweise keinen endlichen Anfang hatte. Dann könnte die Frage gestellt werden: Was war vorher da? Diese Frage setzt jedoch implizit voraus, dass Raum und Zeit immer existiert haben und das Universum zusammen mit der Materie entstanden ist. In der Allgemeinen Relativitätstheorie macht es keinen Sinn, eine solche Frage zu stellen, da Raum-Zeit zusammen mit Materie im Urknall geboren wird. Die Frage "Was war vorher da?" bedeutet nichts mehr. In einem genauen Sinne ist der Urknall die Grenze, an der die Raumzeit endet und an der das Raum-Zeit-Kontinuum selbst bricht. Die Allgemeine Relativitätstheorie zur Zeit des Urknalls setzte eine natürliche Grenze für die Physik, die es nicht erlaubte, weiter zu schauen.
Wenn es um Schwarze Löcher geht, hat die Allgemeine Relativitätstheorie auch andere Eventualitäten entdeckt. Die erste Lösung für die Einstein-Gleichung, die ein Schwarzes Loch beschreibt, erhielt bereits 1916 der deutsche Astrophysiker Karl Schwarzschild, der in der deutschen Armee an den Fronten des Ersten Weltkriegs kämpfte. Das Verständnis der physikalischen Bedeutung dieser Entscheidung dauerte jedoch lange. Die natürlichste Art, wie sich Schwarze Löcher bilden, ist der Tod von Sternen. Während des Glühens eines Sterns, der Kernbrennstoff verbrennt, kann der radiale Druck nach außen die Schwerkraft ausgleichen. Nachdem der gesamte Kraftstoff verbrannt wurde, ist die einzige Kraft, die mit der Anziehungskraft der Schwerkraft konkurrieren kann, die Abstoßungskraft, die durch das quantenmechanische Ausschlussprinzip von Pauli erzeugt wird. Während seiner berühmten Reise nach Cambridge,Der 20-jährige Subrahmanyan Chandrasekhar kombinierte die Prinzipien der speziellen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik, um zu zeigen, dass die Schwerkraft die durch das Pauli-Ausschlussprinzip erzeugten Abstoßungskräfte überwinden kann, wenn ein Stern massiv genug ist. Infolgedessen vollendet der Stern seine Entwicklung als Schwarzes Loch. In den dreißiger Jahren korrigierte und erweiterte er seine Berechnungen und lieferte unwiderlegbare Argumente für ein solches Star-Crash-Szenario. Der prominente britische Astrophysiker der damaligen Zeit, Arthur Eddington, akzeptierte die Idee eines solchen Szenarios jedoch nicht und stellte fest, dass bei „korrekten“Berechnungen die spezielle Relativitätstheorie einfach nicht anwendbar ist. Heute würde sogar ein Student die Prüfung nicht bestehen, wenn er versuchen würde, eine solche Begründung in seine Begründung aufzunehmen. Die führenden Quantenphysiker der Zeit, Borovskaya und Dirac, stimmten Chandrasekhars Ergebnissen ohne weiteres zu, taten dies jedoch in persönlichen Briefen, ohne daran zu denken, öffentlich auf Eddingtons Fehler hinzuweisen. Dies wurde erst 1983 korrigiert, als Chandrasekhar den Nobelpreis erhielt. Infolgedessen verzögerte dieses Missverständnis um mehrere Jahrzehnte nicht nur die Anerkennung von Chandrasekhars Werk, sondern auch die Wahrnehmung von Schwarzen Löchern als reale Objekte.als reale Objekte.als reale Objekte.
