Albert Einstein war für viele Dinge berühmt, aber seine größte Idee ist die Relativitätstheorie. Es hat unser Verständnis von Raum und Zeit für immer verändert.
Was ist Relativitätstheorie? Kurz gesagt, es ist die Vorstellung, dass die Gesetze der Physik überall gleich sind. Wir hier auf der Erde gehorchen denselben Gesetzen von Licht und Schwerkraft wie jemand in einer fernen Ecke des Universums.
Die Universalität der Physik bedeutet, dass die Geschichte provinziell ist. Verschiedene Betrachter sehen das Timing und den Abstand von Ereignissen unterschiedlich. Was für uns eine Million Jahre ist, kann für jemanden, der mit einer Hochgeschwindigkeitsrakete fliegt oder in ein Schwarzes Loch fällt, nur ein Wimpernschlag sein.
Alles ist relativ.
Spezielle Relativität
Einsteins Theorie ist in spezielle und allgemeine Relativitätstheorie unterteilt.
Die spezielle Relativitätstheorie stand an erster Stelle und basiert darauf, dass die Lichtgeschwindigkeit für alle konstant ist. Das mag einfach erscheinen, hat aber weitreichende Konsequenzen.
Einstein kam 1905 zu diesem Schluss, nachdem experimentelle Beweise zeigten, dass sich die Lichtgeschwindigkeit nicht änderte, als die Erde um die Sonne schwang.
Dieses Ergebnis war für Physiker überraschend, da die Geschwindigkeit der meisten anderen Dinge davon abhängt, in welche Richtung sich der Beobachter bewegt. Wenn Sie Ihr Auto entlang einer Eisenbahnstrecke fahren, scheint sich ein Zug, der auf Sie zukommt, viel schneller zu bewegen, als wenn Sie sich umdrehen und ihm in die gleiche Richtung folgen würden.
Einstein sagte, dass alle Beobachter die Lichtgeschwindigkeit mit 186.000 Meilen pro Sekunde messen werden, egal wie schnell und in welche Richtung sie sich bewegen.
Diese Maxime veranlasste den Komiker Stephen Wright zu der Frage: "Wenn Sie sich in einem Raumschiff befinden, das mit Lichtgeschwindigkeit fährt, und die Scheinwerfer einschalten, passiert dann etwas?"
Die Antwort ist, dass die Scheinwerfer normal eingeschaltet werden, jedoch nur aus der Perspektive einer Person im Raumschiff. Für jemanden, der draußen steht und das Schiff vorbeifliegen sieht, scheinen sich die Scheinwerfer nicht einzuschalten: Das Licht geht aus, aber es bewegt sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Raumschiff.
Diese widersprüchlichen Versionen entstehen, weil Lineale und Uhren - die Dinge, die Zeit und Raum kennzeichnen - für verschiedene Beobachter nicht gleich sind. Wenn die Lichtgeschwindigkeit konstant gehalten werden soll, wie Einstein sagte, können Zeit und Raum nicht absolut sein; Sie müssen subjektiv sein.
Zum Beispiel erscheint ein 100 Fuß langes Raumschiff, das sich mit 99,99% Lichtgeschwindigkeit bewegt, einem stationären Beobachter einen Fuß lang, aber es bleibt seine normale Länge für diejenigen an Bord.
Vielleicht noch seltsamer, die Zeit vergeht langsamer, je schneller man geht. Wenn ein Zwilling im rasenden Raumschiff zu einem entfernten Stern fährt und dann zurückkommt, ist sie jünger als ihre Schwester, die auf der Erde geblieben ist.
Auch die Masse hängt von der Geschwindigkeit ab. Je schneller sich ein Objekt bewegt, desto massiver wird es. Tatsächlich kann kein Raumschiff jemals 100% der Lichtgeschwindigkeit erreichen, da seine Masse bis ins Unendliche wachsen würde.
Diese Beziehung zwischen Masse und Geschwindigkeit wird oft als Beziehung zwischen Masse und Energie ausgedrückt: E = mc ^ 2, wobei E Energie ist, m Masse ist und c die Lichtgeschwindigkeit ist.
Generelle Relativität
Einstein war noch nicht fertig damit, unser Verständnis von Zeit und Raum zu stören. Er verallgemeinerte seine Theorie unter Einbeziehung der Beschleunigung und stellte fest, dass dies die Form von Zeit und Raum verzerrte.
Um am obigen Beispiel festzuhalten: Stellen Sie sich vor, das Raumschiff beschleunigt, indem es seine Triebwerke abfeuert. Die an Bord bleiben am Boden, als wären sie auf der Erde. Einstein behauptete, dass die Kraft, die wir Schwerkraft nennen, nicht von einem beschleunigenden Schiff zu unterscheiden sei.
Dies an sich war nicht so revolutionär, aber als Einstein die komplexe Mathematik ausarbeitete (es dauerte 10 Jahre), entdeckte er, dass Raum und Zeit in der Nähe eines massiven Objekts gekrümmt sind, und diese Krümmung erfahren wir als Schwerkraft.
Es ist schwierig, sich die gekrümmte Geometrie der allgemeinen Relativitätstheorie vorzustellen, aber wenn man Raum-Zeit als eine Art Stoff betrachtet, dann streckt ein massives Objekt den umgebenden Stoff so, dass alles, was in der Nähe vorbeigeht, nicht mehr einer geraden Linie folgt.
Die Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie sagen eine Reihe von Phänomenen voraus, von denen viele bestätigt wurden:
- Biegen von Licht um massive Objekte (Gravitationslinsen)
- eine langsame Entwicklung in der Umlaufbahn des Planeten Merkur (Perihelpräzession)
- Frame-Dragging von Raum-Zeit um rotierende Körper
- Schwächung des Lichts, das der Schwerkraft entweicht (Gravitationsrotverschiebung)
- Gravitationswellen (Wellen im Raum-Zeit-Gewebe), die durch kosmische Smashups verursacht werden
- die Existenz von Schwarzen Löchern, die alles einfangen, einschließlich Licht
Das Verziehen der Raumzeit um ein Schwarzes Loch ist intensiver als anderswo. Wenn der weltraumtaugliche Zwilling in ein schwarzes Loch fallen würde, würde sie wie Spaghetti ausgestreckt sein.
Zum Glück für sie würde alles in ein paar Sekunden vorbei sein. Aber ihre Schwester auf der Erde würde niemals ein Ende sehen - sie würde beobachten, wie ihre arme Schwester im Laufe des Zeitalters des Universums schrittweise auf das Schwarze Loch zusteuerte.
Dieser Artikel wurde am 2. Juli 2019 von Tim Childers, einem Mitarbeiter von Live Science, aktualisiert.
