Verzerrungen in Raum und Zeit

Mehr als 200 Jahre nach der Veröffentlichung der Principia war die Welt immer noch ohne Verständnis des Mechanismus der Schwerkraft. Betreten Sie Albert Einstein—einen Mann, der die Welt auf so viele Arten verändern sollte. Aber bevor wir zu seiner Arbeit kommen, müssen wir noch einen Umweg machen.,

Sie können nicht sagen, ob Sie sich (mit konstanter Geschwindigkeit) bewegen

1632 schrieb Galileo Galilei, noch bevor Newton sein heute berühmtes Werk veröffentlichte, über die relative Bewegung von Objekten, die zu seiner Zeit bekannt waren: Schiffe.

Wenn Sie sich in einem geschlossenen Raum auf einem Schiff befinden, das mit konstanter Geschwindigkeit segelt und die Fahrt perfekt reibungslos verläuft, verhalten sich Objekte wie an Land. Es gibt kein physisches Experiment, das Sie durchführen könnten, um festzustellen, ob Sie sich bewegen oder stationär sind (vorausgesetzt, Sie spähen nicht aus einem Bullauge)., Dies ist die Grundidee hinter der Relativitätstheorie und ist der gleiche Grund, warum wir die Bewegung unseres Planeten um die Sonne oder die Bewegung unseres Sonnensystems durch die Galaxie nicht spüren.

Raum und Zeit sind miteinander verknüpft

Fast 300 Jahre nach Galileo überlegte Einstein die Folgen der Relativitätstheorie im Kontext eines wichtigen Faktors: der Lichtgeschwindigkeit., Er war nicht die einzige Person, die über diese Themen nachdachte—andere Physiker waren sich damals bewusst, dass es an dieser Front unbeantwortete Fragen gab. Aber es war Einstein, der eine Theorie formulierte—seine Theorie der besonderen Relativitätglossarischespezielle Relativitäteinsteins Theorie über die Beziehung zwischen Raum und Zeit, die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit und die Tatsache, dass die Physik in allen einheitlichen Bewegungszuständen gleich sein muss—, um bestehende Phänomene zu erklären und neue Vorhersagen zu erstellen., Zunächst scheint die spezielle Relativitätstheorie nicht viel mit der Schwerkraft zu tun zu haben, aber sie war ein wesentliches Sprungbrett für Einstein, um die Schwerkraft zu verstehen.

Bewegte Uhren ticken langsamer

Experimente zu Einsteins Zeit hatten gezeigt, dass die Lichtgeschwindigkeit konstant zu sein schien. Egal wie schnell Sie versuchen aufzuholen, Licht scheint immer mit fast 300.000.000 Metern pro Sekunde von Ihnen wegzuziehen.

Warum ist das wichtig? Nun, stellen wir uns vor, eine Uhr aus Licht selbst zu konstruieren., Zwei Spiegel sind einander gegenübergestellt, und ein „Häkchen“ der Uhr ist die Zeit, die ein Lichtteilchen benötigt, um von einer Seite zur anderen und zurück zu reisen.

Stellen wir uns nun vor, dass Ihr Freund, der sich auf einem Raumschiff befindet, das an der Erde vorbeizieht, eine dieser Uhren hat., Für Ihren Freund scheint die Uhr normal zu funktionieren—die Lichtteilchen bewegen sich erwartungsgemäß auf und ab und die Zeit verläuft wie gewohnt. Aber aus Ihrer Perspektive, wenn Sie das Schiff vorbeifahren sehen, bewegt sich das Licht sowohl auf als auch ab und zur Seite, mit dem Schiff. Das Licht fährt mit jedem Tick eine längere Strecke.,

Wenn Licht für den Raumreisenden mit 300.000.000 m/s, muss aber nur auf und ab reisen; und zum erdgebundenen Beobachter bewegt sich das Licht mit 300.000.000 m/s, muss aber eine längere, diagonale Entfernung zurücklegen; dann dauert es für den erdgebundenen Beobachter länger, bis die Uhr „tickt“.,

Dieser Effekt wird als time dilationGLOSSARYtime dilationDie Verlangsamung der Zeit für einen Beobachter relativ zu einem anderen. Je schneller Sie durch den Weltraum reisen, desto langsamer reisen Sie durch die Zeit.

