Gravitationswellen
Albert Einstein & seine Relativitätstheorie
Inhalt
Inhalt 1
1Albert Einstein (1879 – 1955) 2
1.1Die Spezielle Relativitätstheorie 3
1.1.1Die Relativität von Raum & Zeit 3
1.1.2Die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit 3
1.1.3Die Äquivalenz von Masse & Energie 4
1.2Die Allgemeine Relativitätstheorie 5
2Gravitationswellen 7
2.1Wellen in der Raumzeit 7
2.2Der Effekt der Gravitationswellen 8
2.3Der erste direkte Nachweis 9
2.3.1Interferometrische Detektoren 9
2.4Neue Einblicke ins Universum 11
Literaturverzeichnis 12
Abbildungsverzeichnis 13
Albert Einstein (1879 – 1955)
Albert Einstein gilt als einer der bedeutendsten Physiker der Geschichte. Er war Begründer der Relativitätstheorie und Wegbereiter der Quantentheorie. Einstein erbrachte also bahnbrechende Beiträge für die großen Theorien der modernen Physik.
1905 begründete er die Lichtquantentheorie und wandte diesen auf den Fotoeffekt an. Zudem erkannte er eine neue Methode zur Messung von Molekülgrößen und erklärte die Brownsche Molekularbewegung.
Einsteins Hauptwerk ist jedoch die „Relativitätstheorie“. Ebenfalls im Jahr 1905 entwickelte Einstein die „Spezielle Relativitätstheorie“. Seine Arbeit „Zur Elektrodynamik bewegter Körper“ behandelt die Theorie der „Äquivalenz von Masse und Energie“, welche die Grundlage für die Nutzung der Kernspaltung ist, die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit und zeigt die Relativität der Zeit. 1915 publizierte er schließlich die „Allgemeine Relativitätstheorie“.
Seine Gravitationstheorie erklärt mathematisch das Phänomen der Gravitation als Folge der Raumkrümmung und ist die Grundlage aller Theorien des Kosmos´.
Einsteins Forschungen und Entdeckungen änderten das physikalische Weltbild grundlegend und legten den Grundstein zur modernen Atom – und Teilchenphysik.1
Die Spezielle Relativitätstheorie
Die „Spezielle Relativitätstheorie“ wurde am 30. Juni 1905 postuliert und beschäftigt sich mit der Frage der Relativität abhängig von zueinander bewegenden Beobachtern. Einsteins Theorie bezieht sich jedoch nur auf freie, unbeschleunigte Bezugssysteme, sogenannte Inertialsysteme.
Eines der Grundprinzipien der „Speziellen Relativitätstheorie“ ist das Relativitätsprinzip, welches besagt, dass Naturgesetze für alle Beobachter die gleiche Form haben.
Die Relativität von Raum & Zeit
Einstein behandelt in seiner Theorie die Relativität von Raum und Zeit und zeigt, dass Gleichzeitigkeit ein relatives Konzept ist.
Des Weiteren beschreibt die „Spezielle Relativitätstheorie“ die Zeitdilatation, also die Relativität einer zeitlichen Dauer eines Vorgangs vom Beobachter. In einem sich schnell bewegenden Objekt vergeht die Zeit langsamer als in einem starren Objekt. Bewegt sich also ein Körper im Raum, verkürzt sich seine Bewegung in der Zeit.
Das Gegenkonzept dazu ist die Längenkontraktion, die davon ausgeht, dass sich der Abstand zweier Systeme relativ zu ihrer Geschwindigkeit ändert. Umso schneller sich nun das messende und das gemessene System bewegen würden, desto kleiner wäre der Abstand.
Die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit
Licht ist eine absolute Geschwindigkeit im Vakuum und breitet sich, unabhängig von der Bewegung der Lichtquelle, immer mit exakt der gleichen Geschwindigkeit von ungefähr 300.000 Kilometer in der Sekunde aus. Die Lichtgeschwindigkeit ist die Höchstgeschwindigkeit für die Bewegung von Objekten und Übertragung von Informationen.
Nun wäre eine unendlich große Kraft nötig, um das Objekt ganz auf Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen.
Die „Äquivalenz von Masse und Energie“ zeigt zudem, dass jede Energie, die man einem Körper zuführt, seine Masse erhöht. Doch auch ein ruhender Körper enthält aufgrund seiner Masse Energie. Einstein erklärt also, dass Energie und Masse untrennbar verbunden sind. Masse ist lediglich eine andere Form der Energie. E = mc²2
Die Allgemeine Relativitätstheorie
Die „Allgemeine Relativitätstheorie“ wurde 1915 veröffentlicht und basiert auf den Grundlagen der Relativität und des Newtonschen Gravitationsgesetzes. Einsteins Theorie der Schwerkraft beschreibt die Gravitation als geometrische Eigenschaft der gekrümmten vierdimensionalen Raumzeit.
Abbildung 1: Krümmung der Raumzeit3
Überprüfungen der Bahnbewegung des Merkurs bewiesen die „Allgemeine Relativitätstheorie“. Einsteins Theorie besagt, dass sich Planeten auf der Bahn einer Rosette fortbewegen würden. So verändert sich die Position ihres Perihels und Aphels, also des sonnennächsten und sonnenfernsten Bahnpunkts, bei jedem Umlauf.
Der beobachtete Verschiebungseffekt des Merkurs konnte aufgrund der „Allgemeinen Relativitätstheorie“ berechnet werden und gilt als „relativistische Periheldrehung“.
