Welche Folgen hatten Einsteins Theorien für die Astronomie?

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3 Antworten

Hallo jogo01, 

zunächst einmal ist die ART (Allgemeine Relativitätstheorie) einmal eine neue Theorie der Gravitation. Die ART deutet Gravitation als Folge einer veränderten Metrik der 4-dimensionalen Raumzeit in der Nähe von Massen. Der Kraftbegriff bei Newton wird hier also ersetzt durch eine Auswirkung im Raum enthaltener Energie (Massen sind eben eine Form der Energie) auf die umgebende Metrik. Körper bewegen sich in diesem Bild nicht deshalb aufeinander zu, weil sie sich über eine "Kraft" anziehen, sondern weil durch die veränderte Metrik "geradeaus anderen Geodäten folgt".

Die grundlegendste Folge auf die Astronomie und Kosmologie ist also, dass ihr ein verändertes Verständnis von Gravitation zugrunde gelegt wird - und Gravitation ist nun einmal die wichtigste Kraft im Universum, weil sie so lange Reichweite hat und nicht abschirmbar ist. Zweitens bekommen wir ein völlig neues Verständnis der Raumzeit - der Raum ist keine passive Bühne mehr, auf der die Körper allein und unabhängig von der Bühne agieren. Der Raum selbst reagiert auf die Anwesenheit der Körper und liefert in diesen Reaktionen messbare Effekte.

Diese Effekte machen sich praktisch überall in der Astronomie bemerkbar, im großen und im kleinen Stil. Das aus der ART berechnete ΛCMD-Modell ist das erfolgreichste kosmologische Modell überhaupt. Die ART begegnet uns aber auch in der "Alltagsastronomie"

Ich zähle einmal ein paar wichtige Phänomene auf, die sich nur relativistisch verstehen lassen: 

