1905 stellte Albert Einstein die Welt der theoretischen Physik auf den Kopf und veröffentlichte eine Arbeit über Disziplin, die später als spezielle Relativitätstheorie bezeichnet wurde. Sie zeigte, dass Raum und Zeit nicht als absolute Einheiten betrachtet werden können: Zeit kann sich beschleunigen oder verlangsamen, Standardlängen können reduziert werden, Massen können zunehmen.
Und das bekannteste Ergebnis, die Äquivalenz der Energiemasse und ihres Anteils, wird durch die Gleichung E = mc² ausgedrückt.
Niemand zweifelt an dem Genie Einsteins, der die allgemeine Relativitätstheorie formuliert hat, aber es ist allgemein anerkannt, dass ein anderer Physiker dies bald an seiner Stelle getan hätte, wenn er seine Theorie nicht 1905 veröffentlicht hätte.
„Einsteins Kreuz“ - vier Bilder eines entfernten Quasars, die aufgrund der Tatsache erhalten wurden, dass sich das Licht von ihm um eine näher bei uns befindliche Galaxie biegt und als Gravitationslinse fungiert.Erst 1915 demonstrierte Einstein sein Genie, indem er seine allgemeine Relativitätstheorie veröffentlichte. Sie argumentierte, dass die Krümmung der Raum-Zeit proportional ist und auch aufgrund der "Energie-Impuls-Dichte" auftritt, dh der Energie und des Impulses, die mit einer Materie in einem Raumvolumen verbunden sind.
Diese Aussage wurde bestätigt, als sie mit Beobachtungen der
ungewöhnlichen Umlaufbahn des Merkur und mit dem Licht von Sternen zusammenfiel, die sich um die Sonne bogen.
In den letzten hundert Jahren wurde die GTR mit enormer Genauigkeit überprüft und hat den Test jedes Mal bestanden. GR ist zu einem so großen Sprung nach vorne geworden, dass man sagen kann, wenn Einstein es nicht formuliert hätte, hätte es lange Zeit unentdeckt bleiben können.
Der Weg zur allgemeinen Relativitätstheorie
1907 kam „der glücklichste Gedanke seines Lebens“ zu Einstein, als er auf einem Stuhl im Patentamt in Bern saß:
Wenn eine Person frei fällt, spürt sie ihr Gewicht nicht.
Sie führte ihn zur Formulierung des "
Äquivalenzprinzips ", das besagt, dass es unmöglich ist, zwischen einem beschleunigenden Referenzrahmen und einem Gravitationsfeld zu unterscheiden. Wenn Sie beispielsweise auf der Erde stehen, fühlt es sich genauso an, als ob Sie in einem Raumschiff stehen würden, das sich mit einer Beschleunigung von 9,81 m / s² bewegt - mit einer Beschleunigung der Schwerkraft auf der Erde.
Dies war der erste große Schritt bei der Formulierung einer neuen Gravitationstheorie.
Einstein glaubte, dass "alle Physik Geometrie ist". Er meinte, dass über Raum-Zeit und das Universum geometrisch gedacht werden kann. Die überraschendste Schlussfolgerung der allgemeinen Relativitätstheorie, die Dynamik von Zeit und Raum, führte Einstein offenbar zu der Notwendigkeit, die "geometrische" Raumzeit zu überdenken.
Einstein führte eine Reihe genauer
Gedankenexperimente durch, in denen Beobachtungen von Beobachtern in
trägen und
rotierenden Referenzrahmen verglichen wurden.
Er stellte fest, dass für einen Beobachter in einem rotierenden Bezugsrahmen Raum-Zeit nicht euklidisch sein kann, dh wie die Ebenengeometrie, die wir alle in Schulen studieren. Wir müssen einen „gekrümmten Raum“ einführen, um die durch die Relativitätstheorie vorhergesagten Anomalien zu berücksichtigen. Die Krümmung wird zur zweitwichtigsten Annahme, die ihre allgemeine Relativitätstheorie stützt.
Um den gekrümmten Raum zu beschreiben, wandte sich Einstein einer früheren Arbeit des Mathematikers
Bernard Riemann aus dem 19. Jahrhundert zu. Mit Hilfe seines Freundes
Marcel Grossman , ebenfalls Mathematiker, studierte Einstein mehrere Jahre lang die Mathematik gekrümmter Räume - was Mathematiker als „Differentialgeometrie“ bezeichnen. Einstein bemerkte, dass "im Vergleich zum Verständnis der Schwerkraft die spezielle Relativitätstheorie wie ein Kinderspielzeug schien".
