Moderne Physik
Relativitätstheorie und Astronomie
Die Allgemeine Relativitätstheorie bildet einen der Grundpfeiler der modernen Physik. Mit ihr werden die Prozesse in den großräumigen Strukturen unseres Universums beschrieben. Bis heute ist diese Theorie über Raum und Zeit vielfach experimentell überprüft und bestätigt worden. Aber wie genau lassen sich die Effekte von Einsteins Überlegungen am Himmel beobachten?
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Das Einsteinkreuz: Hier wird das Licht eines Quasars durch einen Effekt der Allgemeinen Relativitätstheorie so abgelenkt, dass wir ihn gleich vier mal sehen.
Spezielle und Allgemeine Relativitätstheorie
Ein interessanter Aspekt ist, dass Albert Einstein zunächst einmal die Spezielle Relativitätstheorie (SRT) aufgestellt hat. Veröffentlicht hat er sie im Jahre 1905. Diese Theorie fundiert unter anderem auf der Annahme, dass sich das Licht im Vakuum für alle Beobachter mit der selben Geschwindigkeit ausbreitet. Dies hat weitreichende Konsequenzen: So gehen laut spezieller Relativitätstheorie bewegte Uhren langsamer als relativ zu ihnen ruhende. Eine weitere Folge dieses Einstein'schen Theoriegebäudes ist die Massenzunahme beschleunigter Körper: Je schneller sich ein massives Objekt bewegt, desto mehr Energie wird ihm zugeschrieben. Und nach der Formel E=mc² bedeutet dies eine permanente Massenzunahme. Eine Sache jedoch fehlt der Speziellen Relativitätstheorie: Sie ist nicht in der Lage, die Gravitation mit zu berücksichtigen. Einstein unternahm enorme mathematische Anstrengungen, um diese Lücke in seiner Theorie zu schließen. Mit Erfolg: Zehn Jahre nach Veröffentlichung der SRT stellte er die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) vor. In ihr wird die Gravitation als Krümmung der Raumzeit beschrieben.
Eine Sonnenfinsternis für Einstein
Die Fachwelt war zunächst skeptisch. Verständlich, stellten Einsteins Überlegungen doch die bis dahin bekannten Gesetze über Raum und Zeit völlig auf den Kopf. Erst eine Sonnenfinsternis brachte der neuen Betrachtungsweise den ersehnten Ruhm: Die ART sagt zum Beispiel aus, dass der Weg des Lichts in der Nähe massereicher Objekte abgelenkt wird. So lag die Überlegung nahe, dass auch ein dicht an unserer Sonne vorbeilaufender Lichtstrahl seinen Weg leicht verändern sollte. Dies würde sich etwa dadurch bemerkbar machen, dass sich Positionen von Sternen scheinbar ein wenig verschieben, wenn sie sich von uns aus gesehen in die Nähe der Sonne bewegen. Weil die Sonne aber normalerweise diese Sterne überstrahlt, wartete man auf eine Sonnenfinsternis. Am 29. Mai 1919 war es dann soweit: Der Mond verdunktelte die Sonne und die Allgemeine Relativitätstheorie erleuchtete die Köpfe der Einstein-Kritiker. Die Positionen der Sterne haben sich tatsächlich auf jene Art verändert, wie es die ART vorhergesagt hatte.
Gravitationslinsen
Es gibt noch weitere Möglichkeiten, Effekte der Allgemeinen Relativitätstheorie zu beobachten: Wie schon erwähnt wird der Weg des Lichtes verändert, wenn es sich Objekten mit großer Masse nähert. Bei sogenannten Gravitationslinsen wird dieses Phänomen besonders deutlich: Hier wirken ganze Galaxien oder gar Galaxienhaufen als Linsensystem, indem sie das Licht einer anderen Quelle auf besondere Weise ablenken. Liegen nun Linse und Quelle auf einer Linie mit unserer Erde, kann das Licht der Quelle derart gebündelt werden, dass wir die Quelle (etwa eine andere Galaxie) stark verzerrt, oder sogar mehrfach wahrnehmen. Beim Einsteinkreuz wird dieser Effekt auf die Spitze getrieben, hier wird ein Quasar gleich vier Mal neben seiner Linse „abgebildet“. Gravitationslinsen können durch den Prozess der Strahlbündelung aber auch als Lichtverstärker dienen. Damit haben wir die Möglichkeit, auch Galaxien zu entdecken, die ohne vorgeschaltete Linse zu dunkel für unsere Teleskope wären.
