100 Jahre ART

Jens Krampe Peter Valtink

25. November 1915

Einstein stellt seine Feldgleichungen der Gravitation in einer Sitzung der Preußischen Akademie der Wissenschaften vor.

Der Weg zur ART

Vor Einstein galt das Newtonsche Weltbild:

Die Zeit war in allen Inertialsystemenkonstant

Ereignisse konnten ohne Einschränkung gleichzeitiggeschehen

Die Gravitation wurde als instantanwirkende Kraft verstanden

Das Universum war unendlich und statisch

Isaak Newton

1905: Die SRT

Einstein veränderte mit derEinführung der speziellenRelativitätstheorie das Weltbildgrundlegend.

Aus der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit folgt:

Zeit vergeht in verschiedenen Inertialsystemen unterschiedlich

Gleichzeitigkeit ist nicht mehr genau definiert

Maßstäbe sind in verschiedenen Inertialsystemen unterschiedlich

Albert Einstein

Periheldrehung des Merkur

Newtons Gravitationstheorie erklärte alle astronomischen Phänomene mit hoher Präzision

Nur die winzige Periheldrehung des Merkur konnte noch nicht erklärt werden

Damals gab es aber keinen zwingenden Grund für eine neue Gravitationstheorie

Das Äquivalenzprinzip

Gravitationsfeld Beschleunigung

Schwere Masse

Träge Masse

1906 – 1909: Eötvös-Experiment

Das Verhältnis von schwerer und träger Masse ist mit einer Genauigkeit von 10-8 für

alle untersuchten Körper gleich.

Loránd Eötvös

1976 Shapiro

Laufzeitmessungen mit Apollo-Spiegel

Abstand Mond – Erde würde durch Sonnenmasse bestimmte Abweichungen erfahren

Äquivalenzprinzip mit einer Genauigkeit von 10-12 bestätigtIrwin Shapiro

1999 Adelburger

Verfeinerung der Torsionswaagedurch Einsatz von Elektronik,Abschirmung, Homogenitätder Probekörper

Äquivalenzprinzip mit einerGenauigkeit von 10-13

Kein Experiment konnte das Äquivalenzprinzip bisher falsifizieren!

Eric G. Adelberger

2016 MicroscopeGemessen wird das Verhalten von Zylindernaus verschiedenen Metallen im Gravitationsfeld

Missionsdauer: 18 – 24 Monate

Erwartete Genauigkeit von 10-15

Entwicklung und Tests der Beschleunigungssensoren unter0-G-Bedingungen bei ZARM

1919: Lichtablenkung

Beobachtung einer totalen Sonnenfinsternis durch Eddington

Position von Sternen nahe dem Sonnenrand müssten versetzt erscheinen

Erste Bestätigung einer Krümmung der Raumzeit

Arthur Eddington

1937: Gravitationslinsen

Einstein hielt das Auffinden von so genannten Doppelbildern für unwahrscheinlich

Zwicky untersuchte größere Strukturen (Galaxien) bezüglich Ihrer Bedeutung fürGravitationslinsen

Fritz Zwicky

1979: Gravitationslinsen

Rdioastronomen beobachten die erste Gravitationslinse

Anwendungen:Untersuchung von Objekten mit geringer Helligkeit

Bestimmung der Masse bzw. Massenverteilungder Gravitationslinse

Verbesserung der Werte für kosmologische Parameter

Die kosmologische Konstante Λ

Einsteins Weltbild: das Universum ist statisch und die Lösungen der Feldgleichungen sind nur für stationäre Universum sinnvoll

Zur Rettung führte Einstein die kosmologische Konstante Λ ein

Dynamisches Universum

1917: de Sitter beschreibt erstmalig einexpandierendes Universum

Das de-Sitter-Modell sagt eineRotverschiebung entfernter Galaxienvoraus

Willem de Sitter

Dynamisches UniversumWelche Konsequenzen hat eswenn man die ART auf dasgesamte Universum anwendet?

