Relativitätstheorie - Wikipedia

Die Relativitätstheorie umfasst normalerweise zwei miteinander in Beziehung stehende Theorien von Albert Einstein: Spezielle Relativitätstheorie und Allgemeine Relativitätstheorie. ^[1] Die spezielle Relativitätstheorie gilt für Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen und beschreibt alle ihre physikalischen Phänomene mit Ausnahme der Schwerkraft. Die allgemeine Relativitätstheorie erklärt das Gravitationsgesetz und seine Beziehung zu anderen Naturkräften. ^[2] Sie gilt für den kosmologischen und astrophysikalischen Bereich einschließlich der Astronomie. ^[3]

Die Theorie verwandelte die theoretische Physik und Astronomie während des 20. Jahrhunderts und setzte ein Die jahrhundertealte Theorie der Mechanik, die in erster Linie von Isaac Newton entwickelt wurde. ^[3][4][5] Sie führte Konzepte ein, die die Raumzeit als eine Einheit von Raum und Zeit, Relativitätstheorie der Gleichzeitigkeit, kinematische und Gravitationszeitdilatation und Längenkontraktion einführten. Auf dem Gebiet der Physik verbesserte die Relativitätstheorie die Wissenschaft der Elementarteilchen und ihrer grundlegenden Wechselwirkungen sowie den Beginn des Atomzeitalters. Mit Relativitätstheorie, Kosmologie und Astrophysik konnten außergewöhnliche astronomische Phänomene wie Neutronensterne, Schwarze Löcher und Gravitationswellen vorhergesagt werden. ^[3][4][5]

Entwicklung und Akzeptanz

Albert Einstein veröffentlichte 1905 die Theorie der speziellen Relativitätstheorie und stützte sich dabei auf viele theoretische Ergebnisse und empirische Ergebnisse erhalten von Albert A. Michelson, Hendrik Lorentz, Henri Poincaré und anderen. Nachfolgend haben Max Planck, Hermann Minkowski und andere gearbeitet.

Einstein entwickelte zwischen 1907 und 1915 eine allgemeine Relativitätstheorie, nach 1915 wurde er von vielen anderen mitgestaltet. Die endgültige Form der allgemeinen Relativitätstheorie wurde 1916 veröffentlicht. ^[3]

Der Begriff "Relativitätstheorie" basiert auf dem Ausdruck "Relative Theorie" (19459025) (Relativtheorie ) von Planck, der 1906 von Planck verwendet wurde. Er betonte, wie die Theorie das Relativitätsprinzip verwendet. In dem Diskussionsabschnitt der gleichen Arbeit verwendete Alfred Bucherer zum ersten Mal den Ausdruck "Relativitätstheorie " (19459026). ^[6] [19459285]

In den 1920er Jahren verstand die Physik-Gemeinschaft die besondere Relativitätstheorie und akzeptierte sie. ^[8] Sie wurde schnell zu einem wichtigen und notwendigen Werkzeug für Theoretiker und Experimentatoren auf den neuen Gebieten der Atomphysik, der Kernphysik und der Quantenmechanik.

Im Vergleich dazu schien die allgemeine Relativitätstheorie nicht so nützlich zu sein, abgesehen von geringfügigen Korrekturen der Vorhersagen der Newtonschen Gravitationstheorie. ^[3] Sie schien wenig experimentell zu testen, da die meisten ihrer Aussagen astronomisch waren . Seine Mathematik schien nur für eine kleine Anzahl von Menschen schwierig und verständlich zu sein. Um 1960 wurde die allgemeine Relativitätstheorie von zentraler Bedeutung für Physik und Astronomie. Neue mathematische Techniken zur Anwendung der allgemeinen Relativitätstheorie rationalisierten die Berechnungen und machten deren Konzepte einfacher zu visualisieren. Als astronomische Phänomene entdeckt wurden, wie Quasare (1963), die 3-Kelvin-Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (1965), Pulsare (1967) und die ersten Schwarzen-Loch-Kandidaten (1981), ^[3] erklärten die Theorie ihre Eigenschaften und Messung von ihnen bestätigte die Theorie weiter.

