Vor 100 Jahren sagte der Physiker Albert Einstein die Existenz von sogenannten Gravitationswellen voraus. Am 14. September 2015 gelang es Forschern des amerikanischen Laserinterferometers in Louisiana diese unglaublich kleinen Krümmungen der Raumzeit zu messen. „Ladys and gentleman, we have detected gravitational waves“, dies verkündete David Reitze, der Chef des Experiments, bei einer Pressekonferenz der National Science Foundation am 11. Februar 2016. Doch was bedeutet dies für die Wissenschaft?!
Die Entdeckung dieses Phänomens und damit der Beweis von Einsteins Vorhersage eröffnet einen ganz neuen Forschungsbereich, die sogenannte Gravitationswellenastronomie. „Existieren schwarze Löcher wirklich?“, „Sind Neutronensterne schroff?“ und „Wie schnell dehnt sich das Universum aus?“. All das sind Fragen, auf die Wissenschaftler sich mithilfe der neuen Erkenntnisse eine endgültige Antwort erhoffen. Selbst die Entdeckung von „kosmischen Strings“ und somit neue Sichtweisen auf die ´absurde´ Stringtheorie sind möglich. Doch der wohl größte Durchbruch, der mithilfe dieser neuen Erkenntnisse möglich wäre, ist die Entwicklung einer Quantengravitationstheorie – die Vereinigung von Quantenphysik und Relativitätstheorie.
Wir haben unsere Abhandlung in drei Themengebiete gegliedert: 1. Spezielle Relativitätstheorie, 2. Allgemeine Relativitätstheorie und 3. Gravitationswellen, aus denen wir zum Schluss ein Fazit ziehen werden. Jeder dieser Punkte ist wiederum gegliedert in logische Unterpunkte. Wir haben uns entschieden, unsere Arbeit so einzuteilen, weil wir der Meinung sind, dass ein gewisses Vorwissen, welches wir mit den ersten zwei Abschnitten vermitteln, zwingend notwendig ist. Am 25. November 1915 stellte Albert Einstein die Erweiterung zu seiner 1905 veröffentlichten speziellen Relativitätstheorie vor – die allgemeine Relativitätstheorie. Diese Theorien bilden die Grundlage der modernen Physik und waren das Fundament für Einsteins Vision von Gravitationswellen. Doch was beinhalten diese beiden Theorien?
Inhalt
1. Einleitung
2. Die spezielle Relativitätstheorie
2.1 Äquivalenz von Masse und Energie
2.2 Konstanz der Lichtgeschwindigkeit
2.3 Zeitdilatation
3. Allgemeine Relativitätstheorie
3.1 Die Raumzeit
4. Gravitationswellen
4.1 Vorhersage durch Einstein
4.2 Der lange Weg zum Erfolg
4.3 Quellen von Gravitationswellen
5. Nachweis von Gravitationswellen
5.1 Interferenz
5.2 Laserinterferometer
6. Fazit
Quellenverzeichnis
1. Einleitung
Vor 100 Jahren sagte der Physiker Albert Einstein die Existenz von sogenannten Gravitationswellen voraus. Am 14. September 2015 gelang es Forschern des amerikanischen Laserinterferometers in Louisiana diese unglaublich kleinen Krümmungen der Raumzeit zu messen. „Ladys and gentleman, we have detected gravitational waves“, dies verkündete David Reitze, der Chef des Experiments, bei einer Pressekonferenz der National Science Foundation am 11. Februar 2016.
Doch was bedeutet dies für die Wissenschaft?!
Die Entdeckung dieses Phänomens und damit der Beweis von Einsteins Vorhersage eröffnet einen ganz neuen Forschungsbereich, die sogenannte Gravitationswellenastronomie.
„Existieren schwarze Löcher wirklich?“, „Sind Neutronensterne schroff?“ und „Wie schnell dehnt sich das Universum aus?“. All das sind Fragen, auf die Wissenschaftler sich mithilfe der neuen Erkenntnisse eine endgültige Antwort erhoffen. Selbst die Entdeckung von „kosmischen Strings“ und somit neue Sichtweisen auf die ´absurde´ Stringtheorie sind möglich. Doch der wohl größte Durchbruch, der mithilfe dieser neuen Erkenntnisse möglich wäre, ist die Entwicklung einer Quantengravitationstheorie – die Vereinigung von Quantenphysik und Relativitätstheorie.