Friedmann verzichtet auf dieAnnahme eines stationärenUniversums

Λ wird überflüssigAlexander Friedmann

Dynamisches Universum

Lemaitre entwickelt unabhängigvon Friedmann einmathematisches Model einessich ausdehnenden Universums

Einstein: Berechnungen sindmathematisch richtigaber die Physik ist schrecklich

Lemaitre zeigt experimentelle Überprüfbarkeit durch Rotverschiebung

Georges Lemaitre

Hubble

Slipher vermass die Radial-geschwindigkeiten von Galaxienund entdeckte deren Rotverschiebung

Hubble untersuchte die Entfernungen Von Spiralnebeln

Die meisten Spektren wiesenEine Rotverschiebung auf

Theoretische Annahmen bezüglichEines dynamischen Universums wurdenbestätigt

Edwin Hubble

Vesto Melvin Slipher

Einsteins instabiles Universum

Eddington überzeugte Einsteinvon der Instabilität einesstatischen Universums

Einstein akzeptiert dieVorstellung einesexpandierenden Universums

Arthur Eddington

Λ kehrt zurück

Brian P. SchmidtSaul Perlmutter Adam G. Riess

1990er: Λ kehrt zurück

Supernova Cosmology Project

High-z Supernova Search Team

Untersuchungen zur Verlangsamung der Expansion des Universums

Supernove Typ 1aals Standardkerze

1990er: Λ kehrt zurück

Beide Teams finden aber beschleunigte Expansion!

1964: Shapiro-Verzögerung

In Nähe großer Massen scheint dieAusbreitungsgeschwindigkeit desLichts durch die Gravitations-Zeitdilatationverlangsamt

1968 bestätigte dieser Effekt die VorhersagederART

2002: CassiniGenauigkeit: 0,001 %

Irwin Shapiro

Rotverschiebung im G-Feld

1911 Einstein sagtRotverschiebung im G-Feld voraus

Relevanter Test der ART

1917 Rotverschiebung von Spektrallinien der Sonne1924 Sonnenteleskop (Einsteinturm)

Beide Experimente konnten die Rotverschiebung nicht nachweisen

1960 Pound-Rebka-Experiment

Gravitative Spektralverschiebung (Rotverschiebung) im G-Feld der ErdeExakte Frequenzmessung durchMößbauer-Effekt

Kompensation der Rotverschiebungdurch Doppler-Effekt

Bestätigung der ART mit einerGenauigkeit von 1%

Heute: 0,007%

H =

22

,6 m

Kristall

Kristall

1 mm/h

∆f=-10-15

2016 Galileo-Satelliten

2 Galileo-Satelliten in falscherUmlaufbahn werden für Messungenzur gravitativen Rotverschiebunggenutzt

Satelliten ändern 2 mal am Tag ihreEntfernung zur Erde um ca. 8000 km

Erwartet wird eine Verbesserungder Genauigkeit um einen Faktor 10

Claus Lämmerzahl

1971 Hafele-Keating-Experiment

4 Atomuhren an Bord vonPassagiermaschine

2 Erdumrundungen (Ost / West)Vergleich mit Atomuhren amBoden

Vorhersage ART: 179 ns inwestlicher Richtung

Die Übereinstimmung mit derART betrug ca. 10%

Richard KeatingJoseph Hafele

1975 Maryland-Experiment

Bessere Kontrolle der Versuchsbedingungen

Reduktion der Zeitdilatation durch langsam fliegende Militärmaschinen

Radarüberwachte Flugroute und Geschwindigkeit

5 Flüge von je 15 h Dauer

Übereinstimmung mit der ART: 1,6%

Genauigkeit heute: 10-16

Schwarze Löcher

1916: Schwarzschild findet eineLösung der Feldgleichungen die einSchwarzes Loch beschreibt

Einstein lehnte die Vorstellungderartiger Objekte ab.