Perspektive ist wichtig

Aber wessen Zeit wird wirklich verlangsamt? Ist es die Person auf der Erde, die beobachtet, wie seine Freundin in ihrem Raumschiff vorbeifährt? Oder die Astronautin, die behauptet, sie bleibe still, während die Erde vorbeifliegt?

Seltsamerweise sind beide Aussichtspunkte gültig—aber nur, während sich beide in ständiger Bewegung befinden.

Um es zu veranschaulichen, nehmen wir an, als der Astronaut die Erde verließ, waren sie und ihre Freundin im gleichen Alter. Wenn sie geht, beschleunigt das Raumschiff von der Erde weg. Als sie zurückkehrt, verlangsamt sich das Raumschiff, um eine Bruchlandung zu vermeiden. Sowohl beim Verlassen als auch bei der Rückkehr ändert das Raumschiff seinen Bezugsrahmen verlustfreier Bezugsrahmen der physischen Umgebung eines Beobachters, der ihren Bewegungszustand beinhaltet., Eine Person, die in einem Auto fährt, befindet sich in einem anderen Bezugsrahmen als jemand, der in einem Auto fährt, das eine andere Geschwindigkeit oder Richtung fährt, oder ein Fußgänger am Straßenrand oder jemand, der in einem Flugzeug über Kopf fährt usw., und unser Astronaut kann die Veränderung der Bewegung spüren. Experimente, die im Raumschiff während der Beschleunigung und Verzögerung durchgeführt wurden, würden zeigen, dass sich etwas ändert. Dies bricht die Symmetrie der Situation, und wenn das Raumschiff wieder auf der Erde landet, wird unsere Astronautin wirklich jünger sein als ihr erdgebundenes Gegenstück.,

Die Effekte sind nur spürbar, wenn sie wirklich, wirklich schnell unterwegs waren – aber es ist immer noch wahr zu sagen, dass, wenn die heutigen Astronauten und Kampfpiloten von einer Hochgeschwindigkeitsmission zurückkehren,sie ein winziges bisschen weniger gealtert sein werden als der Rest von uns während dieser Mission.

Die vier Dimensionen der Raumzeit

Daraus folgend, anstatt an drei Dimensionen des Raumes und eine separate Dimension der Zeit zu denken, können wir sie als vier Dimensionen der „Raumzeit“betrachten. Je schneller Sie durch den Weltraum reisen, desto langsamer reisen Sie durch die Zeit und umgekehrt.,

Bewegte Objekte ziehen sich im Raum zusammen

Eine weitere Folge der speziellen Relativität ist, dass sich schnell bewegende Objekte in der Richtung ihrer Bewegung in der Größe zusammenzuziehen scheinen. (Und wieder wird dies umgedreht, je nachdem, aus wessen Perspektive Sie schauen.)

Dies ergibt sich aus der Verzerrung der Zeit—schließlich können Sie die Länge von etwas anhand der Raummenge messen, die sich durch die Zeit bewegt (z. B. Lichtjahre, Lichtsekunden). Und während es schwierig ist, sich vorzustellen, die Länge eines sich bewegenden Objekts aus der Perspektive eines anderen zu messen, ist die Längenkontraktion ein realer physikalischer Effekt und nicht nur ein Ergebnis ungenauer Messungen.,

Im Gegensatz zu den Altersunterschieden, die sich aus der Zeitdilatation ergeben können, gibt es keine Resteffekte aufgrund der Längenkontraktion, sobald das sich bewegende Objekt und der Beobachter wieder vereint sind.

Schwerkraft verstehen

Einsteins Beschreibung der Schwerkraft führt zu Situationen, die genauso bizarr sind wie spezielle Relativitätstheorien—Zeitreisen inklusive!

Beschleunigung und Schwerkraft können nicht zu unterscheiden sein

Stellen Sie sich vor, Sie wachen in einem Raumschiff auf und beschleunigen durch den Weltraum., So wie Sie auf dem Sitz eines beschleunigenden Autos zurückgeschoben werden, schiebt Sie das beschleunigende Raumschiff zur Seite gegenüber der, auf die es beschleunigt. Bei einer bestimmten Beschleunigungsrate könnte eine Reihe von Skalen Ihnen sagen, dass Sie genau so wiegen wie zu Hause auf der Erde.