Wir haben unsere Abhandlung in drei Themengebiete gegliedert: 1. Spezielle Relativitätstheorie, 2. Allgemeine Relativitätstheorie und 3. Gravitationswellen, aus denen wir zum Schluss ein Fazit ziehen werden. Jeder dieser Punkte ist wiederum gegliedert in logische Unterpunkte. Wir haben uns entschieden, unsere Arbeit so einzuteilen, weil wir der Meinung sind, dass ein gewisses Vorwissen, welches wir mit den ersten zwei Abschnitten vermitteln, zwingend notwendig ist. Am 25. November 1915 stellte Albert Einstein die Erweiterung zu seiner 1905 veröffentlichten speziellen Relativitätstheorie vor – die allgemeine Relativitätstheorie. Diese Theorien bilden die Grundlage der modernen Physik und waren das Fundament für Einsteins Vision von Gravitationswellen.
Doch was beinhalten diese beiden Theorien?
2. Die spezielle Relativitätstheorie
In der speziellen Relativitätstheorie beschreibt Einstein die Bewegung von Körpern und Feldern in Raum und Zeit. Dabei handelt es sich um eine Erweiterung des ursprünglich aus der Mechanik stammenden Relativitätsprinzips. Laut Einstein beschränkt sich die Relativität nicht auf die Gesetze der Mechanik, sondern gilt für alle Gesetze der Physik.
Die wichtigste Erkenntnis, die aus dieser Theorie folgt, ist, dass sowohl Längen wie auch Zeit abhängig vom Bewegungszustand des Betrachters und nicht absolut sind.
Die drei ausschlaggebendsten Konsequenzen der speziellen Relativitätstheorie sind: Äquivalenz von Masse und Energie, Konstanz der Lichtgeschwindigkeit und die Zeitdilatation.
2.1 Äquivalenz von Masse und Energie
„Die Masse eines Körpers ist ein Maß für dessen Energiegehalt“, dies formulierte Albert Einstein in seiner speziellen Relativitätstheorie. Er fand heraus, das Masse und Energie äquivalente Größen sind, daraus folgt die weltbekannte Formel E=mc².
Vor der Veröffentlichung durch Einstein sah man zwischen Masse und Energie keinerlei Verbindung, sie existierten also unabhängig voneinander.
Einsteins Erkenntnis ist die Grundlage für das Verständnis vieler physikalischer Prozesse, wie der Kernspaltung oder der Kernfusion. Aufgrund dieser relativistischen Betrachtungsweise beinhaltet der allgemeine Energieerhaltungssatz ebenfalls den Satz von der Erhaltung der Masse.
Die Äquivalenz von Masse und Energie lässt sich besonders gut am Beispiel der Kernspaltung veranschaulichen.
Bei einer Kernspaltung zerfallen Atomkerne durch äußere Beeinflussung in Kerne leichterer Elemente. Aus der Spaltung von Uran-235 ergibt sich also folgende Gleichung:
Dargestellt wird die Spaltung von Uran-235 mithilfe eines Neutrons, woraufhin Barium, Krypton und drei Elektronen entstehen. Um die bei der Reaktion entstehende Energie zu berechnen, muss man erst die Massenbilanz der Kerne ausrechnen und sie dann in Einsteins Formel einsetzen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Da wir jetzt Δm wissen, können wir nun die Energie berechnen:
Das bedeutet, bei der Spaltung von Uran-235 wird pro Kern eine Energie von ca. 200MeV freigesetzt.
2.2 Konstanz der Lichtgeschwindigkeit
Eine der wohl bekanntesten Aussagen Einsteins ist, das es im Universum nichts Schnelleres als das Licht gibt. Er behauptete als einer der ersten Physiker, dass die Geschwindigkeit des Lichts nicht vom Fortbewegungsmedium begrenzt, sondern absolut ist.
Normalerweise addieren oder subtrahieren sich Geschwindigkeiten in der Physik abhängig davon in welche Richtung die Bewegungen gerichtet sind. Beim Licht ist es nicht so. Es ist die einzig bekannte Bewegung im Universum, die unabhängig vom Inertialsystem ist.
Besonders für massebehaftete Teilchen stellt die Lichtgeschwindigkeit eine unüberwindbare Grenze dar, denn laut E=mc² würde der Energieaufwand, um ein Elementarteilchen mit Ruhemasse auf die Geschwindigkeit 299.792.458 m/s zu beschleunigen, gegen unendlich gehen.
2.3 Zeitdilatation
Einstein fand auch heraus, dass Zeit nicht, wie vorher angenommen, allgemein betrachtet werden kann, sondern je nach Inertialsystem eine individuelle Gültigkeit besitzt.
Einfach gesagt: „Bewegte Uhren gehen langsamer“.
