Geschichte der Allgemeinen Relativitätstheorie - History of general relativity

Die Allgemeine Relativitätstheorie (GR) ist eine Gravitationstheorie , die zwischen 1907 und 1915 von Albert Einstein entwickelt wurde , mit Beiträgen von vielen anderen nach 1915. Nach der Allgemeinen Relativitätstheorie resultiert die beobachtete Gravitationsanziehung zwischen Massen aus der Verwerfung von Raum und Zeit durch diese Massen.

Vor dem Aufkommen der Allgemeinen Relativitätstheorie war Newtons Gesetz der universellen Gravitation mehr als zweihundert Jahre lang als gültige Beschreibung der Gravitationskraft zwischen Massen akzeptiert worden, obwohl Newton selbst die Theorie nicht als das letzte Wort über die Natur der Gravitation betrachtete . Innerhalb eines Jahrhunderts nach Newtons Formulierung enthüllten sorgfältige astronomische Beobachtungen unerklärliche Abweichungen zwischen der Theorie und den Beobachtungen. Nach Newtons Modell war die Schwerkraft das Ergebnis einer Anziehungskraft zwischen massiven Objekten. Obwohl sogar Newton von der unbekannten Natur dieser Kraft gestört wurde, war das Grundgerüst äußerst erfolgreich bei der Beschreibung von Bewegung.

Experimente und Beobachtungen zeigen jedoch, dass Einsteins Beschreibung für mehrere Effekte verantwortlich ist, die durch das Newtonsche Gesetz unerklärt sind, wie zum Beispiel winzige Anomalien in den Umlaufbahnen von Merkur und anderen Planeten. Die Allgemeine Relativitätstheorie sagt auch neue Effekte der Schwerkraft voraus, wie Gravitationswellen , Gravitationslinsen und einen Effekt der Schwerkraft auf die Zeit, der als Gravitationszeitdilatation bekannt ist . Viele dieser Vorhersagen wurden durch Experimente oder Beobachtungen bestätigt, während andere Gegenstand laufender Forschung sind.

Die Allgemeine Relativitätstheorie hat sich zu einem unverzichtbaren Werkzeug der modernen Astrophysik entwickelt. Es bildet die Grundlage für das aktuelle Verständnis von Schwarzen Löchern, Regionen des Weltraums, in denen die Gravitationsanziehung so stark ist, dass nicht einmal Licht entweichen kann. Es wird angenommen, dass ihre starke Gravitation für die intensive Strahlung verantwortlich ist, die von bestimmten Arten astronomischer Objekte (wie aktiven galaktischen Kernen oder Mikroquasaren) emittiert wird. Die Allgemeine Relativitätstheorie ist auch Teil des Standardmodells des Urknalls der Kosmologie.

Schaffung der Allgemeinen Relativitätstheorie

Frühe Ermittlungen

Wie Einstein später sagte, war der Grund für die Entwicklung der Allgemeinen Relativitätstheorie die Bevorzugung der Trägheitsbewegung innerhalb der Speziellen Relativitätstheorie , während ihm eine Theorie, die von Anfang an keinen bestimmten Bewegungszustand bevorzugt, befriedigender erschien. Während er 1907 noch im Patentamt arbeitete, hatte Einstein seinen "glücklichsten Gedanken", wie er es nennen würde. Er erkannte, dass das Relativitätsprinzip auf Gravitationsfelder ausgedehnt werden kann.

Folglich schrieb er 1907 einen Artikel (veröffentlicht 1908) über die Beschleunigung in der speziellen Relativitätstheorie. In diesem Artikel argumentierte er, dass der freie Fall in Wirklichkeit eine Trägheitsbewegung ist und dass für einen frei fallenden Beobachter die Regeln der speziellen Relativitätstheorie gelten müssen. Dieses Argument wird Äquivalenzprinzip genannt . Im selben Artikel sagte Einstein auch das Phänomen der gravitativen Zeitdilatation voraus .