Seltsamerweise nahm selbst Einstein selbst keine Schwarzen Löcher wahr. Bereits 1939 veröffentlichte er einen Artikel in den Annals of Mathematics, in dem er argumentierte, dass Schwarze Löcher nicht durch den Zusammenbruch von Sternen gebildet werden können. Er argumentierte, dass die Berechnungen korrekt waren, aber die Schlussfolgerung war das Ergebnis einer unrealistischen Annahme. Nur wenige Monate später veröffentlichten die amerikanischen Physiker Robert Oppenheimer und Hartland Snyder ihre mittlerweile klassische Arbeit und bewiesen unwiderlegbar, dass massive Sterne ihre Entwicklung mit der Bildung eines Schwarzen Lochs abschließen. Es wurde gezeigt, dass ein Schwarzes Loch ein Bereich ist, in dem die Krümmung der Raum-Zeit so stark ist, dass selbst Licht sie nicht verlassen kann. Daher erscheinen diese Bereiche gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie für externe Beobachter pechschwarz. Wenn wir uns der Analogie einer zweidimensionalen Gummioberfläche zuwenden, stellt sich heraus, dass die Ablenkung der Raumzeit in einem Schwarzen Loch so groß ist, dass sie tatsächlich bricht und eine Singularität bildet. Wie beim Urknall wird die Krümmung unendlich. Die Raumzeit bildet den Ereignishorizont, und die Physik bleibt an diesem Horizont stehen.
Und doch sind Schwarze Löcher anscheinend häufige Objekte im Universum. Die Allgemeine Relativitätstheorie, kombiniert mit unserem Wissen über den Prozess der Sternentwicklung, sagt voraus, dass das Universum eine große Anzahl von Schwarzen Löchern mit Massen in der Größenordnung von 10 bis 50 Sonnenmassen haben sollte, die die Produkte der vitalen Aktivität massereicher Sterne sind. In der Tat spielen Schwarze Löcher eine herausragende Rolle in der modernen Astronomie und Astrophysik. Sie sind mächtige Quellen für einige der energetischsten Phänomene im Universum, wie den berühmten Gammastrahl, der von einem massiven Schwarzen Loch ausgestrahlt wird. Dieser Strahl trägt die Energie, die 1000 Sonnen während ihres gesamten Lebens abgeben. Ein Schwarzes Loch entsteht durch eine Supernova-Explosion, die das Leben eines massiven Sterns vervollständigt. Und eine solche Explosion wird jeden Tag aufgezeichnet. Die Zentren aller elliptischen Galaxien scheinen zu seinenthalten supermassereiche Schwarze Löcher mit Massen in der Größenordnung von Millionen von Sonnenmassen. Unsere eigene Galaxie, die Milchstraße, hat in ihrem Zentrum ein Schwarzes Loch mit einer Masse von 3,2 Millionen Sonnenmassen.
4. Nach Einstein
„In der Tat werden neue Bereiche unserer Erfahrung immer zur Kristallisation eines neuen Systems wissenschaftlicher Erkenntnisse und Gesetze führen. Angesichts neuer und außergewöhnlicher intellektueller Herausforderungen folgen wir immer wieder dem Beispiel von Columbus, der den Mut hatte, die bekannte Welt in der fast wahnsinnigen Hoffnung zu verlassen, Land am anderen Ende des Meeres zu entdecken."