Erst in den 1970er Jahren fandenSchwarze Löcher Beachtung

Karl Schwarzschild

Schwarze Löcher

1960: Hawking und Penrosebeweisen die Notwendigkeit vonSingularitäten in der ART

1967 Wheeler tauft das PhänomenSchwarzes Loch

1974 Hawking zeigt:Schwarze Löcher zerstrahlen

Stephen Hawking

Roger Penrose

John Archibald Wheeler

2002 Schwarze Löcher

Schwarzes Loch indirekt nachgewiesen

Keck-Teleskop, VLT

Umlaufzeit: 15,2 JahreGeschwindigkeit: 18 Mio. Km/h

Reinhard Genzel

Andrea Ghez

1918 Gravitationswellen

Newton : Instantane Wirkung derGravitation im gesamten Raum

Einstein: Jede Wirkung kann sich im Raum maximal mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten

Folglich muss es Gravitationswellen geben

Gravitationswellen

In den 1960er Jahren versuchtWeber den ersten Detektor fürG-Wellen zu entwickeln

Die G-Wellen sollten großeAlu-Zylinder in Resonanz versetzen

Joseph Weber

2005 Gravitationswellen

G-Wellen-Detektion durchLaserinterferometer

LIGO, GEO600, VIRGO

Bisher wurden noch keine G-Wellen gefunden

Empfindlichkeit der Anlagen wurde verbessert.

Nachweiß von G-Wellen ab 2017 erhofft

Gravitationswellen

Evolved Laser InterferometerSpace Antenna (eLISA)

Armlänge: 1 Mio. KmStart 2034

LISA Pathfinder startete am03.12.2015

Der Satellit soll Schlüsseltechnologienfür die eLISA-Mission testen

1918 Lense-Thirring-Effekt

Lense und Thirring sagen dennach ihnen benannten Effekt vorher

Rotierende Massen verdrillen lokaldie RaumzeitJoseph Lense

Hans Thirring

Frame-Dragging

Lense-Thirring-EffektFrame-Dragging

2005 Gravity Probe B:Lageabweichung von 4 rotierenden KugelnGenauigkeit: 5%

Lense-Thirring-Effekt

Seit 2012 LARES

Messungen sollen bis 2016durchgeführt werden

Über die Genauigkeit können nochkeine Angaben gemacht werden

Frame-Dragging

Binäre Laboratorien

1974 Entdeckung des erstenDoppelneutronensternsystemsdurch Hulse und Taylor

Nachweis der Zeitdilatation durcherhöhte Dichte im Periastron

Erster indirekter Nachweis vonG-Wellen durch Bestimmung derUmlaufzeiten

Russel Hulse, Joseph Taylor

Binäre Laboratorien

2002 Entdeckung des erstenDoppelpulsarsystems

Labor für 5 Tests zur ART:Rotverschiebung im G-FeldZeitdilation im G-FeldGravitationswellenDrehung des PeriastronsLense-Thirring-Effekt

Binäre Lobaratorien

2008 Entdeckung zweier sichumkreisender Schwarzer Löcher

Strahlungsausbrüche beimdurchqueren der Akkretionsscheibe

Abgestrahlte Leistung durchG-Wellen vergleichbar mit derGesamtleuchtkraft des Objekts

Verstärkte Suche nach Pulsarenin der Umgebung von Sagitarius A*

Raum und Zeit sind Newtons statische Bühne auf der sich die physikalischen Ereignisse abspielen

Raumzeit ist Einsteins dynamische Bühne

Diese Bühne unterliegt ebenso physikalischen Wirkungen wie sie physikalische Wirkungen verursacht

Fazit

Fazit

100 Jahre ART bedeutet auch:

100 Jahre Überprüfung mitzunehmender Häufigkeit undPräzision

Die ART erklärt eine große Anzahl beobachtbarer Phänomene

Kein Experiment konnte bisher eine der Grundannahmen oder Vorhersagen widerlegen

Zukünftige Theorien werden die ART nicht als falsch erweisen sondern erweitern.

Einstein 2.0

Peter Valtink, 2016

Peter Valtink, 2016

Eine Zusammenfassung

eines aufregenden Buches:

„Einsteins verlorener

Schlüssel – warum wir die

beste Idee des 20.

Jahrhunderts übersehen

haben“ von

Alexander Unzicker

© 2015

Einstein 2.0

Peter Valtink, 2016

Die Idee:

5 große Theoretiker des

letzten Jahrhunderts

liefern zusammen einen

neuen Ansatz für ein

tieferes Verständnis von

Raum + Zeit

Einstein 2.0

Die vergessene Idee von 1911:

Peter Valtink, 2016

Einstein 2.0

Nach seinem

magischen Jahr 1905

kommt Einstein 1911in Prag eine weitere revolutionäre Idee !

