Soll es so gewesen sein?
Wahrscheinlich,
Nein
Nach dem derzeitigen Stand der Wissenschaft, wird
in weiten Kreisen immer noch angenommen, dass aus einer Singularität (einem Punkt) durch den Urknall
- Raum und Zeit und somit das
Universum entstanden ist.
Wenn man logisch denkt, wird man feststellen, dass
diese Theorie nicht haltbar ist.
Bei dieser Theorie wird eigenartigerweise niemals erwähnt und bedacht, durch welches
Ereignis der Urknall ausgelöst worden sein soll.
Wenn eine Singularität ohne
Raum und Zeit irgendwann einmal existiert haben soll, dann kann auch kein
Ereignis diesen Urknall ausgelöst haben.
Hat aber der Raum bereits existiert und es waren mehrere Singularitäten
(ehemalige Teiluniversen) die sich in diesem Raum mit sehr hoher Geschwindigkeit
aufeinander zu bewegt haben , dann kann sehr wohl solch eine
Riesenexplosion stattgefunden haben. Aber dann sind wir nicht mehr bei der
Geburt des Universums, sondern beim Thema der schwarzen Löcher und der dauernden
Umwandlung und Erneuerung der Alls. Dazu später mehr.
Gehen wir der Reihe nach vor.
Zuerst sollten wir uns darüber im Klaren sein, wo wir uns befinden, wie unsere unmittelbare Nachbarschaft im All aussieht und wie es sich fortsetzen könnte.
Fangen wir mit unserem Planeten an.
Unsere Erde (auch Terra
genannt - siehe Bild 1) ist der 3. Planet im solarem
(unserem) Sonnensystem und gehört zu den inneren Planeten. Sie umkreist
einen mittleren Stern (unsere Sonne - auch Sol genannt) der Typklasse G mit
einer Lebenserwartung von etwa 10 Milliarden Jahren. Unsere Sonne ist ca. 4.5
Milliarden Jahre alt.
Die Planeten unseres Sonnensystems (siehe Animation )
Von der Sonne aus gesehen:
(Merkur, Venus, Erde, Mars,
Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun, (Pluto ist nur noch ein Kleinplanet) )
Für genauere Informationen besuchen Sie den Link: alles über das Sonnensystem
oder
starten Sie mit dem Raumschiff Pegasus interaktiv spielerisch durch unser
Sonnensystem
Wenn man ab und zu bei http://www.wissenschaft.de/sixcms/detail.php?id=203780&template_id=5437 hineinschaut, kann man sich über den jeweils aktuellen Stand unserer Forschung bei der Planetensuche in unserem und anderen Sonnensystemen informieren.
So ist jetzt ein neuer Planet in unserem Sonnensystem entdeckt worden. Der vorläufiger Name lautet 2003 UB313.
Dieser ist größer als der Eisplanet Pluto!
Anhand der Helligkeit von 2003 UB313 schätzen die Forscher, dass es deutlich
größer ist als der neunte Planet mit seinem Durchmesser von 2.250 Kilometern.
"Selbst wenn es das Sonnenlicht zu 100 Prozent reflektieren sollte, wäre es noch
so groß wie Pluto", betont Brown. "Ich würde sagen, es könnte anderthalbmal so
groß sein, aber den tatsächlichen Wert kennen wir noch nicht." Die Bahn von 2003
UB313 ist um 44 Grad gegen die Bahnen der meisten übrigen Planeten geneigt.
Möglicherweise wurde es einst durch die Schwerkraft des Neptun in die
Außenbezirke des Sonnensystems katapultiert.
Keine vorschnelle Namensgebung
Brown und Kollegen haben bereits einen Namensvorschlag bei der Internationalen
Astronomischen Union eingereicht, wollen ihn vorerst jedoch geheim halten. In
der Vergangenheit waren die Forscher kritisiert worden, da sie ein anderes von
ihnen entdecktes Objekt ohne formelle Zustimmung auf den Namen "Sedna" getauft
hatten.
Planet oder nicht Planet?
Die Entdeckung Sednas und ähnlich großer und weit entfernter Objekte hatte zudem
eine Diskussion um den Begriff "Planet" entfacht. Einige Forscher hatten
vorgeschlagen, Pluto nicht mehr als Planeten anzusehen, sondern als besonders
großes Objekt im Kuipergürtel. In dieser Region jenseits der Neptunbahn, in der
es vor Brocken unterschiedlichster Größen nur so wimmelt, wurden spanische
Astronomen nun ebenfalls fündig: 2003 EL61 zieht etwa 52 Erdbahnradien von der
Sonne entfernt seine Bahn. Zwar dürfte das Objekt "nur" zwei Drittel des
Plutodurchmessers erreichen, besitzt immerhin aber einen kleinen Mond.
Unser Sonnensystem ( siehe Bild
2 ) ist Bestandteil der Galaxie Milchstrasse.
Es befindet sich in einem
der Spiralarme ziemlich am
Rande dieses ganzen Gebildes. Es umkreist das Zentrum mit einer Geschwindigkeit von ca.
220 Kilometer pro Sekunde. Das Sonnensystem benötigt für einen Umlauf einmal um die
Milchstraßenachse ca. 100 Millionen
Jahre.
Unsere Galaxie Milchstraße ( siehe Beispiel Bild 3) hat einen Durchmesser von ca. 100
000 Lichtjahre und enthält etwa
100
Milliarden Sonnen. Es ist eine etwas kleinere Galaxie und gehört zur lokalen
Gruppe. Unsere Galaxie bewegt sich mit
einer Geschwindigkeit von ca. 600 Kilometer pro Sekunde ( 2.16 Millionen Km pro
Stunde) auf die Galaxien der
Jungfraugruppe zu.