1911 veröffentlichte Einstein einen weiteren Artikel, der den Artikel von 1907 erweiterte. Dort dachte er über den Fall einer gleichförmig beschleunigten Kiste nach, die sich nicht in einem Gravitationsfeld befindet, und stellte fest, dass sie nicht von einer Box zu unterscheiden wäre, die still in einem unveränderlichen Gravitationsfeld sitzt. Er benutzte die spezielle Relativitätstheorie, um zu sehen, dass die Taktrate der Uhren oben in einer Box, die nach oben beschleunigt wird, schneller ist als die Taktraten unten. Er kommt zu dem Schluss, dass die Geschwindigkeiten von Uhren von ihrer Position in einem Gravitationsfeld abhängen und dass die Geschwindigkeitsdifferenz in erster Näherung proportional zum Gravitationspotential ist.

Auch die Ablenkung von Licht durch massive Körper wurde vorhergesagt. Obwohl die Näherung grob war, konnte er damit berechnen, dass die Durchbiegung ungleich Null ist. Der deutsche Astronom Erwin Finlay-Freundlich veröffentlichte Einsteins Herausforderung für Wissenschaftler auf der ganzen Welt. Dies drängte die Astronomen, die Lichtablenkung während einer Sonnenfinsternis zu erkennen , und gab Einstein die Gewissheit, dass die von Gunnar Nordström vorgeschlagene skalare Gravitationstheorie falsch war. Der von ihm berechnete tatsächliche Wert für die Ablenkung war jedoch um den Faktor zwei zu klein, da die von ihm verwendete Näherung für Dinge, die sich nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen, nicht gut funktioniert. Als Einstein die vollständige Allgemeine Relativitätstheorie fertigstellte, würde er diesen Fehler korrigieren und die korrekte Lichtablenkung durch die Sonne vorhersagen.

Ein weiteres bemerkenswertes Gedankenexperiment Einsteins über die Natur des Gravitationsfeldes ist das der rotierenden Scheibe (eine Variante des Ehrenfest-Paradoxons ). Er stellte sich einen Beobachter vor, der auf einem rotierenden Plattenteller Experimente durchführte. Er merkte an, dass ein solcher Beobachter einen anderen Wert für die mathematische Konstante π finden würde als den von der euklidischen Geometrie vorhergesagten. Der Grund dafür ist, dass der Radius eines Kreises mit einem nicht zusammengezogenen Lineal gemessen würde, aber nach der speziellen Relativitätstheorie scheint der Umfang länger zu sein, weil das Lineal zusammengezogen wäre. Da Einstein glaubte, dass die Gesetze der Physik lokal seien, beschrieben durch lokale Felder, schloss er daraus, dass die Raumzeit lokal gekrümmt sein könnte. Dies führte ihn dazu, die Riemannsche Geometrie zu studieren und die allgemeine Relativitätstheorie in dieser Sprache zu formulieren.

Entwicklung der Allgemeinen Relativitätstheorie

Eddingtons Foto einer Sonnenfinsternis, das Einsteins Theorie bestätigte, dass sich Licht "krümmt".
Die New York Times berichtete über die Bestätigung der "Einstein-Theorie" (insbesondere der Lichtbeugung durch Gravitation) auf der Grundlage von Sonnenfinsternis-Beobachtungen vom 29. Mai 1919 in Principe (Afrika) und Sobral (Brasilien), nachdem die Ergebnisse am 6. November 1919 vorgestellt wurden ein gemeinsames Treffen der Royal Society und der Royal Astronomical Society in London . ( Volltext )

