1905 stellte Albert Einstein die Welt der theoretischen Physik auf den Kopf, indem er eine Arbeit in der Disziplin veröffentlichte, die später als spezielle Relativitätstheorie bezeichnet wurde. Sie zeigte, dass Raum und Zeit nicht als absolute Einheiten betrachtet werden können: Zeit kann sich beschleunigen oder verlangsamen, Standardlängen können sich zusammenziehen, Massen können zunehmen.
Und das bekannteste Ergebnis, die Äquivalenz der Energiemasse und ihres Anteils, wird durch die Gleichung E = mc² ausgedrückt.
Niemand zweifelt an dem Genie Einsteins, der die allgemeine Relativitätstheorie formulierte, aber es ist allgemein anerkannt, dass ein anderer Physiker dies bald an seiner Stelle getan hätte, wenn er seine Theorie nicht 1905 veröffentlicht hätte.
"Einsteins Kreuz" - vier Bilder eines entfernten Quasars, die aufgrund der Tatsache erhalten wurden, dass sich das Licht von ihm um die näher bei uns befindliche Galaxie biegt und als Gravitationslinse fungiert.
Erst 1915 demonstrierte Einstein sein Genie, indem er seine allgemeine Relativitätstheorie veröffentlichte. Sie argumentierte, dass die Krümmung der Raum-Zeit proportional ist und auch aufgrund der "Energie-Impuls-Dichte" auftritt, dh der Energie und des Impulses, die mit einer Materie in einem Raumvolumen verbunden sind.
Diese Aussage wurde bestätigt, als sie mit Beobachtungen der ungewöhnlichen Umlaufbahn des Merkur und dem Licht der Sterne zusammenfiel, die sich um die Sonne bogen.
In den letzten hundert Jahren wurde die allgemeine Relativitätstheorie mit erstaunlicher Genauigkeit getestet und hat sich jedes Mal bewährt. Die allgemeine Relativitätstheorie ist zu einem so großen Sprung nach vorne geworden, dass man sagen kann, wenn Einstein sie nicht formuliert hätte, könnte sie lange Zeit unentdeckt bleiben.
Der Weg zur allgemeinen Relativitätstheorie
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1907 hatte Einstein den "glücklichsten Gedanken seines Lebens", als er auf einem Stuhl im Patentamt in Bern saß:
Wenn eine Person frei fällt, spürt sie ihr Gewicht nicht.
Sie führte ihn zur Formulierung des "Äquivalenzprinzips", das besagt, dass es unmöglich ist, zwischen dem beschleunigenden Bezugsrahmen und dem Gravitationsfeld zu unterscheiden. Wenn Sie beispielsweise auf der Erde stehen, fühlt es sich genauso an, als ob Sie in einem Raumschiff stehen würden, das sich mit einer Beschleunigung von 9,81 m / s² bewegt - mit der Beschleunigung der Schwerkraft auf der Erde.
Dies war der erste große Schritt zur Formulierung einer neuen Gravitationstheorie.
Einstein glaubte, dass "alle Physik Geometrie ist". Er meinte, dass Raum-Zeit und das Universum geometrisch betrachtet werden können. Die überraschendste Schlussfolgerung der allgemeinen Relativitätstheorie, die Dynamik von Zeit und Raum, führte Einstein offenbar zu der Notwendigkeit, die "geometrische" Raumzeit zu überdenken.
Einstein führte eine Reihe ordentlicher Gedankenexperimente durch, in denen Beobachtungen von Beobachtern in trägen und rotierenden Referenzrahmen verglichen wurden.
Er stellte fest, dass für einen Beobachter in einem rotierenden Bezugssystem Raum-Zeit nicht euklidisch sein kann, dh wie diese flache Geometrie, die wir alle in Schulen studieren. Wir müssen "gekrümmten Raum" in unsere Argumentation einführen, um die durch die Relativitätstheorie vorhergesagten Anomalien zu berücksichtigen. Die Krümmung wird zur zweitwichtigsten Annahme, die seine allgemeine Relativitätstheorie stützt.
Um den gekrümmten Raum zu beschreiben, wandte sich Einstein einer früheren Arbeit des Mathematikers Bernard Riemann aus dem 19. Jahrhundert zu. Mit Hilfe seines Freundes Marcel Grossmann, ebenfalls Mathematiker, studierte Einstein mehrere Jahre lang die Mathematik gekrümmter Räume - was Mathematiker "Differentialgeometrie" nennen. Einstein bemerkte: "Im Vergleich zum Verständnis der Schwerkraft schien die spezielle Relativitätstheorie ein Kinderspiel zu sein."
