WAS IST ZEITDILATATION?

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Eines der interessantesten Themen auf dem Gebiet der Wissenschaft ist das Konzept der Allgemeinen Relativitätstheorie. Sie wissen, diese Idee, dass seltsame Dinge passieren, wenn Sie sich der Lichtgeschwindigkeit nähern. Es gibt seltsame Änderungen in der Länge der Dinge, bizarre Verschiebungen der Wellenlängen. Und am rätselhaftesten ist das Konzept der Erweiterung: Wie Sie buchstäblich mehr oder weniger Zeit erleben können, je nachdem, wie schnell Sie im Vergleich zu anderen reisen.

Und noch seltsamer als das? Wie wir im Film Interstellar gesehen haben, kann das Verweilen in der Nähe eines sehr massiven Objekts wie eines Schwarzen Lochs dieselben relativistischen Effekte hervorrufen. Weil Masse und Beschleunigung dasselbe sind?

Ehrlich gesagt ist es genug, um Ihnen massive Kopfschmerzen zu bereiten.

Aber nur weil ich das Konzept verwirrend finde, werde ich immer noch weitermachen und versuchen, mehr darüber zu verstehen und Ihnen dabei zu helfen, Ihr Gehirn darum zu wickeln. Zu meinem eigenen Vorteil, zu Ihrem Vorteil, aber hauptsächlich zu meinem Vorteil.

Es gibt eine großartige Anekdote in der Geschichte der Physik - es ist wahrscheinlich nicht das, was tatsächlich passiert ist, aber ich liebe es immer noch.

Einer der bekanntesten Astronomen des 20. Jahrhunderts war Sir Arthur Eddington, gespielt von einem schneidigen David Tennant in dem Film Einstein und Eddington aus dem Jahr 2008. Was Sie wirklich sehen sollten, wenn Sie es noch nicht getan haben.

Wie auch immer, Doctor Who, ich meine Eddington, hatte herausgefunden, wie Sterne Energie erzeugen (durch Fusion) und persönlich bestätigt, dass Einsteins Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie korrekt waren, als er 1919 eine totale Sonnenfinsternis beobachtete.

Anscheinend fragte jemand während eines Vortrags von Sir Arthur Eddington: "Professor Eddington, Sie müssen einer der drei Menschen auf der Welt sein, die die Allgemeine Relativitätstheorie verstehen." Er hielt einen Moment inne und sagte dann: "Ja, aber ich versuche zu überlegen, wer die dritte Person ist."

Ich bin es definitiv nicht, aber ich kenne jemanden, der die Allgemeine Relativitätstheorie im Griff hat, und das ist Dr. Brian Koberlein, Professor für Astrophysik am Rochester Institute of Technology. Er behandelt dieses Thema die ganze Zeit in seinem Blog One Universe At A Time, den Sie unbedingt besuchen und auf briankoberlein.com lesen sollten.

Um zu demonstrieren, wie dies funktioniert, hat Brian sein RIT-Büro auf nahezu Lichtgeschwindigkeit gebracht und rast gerade auf uns zu.

Dr. Brian Koberlein:
Hallo Fraser, danke, dass du mich hast. Wenn Sie eine Sekunde warten können, muss ich nur langsamer fahren.

Fraser Cain:
Was ist gerade dort passiert? Warum wurden Sie alle verlangsamt?

Brian:
Es ist tatsächlich ein interessanter Effekt, der als Zeitdilatation bekannt ist. Eines der Dinge am Licht ist, dass Sie unabhängig davon, in welchem Referenzrahmen Sie sich befinden, egal wie Sie sich durch das Universum bewegen, die Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum immer so messen, dass sie gleich ist. Über 300.000 Kilometer pro Sekunde.

Und um dies zu tun, müssen sich unsere Referenzen für Zeit und Raum verschieben, um die Lichtgeschwindigkeit konstant zu halten, wenn Sie sich relativ zu mir bewegen oder wenn ich mich relativ zu Ihnen bewege. Wenn ich mich schneller von dir entferne, muss meine Zeit nach deinen Angaben langsamer werden. Auf der gleichen Seite scheint sich Ihre Zeit im Vergleich zu mir zu verlangsamen.

Und dieser Zeitdilatationseffekt ist notwendig, um die Lichtgeschwindigkeit konstant zu halten.

Fraser:
Geschieht dies nur, wenn Sie umziehen?

Brian:
Zeitdilatation tritt nicht nur aufgrund von Relativbewegungen auf, sondern auch aufgrund der Schwerkraft. Einsteins Relativitätstheorie besagt, dass die Schwerkraft eine Eigenschaft der Verzerrung von Raum und Zeit ist. Wenn Sie also eine Masse wie die Erde haben, verzerrt sie tatsächlich Raum und Zeit.

Wenn Sie auf der Erde stehen, scheint sich Ihre Zeit aufgrund des Unterschieds in der Schwerkraft etwas langsamer zu bewegen als bei jemandem im Weltraum.

Nun, für die Erde ist das nicht wirklich wichtig, aber für so etwas wie ein Schwarzes Loch könnte es sehr wichtig sein. Je näher Sie einem Schwarzen Loch kommen, desto langsamer wird Ihre Zeit.

Fraser:
Was würde das für die Raumfahrt bedeuten?

Brian:
In Science-Fiction-Filmen sieht man oft die Idee einer Rakete, die sich sehr nahe an die Lichtgeschwindigkeit heranbewegt und mithilfe der Zeitdilatation zu entfernten Sternen fährt.

Aber mit der Schwerkraft könnte man dasselbe machen. Wenn Sie ein Schwarzes Loch hätten, das zu einem anderen Stern oder einer anderen Galaxie führt, könnten Sie Ihr Raumschiff tatsächlich nehmen und es sehr nahe am Schwarzen Loch umkreisen. Und Ihre Zeit scheint sich zu verlangsamen. Während Sie das Schwarze Loch umkreisen, würde das Schwarze Loch seine Zeit brauchen, um zu einem anderen Stern oder einer anderen Galaxie zu gelangen, und für Sie scheint es sehr schnell zu sein.

Auf diese Weise können Sie die Zeitdilatation nutzen, um zu den Sternen zu reisen, zumindest in der Science-Fiction.

Fraser:
Alles klar Brian, ich habe eine letzte Frage an dich. Wenn Sie massiver werden, wenn Sie sich der Lichtgeschwindigkeit nähern, können Sie dann so viel Masse bekommen, dass Sie sich in ein Schwarzes Loch verwandeln? Ich möchte, dass Sie diese Frage in Form eines Blogposts auf briankoberlein.com und in dem Google+ Post beantworten, den wir hier verlinken.

Brian:
Danke Fraser, ich werde diese Antwort auf meiner Website haben.

Wieder einmal besuchten wir das verwirrende Reich der Zeitdilatation und kehrten relativ unversehrt zurück. Das bedeutet nicht, dass ich es besser verstehe, aber ich hoffe, dass Sie es trotzdem tun. Nochmals ein großes Dankeschön an Dr. Koberlein, der sich ein paar Minuten Zeit genommen hat, um unsere Fragen zu beantworten. Stellen Sie sicher, dass Sie seinen Blog besuchen und seine Antwort auf meine Frage lesen.