1912 kehrte Einstein in die Schweiz zurück, um eine Professur an seiner Alma Mater , der ETH Zürich , anzunehmen . Zurück in Zürich besuchte er gleich seinen alten ETH-Mitschüler Marcel Grossmann , den heutigen Mathematikprofessor, der ihn in die Riemannsche Geometrie und allgemein in die Differentialgeometrie einführte . Auf Empfehlung des italienischen Mathematikers Tullio Levi-Civita begann Einstein, die Nützlichkeit der allgemeinen Kovarianz (im Wesentlichen die Verwendung von Tensoren ) für seine Gravitationstheorie zu untersuchen. Eine Zeitlang dachte Einstein, es gebe Probleme mit dem Ansatz, kehrte aber später darauf zurück und veröffentlichte Ende 1915 seine Allgemeine Relativitätstheorie in der Form, in der sie heute verwendet wird. Diese Theorie erklärt Gravitation als Verzerrung der Struktur der Raumzeit durch Materie, die die Trägheitsbewegung anderer Materie beeinflusst.

Während des Ersten Weltkriegs stand die Arbeit der Wissenschaftler der Mittelmächte aus Gründen der nationalen Sicherheit nur Wissenschaftlern der Mittelmächte zur Verfügung. Einige von Einsteins Arbeiten erreichten das Vereinigte Königreich und die Vereinigten Staaten durch die Bemühungen des Österreichers Paul Ehrenfest und Physiker in den Niederlanden, insbesondere der 1902 Nobelpreisträger Hendrik Lorentz und Willem de Sitter von der Universität Leiden . Nach Kriegsende behielt Einstein seine Beziehung zur Universität Leiden bei und nahm einen Vertrag als außerordentlicher Professor an ; zehn Jahre lang, von 1920 bis 1930, reiste er regelmäßig zu Vorträgen in die Niederlande.

1917 nahmen mehrere Astronomen Einsteins Herausforderung von 1911 aus Prag an. Das Mount-Wilson-Observatorium in Kalifornien, USA, veröffentlichte eine solarspektroskopische Analyse, die keine gravitative Rotverschiebung zeigte. 1918 gab das Lick Observatory , ebenfalls in Kalifornien, bekannt, dass es auch Einsteins Vorhersage widerlegt hatte, obwohl seine Ergebnisse nicht veröffentlicht wurden.

Im Mai 1919 behauptete jedoch ein Team unter der Leitung des britischen Astronomen Arthur Stanley Eddington , Einsteins Vorhersage der gravitativen Ablenkung des Sternenlichts durch die Sonne bestätigt zu haben, als es eine Sonnenfinsternis mit zwei Expeditionen in Sobral , Nordbrasilien, und Príncipe , einem Westafrikaner, fotografierte Insel. Nobelpreisträger Max Born lobte die Allgemeine Relativitätstheorie als „die größte Leistung des menschlichen Denkens über die Natur“; Der Kollege Paul Dirac wurde mit den Worten zitiert, es sei "wahrscheinlich die größte wissenschaftliche Entdeckung, die jemals gemacht wurde".

Es gab Behauptungen, dass die Untersuchung der spezifischen Fotografien, die auf der Eddington-Expedition aufgenommen wurden, zeigte, dass die experimentelle Unsicherheit mit der gleichen Größenordnung vergleichbar war wie die von Eddington behauptete Wirkung, und eine britische Expedition von 1962 kam zu dem Schluss, dass die Methode von Natur aus unzuverlässig war. Die Lichtablenkung während einer Sonnenfinsternis wurde durch spätere genauere Beobachtungen bestätigt. Einige ärgerten sich über den Ruhm des Neuankömmlings, insbesondere unter einigen nationalistischen deutschen Physikern, die später die Deutsche Physik (Deutsche Physik)-Bewegung gründeten.