Wir wissen heute, dass unsere Galaxie nur eine von einigen hundert Milliarden
ist, die man mit Hilfe moderner Teleskope erkennen kann.
Die Milchstraße ist
komplizierter gebaut als gemeinhin angenommen. Das berichten amerikanische
Astronomen demnächst in den "Astrophysical Journal Letters". Durch die
Zentralregion unserer Spiralgalaxie zieht sich demnach ein gut 27.000 Lichtjahre
langer Balken aus alten Sternen. Die Milchstraße wird meist als flache Scheibe
beschrieben, in der die Spiralarme liegen. In der Mitte der Scheibe findet sich
eine große Ausbuchtung, sodass die Galaxis von der Seite betrachtet an eine
fliegende Untertasse erinnern dürfte. Begleitet wird sie von einem regelrechten
Schwarm von Kugelsternhaufen.
Unsere Milchstraße könnte anders aussehen als bisher angenommen.
Erst kürzlich hatten amerikanische und australische Astronomen entdeckt, dass
die Galaxis möglicherweise sehr viel größer ist als die üblicherweise genannten
100.000 Lichtjahre. Edward Churchwell von der University of Wisconsin in Madison
und seine Kollegen glauben nun, dass auch die Vorstellungen vom Inneren unserer
Galaxie überdacht werden müssen. "Dies sind die bislang besten Belege für einen
langen Balken im Zentrum unserer Galaxie", so der Forscher.
Unsere Galaxis könnte also folgendermaßen aussehen:
Das Spitzer-Teleskop gewährt neue Einblicke.
Mit Hilfe des Infrarot-Weltraumteleskops Spitzer kartierten Churchwell und
Kollegen etwa 30 Millionen Sterne in der Milchstraßenscheibe - darunter auch 10
Millionen Sterne aus der Zentralregion, die im sichtbaren Licht durch dichte
interstellare Staubwolken verschleiert sind. Aus diesen Daten rekonstruierten
sie dann das bislang genaueste Portrait dieser Region. Ähnlich anderen Galaxien,
besitzt demnach auch die Milchstraße einen zentralen Balken. Dieser verläuft
unter einem Winkel von etwa 45 Grad zur Linie Sonne-Milchstraßenzentrum.
Im Vergleich zu anderen Galaxien ist unsere Milchstrasse jedoch recht klein. Ein
Beispiel für eine größere gut erforschte Galaxie ist die Feuerrad- Galaxie M 101
(im Sternbild Großer Bär zu sehen). Sie besteht aus mindestens einer Billion
Sternen. 10 % sind Sterne die nach Temperatur und Lebensdauer unserer Sonne
gleichen.
Unsere größere Nachbargalaxie Andromeda und unsere Galaxie bewegen sich
mit einer Geschwindigkeit von ca. 500 000 Km pro Stunde aufeinander zu und
werden (in ca. 2 Milliarden Jahre) aufeinanderprallen und es wird
dann eine Zeitlang ein neues Gebilde entstehen. Vermutlich eine Balkengalaxie.
Es ist natürlich kein Zusammenprall wie bei zwei Autos, sondern ein Durchdringen
wie bei zwei Gruppen von Menschen die aus verschiedenen Richtungen sich
begegnen. Es kann dabei natürlich vorkommen, dass einige zusammenstoßen und
auch einige sich dann in der anderen Gruppe auf den weiteren Weg befinden.
Zurzeit ist solch ein Zusammenstoß zu beobachten.
Das neue
H.E.S.S.
Teleskop in Namibia hat solch ein gewaltiges Ereignis mit seinen
neuen Meßmethoden im September 2004 entdeckt.
Nebenbei, wenn wir das soweit verstanden haben, sollte hier spätestens zu diesem Zeitpunkt heftiges Mitleid mit den Astrologie- und Horoskopgläubigen einsetzen, die ja von starren gleich bleibenden Verhältnissen im All ausgehen.
Die lokale Gruppe ( siehe Bild 4 )
besteht hauptsächlich aus unserer Galaxie und der
Andromedagalaxie.
Die lokale Gruppe gehört zum Virgo- Superhaufen. Innerhalb des Virgo-
Superhaufen ist die lokale Gruppe so ziemlich das kleinste Gebilde.
Hauptbestandteil dieses Superhaufens ist weiterhin der Virgo - Haufen der einige
tausend Galaxien
wie die
unsrige enthält und die Jagdhunde - Gruppe ebenfalls mit hunderten von Galaxien ( siehe Bild 5).
Wir sollten nicht vergessen, dass jede Galaxie aus mindestens 100-200
Milliarden oder mehr Sonnen besteht.
Wie wir heute wissen, haben etwa 20 bis 40% aller Sonnen auch Planeten. Dazu mehr in Kapitel 2.
Im Umkreis von 1,5 Milliarden Lichtjahren sind etwa 130
solcher Superhaufen bekannt die auch mit Namen versehen worden sind. Die größten
Superhaufen in unserer Nähe bestehen dabei aus bis zu 30 Galaxienhaufen.
Der Virgo - Superhaufen gehört zum lokalem Universum ( siehe
Bild
6) in dem
mehrere Superhaufen zusammengefasst sind.
Der nächste Schritt wäre dann das gesamte Universum und dann Universumhaufen und danach Universum-Superhaufen.
Spätestens hier muss aber über den Begriff "Universum" nachgedacht werden.
In diesem Wort steckt der Begriff, dass es nur ein solches Gebilde gibt welches wir bisher als das gesamte All bezeichnen. Also ein Gebilde mit der Ausdehnung - und da gehen die Meinungen noch stark auseinander - von 13 bis 17 Milliarden Lichtjahren Durchmesser.