Spezielle Relativitätstheorie

Spezielle Relativitätstheorie ist eine Theorie der Struktur der Raumzeit. Es wurde in Einsteins Papier von 1905 "Über die Elektrodynamik bewegter Körper" (für die Beiträge vieler anderer Physiker siehe Geschichte der speziellen Relativitätstheorie) vorgestellt. Die spezielle Relativitätstheorie basiert auf zwei Postulaten, die sich in der klassischen Mechanik widersprechen:

1. Die Gesetze der Physik sind für alle Beobachter gleichförmig, die sich relativ zueinander bewegen (Relativitätsprinzip).


2. Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist für alle Betrachter gleich, unabhängig von ihrer relativen Bewegung oder von die Bewegung der Lichtquelle.

Die resultierende Theorie beherrscht das Experiment besser als die klassische Mechanik. Postulat 2 erläutert beispielsweise die Ergebnisse des Michelson-Morley-Experiments. Darüber hinaus hat die Theorie viele überraschende und nicht eingreifende Konsequenzen. Einige davon sind:

• Relativität der Gleichzeitigkeit: Zwei Ereignisse, die gleichzeitig für einen Beobachter gleichzeitig sind, können für einen anderen Beobachter nicht gleichzeitig sein, wenn sich die Beobachter in relativer Bewegung befinden.


• Zeitdilatation: Uhren werden gemessen, um langsamer zu ticken als das "stationäre" eines Beobachters. clock.


• Längenkontraktion: Es wird gemessen, dass Objekte in der Richtung, in der sie sich in Bezug auf den Beobachter bewegen, verkürzt werden.


• Maximale Geschwindigkeit ist endlich: Kein physisches Objekt, keine Nachricht oder Feldlinie kann sich schneller bewegen als die Geschwindigkeit von Licht im Vakuum.


• Die Wirkung der Schwerkraft kann nur mit Lichtgeschwindigkeit durch den Raum wandern, nicht schneller oder augenblicklich.


• Masse-Energie-Äquivalenz: E = mc ^{] 2} Energie und Masse sind gleichwertig und umwandelbar.


• Relativistische Masse, von einigen Forschern verwendete Idee. ^[9]

Das bestimmende Merkmal der speziellen Relativitätstheorie ist der Ersatz der galiläischen Transformationen der klassischen Mechanik durch die Lorentz Transformationen. (Siehe Maxwells Gleichungen des Elektromagnetismus).

Allgemeine Relativitätstheorie

Die Allgemeine Relativitätstheorie ist eine von Einstein in den Jahren 1907–1915 entwickelte Theorie der Gravitation. Die Entwicklung der allgemeinen Relativitätstheorie begann mit dem Äquivalenzprinzip, bei dem die Zustände der beschleunigten Bewegung und des Ruhezustands in einem Gravitationsfeld (zum Beispiel beim Stehen auf der Erdoberfläche) physikalisch identisch sind. Das Ergebnis davon ist, dass der freie Fall eine Trägheitsbewegung ist: Ein Objekt im freien Fall fällt ab, weil sich Objekte so bewegen, wenn keine Kraft auf sie ausgeübt wird, statt auf die Schwerkraft wie in diesem Fall klassische Mechanik. Dies ist mit der klassischen Mechanik und der speziellen Relativitätstheorie nicht vereinbar, da sich in diesen Theorien inertial bewegte Objekte nicht zueinander beschleunigen können, im freien Fall jedoch Objekte. Um diese Schwierigkeit zu lösen, schlug Einstein zunächst vor, die Raumzeit sei gekrümmt. Im Jahr 1915 entwickelte er die Einstein-Feldgleichungen, die die Krümmung der Raumzeit mit der Masse, der Energie und dem darin enthaltenen Impuls in Beziehung setzen.

Einige der Folgen der allgemeinen Relativitätstheorie sind:

Technisch ist die allgemeine Relativitätstheorie eine Theorie der Gravitation, deren bestimmendes Merkmal die Verwendung der Einstein-Feldgleichungen ist. Die Lösungen der Feldgleichungen sind metrische Tensoren, die die Topologie der Raumzeit und die Trägheit der Objekte definieren.