V. Geisenberg "Jüngste Veränderungen in den exakten Wissenschaften"
Die Allgemeine Relativitätstheorie ist die beste Theorie der Schwerkraft und der Raum-Zeit-Struktur, die wir heute haben. Es kann eine beeindruckende Reihe von Phänomenen beschreiben, die von der großen kosmischen Expansion bis zur Funktionsweise eines weltweiten Positionierungssystems auf der Erde reichen. Diese Theorie ist jedoch unvollständig, da sie die Quanteneffekte ignoriert, die die subatomare Welt bestimmen. Darüber hinaus unterscheiden sich diese beiden Theorien grundlegend. Die Welt der Allgemeinen Relativitätstheorie besitzt geometrische Genauigkeit, sie ist deterministisch. Im Gegensatz zu dieser Welt ist die Welt der Quantenmechanik zweifelhaft, sie ist probabilistisch. Physiker halten diesen glücklichen, fast schizophrenen Zustand aufrecht, indem sie die Allgemeine Relativitätstheorie verwenden, um großräumige Phänomene in der Astronomie und Kosmologie zu beschreiben.und Quantentheorie zur Beschreibung der Eigenschaften von Atomen und Elementarteilchen. Beachten Sie, dass dies eine ziemlich praktikable Strategie ist, da diese beiden Welten sehr selten sind. Dennoch ist diese Strategie aus konzeptioneller Sicht sehr unbefriedigend. Alles in unserer physikalischen Erfahrung sagt uns, dass es eine größere, vollständigere Theorie geben muss, aus der sowohl die Allgemeine Relativitätstheorie als auch die Quantentheorie als spezielle, begrenzte Fälle hervorgehen müssen. Anstelle einer solchen Theorie behauptet die Quantentheorie der Schwerkraft. Dies ist ein dringendes Problem, das absolut logisch der Arbeit von Einstein folgt. Entgegen dem allgemein anerkannten Standpunkt, der sich aus späteren Bemerkungen von Einstein über die Unvollständigkeit der Quantenmechanik ergab, wusste er klar über diese Einschränkung der Allgemeinen Relativitätstheorie Bescheid. Wunderbar,Einstein wies jedoch darauf hin, dass bereits 1916 eine Quantentheorie der Schwerkraft erstellt werden muss! In einem in den Preussischen Akademie Sitzungsberichten veröffentlichten Artikel schrieb er:
- Aufgrund der intraatomaren Bewegung der Elektronen mussten die Atome jedoch nicht nur elektromagnetische, sondern auch Gravitationsenergie emittieren, sondern nur in winzigen Mengen. Da in der Natur alles eins ist, scheint es, dass die Quantentheorie nicht nur Maxwells Elektrodynamik, sondern auch die neue Gravitationstheorie hätte ändern müssen.
Im Urknall und in der Singularität des Schwarzen Lochs treffen sich die sehr großen und sehr kleinen Welten. Obwohl dieses Treffen gegenwärtig ein Geheimnis für uns ist, versiegelt mit sieben Siegeln, ist es das Tor, durch das wir über die Allgemeine Relativitätstheorie hinausgehen können. Derzeit wird angenommen, dass die reale Physik nicht an der Schwelle des Ereignishorizonts anhalten kann. Höchstwahrscheinlich versagt dort die Allgemeine Relativitätstheorie. Es ist klar, dass die theoretische Physik unser Verständnis von Raum-Zeit noch einmal überarbeiten muss. Wir brauchen eine neue Sprache, die über diese Tore des Unbekannten hinausblicken kann.
Die Schaffung dieser Sprache wird als die größte und wichtigste Herausforderung angesehen, vor der die Grundlagenphysik heute steht. In dieser Richtung gibt es heute mehrere Ansätze. Eine davon ist mit der Stringtheorie verwandt, aber wir werden uns auf das Konzept der Schleifenquantengravitation konzentrieren. Dies ist ein Ansatz zum Aufbau einer Quantentheorie, der vor mehr als 20 Jahren in der Arbeit des indischen Physikers Abhay Ashtekar entstanden ist und derzeit als Alternative zum String-Ansatz zur Lösung dieses Problems angesehen wird.
In der Allgemeinen Relativitätstheorie ist Raum-Zeit ein Kontinuum. Die Hauptidee hinter der Schwerkraft der Quantenschleife ist die Behauptung, dass dieses Kontinuum nur eine Näherung ist, die bei den sogenannten Planck-Abständen gebrochen wird. Die Planck-Länge ist eine einzigartige Größe, die aus der Gravitationskonstante, der Planck-Konstante in der Quantenphysik und der Lichtgeschwindigkeit konstruiert werden kann. Diese Länge beträgt 3,10-33 cm, was 20 Größenordnungen weniger ist als der Radius des Protons. Selbst mit den leistungsstärksten Teilchenbeschleunigern der Erde können Sie daher sicher mit dem Raum-Zeit-Kontinuum arbeiten. Diese Situation ändert sich jedoch dramatisch, insbesondere in der Nähe des Urknalls und in Schwarzen Löchern. In solchen Fällen müssen Sie eine quantisierte Raumzeit verwenden, deren Quantum das Schleifenquantum der Schwerkraft ist.