Aber das löst nicht das Problem, denn wo befindet sich dann dieses Gebilde?
Diese Gebilde - nennen wir es Kosmos oder auch weiterhin Universum - befindet sich in einem unendlichen Raum und ich meine wirklich unendlich; ohne Krücken - wie in sich geschlossen und vierdimensional wie die Oberfläche einer Kugel.
Und neben unserem Universum gibt es weitere Universen die aber bisher noch nicht gesehen werden konnten, da ihr Licht uns noch noch erreicht hat. Aber die Auswirkungen werden bereits beobachtet.
Wir befinden uns in einem sich ausdehnenden Universum. Mit zunehmendem Alter müsste diese Ausdehnung sich verlangsamen. Aber genau das Gegenteil kann beobachtet werden.
Nachdem es eine Zeitlang in der Ausdehngeschwindigkeit abgenommen hat fing es dann wieder an sich immer schneller auszudehnen. Diese Entwicklung hält noch an.
Durch das Weltraumteleskop Hubbles werden immer mehr Beweise gefunden, dass diese Ausdehnung in einigen Bereichen stärker und in einigen Bereichen schwächer ist.
Die Repulsivkraft die dafür verantwortlich ist, kann nur durch die Schwerkraft von mehr oder weniger weit entfernten benachbarten Universen kommen.
Eine interessante Arbeit haben dazu die Herren Tegmark
und Wang abgeliefert.
Dazu folgendes Zitat:
|
Irgendwann wird unser Universum mit einem der benachbarten Universen zusammenstoßen und dann, wie bei der Kollision von zwei Galaxien, werden sich daraus ein oder auch mehrere neue Universen bilden.
Neuere Theorien aus der String und Gravitronforschung gehen von so genannten Membranuniversen aus, die nebeneinander liegen und sich ab und zu berühren. Dann erfolgt jedes Mal ein neuer "Urknall".
Nicht der Big Bang oder der einzige Urknall steht am Anfang, sondern die Big Collision steht für die dauernde Erneuerung der Welt.
Um das alles zu verstehen, hier ein kurzer Ausflug zur allgemeinen Relativitätstheorie wie sie von Albert Einstein veröffentlicht wurde.
Bei Einstein wird davon ausgegangen, dass es keine Wirkung gibt, die
sich mit Überlichtgeschwindigkeit fortpflanzt.
Aber genau diese Theorie ist
jetzt durch das Experiment des Professors Nimtz bereits ins Wanken geraten.
Er hat durch die Tunnelung von Energieübertragungen (ein Musikstück) die
4,5 fache Lichtgeschwindigkeit erreicht.
Also, alles was jetzt folgt ist mit großer Vorsicht zu genießen.
Die allgemeine Relativitätstheorie stellt eine Erweiterung der speziellen Relativität dar und geht für hinreichend kleine Gebiete der Raumzeit in diese über.
(Eine interaktive Darstellung ist im folgenden Link dargestellt: http://relativ.einstein.zdf.de )
Obwohl die allgemeine Relativitätstheorie experimentell nicht so leicht zugänglich ist wie die spezielle, gibt es für sie eine ausreichende Zahl von experimentellen Belegen. Insbesondere hat sie sich bisher in der von Einstein formulierten Form gegen alle später vorgeschlagenen Alternativen durchsetzen können, bzw. auch manchmal weil die offizielle Lehrmeinung dies so wollte, müssen.
Der folgende Artikel baut auf den Ausführungen des Artikels Relativitätstheorie auf und hat zum Ziel, das Verständnis bezüglich der dort erwähnten Phänomene und Strukturen zu vertiefen.
Der Artikel gliedert sich in folgende Abschnitte:
Die
Wechselwirkung zwischen Materie und der Raumzeit
Der
schiefe Wurf als Folge einer gekrümmten Raumzeit
Gravitative Rotverschiebung und Raumzeitkrümmung
Äquivalenz
von Träger und Schwerer Masse
Krümmung
der Raumzeit ohne eine 5. Dimension
Die
mathematische Beschreibung der Gravitation
Das Relativitätsprinzip in der allgemeinen Relativitätstheorie
Die allgemeine Relativitätstheorie und das machsche Prinzip
Experimentelle Überprüfung der allgemeinen Relativitätstheorie
Die
klassischen Tests und deren moderne Varianten
Weitere Überprüfungen
Ein bemerkenswertes Ergebnis der allgemeinen Relativitätstheorie ist eine der naiven Anschauung unzugängliche Wechselwirkung zwischen der Materie und der Raumzeit mit den beiden folgenden Eigenschaften:
 | Energie und Impuls der Materie krümmen die Raumzeit in ihrer Umgebung. |
| Ein Gegenstand, auf den keinerlei Kraft ausgeübt wird, bewegt sich zwischen zwei Stellen in der Raumzeit stets entlang des geradlinigsten Weges. Genauer betrachtet handelt es sich um eine so genannten Geodäte, d. h. eine Linie, die alle Punkte auf ihr durch einen extremalen Weg verbindet. |
Die erste Eigenschaft beschreibt eine Wirkung von Energie und Impuls auf die Raumzeit, und die zweite umgekehrt. Es handelt sich daher um eine Wechselwirkung im Wortsinn.
Zur Krümmung trägt dabei nicht nur die Masse (über die Beziehung E=mc2, sowie im Fall von bewegter Masse über ihren Impuls) bei, sondern alle Energieformen. So sind beispielsweise auch evtl. vorhandene elektromagnetische Felder zu berücksichtigen, da sie auch eine Energieform darstellen, sowie ebenfalls einen Feldimpuls haben können. In welcher Weise Energie und Impuls die Raumzeit krümmen, wird durch die einsteinschen Feldgleichungen festgelegt (s. u.).
