Objekte schrumpfen, Raumkrümmungen, Zeit verlangsamt sich Fantastisch? Gar nicht. Das ist die Realität, die uns umgibt
Die Relativitätstheorie ist eine physikalische Theorie, die raumzeitliche Regelmäßigkeiten berücksichtigt, die für beliebige physikalische Prozesse gelten. Die allgemeinste Theorie der Raumzeit wird als Allgemeine Relativitätstheorie (GR) oder Gravitationstheorie bezeichnet. In der privaten (oder speziellen) Relativitätstheorie (SRT) werden die Eigenschaften der Raumzeit untersucht, die mit der Genauigkeit gelten, mit der die Wirkung der Schwerkraft vernachlässigt werden kann. (Physical Encyclopedic Dictionary, 1995)
Ende des 19. Jahrhunderts fanden die von Newton entdeckten Bewegungs- und Gravitationsgesetze breite Anwendung in Berechnungen und fanden immer mehr experimentelle Belege. Nichts schien eine Revolution in diesem Bereich anzukündigen. Die Materie beschränkte sich jedoch nicht mehr nur auf die Mechanik: Als Ergebnis der experimentellen Aktivitäten vieler Wissenschaftler auf dem Gebiet der Elektrizität und des Magnetismus tauchten die Maxwell-Gleichungen auf. Hier begannen die Probleme mit den Gesetzen der Physik. Maxwells Gleichungen bringen Elektrizität, Magnetismus und Licht zusammen. Daraus folgt, dass die Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen, einschließlich Lichtwellen, nicht von der Bewegung des Senders abhängt und im Vakuum etwa 300.000 km/s beträgt. Dies ist in keiner Weise mit der Mechanik von Newton und Galileo vereinbar. Angenommen, ein Ballon fliegt relativ zur Erde mit einer Geschwindigkeit von 100.000 km/s. Lassen Sie uns von einer leichten Waffe mit einer leichten Kugel nach vorne schießen, deren Geschwindigkeit 300.000 km / s beträgt. Dann sollten nach den Formeln von Galileo die Geschwindigkeiten einfach addiert werden, was bedeutet, dass die Kugel mit einer Geschwindigkeit von 400.000 km / s relativ zur Erde fliegt. Es ist keine Konstanz der Lichtgeschwindigkeit möglich!
Es wurden viele Anstrengungen unternommen, um die Änderung der Lichtgeschwindigkeit bei der Bewegung des Emitters nachzuweisen, aber keines der ausgeklügelten Experimente war erfolgreich. Selbst das genaueste von ihnen, das Michelson-Morley-Experiment, ergab ein negatives Ergebnis. Also stimmt etwas mit Maxwells Gleichungen nicht? Aber sie beschreiben perfekt alle elektrischen und magnetischen Phänomene. Und dann schlug Henri Poincaré vor, dass es immer noch nicht um die Gleichungen geht, sondern um das Relativitätsprinzip: Alle physikalischen Gesetze, nicht nur die mechanischen, wie die von Newton, sondern auch die elektrischen, müssen in Systemen gleich sein, die sich gleichförmig und relativ zueinander bewegen geradlinig. 1904 erhielt der Däne Hendrik Anton Lorentz speziell für die Maxwell-Gleichungen neue Formeln zur Neuberechnung der Koordinaten eines bewegten Systems relativ zu einem stationären und umgekehrt. Aber das half nur teilweise: Es stellte sich heraus, dass man für die Newtonschen Gesetze einige Transformationen verwenden musste und für die Maxwellschen Gleichungen andere. Die Frage blieb offen.
Spezielle Relativitätstheorie
Die von Lorentz vorgeschlagenen Transformationen hatten zwei wichtige Implikationen. Es stellte sich heraus, dass beim Übergang von einem System zum anderen nicht nur Koordinaten, sondern auch Zeit Transformationen unterzogen werden müssen. Außerdem änderte sich die nach den Lorentz-Formeln berechnete Größe des bewegten Körpers - er wurde entlang der Bewegungsrichtung kleiner! Daher verloren Geschwindigkeiten, die die Lichtgeschwindigkeit überstiegen, jede physikalische Bedeutung, da in diesem Fall die Körper auf Nulldimensionen komprimiert wurden. Viele Physiker, einschließlich Lorentz selbst, betrachteten diese Schlussfolgerungen nur als mathematischen Zwischenfall. Bis Einstein zur Sache kam.