Experimentelle Beweise

Einstein stellte fest, dass die Relativitätstheorie zu einer Klasse von "Prinziptheorien" gehört. Als solches verwendet es eine analytische Methode, was bedeutet, dass die Elemente dieser Theorie nicht auf einer Hypothese basieren, sondern auf empirischer Entdeckung. Durch die Beobachtung natürlicher Prozesse verstehen wir ihre allgemeinen Eigenschaften, entwickeln mathematische Modelle, um zu beschreiben, was wir beobachteten, und mit analytischen Mitteln schließen wir die notwendigen Bedingungen ab, die erfüllt sein müssen. Die Messung einzelner Ereignisse muss diese Bedingungen erfüllen und mit den Schlussfolgerungen der Theorie übereinstimmen. ^[2]

Tests der besonderen Relativitätstheorie

Die Relativitätstheorie ist eine verfälschbare Theorie: Sie macht Vorhersagen, die experimentell getestet werden können. Im Falle der speziellen Relativitätstheorie sind dies das Prinzip der Relativitätstheorie, die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit und die Zeitdilatation. ^[11] Die Vorhersagen der speziellen Relativitätstheorie wurden in zahlreichen Tests bestätigt, seit Einstein seine Arbeit 1905 veröffentlichte, aber drei Experimente, die zwischen 1881 und 1938 durchgeführt wurden, waren für die Validierung kritisch. Dies sind das Michelson-Morley-Experiment, das Kennedy-Thorndike-Experiment und das Ives-Stilwell-Experiment. Einstein hat die Lorentz-Transformationen 1905 aus den ersten Prinzipien abgeleitet, aber diese drei Experimente erlauben es, die Transformationen durch experimentelle Beweise zu induzieren.

Die Maxwellschen Gleichungen - die Grundlage des klassischen Elektromagnetismus - beschreiben Licht als eine Welle, die sich mit einer charakteristischen Geschwindigkeit bewegt. Die moderne Ansicht ist, dass Licht kein Übertragungsmedium braucht, aber Maxwell und seine Zeitgenossen waren davon überzeugt, dass sich Lichtwellen in einem Medium ausbreiteten, analog zu den sich in der Luft ausbreitenden Geräuschen und sich auf der Oberfläche eines Teichs ausbreitenden Wellen. Dieses hypothetische Medium wurde als leuchtender Äther bezeichnet, der sich in Relation zu den "Fixsternen" befindet und durch die sich die Erde bewegt. Die partielle Ätherzieh-Hypothese von Fresnel schloss die Messung von Effekten erster Ordnung (v / c) aus, und obwohl Beobachtungen von Effekten zweiter Ordnung (v ² / c ² ) möglich waren Maxwell hielt sie im Prinzip für zu klein, um mit der damaligen Technologie erkannt zu werden. ^{[12] [13]}

Das Michelson-Morley-Experiment diente der Ermittlung zweiter Ordnung Auswirkungen des "Ätherwindes" - die Bewegung des Äthers relativ zur Erde. Michelson entwickelte dafür ein Instrument namens Michelson-Interferometer. Der Apparat war mehr als genau genug, um die erwarteten Auswirkungen zu erkennen, aber er erhielt ein Nullergebnis, als das erste Experiment 1881 ^[14] und erneut 1887 durchgeführt wurde. ^[15] Obwohl das Versagen, einen Ätherwind zu erkennen, eine Enttäuschung war Die Ergebnisse wurden von der wissenschaftlichen Gemeinschaft akzeptiert. ^[13] In einem Versuch, das Ätherparadigma zu retten, schufen FitzGerald und Lorentz unabhängig voneinander eine Ad-hoc-Hypothese in der sich die Länge der materiellen Körper entsprechend ihrer Bewegung ändert der Äther. ^[16] Dies war der Ursprung der FitzGerald-Lorentz-Kontraktion, und ihre Hypothese hatte keine theoretischen Grundlagen. Die Interpretation des Nullergebnisses des Michelson-Morley-Experiments lautet, dass die Umlaufzeit für Licht isotrop ist (unabhängig von der Richtung), aber das Ergebnis allein reicht nicht aus, um die Theorie des Äthers zu vernachlässigen oder die Vorhersagen von besonderem zu bestätigen Relativitätstheorie. ^[17][18]