Einsteins „Allgemeine Relativitätstheorie“ erklärt auch, dass Licht von der Gravitation beeinflusst wird. Beispielsweise werden Lichtstrahlen zu einem massiven Körper hin verbogen.
Abbildung 2: relativistische Lichtablenkung4
Die „relativistische Lichtablenkung“ konnte erstmals 1919 während einer Sonnenfinsternis beobachtet und aufgrund des Ablenkungseffekts des Lichts eines Sternes, der nahe dem Sonnenrand vorbeistrich, gemessen werden.
Abbildung 3: Anwendung des Ablenkungseffekts – Effekt der Gravitationslinsen6
Gravitationswellen
Wellen in der Raumzeit
Gravitationswellen ergeben sich als direkte Folge der „Allgemeinen Relativitätstheorie“. Einstein erkannte, dass Gravitation eine geometrische Eigenschaft des vierdimensionalen Raums sein muss.
Abbildung 4: Darstellung von Gravitationswellen7
Jede Bewegung beschleunigter Massen verformt die Raumzeit und sendet zudem Gravitationswellen aus. Somit sind diese Wellen physikalische Verzerrung der Raumzeit. Gravitationswellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus und während ihres Wegs durch das Universum stauchen und strecken sie die Raumzeit, sodass die Bewegung von Himmelskörpern beeinflusst wird und sich für kurze Zeit der Abstand von Objekten oder Teilchen im Raum verändert.8
Je massereicher ein Körper ist, desto niederfrequenter ist die abgesandte Strahlung und umso stärker ist sein Gravitationsfeld.
Wissenschaftler konzentrieren sich daher vor allem auf die Beobachtung von „kosmischen Großereignissen“ wie Sternenexplosionen, verschmelzende Doppelneutronensterne oder einander umkreisende Schwarze Löcher.
Abbildung 5: Explosion zweier Sterne9
Die dabei freiwerdende Energie geben sie als Gravitationswellen ab.
Supernovas strahlen während den Explosionen hochfrequente Gravitationswellen aus. Auch verschmelzende Doppelneutronensterne, die massearmer werden, umso näher sie sich kommen, geben hochfrequente Wellen ab. Doch verschmelzende supermassereiche Schwarze Löcher senden Frequenzen im Millihertzbereich aus.10
Der erste direkte Nachweis
Interferometrische Detektoren
Am 14. September 2015 konnten das erste Mal Gravitationswellen einer Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher vor 1,3 Milliarden Jahren mithilfe Interferometrischer - Detektoren nachgewiesen werden.
Abbildung 6: „Laser Interferometer Gravitational–wave Observatorium – Livingston“12
Die Anlage besteht aus zwei vier Kilometer langen Vakuumröhren, die im rechten Winkel zueinander positioniert sind. Im Kreuzungspunkt befindet sich ein Laser, dessen Strahl aufgespalten wird, beide Vakuumröhren durchläuft und von Spiegeln am Ende beider Strecken reflektiert wird.Am Ausgangspunkt sollte sich das Licht der beiden Laserstrahlen überlagern und auslöschen.
Abbildung 7: LIGO – Detektoren13
Wenn jedoch eine Gravitationswelle die Anlage durchläuft, verändert sich kurzzeitig die Länge der Strecken, die das Licht durchlaufen muss. Die Röhren werden verschieden stark gestaucht und gestreckt, da sie im rechten Winkel angeordnet sind. Das Licht muss nun unterschiedliche Entfernungen zurücklegen und es gibt ein Signal.14
Vor allem wenig erforschte Phänomene wie Schwarze Löcher, Neutronensterne und Supernovas können untersucht werden.
Im Gegensatz zu elektromagnetischen Wellen werden Gravitationswellen kaum durch Materie beeinflusst und können sich ungehindert ausbreiten. Durch ihre Informationen über Objekte und Ereignisse, bei denen sie ausgelöst wurden, können Wissenschaftler auch die Frühphase des Universums erforschen.15
Literaturverzeichnis
Deutsche Physikalische Gesellschaft e.V.: Wie entstehen Gravitationswellen?. 29.01.2016. URL: [Zugriff: 30.05.2018]
Lernhelfer: Albert Einstein. 2010. URL: [Zugriff: 30.05.2018]
Max – Planck – Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.: Allgemeine Relativitätstheorie. URL: [Zugriff: 30.05.2018]
Max – Planck – Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.: Spezielle Relativitätstheorie. URL: [Zugriff: 30.05.2018]
ScienceBlogs: Der direkte Nachweis von Gravitationswellen. 08.02.2016. URL: [Zugriff: 30.05.2018]
ScienceBlogs: Was können und wozu braucht man Gravitationswellen?. 11.02.2016. URL: [Zugriff: 30.05.2018]
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Krümmung der Raumzeit 5 [Zugriff: 30.05.2018]
Abbildung 2: relativistische Lichtablenkung 6
[Zugriff: 30.05.2018]
Abbildung 3: Anwendung des Ablenkungseffekts – Effekt der Gravitationslinsen 6
[Zugriff: 30.05.2018]
Abbildung 4: Darstellung von Gravitationswellen 7 [Zugriff: 30.05.2018]
Abbildung 5: Explosion zweier Sterne 8 [Zugriff: 30.05.2018]
Abbildung 6: „Laser Interferometer Gravitational–wave Observatorium – Livingston“ 9
[Zugriff: 30.05.2018]
Abbildung 7: LIGO – Detektoren 10 [Zugriff: 30.05.2018]
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