Einstein hatte nun den mathematischen Apparat, um die Theorie zur Vollendung zu bringen. Das Äquivalenzprinzip besagt, dass ein beschleunigter Bezugsrahmen einem Gravitationsfeld entspricht. Als Ergebnis seiner Studien zur Geometrie glaubte er, dass das Gravitationsfeld eine einfache Manifestation der gekrümmten Raumzeit sei. Daher konnte er zeigen, dass die beschleunigenden Referenzrahmen nichteuklidische Räume waren.
Entwicklung
Der drittwichtigste Schritt war die Beseitigung von Schwierigkeiten bei der Anwendung der allgemeinen Relativitätstheorie auf die Newtonsche Schwerkraft. In der speziellen Relativitätstheorie widersprachen die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit in allen Bezugssystemen und die Aussage, dass die Lichtgeschwindigkeit die maximal erreichbare Geschwindigkeit ist, Newtons Gravitationstheorie, die die Momentanität der Gravitationswirkung postulierte.
Einfach ausgedrückt, die Newtonsche Schwerkraft sagte, wenn die Sonne vom Zentrum des Sonnensystems entfernt würde, würde der Gravitationseffekt dieses Ereignisses sofort auf der Erde spürbar sein. Aber SRT sagt, dass sich sogar der Effekt des Verschwindens der Sonne mit Lichtgeschwindigkeit bewegen wird.
Einstein wusste auch, dass die Anziehungskraft zweier Körper direkt proportional zu ihrer Masse ist, was sich aus Newtons F = G * M * m / r² ergibt. Daher bestimmte die Masse eindeutig die Stärke des Gravitationsfeldes. Laut SRT entspricht Masse der Energie, daher sollte die Energie-Impuls-Dichte auch die Schwerkraft bestimmen.
Infolgedessen waren die drei Hauptannahmen, die Einstein zur Formulierung seiner Theorie verwendete:
1. In rotierenden (nicht trägen) Referenzrahmen ist der Raum gekrümmt (nicht euklidisch).
2. Das Äquivalenzprinzip besagt, dass beschleunigte Referenzrahmen Gravitationsfeldern entsprechen.
3. Die Äquivalenz von Masse und Energie ergibt sich aus der SRT, und aus der Newtonschen Physik folgt, dass die Masse proportional zur Schwerkraft ist.
Einstein konnte daraus schließen, dass die Energie-Impuls-Dichte proportional zur Krümmung der Raum-Zeit ist und proportional dazu ist.
Es ist nicht bekannt, wann er seine "Einsicht" hatte, als er dieses Rätsel lösen und Masse / Energie mit der Krümmung des Raumes in Beziehung setzen konnte.
Von 1913 bis 1915 veröffentlichte Einstein mehrere Artikel, während er an der Vervollständigung der allgemeinen Relativitätstheorie arbeitete. In einigen Werken traten Fehler auf, die dazu führten, dass Einstein Zeit mit unnötigen Ablenkungen im theoretischen Denken verschwendete.
Aber das Nettoergebnis, dass die Energie-Impuls-Dichte die Raumzeit biegt, wie eine Bowlingkugel, ist eine gedehnte Gummiplatte, und dass die Bewegung der Masse in einem Gravitationsfeld von der Krümmung der Raumzeit abhängt, ist ohne Zweifel die größte Vermutung der menschlichen Intelligenz.
Behinderung
Wie lange hätten wir die Schwerkraft ohne das Genie Einsteins verstanden? Es ist möglich, dass wir viele Jahrzehnte darauf warten müssen. Aber 1979 würde das Rätsel sicherlich aufkommen. In diesem Jahr entdeckten Astronomen "Zwillingsquasare", QSO 0957 + 561, den ersten Quasar, der Gravitationslinsen beobachtete.
Diese erstaunliche Entdeckung kann nur durch die Krümmung der Raumzeit erklärt werden. Für ihn hätten sie sicherlich den Nobelpreis verliehen, wenn nicht das Genie Einsteins gewesen wäre. Oder vielleicht sollte sie trotzdem ausgegeben werden.