Die zweite Eigenschaft beschreibt die Gravitation. Dabei wird die Bewegung eines Gegenstands entlang eines bestimmten Weges im Raum als Linie in der 4-dimensionalen Raumzeit interpretiert und als seine Weltlinie bezeichnet. Das sei am Beispiel eines Systems von Massenpunkten erläutert, wie beispielsweise einem Kugelsternhaufen. Da ein Beobachter in jedem Moment nur den gewöhnlichen 3-dimensionalen Raum wahrnehmen kann, und nicht die gesamte 4-dimensionale Raumzeit, kann er die Geodäten der einzelnen Sterne nicht unmittelbar als solche erkennen. Auf seinem eigenen Weg durch die Raumzeit beobachtet er stattdessen im Raum krumme Bahnkurven der Sterne um das Zentrum des Haufen, aus denen er nach der newtonschen Mechanik auf Kräfte schließt, die er Gravitationskräfte nennt. In Wirklichkeit handelt es sich jedoch um Scheinkräfte als Folge der Krümmung der Raumzeit. Jeder Stern fliegt in gewissem Sinne in der Raumzeit so gut geradeaus, wie es angesichts der Krümmung überhaupt möglich ist. Im Rahmen der allgemeinen Relativitätstheorie gibt es letztlich keine Gravitationskräfte. In diesem Sinne bezieht sich auch die Kräftefreiheit, von der oben die Rede ist, nur auf die Abwesenheit von nicht- gravitativen Kräften.
Eine Krümmung der Raumzeit hat im Allgemeinen auch eine Krümmung des in sie eingebetteten Raumes zur Folge. Zur Erklärung der Gravitation reicht die Betrachtung des krummen Raumes alleine jedoch nicht aus. So ist der Raum in dem wir auf der Erde leben natürlich nicht so stark gekrümmt, dass er eine Wurfparabel erklären könnte. Zum Verständnis der Wurfparabel muss man berücksichtigen, dass beispielsweise ein Ball, den ein Jongleur von einer Hand in die andere wirft, auf seinem Weg durch den Raum von etwa 1m auch einen Weg durch die Zeit von etwa 1s zurücklegt. Im Rahmen der Mathematik der Raumzeit entspricht diese eine Sekunde in gewisser Weise einer Art Wegstrecke in Richtung der Zeitachse von etwa 300.000 km. Diesen Wert erhält man, indem man der Zeit t über x=ct einen Weg x in der Raumzeit zugeordnet, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist. Was wir letztlich sehen, ist also eine winzige Krümmung der Raumzeit in einen Gebiet von astronomischem Ausmaß. Die Situation ist vergleichbar mit einer straff gespannten Wäscheleine. Betrachtet man sie von der Seite, so erscheint sie gerade. Betrachtet man sie jedoch von einem Ende aus und blickt mit einem Auge in ihre Richtung, so nimmt man auch einen relativ schwachen Durchhang deutlich wahr. Der Umstand, dass wir den Ball auf seinem Weg von 300.000 km begleiten, lässt uns analog die Krümmung der Raumzeit deutlich erkennen.
Das Gleichnis mit der Wäscheleine ist zwar plausibel und liefert qualitativ das richtige Ergebnis, es ist aber streng genommen nicht ganz zutreffend. Im Unterschied zur Wäscheleine fliegt der Ball nämlich entlang einer Geodäte und damit tatsächlich geradeaus, so "gut" er das in der gekrümmten Raumzeit kann. Wir dagegen nehmen den krummeren Weg, da wir durch eine Gegenkraft nach oben beschleunigt werden, mit der uns der Boden, auf dem wir stehen. nach oben drückt. Es ist die Gegenkraft, die die Gravitationskraft kompensiert, mit der vorteilhaften Folge, dass wir nicht in die Tiefe stürzen. Genauer betrachtet äußert sich also die Krümmung der Raumzeit in dieser Situation dadurch, dass wir nicht von der Stelle kommen, obwohl wir einer permanenten Kraft von unten ausgesetzt sind. Das Argument, dass sich hier zwei Kräfte kompensieren würden, ist dadurch haltlos, dass die nach unten gerichtete Gravitationskraft als Scheinkraft entlarvt wurde. Die Situation ist vergleichbar mit der des scheinbaren Gleichgewichts von Zentrifugal- und Zentripetalkraft bei einer Rotationsbewegung, die für den rotierenden Beobachters vorliegt. Für den ruhenden Beobachter jedoch ist die Zentrifugalkraft eine Scheinkraft, so dass tatsächlich eine Beschleunigung vorliegt.
Die Raumzeitkrümmung lässt sich sehr schön an der gravitativen Rotverschiebung demonstrieren: Licht, das von einer Lichtquelle mit einer gegebenen Frequenz nach oben (also vom Gravitationszentrum weg) ausgestrahlt wird, wird dort mit einer geringeren Frequenz gemessen. Das bedeutet also insbesondere, dass bei einem Lichtsignal mit einer bestimmten Anzahl von Schwingungen der zeitliche Abstand zwischen dem Beginn und dem Ende des Signals beim Empfänger größer ist als beim Sender.
Nun hat sich jedoch in der Zeit an der Anordnung nichts geändert, daher muss das Ende des Lichtsignals genauso lange unterwegs gewesen sein wie der Anfang (unabhängig davon, wie der Weg des Lichtes im Einzelnen aussah!). In einer ungekrümmten Raumzeit wäre also, da die Wege des Lichtstrahl-Anfangs und Lichtstrahl-Endes parallel verliefen, der (zeitliche) Abstand des Empfangs des Anfangs zum Empfang des Endes gleich dem des Aussendens des Anfangs zum Aussenden des Endes, eine Rotverschiebung würde also nicht stattfinden. Die gemessene Rotverschiebung (siehe unten) kann somit als Nachweis der Raumzeitkrümmung betrachtet werden.