Allgemeine Kovarianz und das Lochargument

1912 suchte Einstein aktiv nach einer Theorie, in der die Gravitation als geometrisches Phänomen erklärt wurde. Auf Drängen von Tullio Levi-Civita, begann Einstein durch die Verwendung von allgemeiner Kovarianz erkundet (die im Wesentlichen die Verwendung von Krümmungs Tensoren ) eine Gravitationstheorie zu schaffen. 1913 gab Einstein diesen Ansatz jedoch auf und argumentierte, dass er auf der Grundlage des „ Loch-Arguments “ inkonsistent sei . Im Jahr 1914 und einen Großteil des Jahres 1915 versuchte Einstein, Feldgleichungen auf der Grundlage eines anderen Ansatzes zu erstellen . Als sich herausstellte, dass dieser Ansatz inkonsistent war, überarbeitete Einstein das Konzept der allgemeinen Kovarianz und entdeckte, dass das Lochargument fehlerhaft war.

Die Entwicklung der Einstein-Feldgleichungen

Als Einstein erkannte, dass die allgemeine Kovarianz haltbar war, vollendete er schnell die Entwicklung der nach ihm benannten Feldgleichungen. Allerdings machte er einen mittlerweile berühmten Fehler. Die Feldgleichungen, die er im Oktober 1915 veröffentlichte, waren

,

wo ist der Ricci-Tensor und der Energie-Impuls-Tensor . Dies sagte die nicht- Newtonsche Perihelpräzession von Merkur voraus , und so war Einstein sehr aufgeregt. Es wurde jedoch bald erkannt, dass sie mit der lokalen Energie-Impuls-Erhaltung nicht vereinbar waren, es sei denn, das Universum hatte eine konstante Masse-Energie-Impuls-Dichte. Mit anderen Worten, Luft, Gestein und sogar ein Vakuum sollten alle die gleiche Dichte haben. Diese Inkonsistenz mit der Beobachtung schickte Einstein zurück ans Reißbrett und am 25. November 1915 legte Einstein der Preußischen Akademie der Wissenschaften die aktualisierten Einstein-Feldgleichungen vor :

,

wo ist der Ricci-Skalar und der metrische Tensor . Mit der Veröffentlichung der Feldgleichungen ging es darum, diese für verschiedene Fälle zu lösen und die Lösungen zu interpretieren. Dies und experimentelle Nachweise haben seither die allgemeine Relativitätsforschung dominiert.

Einstein und Hilbert

Obwohl Einstein das Auffinden der Feldgleichungen zugeschrieben wird, veröffentlichte der deutsche Mathematiker David Hilbert sie in einem Artikel vor Einsteins Artikel. Dies hat zu Plagiatsvorwürfen gegen Einstein geführt, jedoch nicht von Hilbert, und zu Behauptungen, dass die Feldgleichungen "Einstein-Hilbert-Feldgleichungen" genannt werden sollten. Hilbert hat jedoch seinen Anspruch auf Priorität nicht geltend gemacht und einige haben behauptet, dass Einstein die richtigen Gleichungen vorgelegt hat, bevor Hilbert seine eigene Arbeit änderte, um sie aufzunehmen. Dies legt nahe, dass Einstein zuerst die richtigen Feldgleichungen entwickelt hat, obwohl Hilbert sie später möglicherweise unabhängig erreicht hat (oder sogar später durch seine Korrespondenz mit Einstein davon erfahren hat). Andere haben diese Behauptungen jedoch kritisiert.

Sir Arthur Eddington

In den ersten Jahren nach der Veröffentlichung von Einsteins Theorie verlieh Sir Arthur Eddington sein beträchtliches Ansehen im britischen wissenschaftlichen Establishment, um sich für die Arbeit dieses deutschen Wissenschaftlers einzusetzen. Weil die Theorie so komplex und abstrus war (noch heute gilt sie im Volksmund als der Gipfel des wissenschaftlichen Denkens; in den Anfangsjahren war es noch mehr), wurde gemunkelt, dass nur drei Menschen auf der Welt sie verstanden. Dazu gab es eine erhellende, wenn auch wahrscheinlich apokryphe Anekdote. Wie von Ludwik Silberstein erzählt , fragte er während einer Vorlesung von Eddington: "Professor Eddington, Sie müssen einer von drei Personen auf der Welt sein, die die allgemeine Relativitätstheorie verstehen." Eddington hielt inne, unfähig zu antworten. Silberstein fuhr fort: "Sei nicht bescheiden, Eddington!" Schließlich antwortete Eddington: "Im Gegenteil, ich versuche zu denken, wer die dritte Person ist."

