Experimentelle Belege zur allgemeinen Relativitätstheorie

Hallo und herzlich willkommen bei einem Video von Doktor Psi! Unser heutiges Thema sind experimentelle Belege, die die allgemeine Relativitätstheorie stützen. Zunächst aber ein paar allgemeine Bemerkungen zu spezieller und allgemeiner Relativitätstheorie. Aussagen der speziellen Relativitätstheorie betreffen Raum und Zeit, die ihren absoluten Charakter eingebüßt haben und damit zu relativen Größen geworden sind. Verbunden damit war die Voraussetzung, dass die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit nicht vom Bezugssystem abhängig ist. Kurz gesagt, es geht in der speziellen Relativitätstheorie um Bezugssysteme, wir nennen sie „Inertialsysteme‟, die sich nur in geradlinig gleichförmiger Bewegung befinden dürfen. Und genau dieses empfand Einstein als Mangel seiner Theorie. Und sein Bestreben war es, eine Verallgemeinerung dahingehend zu erreichen, dass auch andere Bezugssysteme zugelassen sind, die sich beschleunigt zueinander oder gegeneinander bewegen. Und dies war der Ausgangspunkt der allgemeinen Relativitätstheorie. Und man kann sagen, dass die von Einstein 1915 veröffentlichte allgemeine Relativitätstheorie eine Theorie der Gravitation war. Hier nun ein paar ganz kurze, aber sehr wichtige Ergebnisse der allgemeinen Relativitätstheorie. Beschleunigte Systeme und Gravitationsfelder sind äquivalent. Und im Gravitationsfeld verkürzen sich Maßstäbe und Uhren verlangsamen ihren Gang. Ein weiterer Punkt. Die Lichtgeschwindigkeit ist im Gravitationsfeld keine Konstante mehr. Darauf kommen wir noch zurück. Die allgemeine Relativitätstheorie enthält die klassische Newtonsche Gravitationstheorie als Spezialfall. Nun, wir wollen uns einmal diese Ergebnisse angucken. Und wir sehen, dass diese experimentellen Belege oder Bestätigung für die Aussagen der allgemeinen Relativitätstheorie ja eigentlich gar keine Auswirkung auf unser alltägliches Leben haben. Und daher hatten auch die Experten zur damaligen Zeit erhebliche Schwierigkeiten nicht nur die Theorie zu verstehen, sondern sie zweifelten auch ihre Richtigkeit an. Aber inzwischen gibt es einige experimentelle Nachweise oder Aussagen, die die gemachten Aussagen der allgemeinen Relativitätstheorie nicht nur nicht widerlegen, sondern sie sogar bestätigen. Und wir wollen uns im Folgenden einige dieser Experimente ansehen. Ein Test beruht auf der Ablenkung von Licht im Gravitationsfeld, zum Beispiel der Sonne. Die Stärke der gravitativen Lichtablenkung. Wir sehen hier im Bild, das ist dort schematisch dargestellt. Diese Ablenkung kann durch die allgemeine Relativitätstheorie erklärt werden. Sie sollte während einer Sonnenfinsternis messbar sein. Und im Mai 1919 wurde von zwei Expeditionen während einer Sonnenfinsternis, trotz einiger Ungenauigkeiten, die Vorhersage von Einstein, dass eben Licht im Gravitationsfeld abgelenkt wird, bestätigt werden. Dies war ein Durchbruch für die allgemeine Relativitätstheorie und führte zur weltweiten Berühmtheit von Einstein. Heute sind natürlich entsprechende Messungen mit viel höherer Genauigkeit verbunden. Wir bleiben bei diesem Experiment, beziehungsweise der experimentellen Anordnung des Gravitationsfeldes der Sonne. Und beim Durchgang von Radarstrahlung durch das Gravitationsfeld der Sonne, wir sehen das hier auch wieder schematisch, sollte eine Laufzeitverlängerung der entsprechenden Radarsignale, die hier im Beispiel von der Erde zur Venus und zurück verlaufen, gemessen werden. Auf