  • Die Periheldrehung des Merkur;der sonnennächste Punkt aller Planetenbahnen ("Perihel") liegt wegen der Schwerkraft der Sonne nicht fest im Raum, sondern wandert sehr langsam um die Sonne (Stichwort: "Schwerer Kreisel"). Bei allen Planeten außer dem Merkur ließ sich das auch mit dem guten alten Newton verstehen - bei Merkur liefert die klassische Mechanik aber einen deutlich abweichenden Wert von der Beobachtung. Lange vermutete man einen innerhalb Merkurs liegenden zusätzlichen Planeten, der jedoch hartnäckig unauffindbar blieb. Einstein konnte mit seinen Formeln den richtigen Wert berechnen und legte diese Rechnung bei seiner Veröffentlichung der ART 1915 bereits als erste Anwendung selbst vor
  • Lichtbeugungseffekte;Einsteins Formeln sagen voraus, dass Lichtstrahlen, die nahe an großen Massen vorbeigehen, durch diese vom geraden Lichtweg eine Ablenkung erfahren. Die Effekte konnten mit damaligen Mitteln aber nur bei einer Sonnenfinsternis beobachtet werden: Einstein hatte berechnet, dass dann Sterne, die nahe der verdeckten Sonne beobachtet würden, um wenige Bruchteile eines Winkelgrades an anderer Position zu sehen sein würden. Eine SoFi 1919 ermöglichte den Test dieser Vorhersage und bestätigte sie schließlich. Letztlich der Moment des Durchbruchs für Einsteins Theorie. 
  • Gravitationslinsen und Einsteinringe;Aus demselben Effekt folgt letztlich, dass im Vordergrund befindliche große Massen das Licht dahinter liegender Objekte verzerren müssten. Das Licht von Galaxien, die hinter anderen Galaxien liegen, sollte um die Galaxien im Vordergrund herum gebeugt werden - was zu Effekten wie bei optischen Linsen führen würde; im Extremfall wäre das Licht der hinteren Galaxie sogar zu vollständigen Ringen verzerrt - den Einsteinringen. Moderne Teleskope haben viele derartige Objekte gefunden.Mehr noch: Gravitationslinseneffekte stellen heute eine eigene Beobachtungsmethode in der Astronomie dar; wir benutzen also die ART, um besonders lichtschwache Objekte zu beobachten - was dadurch möglich wird, wenn ihr Licht durch Massen im Vordergrund über Linseneffekte verstärkt wird. Die Methode ist eine der Standardmethoden beim Aufspüren von Exoplaneten, hat aber auch geholfen, entfernteste Galaxien zu finden. https://de.wikipedia.org/wiki/Mikrolinseneffekt )
  • Schwarze Löcher;Die Schwarzschild-Lösung eines nichtrotierenden Schwarzen Loches war die erste veröffentlichte Lösung der Einsteinschen Feldgleichungen. Die ART liefert also die Vorhersage Schwarzer Löcher - die heute bestens bestätigt sind. Wir wissen über die supermassereichen Schwarzen Löcher in den Zentren der Galaxien; auch stellare Schwarze Löcher sind mittlerweile nachgewiesen.
  • Expansion des Universums;Die Einsteinschen Feldgleichungen sagen eigentlich eine dynamische Raumzeit voraus. Einstein hätte also 1915 aus seinen Gleichungen die Expansion des Universums vorhersagen können - hat dies aber versäumt, weil ihm ein expandierendes Universum unplausibel erschien. Er fügte deshalb einen zusätzlichen Term in seine Gleichungen ein - die kosmische Konstante Λ ("Lambda"), die es ermöglichte, auch mit den Feldgleichungen ein statisches Universum zu beschreiben. Nach der Entdeckung der Expansion des Universums Ende der 1920er durch Hubble entfernte Einstein den Term wieder und bezeichnete ihn in einem Brief als "seine größte Eselei" - hatte er doch die Vorhersage dieser spektakulären Beobachtung verpasst. Später wurde der Term wieder eingeführt, wenn auch mit anderer Intension als bei Einstein: Er ist heute ein Versuch, die beschleunigte Expansion des Universums zu beschreiben.Selbstverständlich ergibt sich auch der Urknall selbst letztendlich nur über eine relativistische Beschreibung des Universums.
  • gravitative Rotverschiebung;auch die Verschiebung der Spektrallinien von Licht, wenn es das Schwerefeld eines Objektes verlassen muss, ist nur über die ART zu verstehen.
  • Gravitationswellen;ganz neu nachgewesen mit LIGO ist die von Einstein vorhergesagte wellenartige Stauchung und Streckung der Raumzeit, die durch die beschleunigte Bewegung von Massen im Raum entsteht. LIGO konnte diese winzigen Effekte bei der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher nachweisen... und hat damit in einem einzigen Schritt sowohl Gravitationswellen als auch stellare Schwarze Löcher direkt nachgewiesen. Langfristig wäre bei weiterer Verbesserung des Messbereiches die Gravitationswellenastronomie ein völlig neues Beobachtungsfenster, mit dem man noch näher an den Urknall heranblicken könnte als mit optischen Geräten.

Grüße

Bereits 1916 erhielt der deutsche Astronom Karl Schwarzschild Ergebnisse aus der Berechnung von Einsteins Gleichungen, die ein halbes Jahrhundert später als Schwarze Löcher bekannt werden sollten. Bei diesen kosmischen Objekten wird die Gravitation so groß, dass keine der übrigen Grundkräfte der Physik der Komprimierung der Masse entgegenwirken kann. Somit verdichtet sich die gesamte Materie zu einem Punkt im Zentrum des Schwarzen Lochs. Das wiederum bewirkt eine extrem starke Krümmung der Raumzeit, die sämtliches Licht nach innen lenkt und nichts entkommen lässt.