Bereits in der klassischen Mechanik war das Prinzip der Äquivalenz von träger und schwerer Masse bekannt. Es besagt in seiner klassischen Form, dass die schwere Masse, die angibt, wie stark die durch ein Gravitationsfeld an einem Körper erzeugte Kraft ist, und die träge Masse, die sagt, wie stark ein Körper durch eine Kraft beschleunigt wird, äquivalent sind. Dies bedeutet insbesondere, dass jeder Körper sich unabhängig von seiner Masse in einem Schwerefeld (bei Abwesenheit anderer Kräfte) gleich bewegt. So fallen beispielsweise im Vakuum alle Körper (ob eine Feder oder ein Stück Metall) gleich schnell, und die geostationäre Bahn (die Bahn, in der ein Satellit für eine Erdumkreisung gerade einen Tag braucht, so dass der Satellit über der Erdoberfläche stillzustehen scheint) ist für schwere Satelliten wie für leichte Satelliten stets dieselbe. Klassische Anwendungen sind die Satelliten für Fernseh- und Kommunikationsübertragungen die in einer Höhe von 36 Tausend Kilometer die Erde umkreisen und somit für uns immer über der gleichen Stelle stehen.
Folge des klassischen Äquivalenzprinzips ist auch, dass ein Beobachter in einem geschlossenen Raum, ohne Beobachtung der Umgebung, aus der Bewegung von Gegenständen im Raum nicht ablesen kann, ob er sich in Schwerelosigkeit oder im freien Fall befindet. Dieses Prinzip wurde von Einstein verallgemeinert. Das Einsteinsche Äquivalenzprinzip besagt, dass ein Beobachter in einem geschlossenen Raum ohne Information von außen durch überhaupt kein Experiment feststellen kann, ob er sich in der Schwerelosigkeit befindet oder nicht.
Es muss allerdings beachtet werden, dass dieses Prinzip nur lokal gilt: So wird ein weiter unten (näher an der Erde) befindliches Objekt von der Erde stärker angezogen, als ein weiter oben befindliches. Ist der frei fallende Raum groß genug, so wird der Beobachter daher feststellen, dass Objekte, die sich weiter oben befinden, von denen, die sich weiter unten befinden, entfernen. Umgekehrt wird sich bei ausreichender horizontaler Ausdehnung des Raumes die Richtung der Erdanziehung merklich ändern, so dass der frei fallende Beobachter feststellen wird, dass weit auseinander gelegene Körper sich aufeinander zu bewegen. Ein ausgedehnter Körper wird also eine Kraft erfahren, die ihn in eine Richtung auseinander zieht und in den dazu senkrechten Richtungen zusammendrückt. Anhand dieser Kraft, Gezeitenkraft genannt, kann er feststellen, dass er sich in einem Gravitationsfeld befindet. Daher muss der Raum hinreichend klein sein, damit dieser Effekt unterhalb der Nachweisgrenze bleibt (genauere Messgeräte bedingen entsprechend einen noch kleineren Raum).
Man würde zunächst vermuten, dass für die Krümmung der 4-dimensionalen Raumzeit eine fünfte Dimension erforderlich ist, in die die Raumzeit eingebettet ist, so wie im Alltag krumme Flächen nur im Raum denkbar sind. Eine solche fünfte Dimension wäre jedoch prinzipiell unzugänglich, und die Art der Einbettung der Raumzeit wäre nicht eindeutig. Da es möglich ist, die Krümmung mathematisch ohne einen Bezug zu einer fünften Dimension zu beschreiben, wird ihr auch keine Realität zugewiesen. So lässt sich beispielsweise eine Krümmung des Raumes über die Bestimmung des Verhältnisses von Durchmesser und Umfang eines Kreises oder die Kontrolle der Winkelsumme des Dreiecks vermessen, ohne diesen Raum von einer weiteren Dimension aus analysieren zu müssen.
Die mathematische Beschreibung einer krummen Raumzeit erfolgt mit den Methoden der Riemannschen Geometrie, die die Euklidische Geometrie des uns vertrauten flachen Raumes ablöst. Dabei wird die Krümmung über einen so genannten Krümmungstensor beschrieben. Die einsteinschen Feldgleichungen stellen den Zusammenhang mit einen so genannten Energie- Impuls -Tensor her, der insbesondere die lokale Massendichte bzw. über E=mc2 die Energiedichte enthält. Diese Grundgleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie enthalten 10 unabhängige Komponenten, ähnlich wie eine Vektorgleichung aus 3 Komponenten besteht. Sie lauten:
.
Dabei ist Rik der Ricci- Krümmungstensor, R das Ricci- Krümmungsskalar, gik der metrische Tensor, Λ die kosmologische Konstante, Tik der Energie- Impuls-Tensor, c die Lichtgeschwindigkeit, G die Gravitationskonstante und π die Kreiszahl. Die kosmologische Konstante Λ wurde von Einstein zunächst lediglich eingeführt, um ein zeitlich stabiles Universum zu gewährleisten. Das Gleichgewicht, das er damit erreichte, erwies sich jedoch als ein instabiles. Λ hat formal den Stellenwert einer Art Integrationskonstanten, und hat daher zunächst keinen bestimmten Zahlenwert, der direkt aus der Theorie folgen würde.
Eine krumme Raumzeit ist nicht mehr mit kartesischen Koordinaten beschreibbar. Statt dessen kann das Koordinatensystem, für das man die einsteinschen Feldgleichung aufstellen will, nahezu beliebig, insbesondere beliebig krumm, gewählt werden. Es muss lediglich jedem Ereignis in Raum und Zeit auf irgendeine Weise 4 Parameter zuweisen. Genau genommen müssen sie lediglich auf kleinen Raumgebieten, die der speziellen Relativitätstheorie gehorchen, hinreichend differenzierbare Funktionen der dort lokal definierbaren kartesischen Koordinaten sein, damit die Methoden der Differentialgeometrie für die krumme Raumzeit überhaupt angewendet werden können.
Damit gilt in der allgemeinen Relativitätstheorie ein deutlich erweitertes Relativitätsprinzip. Die Gesetze der Physik haben danach nicht nur in allen Inertialsystemen die gleiche Form wie in der speziellen Relativitätstheorie, sondern in beliebigen Koordinatensystemen.
Dieses Ergebnis hat Konsequenzen, die nicht auf Anhieb verständlich sind. So bedeutet es beispielsweise, dass selbst ein Beobachter auf einem rotierenden Drehschemel den Standpunkt vertreten kann, er selbst sei in Ruhe und der Kosmos rotiere um ihn herum. In der Tat beschreiben die einsteinschen Feldgleichungen selbst diese Situation korrekt. In diesem rotierenden Koordinatensystem nimmt der Krümmungstensor Werte an, die tatsächlich die enormen Zentripetalkräfte zur Folge haben, die die Sterne auf ihrer Kreisbahn um den Beobachter auf ihrer Bahn halten. Dass sich dabei die Sterne aus Sicht des rotierenden Beobachters mit vielfacher Lichtgeschwindigkeit bewegen, steht nicht im Widerspruch zur Theorie, da die Lichtgeschwindigkeit nur in der speziellen Relativitätstheorie als Grenze gilt, d. h. für hinreichend kleine Raumzeit-Bereiche, die die Kriterien für Inertialsysteme erfüllen. Aus der Sicht des rotierenden Beobachters können sich in einigen Lichtjahren Entfernung senkrecht zur Rotationsachse jedoch keine Sterne in Ruhe befinden, so dass sich nirgendwo Sterne lokal mit Überlichtgeschwindigkeit begegnen können. Ein Informations- bzw. Materietransport von einem Stern zu einem anderen mit Überlichtgeschwindigkeit bleibt damit weiterhin unmöglich.
Obwohl es möglich ist, den Kosmos aus der Sicht eines rotierenden Beobachters zu beschreiben, sind die Gleichungen eines nicht- rotierendes Bezugssystems, in dem die meisten Objekte ruhen oder sich nur langsam bewegen, in der Regel einfacher. Im allgemeinen Fall wie beispielsweise eines Kugelsternhaufens aus Neutronensternen und Schwarzen Löchern, die sich auf aller engstem Raum umkreisen, so dass die Raumzeit hochgradig gekrümmt und zudem dynamisch ist, ist von vornherein kein Kandidat für ein ausgezeichnetes Koordinatensystem erkennbar. Das Relativitätsprinzip besagt für diesen allgemeinen Fall, dass es auch nicht nötig ist, danach zu suchen.
Einstein war bei der Entwicklung der Relativitätstheorie stark von Ernst Mach und dessen, von Einstein so benannten, machschen Prinzip beeinflusst. Dieses Prinzip besagt, dass die Trägheitskräfte eines Körpers nicht von dessen Bewegung relativ zu einem absoluten Raum, sondern von dessen Bewegung relativ zu den anderen Massen im Universum abhängt. Die Trägheitskräfte sind nach dieser Auffassung also Resultat der Wechselwirkung der Massen untereinander und ein unabhängig von diesen Massen existierender Raum wird verneint. Demnach sollten z.B. Fliehkräfte rotierender Körper verschwinden, wenn das restliche Universum "mitrotiert". Die Behandlung des Problems ist jedoch mathematisch sehr anspruchvoll und bis heute Gegenstand von Forschungen. Es hat sich herausgestellt, dass dieses Prinzip nicht automatisch aus den einsteinschen Feldgleichungen folgt. So fand Kurt Gödel 1949 eine Lösung der Feldgleichungen (Gödel-Universum), welche dem machschen Prinzip widerspricht. D.R. Brill und J.M Cohen konnten hingegen 1966 für eine langsam rotierende dünne Massenschale mit dem Durchmesser ihres Schwarzschildradius eine Näherungslösung der einsteinschen Feldgleichungen angeben, die das machsche Prinzip erfüllt.
Die Periheldrehung von Planetenbahnen als auch die Ablenkung und die Rotverschiebung von Licht im Gravitationsfeld sind Voraussagen der allgemeinen Relativitätstheorie auf denen die drei so genannten klassischen Tests der ART beruhen.
Von der Relativitätstheorie wird auch Periheldrehung der Bahnen von Planeten um die Sonnen vorausgesagt. Bereits 1854 wurde durch Urbain-Jean-Joseph Le Verrier erkannt, dass die Bahn des Merkur eine Periheldrehung von etwa 0,1 Bogensekunden pro Umlauf aufweist was nicht allein auf die Störung durch andere Planeten zurückzuführen ist und durch die Relativitätstheorie somit erklärt werden konnte, was ein erster Erfolg für diese Theorie war. Auch die mittlerweile bestätigte Periheldrehung von anderen Planeten sowie z.B. auch des Kleinplaneten Ikarus stimmen mit theoretischen Berechnungen gemäß der Relativitätstheorie überein. Die sich in der Planung befindende europäisch-japanische Merkursonde Bepi Colombo soll es ermöglichen die Bewegung des Merkurs mit bisher unerreichter Genauigkeit zu bestimmen und damit Einsteins Theorie noch genauer zu testen.
Die erste gezielte experimentelle Überprüfung der allgemeinen Relativitätstheorie, die in der Öffentlichkeit großes Aufsehen erreichte und die allgemeine Relativitätstheorie berühmt machte, wurde 1919 durchgeführt (F.W.Dyson, A.S. Eddington, C. Davidson, 1920, Philos. Trans. Royal Soc. London, Vol. 220A, 291-333) und überprüfte die Voraussage der allg. Relativitätstheorie dass Licht, wie jede elektromagnetische Strahlung, in einem Gravitationsfeld abgelenkt wird. Dabei wurde eine Sonnenfinsternis ausgenutzt um die scheinbare Verschiebung der Position eines Sternes nahe der Sonnenscheibe zu messen, da hier der Effekt am stärksten sein sollte. Die Voraussage der einsteinschen Theorie, dass Sternenlicht das auf seinem Weg zur Erde den Rand der Sonnenscheibe streift um 1,75 Bogensekunden abgelenkt wird, wurde bei dieser ursprüngliche Messung mit einer Genauigkeit von 20% bestätigt. Ähnliche Messungen wurden später mit verbesserten Instrumenten durchgeführt. In den 1960ern wurde die Position von Quasaren vermessen womit eine Genauigkeit von 1,5% erreicht wurde während ähnliche Messungen mit dem VLBI (Very Long Baseline Interferometry) später die Genauigkeit auf 0,2% steigerten. Auch wurden die Positionen von 105 Sternen durch den ESA- Satelliten Hipparchos vermessen womit die Voraussagen der ART auf 0.1% genau überprüft werden konnten. Auf Ablenkung von Licht im Gravitationsfeld beruht auch der in der Astronomie beobachtete Gravitationslinseneffekt. Die ESA-Raumsonde Gaja, welche bis 2012 gestartet werden soll, soll die Position von über eine Milliarde Sterne vermessen und damit die Raumkrümmung noch exakter bestimmen.
Die gravitative Rotverschiebung wurde von Einstein bereits 1911 vor Fertigstellung der allgemeinen Relativitätstheorie vorausgesagt und kann bereits aus der Energieerhaltung hergeleitet werden, so dass ihre experimentelle Bestätigung zwar notwendige Voraussetzung für die Gültigkeit der ART ist, aber andererseits nicht sehr große Aussagekraft hat. Von W.S. Adams wurde 1925 die Rotverschiebung am Weißen Zwerg Sirius B nachgewiesen. Die Messungen der gravitativen Rotverschiebung an weißen Zwergen ist aber schwierig von der Rotverschiebung durch die Eigenbewegung zu unterscheiden und die Genauigkeit ist begrenzt. Robert Pound und Glen Rebka wiesen 1962 mit Hilfe des Mössbauereffektes die gravitative Rotverschiebung der Strahlung einer Gammaquelle im Erdgravitationsfeld bei einem Höhenunterschied von nur 25m mit ausreichender Genauigkeit nach. Spätere Verbesserungen (Pound- Rebka- Snider Experiment) erreichten ein Genauigkeit von etwa 1,5%. Die gravitative Rotverschiebung wurde mittels Raumsonden auch für die Sonne und den Saturn nachgewiesen. Der geplante Satellit OPTIS soll, neben anderen Tests zu speziellen und allgemeinen Relativitätstheorie, die gravitative Rotverschiebung mit einer Genauigkeit von 10-5 testen.
Als vierter klassische Test wird oft der Shapiro- Test bezeichnet, der von I.I. Shapiro erstmals 1970 durchgeführt wurde. Hier wurde die Zeitverschiebung von an der Venus reflektierten Radarsignalen gemessen, während diese sich von der Erde aus gesehen hinter der Sonne befand so dass die Radarwellen nahe am Sonnenrand vorbei mussten. Die Genauigkeit der Messungen betrug anfangs mehrere Prozent. Bei wiederholten Messungen und später auch durch Messungen mit Hilfe von Raumsonden (Mariner, Viking) anstelle der Venus konnte die Genauigkeit auf 0,1% gesteigert werden.
Die Entwicklung von Atomuhren hat es möglich gemacht, den Einfluss der Gravitation auf die Zeit auch direkt zu messen. Im Prinzip ist diese Messungen eine Variation der Nachweise der gravitativen Rotverschiebung. 1971 wurde durch J. Hafele und R. Keating mit Caesiumuhren in Flugzeugen der durch die Gravitation verursachte Gangunterschied von Uhren in verschieden Höhen gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie mit etwa 10% Genauigkeit eindeutig nachgewiesen. Durch ein ähnliches Experimentes durch C.Alley (Maryland-Experiment) konnte die Genauigkeit 1976 auf 1% gesteigert werden. R. Vessot und M. Levine publizierten 1979 Ergebnisse eines ähnlichen Experimentes mit Hilfe von Raketen und gaben eine Genauigkeit von 0,02% an. Beim heutigen satellitengestützten GPS-Navigationssystem müssen sowohl Korrekturen gemäß der speziellen, als auch der allgemeinen Relativitätstheorie berücksichtigt werden, wobei Effekte durch die allgemeine Relativitätstheorie überwiegen. Umgekehrt kann dies auch als Bestätigung dieser Theorien angesehen werden.