Autor: M. Gänsler
Bildquelle
Ein interessanter Aspekt ist, dass Albert Einstein zunächst einmal die Spezielle Relativitätstheorie (SRT) aufgestellt hat. Veröffentlicht hat er sie im Jahre 1905. Diese Theorie fundiert unter anderem auf der Annahme, dass sich das Licht im Vakuum für alle Beobachter mit der selben Geschwindigkeit ausbreitet. Dies hat weitreichende Konsequenzen: So gehen laut spezieller Relativitätstheorie bewegte Uhren langsamer als relativ zu ihnen ruhende. Eine weitere Folge dieses Einstein'schen Theoriegebäudes ist die Massenzunahme beschleunigter Körper: Je schneller sich ein massives Objekt bewegt, desto mehr Energie wird ihm zugeschrieben. Und nach der Formel E=mc² bedeutet dies eine permanente Massenzunahme. Eine Sache jedoch fehlt der Speziellen Relativitätstheorie: Sie ist nicht in der Lage, die Gravitation mit zu berücksichtigen. Einstein unternahm enorme mathematische Anstrengungen, um diese Lücke in seiner Theorie zu schließen. Mit Erfolg: Zehn Jahre nach Veröffentlichung der SRT stellte er die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) vor. In ihr wird die Gravitation als Krümmung der Raumzeit beschrieben.
Eine Sonnenfinsternis für Einstein
Die Fachwelt war zunächst skeptisch. Verständlich, stellten Einsteins Überlegungen doch die bis dahin bekannten Gesetze über Raum und Zeit völlig auf den Kopf. Erst eine Sonnenfinsternis brachte der neuen Betrachtungsweise den ersehnten Ruhm: Die ART sagt zum Beispiel aus, dass der Weg des Lichts in der Nähe massereicher Objekte abgelenkt wird. So lag die Überlegung nahe, dass auch ein dicht an unserer Sonne vorbeilaufender Lichtstrahl seinen Weg leicht verändern sollte. Dies würde sich etwa dadurch bemerkbar machen, dass sich Positionen von Sternen scheinbar ein wenig verschieben, wenn sie sich von uns aus gesehen in die Nähe der Sonne bewegen. Weil die Sonne aber normalerweise diese Sterne überstrahlt, wartete man auf eine Sonnenfinsternis. Am 29. Mai 1919 war es dann soweit: Der Mond verdunktelte die Sonne und die Allgemeine Relativitätstheorie erleuchtete die Köpfe der Einstein-Kritiker. Die Positionen der Sterne haben sich tatsächlich auf jene Art verändert, wie es die ART vorhergesagt hatte.
Gravitationslinsen
Es gibt noch weitere Möglichkeiten, Effekte der Allgemeinen Relativitätstheorie zu beobachten: Wie schon erwähnt wird der Weg des Lichtes verändert, wenn es sich Objekten mit großer Masse nähert. Bei sogenannten Gravitationslinsen wird dieses Phänomen besonders deutlich: Hier wirken ganze Galaxien oder gar Galaxienhaufen als Linsensystem, indem sie das Licht einer anderen Quelle auf besondere Weise ablenken. Liegen nun Linse und Quelle auf einer Linie mit unserer Erde, kann das Licht der Quelle derart gebündelt werden, dass wir die Quelle (etwa eine andere Galaxie) stark verzerrt, oder sogar mehrfach wahrnehmen. Beim Einsteinkreuz wird dieser Effekt auf die Spitze getrieben, hier wird ein Quasar gleich vier Mal neben seiner Linse „abgebildet“. Gravitationslinsen können durch den Prozess der Strahlbündelung aber auch als Lichtverstärker dienen. Damit haben wir die Möglichkeit, auch Galaxien zu entdecken, die ohne vorgeschaltete Linse zu dunkel für unsere Teleskope wären.
Autor: M. Gänsler
Bildquelle