Gibt es ein physisches Experiment, das Sie innerhalb der Grenzen Ihres Raumschiffs durchführen könnten, um festzustellen, ob Sie wirklich durch den Weltraum beschleunigten (vorausgesetzt, es gab keine Fenster, aus denen Sie herausschauen konnten) oder ob Sie sich stattdessen in einem Raumschiff auf der Erdoberfläche befanden? Einstein sagte nein—so wie Galileo sich die Ununterscheidbarkeit zwischen einer Person in einem Segelschiff (ohne Fenster) und einer Person an Land vorstellte, erkannte Einstein, dass auch die Auswirkungen von Beschleunigung und Schwerkraft nicht zu unterscheiden waren., Dies wird als Äquivalenzprinzip bezeichnetlossareäquivalenzprinzipdie Auswirkungen eines Gravitationsfeldes sind nicht von den Auswirkungen eines beschleunigten Bezugsrahmens zu unterscheiden.

Space warps under accelerated motion

Nachdem Einstein das Äquivalenzprinzip formuliert hatte, wurde die Schwerkraft weniger mysteriös., Er könnte sein Wissen über Beschleunigung anwenden, um die Schwerkraft besser zu verstehen.

Sie wissen vielleicht, dass Beschleunigung nicht immer eine Geschwindigkeitsänderung bedeutet, wie wenn Sie in einem Auto beschleunigen und Sie auf die Rückseite Ihres Sitzes drücken. Es kann auch eine Richtungsänderung bedeuten, wie wenn Sie um einen Kreisverkehr fahren, wodurch Sie sich zur Seite des Autos neigen.

Um dies weiter zu erweitern, stellen wir uns eine zylindrische Karnevalsfahrt vor, bei der Sie und Ihre Mitreisenden an der Außenfläche befestigt sind. Der Zylinder wird immer schneller gedreht, bis die Beschleunigung nachlässt und die Bewegung konstant bleibt., Aber selbst wenn die Geschwindigkeit konstant ist, spüren Sie immer noch die beschleunigte Bewegung—Sie fühlen sich an den äußeren Rand der Fahrt gebunden.

Wenn diese sich drehende Fahrt groß genug war und sich schnell genug bewegte, würden Sie einige bizarre Effekte in der Fahrt selbst bemerken, nicht nur aus der Sicht von jemandem, der außerhalb steht.,

Bei jeder Umdrehung bewegen sich die am Fahrbahnrand befindlichen den vollen Umfang des Zylinders—während es in der Mitte kaum Bewegung gibt. Wenn also jemand in der Mitte der Fahrt stand (vielleicht von einer Klammer gehalten, um sie daran zu hindern, an den Rand zu fallen), würden sie all diese seltsamen Effekte bemerken, die wir unter besonderer Relativitätstheorie gesehen haben—dass sich die am Rand zusammenziehen Länge und ihre Uhren werden langsamer ticken.,

Schwerkraft ist die Krümmung der Raumzeit

Das Äquivalenzprinzip sagt uns, dass die Auswirkungen von Schwerkraft und Beschleunigung nicht zu unterscheiden sind. Wenn wir über das Beispiel der zylindrischen Fahrt nachdenken, sehen wir, dass beschleunigte Bewegungen Raum und Zeit verziehen können. Hier verband Einstein die Punkte, um darauf hinzudeuten, dass die Schwerkraft das Verziehen von Raum und Zeit ist. Die Schwerkraft ist die Krümmung des Universums, die durch massive Körper verursacht wird und den Weg bestimmt, den Objekte zurücklegen. Diese Krümmung ist dynamisch und bewegt sich, wenn sich diese Objekte bewegen.,

Diese Theorie, allgemeine Relativitätglossarygenerale Relativitäteinsteins Gravitationstheorie sagt alles voraus, von den Umlaufbahnen der Sterne über die Kollision von Asteroiden bis hin zu Äpfeln, die von einem Ast auf die Erde fallen—alles, was wir von einer Gravitationstheorie erwarten.,

Spacetime greift Masse an und sagt ihr, wie sie sich bewegen soll… Masse greift Raumzeit, sagen, wie Physiker John Wheeler Kurve