Einstein hatte jetzt einen mathematischen Apparat, um die Theorie zu vervollständigen. Das Äquivalenzprinzip argumentierte, dass ein beschleunigender Referenzrahmen einem Gravitationsfeld entspricht. Als Ergebnis seiner Untersuchungen der Geometrie glaubte er, dass das Gravitationsfeld eine einfache Manifestation der gekrümmten Raumzeit sei. Daher konnte er zeigen, dass beschleunigende Referenzrahmen nichteuklidische Räume waren.
Entwicklung
Der dritte kritische Schritt war die Beseitigung der Schwierigkeiten bei der Anwendung von GR auf die Newtonsche Schwerkraft. In der speziellen Relativitätstheorie widersprachen die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit in allen Referenzrahmen und die Behauptung, dass die Lichtgeschwindigkeit die maximal erreichbare Geschwindigkeit ist, der Newtonschen Gravitationstheorie, die die momentane Wirkung der Gravitation postulierte.
Einfach ausgedrückt, die Newtonsche Schwerkraft sagte, wenn Sie die Sonne aus dem Zentrum des Sonnensystems entfernen, wird der Gravitationseffekt dieses Ereignisses sofort auf der Erde spürbar. Aber STO sagt, dass sich sogar der Effekt des Verschwindens der Sonne mit Lichtgeschwindigkeit bewegen wird.
Einstein wusste auch, dass die Anziehungskraft zweier Körper direkt proportional zu ihrer Masse ist, was sich aus dem Newtonschen F = G * M * m / r² ergibt. Daher bestimmte die Masse eindeutig die Stärke des Gravitationsfeldes. Laut SRT entspricht Masse der Energie, daher sollte die Energie-Impuls-Dichte auch die Schwerkraft bestimmen.
Infolgedessen waren drei Schlüsselannahmen, die Einstein zur Formulierung seiner Theorie verwendete:
1. In
rotierenden (nicht trägen) Referenzsystemen ist der Raum gekrümmt (nicht euklidisch).
2. Das Äquivalenzprinzip besagt, dass beschleunigende Referenzrahmen Gravitationsfeldern entsprechen.
3. Aus der SRT folgt die Äquivalenz von Masse und Energie, und aus der Newtonschen Physik folgt, dass die Masse proportional zur Schwerkraft ist.
Einstein konnte daraus schließen, dass die Energie-Impuls-Dichte die Krümmung der Raum-Zeit erzeugt und proportional dazu ist.
Es ist nicht bekannt, wann er eine „Einsicht“ hatte, wann er dieses Rätsel zusammensetzen und Masse / Energie mit der Krümmung des Raumes verbinden konnte.
Von 1913 bis 1915 veröffentlichte Einstein mehrere Werke, während er an der Vervollständigung der allgemeinen Relativitätstheorie arbeitete. In einigen Arbeiten wurden Fehler gemacht, weshalb Einstein Zeit für unnötige Ablenkungen bei theoretischen Überlegungen verschwendete.
Das Endergebnis, dass die Energie-Impuls-Dichte die Raumzeit biegt, wie eine Bowlingkugel eine gedehnte Gummiplatte, und dass die Bewegung der Masse in einem Gravitationsfeld von der Krümmung der Raumzeit abhängt, ist ohne Zweifel die größte Vermutung der menschlichen Intelligenz.
Handicap
Wie lange würden wir die Schwerkraft verstehen, wenn Einsteins Genie nicht bei uns wäre? Es ist möglich, dass wir viele Jahrzehnte darauf warten müssen. Aber 1979 würde das Rätsel sicherlich herauskommen. In diesem Jahr entdeckten Astronomen die "
Zwillingsquasare " QSO 0957 + 561, den ersten Quasar, der Gravitationslinsen beobachtete.
Diese erstaunliche Entdeckung kann nur durch die Krümmung der Raumzeit erklärt werden. Für ihn hätten sie wahrscheinlich den Nobelpreis erhalten, wenn nicht das Genie Einsteins gewesen wäre. Oder vielleicht lohnt es sich immer noch, etwas herauszugeben.