Einzelheiten können wir leider hier nicht weiter eingehen. Der amerikanische Physiker Irwin Shapiro hat 1970 die Entfernung zwischen Erde und Venus mit Hilfe der Laufzeit von Radarstrahlung bestimmt. Die aus der Astronomie genau bekannte Entfernung sollte zu einer Laufzeit von etwa 1660 Sekunden führen. Und er hat diese Laufzeit gemessen und fand, dass diese Laufzeit sich tatsächlich etwas vergrößert hat. Nämlich wir haben hier unsere erwartete Zeit ohne Relativitätstheorie und er hat gemessen, jetzt kommen noch ein paar Nullen, das sind hier vier Nullen und dann 80 Sekunden. Wir sehen also eine Vergrößerung der Laufzeit, die 80 Mikrosekunden beträgt. Ist nicht viel, aber genau diese Laufzeit wurde von der Relativitätstheorie vorhergesagt und die konnte, im Rahmen von Ungenauigkeiten, die immer auftreten, gemessen werden. Und das war natürlich eine fantastische Bestätigung der Aussagen von Einstein und seiner allgemeinen Relativitätstheorie. Also Einstein wurde nicht widerlegt, sondern sogar bewiesen. Kommen wir gleich zu unserem nächsten Experiment. Ein weiterer Effekt, der schon lange bekannt war, der aber erst mit der allgemeinen Relativitätstheorie erklärt werden konnte, ist die Periheldrehung des Merkur. Was ist Perihel? Nun, das ist der kürzeste Abstand eines Planeten auf seiner Bahn um ein Zentralgestirn. Und das Zentralgestirn ist unserem Fall die Sonne. Also nochmal, der kürzeste Abstand auf der Bahn zwischen dem Planeten und der Sonne. Und wenn dieser Planet ohne andere Planeten im Sonnensystem kreisen würde, dann ergebe sich eine geschlossene Ellipse. Ist aber nicht so, weil ja viele andere Planeten sich gegenseitig beeinflussen. Und wir sehen hier in dieser Abbildung, dass sich in Folge dieser gegenseitigen Beeinflussung die große Halbachse der Bahnellipse rosettenartig dreht. Das kannten ja schon unsere Altvorderen, aber sie hatten keine Erklärung. Diese Bahnstörung konnte bereits 1915 Einstein mit Hilfe seiner Theorie prognostizieren und erklären. Aber es kommt noch besser. Während dieser Effekt der Periheldrehung für den Merkur recht klein ist, gibt es seit 1974 ein gewissermaßen Testlabor für die allgemeine Relativitätstheorie. In dem Jahr wurden zwei massereiche Sterne entdeckt, wir sagen Pulsar dazu, die auf stark elliptischer Bahn umeinander laufen. Und der Effekt der Periheldrehung in diesem Fall beträgt in Übereinstimmung mit der allgemeinen Relativitätstheorie etwas 4,2 Grad im Jahr, also beträchtlich. Im anderen Fall, bei Merkur sind das Bogensekunden. Und dies konnte genau mit der allgemeinen Relativitätstheorie erklärt werden. Na, ist das nichts? Einstein lebe hoch. Und wir könnten jetzt noch weitermachen. Wir könnten Gravitationslinsen behandeln. Schwarze Löcher. Gravitationswellen und in den Bereich der Kosmologie übergehen. Leider reicht unsere Zeit hierfür nicht, aber du kannst ja auch noch andere Quellen anzapfen und versuchen, dich darüber zu informieren. Ja, fassen wir kurz zusammen: Wir haben einige Ergebnisse der allgemeinen Relativitätstheorie uns angeschaut und dann Experimente vorgestellt, die die Aussagen der Relativitätstheorie belegen. Und das betraf das Gravitationsfeld, das auf Licht wirkt und auch auf elektromagnetische Wellen. Und zum Schluss haben wir uns die Periheldrehung des Merkurs angesehen. Ja, das war's für heute. Ich hoffe, du hast ein wenig das abstrakte Problem verstanden und vielleicht hattest du auch etwas Spaß daran. Und wir sehen uns wieder bei einem nächsten Video von Doktor Psi. Tschüss!