Gravitationswellen sind eine weitere Vorhersage der ART. Demnach entstehen, ausgelöst durch kosmische Großereignisse wie Sternexplosionen oder der Kollision von Schwarzen Löchern, Verzerrungen der Raumzeit, die sich durch den ganzen Raum mit Lichtgeschwindigkeit als Gravitationswellen fortpflanzen. Von ihrer Messung erhoffen sich Astronomen neue Einblicke in das Universum. Die Effekte sind jedoch so gering, dass bisher noch kein direkter Nachweis gelungen ist.

Die ART liefert auch den Schlüssel zur Geschichte des Universums, zu seiner Entstehung und zum Beginn der Zeit. Einstein selbst konnte sich ein veränderliches Universum nicht vorstellen, er fügte seinen Gleichungen sogar eine kosmologische Konstante ein, um es zu stabilisieren. Doch schon in den ersten Jahren nach Ausarbeitung der ART zeigten Forscher, dass das Universum expandiert und demnach einen Ursprung haben musste. So konnten mithilfe der ART Urknallmodelle entwickelt werden. Ihnen zufolge hat sich das Universum aus einer extrem heißen und dichten Frühphase bis zu seiner heutigen Gestalt entwickelt.

Ein weiterer, noch von Einstein selbst vorgeschlagener Test der ART bezieht sich auf den Einfluss der Gravitation auf die Zeit. Die sogenannte gravitative Zeitdilatation besagt, dass Uhren in einem Gravitationsfeld langsamer ticken als sonst. Wie alle Effekte der Relativitätstheorie ist auch die Zeitdilatation zu gering, um in unserem Alltag eine Rolle zu spielen. Sehr wohl eine Rolle spielt diese Zeitdehnung aber bei der Satellitennavigation. Weil die Atomuhren an Bord der Satelliten weiter von der Erde entfernt sind, ist die gravitative Zeitdilatation weniger stark, sie gehen also etwas schneller als ihre Pendants auf der Erdoberfläche - eine Differenz, die für eine exakte Positionsbestimmung mit Navigationsgeräten berücksichtigt werden muss.

ART (Allgemeine RelativitätsTheorie)

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Nachdem Ute fast alles gesagt hatte (Gravitationswellen usw.), bleiben mir nur LINKs:

GPS:

http://www.einstein-online.info/vertiefung/SatNav

http://www.weltderphysik.de/gebiet/planeten/erde/gps/

Richtige Positionierung von

https://de.wikipedia.org/wiki/Atomuhr

da die Zeit von Geschwindigkeit & Gravitation abhängig ist!

geodätischer Effekt:

http://www.epochtimes.de/wissen/forschung/nasa-satellit-bestaetigt-schluesselaussage-der-relativitaetstheorie-einsteins-a723889.html

Raumsonden Wegberechnung:

http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2009/10/14/macht-dunkle-materie-die-raumsonden-heiss/

Indirekt wurde durch Versuche zur Verschränkung (Einstein nannte es "spukhafte Fernwirkung" und war zunächst ein Gegner dieser Theorie) später  neue Gebiete daraus:

a) absolut abhörsichere Datenverbindung ( durch "Mitlesen" ändert man 2 Vergleichzustände) ; Banken interessieren sich sehr für solche Technik

b) Quantencomputer

Zur Verteidigung der vielen anderen Wissenschaftler muss man aber sagen, dass Albert E. nicht alles allein "erschaffen" hat! Erst die Summe aller, führte zum Erfolg!

Ohne die vielen Mathematiker - bei denen sich Albert oft Hilfe suchte - wäre vieles nicht zu Stande gekommen...

Ohne die vielen Experimentatoren, die Alberts Theorie bestätigen oder wiederlegen wollten, wären wir nicht so weit!

Aber Einstein stellte die richtigen Fragen und brachte viele Theorien zusammen -> alles viele kleine Schritte auf dem langen Weg zur 

https://de.wikipedia.org/wiki/Weltformel

und gegen das "Schubfachdenken".

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