Warum ist die Relativitätstheorie nach Einstein benannt, wenn doch das Relativitätsprinzip von Poincare formuliert, die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit von Maxwell abgeleitet und die Regeln zur Koordinatentransformation von Lorentz erfunden wurden? Lassen Sie uns zunächst sagen, dass alles, worüber wir bisher gesprochen haben, nur die sogenannte "spezielle Relativitätstheorie" (SRT) betrifft. Entgegen der landläufigen Meinung beschränkt sich Einsteins Beitrag zu dieser Theorie keineswegs auf eine einfache Verallgemeinerung der Ergebnisse. Erstens gelang es ihm, alle Gleichungen auf der Grundlage von nur zwei Postulaten zu erh alten - dem Relativitätsprinzip und dem Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit. Und zweitens verstand er, was am Newtonschen Gesetz geändert werden sollte, damit es nicht aus dem neuen Weltbild herausfällt und sich unter Lorentz' Transformationen nicht verändert. Dazu musste ich zwei bisher unerschütterliche Grundlagen der klassischen Mechanik kritisch hinterfragen – die Absolutheit der Zeit und die Konstanz der Körpermasse.
Nichts Absolutes
In der Newtonschen Mechanik wurde die Sternzeit stillschweigend mit der absoluten Zeit gleichgesetzt, und in Einsteins Theorie entspricht jeder Bezugsrahmen seiner eigenen, „lokalen“Zeit, und es gibt keine Uhren, die die Zeit für das gesamte Universum messen würden. Aber die Schlussfolgerungen über die Relativität der Zeit reichten nicht aus, um die Widersprüche zwischen Elektrodynamik und klassischer Mechanik zu beseitigen. Dieses Problem wurde gelöst, als eine weitere klassische Bastion fiel - die Massenkonstanz. Einstein führte Änderungen an Newtons Grundgesetz der Proportionalität der Kraft zur Beschleunigung ein und stellte fest, dass die Masse unendlich zunimmt, wenn sie sich der Lichtgeschwindigkeit nähert. Tatsächlich folgt aus den Postulaten der SRT, dass eine Geschwindigkeit größer als die Lichtgeschwindigkeit keine physikalische Bedeutung hat, was bedeutet, dass keine Kraft die Geschwindigkeit eines Körpers erhöhen kann, der bereits mit Lichtgeschwindigkeit fliegt, d.h. unter diesen Bedingungen die Kraft bewirkt keine Beschleunigung mehr! Je schneller der Körper, desto schwieriger ist es zu beschleunigen.
Und da der Proportionalitätskoeffizient die Masse (oder Trägheit) ist, folgt daraus, dass die Masse des Körpers mit zunehmender Geschwindigkeit zunimmt.
Es ist bemerkenswert, dass diese Schlussfolgerung zu einer Zeit gemacht wurde, als es keine offensichtlichen Widersprüche und Widersprüche zwischen den Ergebnissen der Experimente und den Newtonschen Gesetzen gab. Unter normalen Bedingungen ist die Massenänderung unbedeutend und experimentell nur bei sehr hohen Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit nachweisbar. Selbst für einen Satelliten, der mit einer Geschwindigkeit von 8 km/s fliegt, beträgt die Korrektur der Masse nicht mehr als ein Zweimilliardstel. Aber bereits 1906 wurden die Schlussfolgerungen der SRT bei der Untersuchung von Elektronen bestätigt, die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen: In Kaufmans Experimenten wurde eine Änderung der Masse dieser Teilchen aufgezeichnet. Und an modernen Beschleunigern wird es einfach nicht möglich sein, Teilchen zu dispergieren, wenn auf klassische Weise ohne Berücksichtigung der speziellen Relativitätstheorie gerechnet wird.