Versuchen wir zu verstehen, was ein Quantum Raumzeit ist. Wenden wir uns dem Blatt Papier vor uns zu. Für uns scheint es ein solides zweidimensionales Kontinuum zu sein. Wir wissen aber auch, dass es aus Atomen besteht. Dieses Blatt hat eine diskrete Struktur, die nur zu einer Deklaration wird, wenn wir es beispielsweise mit einem Elektronenmikroskop nicht betrachten. Nun weiter. Einstein argumentierte, dass die Geometrie der Raumzeit nicht weniger physikalisch als die Materie ist. Und deshalb muss es auch eine „atomare“Struktur haben. Diese Annahme ermöglichte es Mitte der 90er Jahre, die Prinzipien der Allgemeinen Relativitätstheorie mit der Quantenphysik zu kombinieren und Quantengeometrie zu erzeugen. So wie die kontinuierliche Geometrie die mathematische Sprache für die Formulierung der Allgemeinen Relativitätstheorie liefert,Die Quantengeometrie bietet daher ein mathematisches Werkzeug und generiert neue physikalische Konzepte zur Beschreibung der quantenkosmischen Zeiten.
In der Quantengeometrie sind grundlegende, in einem Ring geschlossene geometrische Anregungen, die eindimensional sind, primär. Gewöhnlicher Stoff scheint ein glattes zweidimensionales Kontinuum zu sein, basiert jedoch auf eindimensionalen Fäden. Eine ähnliche Annahme kann in Bezug auf ein höherdimensionales Kontinuum gemacht werden. Auf einer rein intuitiven Ebene können grundlegende geometrische Anregungen als Quantenfäden betrachtet werden, die gewebt werden können, um das Gewebe der Raumzeit zu erzeugen. Was passiert, wenn wir uns der Raum-Zeit-Singularität nähern? Es ist klar, dass in diesem Bereich das Konzept des Raum-Zeit-Kontinuums einfach nicht anwendbar ist. Quantenfluktuationen in diesem Bereich sind so groß, dass Quantenfäden einfach nicht in das Raum-Zeit-Kontinuum „eingefroren“werden können. Das Gewebe der Raumzeit ist zerrissen. Die Physik des Raum-Zeit-Kontinuums ist auf die Überreste des Raum-Zeit-Gewebes „fixiert“. Gleichzeitig wird deutlich, dass die Fäden selbst, die die Grundlage des Gewebes des Universums bilden, eine besondere Bedeutung erhalten. Mit der Quantengleichung von Einstein kann man noch Physik studieren und die Prozesse in der Quantenwelt beschreiben. Aber hier gibt es einen wichtigen Punkt. Der Punkt ist, dass in Abwesenheit eines Raum-Zeit-Kontinuums viele der in der Physik gebräuchlichen Konzepte einfach falsch werden. Es ist notwendig, neue Konzepte in Betracht zu ziehen, die die verworfenen ersetzen oder ergänzen, und dies erfordert eine neue physische Intuition. Und unter solch dramatischen Bedingungen ist der Weg für Einsteins Quantengleichungen geebnet. Die Physik des Raum-Zeit-Kontinuums ist auf die Überreste des Raum-Zeit-Gewebes „fixiert“. Gleichzeitig wird deutlich, dass die Fäden selbst, die die Grundlage des Gewebes des Universums bilden, eine besondere Bedeutung erhalten. Mit der Quantengleichung von Einstein kann man noch Physik studieren und die Prozesse in der Quantenwelt beschreiben. Aber hier gibt es einen wichtigen Punkt. Der Punkt ist, dass in Abwesenheit eines Raum-Zeit-Kontinuums viele der in der Physik gebräuchlichen Konzepte einfach falsch werden. Es ist notwendig, neue Konzepte in Betracht zu ziehen, die die verworfenen ersetzen oder ergänzen, und dies erfordert eine neue physische Intuition. Und unter solch dramatischen Bedingungen ist der Weg für Einsteins Quantengleichungen geebnet. Die Physik des Raum-Zeit-Kontinuums ist auf die Überreste des Raum-Zeit-Gewebes „fixiert“. Gleichzeitig wird