Während das Michelson-Morley-Experiment zeigte, dass die Lichtgeschwindigkeit isotrop ist, sagte es nichts darüber aus, wie sich die Größe der Geschwindigkeit in verschiedenen Inertialsystemen (wenn überhaupt) änderte. Das Kennedy-Thorndike-Experiment wurde dafür entwickelt und 1932 von Roy Kennedy und Edward Thorndike erstmals durchgeführt. ^[19] Sie erzielten ein Null-Ergebnis und kamen zu dem Schluss, dass "es keinen Effekt gibt ... es sei denn, die Geschwindigkeit des Solars." Das System im Weltraum ist nicht mehr als etwa halb so groß wie die Erde in seiner Umlaufbahn. "^[18][20] Diese Möglichkeit wurde als zu zufällig angesehen, um eine akzeptable Erklärung zu liefern. Daher wurde aus dem Nullergebnis ihres Experiments geschlossen, dass die Runde Die Auslösezeit für Licht ist in allen Trägheitsreferenzrahmen die gleiche. ^{[17] [18]}

Das Ives-Stilwell-Experiment wurde von Herbert Ives und GR durchgeführt Stilwell zuerst 1938 ^[21] und mit einer besseren Genauigkeit 1941. ^[22] Es wurde entwickelt, um den transversalen Doppler-Effekt zu testen - die Rotverschiebung von Licht aus einer sich von Einstein in Richtung senkrecht zu seiner Geschwindigkeit bewegenden Quelle 1905. Die Strategie bestand darin, beobachtete Dopplerverschiebungen mit den durch die klassische Theorie vorhergesagten zu vergleichen und nach einer Lorentz-Korrektur zu suchen. Eine solche Korrektur wurde beobachtet, woraus geschlossen wurde, dass die Frequenz einer sich bewegenden Atomuhr entsprechend der speziellen Relativitätstheorie geändert wird. ^{[17] [18]}

Diese klassischen Experimente haben wurde mehrfach mit erhöhter Genauigkeit wiederholt. Andere Experimente umfassen zum Beispiel relativistische Energie- und Impulszunahme bei hohen Geschwindigkeiten, experimentelles Testen der Zeitdilatation und moderne Suche nach Lorentz-Verletzungen.

Allgemeine Relativitätstests

Auch die allgemeine Relativitätstheorie wurde mehrfach bestätigt. Klassische Experimente waren die Perihel-Präzession des Merkur-Orbits, die Ablenkung des Lichts durch die Sonne und die Rotationsverschiebung des Lichts. Andere Tests bestätigten das Äquivalenzprinzip und das Ziehen von Bildern.

Moderne Anwendungen

Relativistische Effekte sind nicht nur von theoretischem Interesse, sondern sind ein wichtiges Anliegen der Praxis. Bei der satellitengestützten Messung müssen relativistische Effekte berücksichtigt werden, da jeder Satellit relativ zu einem erdgebundenen Benutzer in Bewegung ist und sich daher unter der Relativitätstheorie in einem anderen Bezugsrahmen befindet. Globale Positionierungssysteme wie GPS, GLONASS und das kommende Galileo müssen alle relativistischen Effekte wie die Folgen des Erdschwerefeldes berücksichtigen, um mit Präzision arbeiten zu können. ^[23] Dies ist auch der Fall im Hoch Präzisionsmessung der Zeit. ^[24] Instrumente, die von Elektronenmikroskopen bis zu Teilchenbeschleunigern reichen, würden nicht funktionieren, wenn relativistische Überlegungen weggelassen würden.