Befindet man sich in einem Zustand der gleichförmigen Bewegung, vergeht die Zeit für einen relativ zu der Bewegung ruhenden Beobachter langsamer.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Um auszurechnen, wie viel Zeit im System des Beobachters, welcher relativ zum anderem System ruht, vergangen ist, benötigt man folgende Formel:
Nehmen wir an, in einem hypothetischen Raumschiff, welches mit 200.000.000 m/s, also ca. der Lichtgeschwindigkeit, fliegt, vergehen 60 Sekunden.
Mithilfe der Formel kommt man auf das Ergebnis, dass in einem Beobachtersystem welches relativ zum Raumschiff ruht, ca. 81 Sekunden vergehen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
3. Allgemeine Relativitätstheorie
Basierend auf seiner speziellen Relativitätstheorie sowie den Newtonschen Gravitationsgesetzen stellte Albert Einstein am 25. November 1915 eine Theorie vor, welche seit ihrer Veröffentlichung die moderne Physik prägt – die allgemeine Relativitätstheorie.
Sie zählt heute, zusammen mit der Quantenphysik, als Grundpfeiler der modernen Physik.
Im Mittelpunkt dieser Theorie steht die Wechselwirkung zwischen Materie, Raum und Zeit.
Wie schon aus der speziellen Relativitätstheorie hervorging, sind Raum und Zeit nicht voneinander getrennt. Aus diesem Grund entwickelte Einstein die Vorstellung eines vierdimensionalen Raumes, in der Raum und Zeit einheitlich existieren – er bezeichnete diese Vorstellung als Raumzeit. Mithilfe der allgemeinen Relativitätstheorie konnten erstmals physikalische Ereignisse logisch beschrieben und erklärt werden.
3.1 Die Raumzeit
In unserem Alltag sind Raum und Zeit zwei voneinander unabhängige Gegebenheiten. Ein Grund dafür ist die sogenannte Kausalität. Sie beschreibt die Tatsache, dass jeder Wirkung eine Ursache vorausgehen muss. In der Newtonschen Physik, welche bis 1905 die Wissenschaft prägte, ging man davon aus, dass alle physikalischen Prozesse sich nach der Zeit richten, aber keinen Einfluss auf diese haben. Laut Albert Einstein sind Raum und Zeit jedoch als Einheit zu betrachten. Um diese Idee vorstellbar zu machen, entwickelte er die Raumzeit.
In unserer Welt gibt es drei Dimensionen: Höhe, Breite und Tiefe. Laut Einstein muss jedoch die Zeit als eine dieser Dimensionen betrachtet werden. Erweitert man das klassische dreidimensionale Koordinatensystem um die Zeit, erhält man das Raum-Zeit-Kontinuum. Da wir nicht in der Lage sind, uns ein vierdimensionales Koordinatensystem vorzustellen, müssen wir es auf drei Dimensionen projizieren. Daraus entsteht die bekannte Vorstellung der Raumzeit als eine Art Tuch, welches durch Gravitation eingedellt wird.
4. Gravitationswellen
Jedes Objekt, dass eine Masse besitz, dellt also die Raumzeit ein. Ändert sich der Bewegungszustand eines solchen Objekts und er ruht nicht mehr, sondern wird beschleunigt, werden jene Raum-Zeit-Dellen verformt. Diese Verformungen in der Raumzeit breiten sich wellenförmig aus. Gravitationswellen unterscheiden sich grundlegend von jeder bisher bekannten Welle. Sie können sich im Vakuum ausbreiten und benötigen somit, anders als Schallwellen, kein Trägermedium. Im Gegensatz zu elektromagnetischen Wellen sind sie in der Lage, sich ungehindert durch jegliche Materie zu bewegen. Nicht einmal Planeten, Sterne oder ganze Galaxien können ihre Ausbreitung stören.
4.1 Vorhersage durch Einstein
Entsprechend der Relativitätstheorie existiert im Universum eine maximale Geschwindigkeit für Informationsübermittlung. Diese Grenze ist mit ca. 300.000 km/s extrem hoch, aber dennoch begrenzt. In der Newtonschen Mechanik, welche vor der Relativitätstheorie das Nonplusultra für Gravitationsphysik war, existiert jedoch keine maximale Geschwindigkeit. Dies bedeutet, bewegt sich im Universum lokal eine Masse, ändert sich ihr Gravitationsfeld im gesamten Universum instantan, also ohne jegliche Zeitverzögerung.
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- Quote paper
- Julius Hildebrandt (Author), 2018, Gravitationswellen. Von der Vision bis zum Nachweis, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/445103