Aber dann stellte sich heraus, dass die Volatilität der Masse eine noch grundlegendere Schlussfolgerung zulässt. Mit steigender Geschwindigkeit steigt die Masse, die Bewegungsenergie steigt, ist das nicht dasselbe? Mathematische Berechnungen bestätigten die Vermutung über die Äquivalenz von Masse und Energie, und 1907 erhielt Einstein seine berühmte Formel E=mc2. Dies ist die Hauptschlussfolgerung von SRT. Masse und Energie sind ein und dasselbe und werden ineinander umgewandelt! Und wenn ein Körper (zum Beispiel ein Uranatom) plötzlich in zwei zerfällt, die insgesamt eine geringere Masse haben, dann geht der Rest der Masse in die Bewegungsenergie über. Einstein selbst ging davon aus, dass man eine Massenänderung nur bei enormen Energiefreisetzungen feststellen könnte, da der Koeffizient c2 in der erh altenen Formel sehr, sehr groß ist. Aber auch er hat wohl nicht damit gerechnet, dass diese theoretischen Überlegungen die Menschheit so weit führen würden. Die Erschaffung der Atombombe bestätigte die Gültigkeit der speziellen Relativitätstheorie, nur um einen zu hohen Preis.
Es scheint, dass es keinen Grund gibt, an der Richtigkeit der Theorie zu zweifeln. Aber hier ist es an der Zeit, sich an die Worte von Einstein zu erinnern: „Die Erfahrung wird niemals „ja“zu einer Theorie sagen, sondern bestenfalls „vielleicht“, aber zum größten Teil sagt sie einfach „nein“. Das letzte und genaueste Experiment zur Prüfung eines der SRT-Postulate, der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit, wurde erst vor kurzem, im Jahr 2001, an der Universität Konstanz (Deutschland) durchgeführt. Eine stehende Laserwelle wurde in eine „Box“aus hochreinem Saphir platziert, auf die Temperatur von flüssigem Helium gekühlt, und die Änderung der Lichtfrequenz wurde ein halbes Jahr lang überwacht. Wenn die Lichtgeschwindigkeit von der Geschwindigkeit des Labors abhängen würde, würde sich die Frequenz dieser Welle ändern, wenn sich die Erde im Orbit bewegt. Aber es wurden noch keine Änderungen festgestellt.
Allgemeine Relativitätstheorie
Nachdem er 1905 sein berühmtes Werk „Über die Elektrodynamik bewegter Körper“veröffentlicht hatte, das der SRT gewidmet war, ging Einstein weiter. Er war überzeugt, dass SRT nur ein Teil der Reise ist. Das Relativitätsprinzip muss in jedem Bezugsrahmen gelten, und nicht nur in solchen, die sich gleichförmig und geradlinig bewegen. Diese Überzeugung Einsteins war nicht nur eine Vermutung, sie basierte auf einer experimentellen Tatsache, der Einh altung des Äquivalenzprinzips. Lassen Sie uns erklären, was es ist. Zu den Bewegungsgesetzen gehört die sogenannte „träge“Masse, die zeigt, wie schwierig es ist, einen Körper zu beschleunigen, und zu den Gravitationsgesetzen gehört eine „schwere“Masse, die die Anziehungskraft zwischen Körpern bestimmt. Das Äquivalenzprinzip geht davon aus, dass diese Massen einander exakt gleich sind, aber nur die Erfahrung kann bestätigen, ob dies tatsächlich der Fall ist. Aus dem Äquivalenzprinzip folgt, dass sich alle Körper im Gravitationsfeld mit gleicher Beschleunigung bewegen müssen. Sogar Galileo überprüfte diesen Umstand, indem er der Legende nach verschiedene Leichen aus dem Schiefen Turm von Pisa warf. Damals betrug die Messgenauigkeit 1 %, Newton brachte sie auf 0,1 %, und nach den neuesten Daten von 1995 können wir sicher sein, dass das Äquivalenzprinzip mit einer Genauigkeit von 5 x 10−13 erfüllt ist.