deutlich, dass die Fäden selbst, die die Grundlage des Gewebes des Universums bilden, eine besondere Bedeutung erhalten. Mit der Quantengleichung von Einstein kann man noch Physik studieren und die Prozesse in der Quantenwelt beschreiben. Aber hier gibt es einen wichtigen Punkt. Der Punkt ist, dass in Abwesenheit eines Raum-Zeit-Kontinuums viele der in der Physik gebräuchlichen Konzepte einfach falsch werden. Es ist notwendig, neue Konzepte in Betracht zu ziehen, die die verworfenen ersetzen oder ergänzen, und dies erfordert eine neue physische Intuition. Und unter solch dramatischen Bedingungen ist der Weg für Einsteins Quantengleichungen geebnet.besondere Bedeutung annehmen. Mit der Quantengleichung von Einstein kann man noch Physik studieren und die Prozesse in der Quantenwelt beschreiben. Aber hier gibt es einen wichtigen Punkt. Tatsache ist, dass in Abwesenheit eines Raum-Zeit-Kontinuums viele der in der Physik gebräuchlichen Konzepte einfach falsch werden. Es ist notwendig, neue Konzepte in Betracht zu ziehen, die die verworfenen ersetzen oder ergänzen, und dies erfordert eine neue physische Intuition. Und unter solch dramatischen Bedingungen ist der Weg für Einsteins Quantengleichungen geebnet.besondere Bedeutung annehmen. Mit der Quantengleichung von Einstein kann man noch Physik studieren und die Prozesse in der Quantenwelt beschreiben. Aber hier gibt es einen wichtigen Punkt. Tatsache ist, dass in Abwesenheit eines Raum-Zeit-Kontinuums viele der in der Physik gebräuchlichen Konzepte einfach falsch werden. Es ist notwendig, neue Konzepte in Betracht zu ziehen, die die verworfenen ersetzen oder ergänzen, und dies erfordert eine neue physische Intuition. Und unter solch dramatischen Bedingungen ist der Weg für Einsteins Quantengleichungen geebnet. Es ist notwendig, neue Konzepte in Betracht zu ziehen, die die verworfenen ersetzen oder ergänzen, und dies erfordert eine neue physische Intuition. Und unter solch dramatischen Bedingungen ist der Weg für Einsteins Quantengleichungen geebnet. Es ist notwendig, neue Konzepte in Betracht zu ziehen, die die verworfenen ersetzen oder ergänzen, und dies erfordert eine neue physische Intuition. Und unter solch dramatischen Bedingungen ist der Weg für Einsteins Quantengleichungen geebnet.
Basierend auf diesen Gleichungen wurde es möglich, einige Details des Urknalls zu klären. Es stellte sich heraus, dass Einsteins Differentialgleichungen, die für das Raum-Zeit-Kontinuum geschrieben wurden, durch Differentialgleichungen ersetzt werden müssen, die in der Sprache der diskreten Struktur der Quantengeometrie geschrieben sind. Das Problem ist, dass die Standard-Einstein-Gleichungen, die die klassische Raumzeit perfekt beschreiben, bei Annäherung an den Urknall nicht mehr funktionieren, wenn sich die Materiedichte der Planck-Dichte von 1094 g / cm3 in der Größenordnung nähert. In der Quantengeometrie wird die Krümmung der Raumzeit im Planck-Regime sehr groß, aber endlich. Überraschenderweise erzeugen die Effekte der Quantengeometrie eine neue Abstoßungskraft, die so groß istwas leicht die Schwerkraft überwindet. Die allgemeine Relativitätstheorie funktioniert nicht mehr. Das Universum dehnt sich aus. Einsteins Quantengleichungen ermöglichen es, die Quantengeometrie zu entwickeln und eine korrekte Beschreibung der Materie im Planck-Regime zu konstruieren, ohne Raum für ein nicht-physikalisches Konzept wie eine Singularität zu lassen. Der Urknall wird durch einen starken Quantenschock ersetzt.