Siehe auch

Referenzen

1. ^ Einstein A. (1916), Relativitätstheorie: Die spezielle und allgemeine Theorie (Übersetzung 1920), New York: H. Holt und Company
   


2. ^ ^{a b} Einstein, Albert (28. November 1919). "Zeit, Raum und Gravitation" . The Times
   


3. ^ ^{a b c d e f [19589028] Will, Clifford M (2010). "Relativität". Grolier Multimedia Encyclopedia . Abgerufen 2010-08-01 .}
   


4. ^ ^{a b [19589028] Will Clifford M (2010). "Raum-Zeit-Kontinuum". Grolier Multimedia Encyclopedia . 2010-08-01 .}
   


5. ^ ^{a b [19589028] Will Clifford M (2010). "Fitzgerald-Lorentz-Kontraktion". Grolier Multimedia Encyclopedia . 2010-08-01 .}
   


6. ^ Planck, Max (1906), "Die Kaufmannschen Messungen der Ablenkbarkeit der β-Strahlen in ihrer Bedeutung für die Dynamik der Elektronen Messungen von Kaufmann über die Ablenkbarkeit von β-Strahlen in ihrer Bedeutung für die Dynamik der Elektronen) " Physikalische Zeitschrift 7 : 753–761
   


7. ^ 19659093] Miller, Arthur I. (1981), Albert Einsteins spezielle Relativitätstheorie. Emergence (1905) und frühe Interpretation (1905–1911) Lesung: Addison-Wesley, ISBN 978-0-201-04679-3
   


8. ^ Hey, Anthony J. G .; Walters, Patrick (2003). Das neue Quantenuniversum (illustriert, überarbeitet). Cambridge University Press. p. 227. Bibcode: 2003nqu..book ..... H. ISBN 978-0-521-56457-1. Auszug aus Seite 227
   


9. ^ Greene, Brian. "Die Relativitätstheorie damals und heute" . 2015-09-26 .
   


10. ^ Feynman, Richard Phillips; Morínigo, Fernando B .; Wagner, William; Pines, David; Hatfield, Brian (2002). Feynman-Vorträge über die Gravitation . Westansicht Presse. p. 68. ISBN 978-0-8133-4038-8 Vortrag 5
    


11. ^ Roberts, T; Schleif, S; Dlugosz, JM (Hrsg.) (2007). "Was ist die experimentelle Basis der Speziellen Relativitätstheorie?" Usenet-Physik - FAQ . Universität von Kalifornien, Riverside . Abgerufen 2010-10-31 . CS1 Pflege: Zusätzlicher Text: Autorenliste (Link)
    


12. ^ Maxwell, James Clerk (1880), "Über einen möglichen Modus des Erfassens einer Bewegung des Sonnensystems durch den leuchtenden Äther " Nature 21 (535): 314–315, Bibcode: 1880Natur..21S.314. doi: 10.1038 / 021314c0
    


13. ^ a
    ^b Pais, Abraham (1982). "Subtle ist der Herr ...": Die Wissenschaft und das Leben von Albert Einstein (1. Ausgabe). Oxford: Oxford Univ. Drücken Sie. S. 111–113. ISBN 978-0-19-280672-7.
    


14. ^ Michelson, Albert A. (1881). "Relative Bewegung der Erde und des leuchtenden Äthers" . American Journal of Science . 22 (128): 120–129. Bibcode: 1881AmJS ... 22..120M. Doi: 10.2475 / ajs.s3-22.128.120.
    


15. ^ Michelson, Albert A. & Morley, Edward W. (1887). "Über die Relativbewegung der Erde und des leuchtenden Äthers" . American Journal of Science . 34 (203): 333–345. Bibcode: 1887AmJS ... 34..333M. doi: 10.2475 / ajs.s3-34.203.333. CS1: Mehrere Namen: Autorenliste (Link)
    


16. ^ Pais, Abraham (1982). "Subtle ist der Herr ...": Die Wissenschaft und das Leben von Albert Einstein (1. Ausgabe). Oxford: Oxford Univ. Drücken Sie. p. 122. ISBN 978-0-19-280672-7.
    