„Über den Einfluß der Schwerkraft auf die Ausbreitung des Lichts“, S. 906, Annalen der Physik

Warum vergessen ?

Peter Valtink, 2016

Einstein 2.0

1905 Annusmirabilis

1915 ARTPrag

1911

Urknall, beschl. Expansion, Dunkle Theorien, etc

Chance für ein neues

Verständnis von Raum

und Zeit !

?

Die vergessene Idee von 1911:

Peter Valtink, 2016

Einstein 2.0

(Einsteins Originalveröffentlichung 1911 , S. 906, Annalen der Physik)

„Über den Einfluß der Schwerkraft auf die Ausbreitung des Lichts“, S. 898 ff, Annalen der Physik

Die vergessene Idee von 1911:

Peter Valtink, 2016

Einstein 2.0

Φ = Gravitationspotential

Φ = - GM/r

Φ = Energie, die ein Körper m im Abstand r

zu einer größeren Masse M hat

Φ = Einheit: m2/s2 ( wie c2 ! )

Die vergessene Idee von 1911:

Peter Valtink, 2016

Einstein 2.0

Die vergessene Idee von 1911:

Peter Valtink, 2016

Einstein 2.0

Mit anderen Worten:

Die Lichtgeschwindigkeit ist in

Abhängigkeit unterschiedlicher

Gravitationverhältnisse

variabel !!

Peter Valtink, 2016

Einstein 2.0

Mach‘sches Prinzip:Bewegungen und

Trägheit definieren

sich nur in Bezug zu

allen anderen

Körpern des Universums

Ernst Mach (1838 – 1916)

Peter Valtink, 2016

Einstein 2.0

Folgerung:das Gravitationspotenzial aller Massen im

Universum ist genau gleich dem Quadrat

der Lichtgeschwindigkeit !

Und tatsächlich stimmen die Werte im Rahmen der Messgenauigkeit überein!

Peter Valtink, 2016

Einstein 2.0

Schrödinger hatte neben der

Quantenphysik

auch viele

Veröffentlichungen

zum Thema Kosmologie

Erwin Schrödinger (1887 – 1961)

Peter Valtink, 2016

Einstein 2.0

Peter Valtink, 2016

Einstein 2.0

Im Gravitationsfeld schwingen Atome

langsamer und(!)

produzieren kürzere

Wellenlängen.

Wegen c = λ fändert sich c im G.-

Feld doppeltRobert Dicke (1916 – 1997)

Peter Valtink, 2016

Einstein 2.0

Dicke‘s Folgerung:

Peter Valtink, 2016

Einstein 2.0

Folgerung:

Einsteins ART kann vielleicht durch

Einsteins besseres Konzept der Variablen Lichtgeschwindigkeit ersetzt werden und

führt zu einem besseren Verständnis von

Raum + Zeit:

Raumkrümmung ist nichts anderes als

gekrümmte Lichtstrahlen

c ist nicht nur eine Funktion des Ortes

sondern auch der Zeit !

Peter Valtink, 2016

Einstein 2.0

ART vs. Variable Lichtgeschwindigkeit:

- Vorhersage Ablenkung des Lichts durch

die Sonne bei beiden gleich !

- Zeitliche Verzögerung von Lichtstrahlen

bei variabler Geschw. direkt klar !- Perihelverschiebung des Merkur wird

ebenfalls korrekt berechnet

Peter Valtink, 2016

Einstein 2.0

Konsequenzen für ein kosmologisches

Modell 1 :

-Rotverschiebung nicht durch

expandierendes Universum

-c beschreibt, wie schnell sich der

Horizont erweitert-Kein Urknall, wohl aber eine Evolution

des Universums

Peter Valtink, 2016

Einstein 2.0

Konsequenzen für ein kosmologisches

Modell 2 :

-Dunkle Materie und Dunkle Energie nicht

nötig…Void-Strukturen werden erklärbar !

-Die Gravitationskonstante nimmt mit der

Zeit ab…Nachweis durch Zunahme des Erdradius noch nicht geklärt !

Einstein:„Es ist schwieriger, eine vorgefaßte

Meinung zu zertrümmern, als ein

Atom.“

Peter Valtink, 2016