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Über dieses Buch

Dieses essential vermittelt auf eingängige Weise, worum es bei Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie geht und weshalb sie von so großer Bedeutung für die Wissenschaft und den Alltag ist. Zu Beginn erläutert Bernd Sonne die zugrunde liegenden Prinzipien und einige Beispiele der Speziellen Relativitätstheorie, anschließend geht er ausführlich auf die Allgemeine Relativitätstheorie ein. Anschauliche Gedankenexperimente verdeutlichen die Ausführungen. So werden die Theorien des wohl bedeutendsten Physikers des zwanzigsten Jahrhunderts, der unser physikalisches Weltbild revolutionierte, für jedermann – auch ohne spezielle Vorkenntnisse – nachvollziehbar. In dieser zweiten Auflage wurden einige Kapitel überarbeitet und neue Themen hinzugefügt: Änderung von Zeit und Raum in der ART, Laufzeitverzögerung von Radarsignalen, Flug mit Atomuhren und das Experiment Gravity Probe B.

Der Autor
Dr. Bernd Sonne studierte Physik an der Universität Hamburg und promovierte am Forschungszentrum DESY. Einsteins Relativitätstheorien gehörten schon seit dem Studium zu seinem besonderen Interessensgebiet, das er auch während seiner beruflichen IT-Laufbahn weiter verfolgt hat.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Einleitung

Einstein gilt wohl als der bedeutendste Physiker des zwanzigsten Jahrhunderts. Seine Relativitätstheorien und nicht nur sie haben das physikalische Weltbild, das seit Newton über dreihundert Jahre bestand, grundlegend verändert, um nicht zu sagen revolutioniert. Dieses essential soll einen leicht verständlichen Eindruck davon vermitteln, worum es bei den Relativitätstheorien geht und weshalb sie von so großer Bedeutung sind. