Eine der unerwartetsten Vorhersagen von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ist die Existenz von nicht nur Materie, Strahlung und anderen Energieformen auf der Basis von Partikeln, sondern auch die Existenz von Gravitationsstrahlung selbst, eine grundlegende „Welligkeit“ auf dem Gewebe der Raumzeit. Dies ist eines der am schwierigsten zu verstehenden Konzepte, und unser Leser möchte mehr über dieses Thema erfahren:
Gravitationswellen sind Störungen der Raum-Zeit-Bewegung mit einer Geschwindigkeit von c. Die Raumzeit kann sich jedoch schneller ausdehnen und zusammenziehen. Aber Expansion, gefolgt von Kontraktion, ist in der Tat die Definition einer Kompressionswelle. Es scheint ein Paradoxon zu sein: Gravitationswellen bewegen sich mit der Geschwindigkeit c, aber für sie scheint die Möglichkeit einer superluminalen Bewegung zu bestehen. Wie kann ich das Problem beheben?
Beginnen wir zunächst mit dem Konzept dieser Strahlung und wie sie erscheint.
Im Elektromagnetismus sind selbst in der Klassik nur zwei Dinge für das Auftreten elektromagnetischer Strahlung erforderlich: die Ladung und das Feld, durch das sie sich bewegt. Eine elektrische Ladung kann positiv (wie ein Proton) und negativ (wie ein Elektron) sein. Wenn sie sich in einem Magnetfeld bewegt, beschleunigt und dreht sie sich und sendet sie auf eine zyklische oder spiralförmige Flugbahn.
Je stärker das Feld, je höher die Geschwindigkeit und je größer das Verhältnis von Ladung zu Masse ist, desto größer ist die Beschleunigung (oder Bewegungsänderung).
Bei solchen Wechselwirkungen müssen jedoch Energie und Impuls erhalten bleiben. Daher muss beim Elektromagnetismus jedes Mal, wenn eine Ladung durch ein externes Feld beschleunigt wird, Strahlung emittiert werden. Es erscheint in Form von Photonen und wird je nach Auftrittsart Bremsstrahlung,
Zyklotron- oder
Synchrotronstrahlung genannt .
In der Newtonschen Physik würde es keine Gravitationsstrahlung geben, aber Einsteins allgemeine Relativitätstheorie verändert alles. Massive Quellen - wie Teilchen - haben ein Analogon der Gravitationsladung, und der gekrümmte Raum ist ein Analogon des Gravitationsfeldes. Jedes Mal, wenn sich ein massereiches Teilchen in einem gekrümmten Raum bewegt und neben einem Stern, einem weißen Zwerg, einem Neutronenstern oder einem Schwarzen Loch stark gekrümmt werden kann, sendet es ein Analogon elektromagnetischer Strahlung aus: Gravitationsstrahlung.
Diese neue Form der Strahlung wird kein Photon oder eine andere Art von Strahlung sein, sondern eine Gravitationswelle, die sich in der Struktur des Weltraums ausbreitet. Für eine Masse in der Größenordnung der Erde, die sich um die Sonne dreht, ist die Gravitationsstrahlung so gering, dass eine merkliche Änderung der Umlaufbahn etwa 10
140 Zeitalter des Universums in Anspruch nehmen sollte. Wir werden das nie bemerken. Aber für Systeme mit größeren Massen, kürzeren Entfernungen und stärkeren Feldern sind die Konsequenzen schwerwiegender: für Doppelpulsare, die um ein supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum unserer Galaxie kreisen oder Schwarze Löcher verschmelzen. In solchen Fällen kann man eine Abnahme der Umlaufbahn beobachten, und aufgrund der Notwendigkeit, Energie zu sparen, wissen wir, dass etwas sie wegnimmt.
Dies sollte Gravitationsstrahlung sein (es sind auch Gravitationswellen), und dank der Beobachtung von Doppelpulsaren wissen wir, dass die Geschwindigkeit dieser Strahlung der Lichtgeschwindigkeit mit einer Genauigkeit von 0,2% entsprechen sollte! Mit anderen Worten, Wellen bewegen sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie Photonen durch den Raum. Der Hauptunterschied besteht darin, dass diese Wellen im Fall der Gravitationsstrahlung ein wesentlicher Bestandteil des Raumgefüges sind.
Was passiert also, wenn diese Wellen, wie in der Frage des Lesers beschrieben, nicht in einem statischen Raum, sondern in einem expandierenden Universum erzeugt werden? Sie dehnen und dehnen sich wie Photonen aus.
Die Wellenlänge eines Photons, das sich in einem expandierenden Universum bewegt, erstreckt sich zusammen mit der Expansion des Raums. Die Konzentration und Energie dieser Teilchen nimmt ab, und obwohl sie sich immer mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, nimmt der Abstand zwischen der Quelle und dem Betrachter zu. Zum Beispiel zu Beginn des heißen Urknalls vor 13,8 Milliarden Jahren, nur 10 bis
33 Sekunden nach der Inflation:
• Das Photon, das uns heute erreichte, wäre vor 13,8 Milliarden Jahren nur 100 Meter von uns entfernt.
• Er würde 13,8 Milliarden Jahre und 13,8 Milliarden Lichtjahre durch ein expandierendes Universum reisen, und seine Wellenlänge würde um 28 Größenordnungen zunehmen.
• Die Quelle des Photons, das uns heute erreicht hat, wäre 46,1 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt.
Klingt verrückt? Der gleiche Wahnsinn passiert mit Gravitationswellen! Gravitationswellen müssen sich auch durch das expandierende Universum ausbreiten, sich ebenfalls mit Lichtgeschwindigkeit (expandierend oder nicht expandierend) im Raum bewegen, und ihre Wellenlänge erstreckt sich auf die gleiche Weise wie bei Photonen. Gravitationswellen "reiten" auf dem Raumgefüge wie Wasserwellen auf der Wasseroberfläche. Wenn Sie einen Stein in einen Fluss fallen lassen, breiten sich die Wellen nicht nur entlang des Radius nach außen aus. Es wird sich nach außen ausbreiten und gleichzeitig vom Fluss weggetragen.
Die Gravitationswellen auf dem Raumgewebe verhalten sich ungefähr gleich: Die Wellen bewegen sich mit der Geschwindigkeit, mit der sie sich immer im Medium bewegen - mit Lichtgeschwindigkeit c -, aber manchmal bewegt sich auch das Medium. Dies bedeutet nicht, dass sie die Lichtgeschwindigkeit überschreiten, so wie Photonen sie nicht überschreiten, wenn sie 46 Milliarden Lichtjahre von der Quelle entfernt sind, von der aus sie ihre Reise vor 13,8 Milliarden Jahren begonnen haben. Gravitationswellen verhalten sich so, wie sie sollten. Das Gegenstück zu Komprimierung und Expansion ist wirklich sehr gut. Eine vorbeiziehende Welle verzerrt das Raumgefüge und alle darin enthaltenen Dinge und Partikel und streckt und komprimiert sie auf eine bestimmte Weise.
Aber es breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit durch das Universum aus und berücksichtigt, wie sich das Raumgefüge verhält: dehnt sich aus, zieht sich zusammen oder bleibt statisch. Dies ist die Lösung für das Paradoxon: Wellen bewegen sich mit einer Geschwindigkeit c, unabhängig davon, was mit der Umgebung passiert, durch die sie gehen!