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Die Allgemeine
Relativitätstheorie
Ein kurzer Einstieg
http://www.student.uni-oldenburg.de/frauke.soehle/
Astrophysik/Gravitation_und_ART/ART.ppt
Relativitätstheorie
Albert Einstein setzte vor über 80 Jahren der Vorstellung von
einem absoluten Raum (oder absoluter Position bzw. Ruhe)
und von einer absoluten (universellen) Zeit ein Ende.
1905
spezielle Relativitätstheorie
(c als maximale Geschwindigkeit)
1915
allgemeine Relativitätstheorie
(Miteinbeziehung der Gravitation)
„Mache die Dinge so einfach wie
möglich – aber nicht einfacher.“
Albert Einstein
Spezielle Relativitätstheorie
Festsetzung: Es gibt eine höchste Geschwindigkeit, die Lichtgeschwindigkeit.
Sie hat für jeden Beobachter (unabhängig seiner Geschwindigkeit) immer den
gleichen Wert (c = 299792 km/s)
Folgerungen:
Zeitdilation, d.h. je schneller sich ein Objekt bewegt, desto langsamer
vergeht die Zeit für dieses im Vergleich zu einem ruhenden Objekt.
Längenkontraktion, d.h. die Länge l eines Objektes wird von
einem anderen Objekt, das sich mit der Relativgeschwindigkeit
v bewegt, als kontrahiert wahrgenommen.
Äquivalenz von Masse und Energie: E = mc²
Allgemeine Relativitätstheorie
Die Kabine ruht auf der Erde. Die Vorgänge in
der Kabine führen wir auf die Schwerkraft
zurück
Die Kabine ist entsprechend
beschleunigt. Auch hier
können wir die Vorgänge in
der Kabine auf eine
Schwerkraft zurückführen.
Äquivalenzprinzip
träge Masse (durch Beschleunigung)
= schwere Masse (durch Gravitation)
Allgemeine Relativitätstheorie
Experimentelle Tests/Nachweise
•Periheldrehung der Merkurbahn
•Gravitationsrotverschiebung
•Zeitdehnung
•Lichtablenkung im Gravitationsfeld
•Raumdehnung
Krümmung der 4-dim. Raumzeit
Krümmung der 4-dim. Raumzeit
Gravitation wird verstanden als Raumzeit-Krümmung
Periheldrehung des Merkur
Gravitations-Rotverschiebung
1960: Die Physiker Pound und Rebka den nur 22,6 m hohen
Jefferson-Turm an der Harvard-Universität, um die
Vorhersagen der Einsteinschen Gravitationstheorie zu
bestätigen. Die vorhergesagte Rotverschiebung ist
2,47·10^(-15) (Billiardstel), Pound und Rebka maßen
(2,57+/-0,26)·10^(-15).
Zeitdehnung
In der folgenden Tabelle ist angegeben, um wie
viel eine Uhr auf der Oberfläche des
angegebenen Himmelskörpers nachgeht, wenn
weitab von allen Himmelskörpern (Massen)
1000 Jahre vergangen sind.
Erde
Sonne
Weißer Zwerg
Neutronenstern
Masse
6*10^24 kg
2*10^30 kg
2*10^30 kg
2*10^30 kg
Radius
6378 km
696000 km
etwa 9500 km
etwa 10 km
Uhr geht nach
22 sec
19 Stunden
54 Tage
192 Jahre
Sonnenfinsternis
Fotografie der verfinsterten Sonne am 29. Mai
1919 mit den umgebenden Sternen
Lichtablenkung im
Gravitationsfeld
Lichtstrahlen werden durch schwere Massen (meist
Galaxienhaufen) abgelenkt,...
...wodurch die Quelle unter einem "falschen" Winkel gesehen wird.
Dieser Effekt wird tatsächlich in Form von Gravitationslinsen
beobachtet.
Lichtablenkung im
Gravitationsfeld
Gravitationslinsen
CL0024+1654
Gravitationslinsen
Die Ablenkung von Lichtstrahlen
erinnert an die Wirkung einer
optischen Linse.
Gravitationslinsen = massereiche
Objekte, die das Licht hinter
ihnen liegender Quellen bündeln
Abell 2218
Schwarze Löcher
Der Radius eines Objektes unterschreitet den sog. SchwarzschildRadius R =2gM/c²: das Licht wird so stark abgelenkt, dass es den
„Trichter“ der Raum-Zeit nicht mehr verlassen kann.
Raumdehnung
Shapiro-Test: Ende des Jahres 1964 schlug der Wissenschaftler
Shapiro ein Experiment vor, um die Raumdehnung
auszumessen. Ein Radarsignal wird von der Erde ausgesendet
und am Nachbarplaneten Venus reflektiert. Wenn das Signal
die Erde wieder erreicht, kann aus der Laufzeit die Entfernung
Erde - Venus berechnet werden. Steht nun die Sonne fast
zwischen Erde und Venus, muss das Radarsignal am
Sonnenrand vorbei. Dort ist der Raum am meisten gedehnt.
So ist die Venus, am Sonnenrand vorbei gemessen, etwa
36 km weiter entfernt als wir durch Berechnungen ohne
Raumdehnung erwarten würden.
Gravitationswellen
Nach Einsteins Theorie wird die gekrümmte Raum-Zeit von stark
beschleunigten Massen zu Schwingungen angeregt, die sich als
Gravitationswellen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten.
Die Raum-Zeit wird also durch eine Gravitationswelle lokal
periodisch deformiert.
Auswirkungen
bzw. indirekter Test
Navigationssystem GPS: Die Grundidee der GPSPositionsbestimmung beruht auf der Messung der Entfernung
des eigenen Standorts zu drei Satelliten, deren Position
ausreichend genau bekannt ist.
Muss berücksichtigen:
Zeitdilatation Ohne spezielle Relativitätstheorie werden die
Satellitenfrequenzen um 0.835 ×10-8 Prozent unterschätzt.
Zeitdehnung
Ohne allgemeine Relativitätstheorie werden die
Satellitenfrequenzen um 5.28 ×10^-8 Prozent überschätzt.
Ohne Berücksichtigung beider Effekte, wären das bereits fast
500 Meter in einer Stunde!
Literaturtipps
• Banesh Hoffmann: Einsteins Ideen, Spektrum 1997
(gute und leicht verständliche Einführung der Speziellen und
Allgemeinen Relativitätstheorie – Schwerpunkt: SRT)
•Stephen Hawking: Eine kurze Geschichte der Zeit
(populärwissenschaftlich gehalten)
•Internet:
•http://www.kornelius.de/arth/index.html (ART als Bildergeschichte)
•http://www.quarks.de/relativ/index.htm (ART einfach erklärt)
•http://www.ap.univie.ac.at/users/fe/Rel/ (RT und Kosmologie)
•http://www.tat.physik.uni-tuebingen.de/~zahn/de/rel/rel.html
(Visualisierungen der RT)