Lösungen

Die Schwarzschild-Lösung

Da die Feldgleichungen nichtlinear sind , ging Einstein davon aus, dass sie unlösbar sind. Jedoch Karl Schwarzschild- entdeckt und veröffentlichte im Jahr 1915 eine exakte Lösung für den Fall einer kugelsymmetrischen Raum - Zeit ein massives Objekt in 1916 umgebenden sphärischen Koordinaten . Dies ist heute als Schwarzschild-Lösung bekannt . Seitdem wurden viele andere exakte Lösungen gefunden.

Das expandierende Universum und die kosmologische Konstante

1922 fand Alexander Friedmann eine Lösung, bei der sich das Universum ausdehnen oder zusammenziehen kann, und später leitete Georges Lemaître eine Lösung für ein expandierendes Universum ab. Einstein glaubte jedoch, dass das Universum anscheinend statisch sei, und da eine statische Kosmologie von den allgemein relativistischen Feldgleichungen nicht unterstützt wurde, fügte er den Feldgleichungen eine kosmologische Konstante Λ hinzu , die zu wurde

.

Dies ermöglichte die Schaffung stationärer Lösungen , die jedoch instabil waren: Die geringste Störung eines statischen Zustands würde dazu führen, dass sich das Universum ausdehnt oder zusammenzieht. 1929 fand Edwin Hubble Beweise für die Idee, dass sich das Universum ausdehnt. Dies führte dazu, dass Einstein die kosmologische Konstante fallen ließ und sie als "den größten Fehler meiner Karriere" bezeichnete. Damals war es eine Ad-hoc- Hypothese, die kosmologische Konstante hinzuzufügen, da sie nur ein Ergebnis (ein statisches Universum) rechtfertigen sollte.

Genauere Lösungen

Bei der Lösung der Feldgleichungen und dem Verständnis der Lösungen wurden Fortschritte erzielt. Die Lösung für ein kugelsymmetrisch geladenes Objekt wurde von Reissner entdeckt und später von Nordström wiederentdeckt und wird Reissner-Nordström-Lösung genannt . Der Aspekt des Schwarzen Lochs der Schwarzschild-Lösung war sehr umstritten, und Einstein glaubte nicht, dass Singularitäten real sein könnten. 1957 (zwei Jahre nach Einsteins Tod 1955) veröffentlichte Martin Kruskal jedoch einen Beweis dafür, dass die Schwarzschild-Lösung Schwarze Löcher erfordert. Darüber hinaus wurde die Lösung für ein rotierendes massives Objekt in den 1960er Jahren von Roy Kerr entwickelt und wird als Kerr-Lösung bezeichnet . Die Kerr-Newman-Lösung für ein rotierendes, geladenes massives Objekt wurde einige Jahre später veröffentlicht.

Theorie testen

Der erste Beweis für die allgemeine Relativitätstheorie kam von ihrer korrekten Vorhersage der anomalen Präzessionsrate der Merkurbahn. Anschließend bestätigte Arthur Stanley Eddingtons Expedition von 1919 Einsteins Vorhersage der Lichtablenkung durch die Sonne während der totalen Sonnenfinsternis vom 29 . Seitdem haben viele Beobachtungen Übereinstimmung mit den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie gezeigt. Dazu gehören Studien von binären Pulsaren , Beobachtungen von Funksignalen, die den Rand der Sonne passieren, und sogar das globale Positionierungssystem .