Direkte Test der Gleichheit von schwerer und träger Masse wurden bereits von Eötvös ab 1890 vor der Entwicklung der Relativitätstheorie durchgeführt. Da das einsteinsche Äquivalenzprinzip auf dieser Gleichheit beruht sind solche Test geeignet um die Allgemeine Relativitätstheorie zu widerlegen. Nicht zuletzt weil die Gleichheit von schwerer und träger Masse auch für den eventuellen Nachweis einer fünften Naturkraft relevant ist, ist dieses Thema auch heute noch sehr aktuell und es wurden viele entsprechende Experimente durchgeführt. Eötvös selbst konnte die Genauigkeit seiner Experimente im Laufe der Zeit so steigern das er die Gleichheit mit einer Genauigkeit von 10-9 nachweisen konnte. Durch Experimente mit den Laserreflektoren auf dem Mond der Apollo-Missionen konnte Shapiro 1976 die Gültigkeit des Äquivalenzprinzips mit einer Genauigkeit von 10-12 nachweisen. Adelberger et al. publizierte 1999 eine Arbeit das dieses Prinzip mit einer Genauigkeit von 10-13 bestätigt. Es sind neue Experimente geplant die die Genauigkeit auf 10-15 (TEPEE/GREAT:General Relativity Accuracy Test) oder gar bis zu 10-18 (STEP: Satellite Test of the Equivalence Principle) steigern sollen.
Die von der Relativitätstheorie vorhergesagten Gravitationswellen konnten trotz intensiver Forschungen seit Anfang der 1960er (z.B. Gravitationswellenempfänger von Weber mit einer schwingenden zylindrischen Aluminium-Masse) noch nicht direkt nachgewiesen werden. Zwar wurde 1969 behauptet, Signale aus dem Zentrum der Milchstraße empfangen zu haben, was aber nicht bestätigt werden konnte. Gravitationswellen wurden inzwischen indirekt durch Messung der Verlangsamung der Bahnperiode des Pulsars PSR 1913+16, der Teil eines Doppelsternesystems mit einem anderen Neutronenstern oder einem Weißen Zwerg als Partner ist, nachgewiesen. Diese Verlangsamung stimmt exakt mit der von der allgemeinen Relativitätstheorie berechneten Verlangsamung überein, wenn man annimmt dass Energie in Form von Gravitationswellen abgestrahlt wird. Obwohl die ursprüngliche Technik mit schwingungsfähigen Massen inzwischen stark verbessert wurde und heute viel empfindlicher ist, verwenden viele neuere Experimente interferometrische Techniken (Michelson- Interferometer) zum Nachweis von Gravitationswellen. Ein irdisch basiertes System ist das deutsch-britische System GEO 600 nahe Hannover mit einer Ausdehnung von 600m. Ein satellitengestützes System soll der Esa/Nasa- Projekt LISA (Laser Interferometer Space Antenna, Starttermin: 2010) werden. LISA besteht aus drei einzelnen Raumsonden welche in einem Dreieck im Abstand von mehreren Millionen Kilometern im All stationiert werden sollen. Andere Projekte zum Nachweis sind TAMA (Japan), LIGO (USA) und VIRGO (Italien).
Der NASA- Satellit Gravity Probe B, gestartet im April 2004, ist mit mehreren präzisen Gyroskopen ausgestattet, welche die von der allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagte und bisher unüberprüfte "Drag- Force" um rotierende Körper wie die Erde messen sollen. Gemäß dieser Vorhersage sollte die Raumzeit um rotierende Körper praktisch "verdrillt" sein (gravitomagnetic effect). Zur Messung dieses Effektes werden die Änderungen der Drehrichtungen von vier Gyroskopen hochpräzise bestimmt.
Alle bisherigen direkten experimentellen Tests hat die ART bestanden. Auch die von der ART vorausgesagte Existenz von Schwarzen Löchern ist inzwischen allgemein akzeptiert. Messungen der Bewegungen von Objekten wie Sternen oder Galaxien, die unter dem Einfluss eines Gravitationsfeldes von galaktischen und intergalaktischen Dimensionen stehen, zeigen jedoch generell eine Abweichung von der Bewegung, welche allein durch ein von der sichtbaren Materie gemäß der ART berechnetem Gravitationsfeld erwartet wird. Dies wird bisher aber allgemein auf Anwesenheit von Dunkler Materie und nicht auf ein Versagen der ART zurückgeführt, obwohl es auch Vorschläge gibt diese Diskrepanzen durch alternative Gravitationstheorien zu erklären. Auch wurden bei Raumsonden wie etwa Pioneer 10 und 11, welche sich in den äußeren Bereichen des Sonnensystems bewegen kleine aber bisher unerklärliche Abweichungen der Bahnen entdeckt.
Die Einsteinschen Feldgleichungen folgen nicht zwingend aus dem Äquivalenzprinzip, sondern sie sind nur die einfachste Form einer Gravitationstheorie welche auf dem Äquivalenzprinzip aufbaut. Es gibt aber auch noch kompliziertere Theorien welche dies verwirklichen. Die bekannteste alternative Theorie ist die Dicke- Brans-Theorie. Zur experimentellen Bestätigung der ART reicht es deswegen nicht Experimente durchzuführen, welche die Gültigkeit der ART gegenüber der Newtonschen Mechanik zeigen. Es ist letztlich auch nötig Experimente durchzuführen, welche die Gültigkeit der ART gegenüber solchen alternativen Theorien bestätigen können. Experimentell bestätigte Abweichungen von der ART könnten auch ein neuer Anstoß zur Entwicklung einer schlüssigen und experimentell überprüfbaren Quantentheorie der Gravitation führen. Schlussendlich widersprechen sich die Allgemeine Relativitätstheorie und die gegenwärtige Quantentheorie, zwei der Grundpfeiler der heutigen Physik, bei Effekten welche bisher unmessbare kleine Längenskalen (Planck- Länge) betreffen. Mindestens eine von beiden Theorien muss also letztlich modifiziert werden.
Ende der Abhandlung über die Einsteinsche Relativitätstheorie
Wie eingangs erwähnt wollen wir uns jetzt mit den schwarzen Löchern beschäftigen.
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