Eine numerische Berechnung des Prozesses im räumlich homogenen isotropen Fall wurde auf Basis der Quanten-Einstein-Gleichungen durchgeführt. Das Raum-Zeit-Kontinuum wurde außerhalb des Planck-Regimes und auf der „anderen“Seite des Urknalls berechnet. Auf dem sogenannten Ast der "vorgroßen" Explosion. Es stellte sich heraus, dass dieses kontrahierende Kontinuum auch in der Allgemeinen Relativitätstheorie gut beschrieben ist. Wenn jedoch die Materiedichte gleich 0,8 der Planck-Dichte wird, wird die Abstoßungskraft, die durch die zuvor unbedeutende Quantengeometrie erzeugt wird, dominant. Und anstatt zu einem Punkt zusammenzubrechen, erfährt das Universum einen starken Quanteneffekt, der den Prozess in einen expandierenden Zweig des „Post-Big“-Bangs übersetzt, in dem wir jetzt leben. Die klassische Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt beide Zweige sehr gut, außer wenn
Das Auftreten einer Abstoßungskraft quantenartiger Natur im Moment eines Quantenaufpralls hat eine interessante Analogie zum Auftreten einer Abstoßungskraft im Prozess des Sterbens eines Sterns. Wenn die Abstoßungskraft gegenüber der Gravitationskraft zu überwiegen beginnt und der Kern des Sterns eine kritische Dichte von 6 x 1016 g / cm3 erreicht, kann dies den Zusammenbruch des Sterns in ein Schwarzes Loch verhindern und ihn in einen stabilen Neutronenstern verwandeln. Diese Abstoßungskraft wird durch das Pauli-Ausschlussprinzip erzeugt und steht in direktem Zusammenhang mit der Quantennatur des stattfindenden Prozesses. Wenn sich jedoch herausstellt, dass die Masse des sterbenden Sterns größer als das Fünffache der Masse der Sonne ist, überwindet die Schwerkraft diese Kraft und der Stern fällt in ein Schwarzes Loch zusammen. Es entsteht eine Singularität. Die durch die Quantengeometrie erzeugte Abstoßungskraft kommt bei höheren Materiedichten ins Spiel. Gleichzeitig überwindet es die Gravitationskompression, egal wie massiv der kollabierende Körper war. In der Tat kann dieser Körper das ganze Universum sein! Der Reiz der Quantenschleifengravitation besteht darin, dass durch die Vorhersage dieses Effekts die Bildung von Singularitäten in der realen Welt verhindert wird, indem das „Leben“unserer Raumzeit durch eine Quantenbrücke verlängert wird.
Dank Einstein wurde das Verständnis von Raum und Zeit im 20. Jahrhundert radikal überarbeitet. Die Geometrie des Raum-Zeit-Kontinuums ist so physikalisch geworden wie zuvor. Dieses Verständnis eröffnete neue Perspektiven in der Kosmologie und Astronomie. Aber in unserem Jahrhundert erwarten uns nicht weniger dramatische Veränderungen im Verständnis von Raum-Zeit. Dank der Quantengeometrie sind der Urknall und die Schwarzen Löcher für die Physik nicht mehr von Grenzen der Unzugänglichkeit umgeben. Die physikalische Quantenraumzeit ist viel größer als die Allgemeine Relativitätstheorie. Das Bestehen eines Zusammenhangs zwischen diesen Theorien erlaubt es uns, von der Konsistenz der Quantenschleifengravitation zu sprechen. Diese Konsistenz erlaubt es uns, ganz bestimmte Schlussfolgerungen über die Physik des Ursprungs unseres Universums und über die Physik der Schwarzen Löcher zu ziehen. Durch die Weiterentwicklung dieser Theorie können sich noch aufregendere Möglichkeiten ergeben.