Erstes Bild des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs ( M87* ), aufgenommen vom Event Horizon Telescope

Die Theorie sagt Gravitationswellen voraus , bei denen es sich um Wellen in der Krümmung der Raumzeit handelt, die sich als Wellen ausbreiten und von der Quelle nach außen wandern. Die erste Beobachtung von Gravitationswellen , die aus der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher stammten , wurde am 14. September 2015 vom Advanced LIGO- Team gemacht und bestätigt eine weitere Vorhersage der Theorie 100 Jahre nach ihrer Veröffentlichung.

Das erste Bild eines Schwarzen Lochs, des supermassereichen im Zentrum der Galaxie Messier 87 , wurde am 10. April 2019 von der Event Horizon Telescope Collaboration veröffentlicht .

Alternative Theorien

Es gab verschiedene Versuche, Modifikationen der Allgemeinen Relativitätstheorie zu finden. Die bekanntesten davon sind die Brans-Dicke-Theorie (auch als Skalar-Tensor-Theorie bekannt ) und die bimetrische Theorie von Rosen . Beide Theorien schlugen Änderungen der Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie vor, und beide leiden unter diesen Änderungen, die das Vorhandensein von bipolarer Gravitationsstrahlung ermöglichen. Als Ergebnis wurde Rosens ursprüngliche Theorie durch Beobachtungen von binären Pulsaren widerlegt. Was Brans-Dicke betrifft (das einen einstellbaren Parameter ω hat, so dass ω = ∞ der Allgemeinen Relativitätstheorie entspricht), wurde der Betrag, um den sie von der Allgemeinen Relativitätstheorie abweichen kann, durch diese Beobachtungen stark eingeschränkt.

Darüber hinaus ist die Allgemeine Relativitätstheorie unvereinbar mit der Quantenmechanik , der physikalischen Theorie, die den Welle-Teilchen-Dualismus der Materie beschreibt, und die Quantenmechanik beschreibt derzeit keine Gravitationsanziehung auf relevanten (mikroskopischen) Skalen. In der Physik-Community gibt es viele Spekulationen darüber, welche Modifikationen sowohl an der Allgemeinen Relativitätstheorie als auch an der Quantenmechanik erforderlich sein könnten, um sie konsistent zu vereinen. Die spekulative Theorie, die die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik vereint, wird gewöhnlich als Quantengravitation bezeichnet , prominente Beispiele dafür sind die Stringtheorie und die Schleifenquantengravitation .

goldenes Zeitalter

Kip Thorne bezeichnet das "goldene Zeitalter der Allgemeinen Relativitätstheorie" als den Zeitraum ungefähr von 1960 bis 1975, in dem das Studium der Allgemeinen Relativitätstheorie , das zuvor als eine Art Kuriosität galt, in den Mainstream der theoretischen Physik eintrat . Während dieser Zeit wurden viele der Konzepte und Begriffe eingeführt, die bis heute die Vorstellungskraft der Gravitationsforscher und der breiten Öffentlichkeit beflügeln, darunter Schwarze Löcher und " Gravitationssingularität ". Gleichzeitig trat in einer eng damit verbundenen Entwicklung das Studium der physikalischen Kosmologie in den Mainstream ein und der Urknall etablierte sich gut.

Fulvio Melia bezieht sich in seinem Buch Cracking the Einstein Code häufig auf das "goldene Zeitalter der Relativität" . Andrzej Trautman veranstaltete 1962 in Warschau eine Relativitätskonferenz, auf die Melia Bezug nimmt:

Die Allgemeine Relativitätstheorie bewegte sich sehr erfolgreich von diesem Treffen in Warschau, das dem Pound-Rebka-Experiment dicht auf den Fersen war , und trat in ihr goldenes Zeitalter der Entdeckung ein, das bis Mitte der 1970er Jahre dauerte.

Roy Kerr, Protagonist des Buches, steuerte ein Nachwort bei und sagte über das Buch: "Es ist eine bemerkenswerte Schrift, die die Zeit, die wir heute als das goldene Zeitalter der Relativität bezeichnen, wunderschön einfängt."

Siehe auch

Verweise

Literaturverzeichnis

Externe Links