17. ^ ^{a b c} Robertson, HP (Juli 1949). "Postulat versus Beobachtung in der Speziellen Relativitätstheorie" (PDF) . Reviews of Modern Physics . 21 (3): 378–382. Bibcode: 1949RvMP ... 21..378R. doi: 10.1103 / RevModPhys.21.378.
    


18. ^ ^a b
    ^{099908] d Taylor, Edwin F .; John Archibald Wheeler (1992). Spacetime-Physik: Einführung in die spezielle Relativitätstheorie (2. Ausgabe). New York: W.H. Freeman S. 84–88. ISBN 978-0-7167-2327-1.}
    


19. ^ Kennedy, R. J .; Thorndike, E. M. (1932). "Experimentelle Feststellung der Relativität der Zeit". Physical Review . 42 (3): 400–418. Bibcode: 1932PhRv ... 42..400K. doi: 10.1103 / PhysRev.42.400.
    


20. ^ Robertson, H.P. (Juli 1949). "Postulat versus Beobachtung in der Speziellen Relativitätstheorie" (PDF) . Reviews of Modern Physics . 21 (3): 381. Bibcode: 1949RvMP ... 21..378R. doi: 10.1103 / revmodphys 21.378.
    


21. ^ Ives, H.E .; Stilwell, G.R. (1938). "Eine experimentelle Studie über die Geschwindigkeit einer sich bewegenden Atomuhr". Zeitschrift der Optical Society of America . 28 (7): 215. Bibcode: 1938JOSA ... 28..215I. doi: 10.1364 / JOSA.28.000215.
    


22. ^ Ives, H.E .; Stilwell, G.R. (1941). "Eine experimentelle Studie der Geschwindigkeit einer sich bewegenden Atomuhr. II". Zeitschrift der Optical Society of America . 31 (5): 369. Bibcode: 1941JOSA ... 31..369I. doi: 10.1364 / JOSA.31.000369.
    


23. ^ "Archivierte Kopie" (PDF) . Archiviert aus dem Original (PDF) am 05.11.2015 . Abgerufen 2015-12-09 . CS1 Pflege: Archivierte Kopie als Titel (Link)
    


24. ^ Francis, S .; B. Ramsey; S. Stein; Leitner, J .; Moreau, J. M .; Burns, R .; Nelson, R. A .; Bartholomew, T. R .; Gifford, A. (2002). "Zeitnahme und Zeitverbreitung in einem verteilten Weltraumuhrensemble" (PDF) . 34. Jahrestagung der Systeme und Anwendungen für genaue Zeit- und Zeitintervalle (PTTI) : 201–214. Nach dem Original (PDF) am 17. Februar 2013 archiviert. 14. April 2013 .
    

Weiterführende Literatur

• Einstein, Albert (2005). Relativitätstheorie: Die spezielle und allgemeine Theorie . Übersetzt von Robert W. Lawson (The masterpiece science ed.). New York: Pi Press. ISBN 978-0-13-186261-6.


• Einstein, Albert. Relativitätstheorie: Die spezielle und allgemeine Theorie (PDF) . 1920: Henry Holt and Company


• Einstein, Albert; trans. Schilpp; Paul Arthur (1979). Albert Einstein, Autobiographical Notes (A Centennial ed.). La Salle, IL: Open Court Publishing Co. ISBN 978-0-87548-352-8


• Einstein, Albert (2009). Einsteins Aufsätze in der Wissenschaft . Übersetzt von Alan Harris (Dover ed.). Mineola, NY: Dover-Veröffentlichungen. ISBN 978-0-486-47011-5.


• Einstein, Albert (1956) [1922]. Die Bedeutung der Relativitätstheorie (5 ed.). Princeton University Press.


• Die Bedeutung der Relativitätstheorie Albert Einstein: Vier Vorträge an der Princeton University, Mai 1921


• Wie ich die Relativitätstheorie schuf Albert Einstein, 14. Dezember 1922; Physics Today August 1982


• Relativitätstheorie Sidney Perkowitz Encyclopædia Britannica

Externe Links

Wikisource hat Originalarbeiten zum Thema: Relativity