Auf der Grundlage des Äquivalenzprinzips und des Relativitätsprinzips schuf Einstein nach zehn Jahren harter Arbeit seine Gravitationstheorie oder die Allgemeine Relativitätstheorie (GR), die Theoretiker bis heute immer wieder in Erstaunen versetzt mit seiner mathematischen Schönheit. Raum und Zeit erwiesen sich in Einsteins Gravitationstheorie als Gegenstand erstaunlicher Metamorphosen. Das Gravitationsfeld, das von Körpern mit Masse um sich herum erzeugt wird, krümmt den umgebenden Raum. Stellen Sie sich einen Ball vor, der auf einem Trampolin liegt. Je schwerer der Ball ist, desto mehr biegt sich das Netz des Trampolins. Und die in die vierte Dimension gedrehte Zeit steht nicht still: Je größer das Gravitationsfeld, desto langsamer fließt die Zeit.
Die erste bestätigte Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie wurde 1915 von Einstein selbst gemacht. Es betraf die Bewegung des Merkur. Das Perihel dieses Planeten (dh der Punkt seiner größten Annäherung an die Sonne) ändert allmählich seine Position. Über hundert Jahre Beobachtungen von der Erde ergaben, dass die Verschiebung 43,1 Bogensekunden betrug. Nur die allgemeine Relativitätstheorie konnte diesen Wert - 43 Bogensekunden - verblüffend genau vorhersagen. Der nächste Schritt war die Beobachtung der Ablenkung von Lichtstrahlen im Gravitationsfeld der Sonne während der totalen Sonnenfinsternis von 1919. Seitdem wurden viele solcher Experimente durchgeführt, und alle bestätigen die allgemeine Relativitätstheorie – obwohl die Genauigkeit ständig wächst. 1984 waren es beispielsweise 0,3 % und 1995 schon weniger als 0,1 %.
Mit dem Aufkommen der Atomuhren wurde es Zeit. Es genügt, eine Uhr auf den Gipfel des Berges zu stellen, andere an seinen Fuß – und Sie können den Unterschied im Laufe der Zeit feststellen! Und mit dem Aufkommen globaler Positionierungssatellitensysteme verlagerte sich die Relativitätstheorie endgültig von der Kategorie der wissenschaftlichen Unterh altung in einen rein praktischen Bereich. GPS-Satelliten beispielsweise fliegen in einer Höhe von etwa 20.000 km mit einer Geschwindigkeit von etwa 4 km/s. Da sie ziemlich weit von der Erde entfernt sind, stellen sich die Uhren auf ihnen gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie um etwa 45 Mikrosekunden (µs) pro Tag vor, aber da sie aufgrund von STR mit hoher Geschwindigkeit fliegen, hinken dieselben Uhren um etwa nach 7 µs täglich. Werden diese Änderungen nicht berücksichtigt, wird das ganze System innerhalb weniger Tage unbrauchbar! Bevor sie in den Orbit geschickt werden, werden die Atomuhren der Satelliten so eingestellt, dass sie pro Tag etwa 38 Mikrosekunden langsamer gehen. Und die Tatsache, dass mein einfacher GPS-Empfänger nach einer solchen Anpassung jeden Tag meine Koordinaten auf der riesigen Erdoberfläche korrekt anzeigt, stärkt mein Vertrauen in die Relativitätstheorie ernsthaft.
All diese Erfolge heizen die Relativitätsjäger nur an. Heute hat jede anständige Universität ein Labor zur Suche nach Gravitationswellen, die sich nach Einsteins Gravitationstheorie mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten sollten. Konnte sie noch nicht finden. Ein weiterer Stolperstein ist die Verbindung zwischen der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik. Beide stimmen perfekt mit dem Experiment überein, sind aber völlig inkompatibel miteinander. Erinnert es nicht ein wenig an die klassische Mechanik und den Elektromagnetismus des späten 19. Jahrhunderts? Vielleicht sollten wir auf Änderungen warten.
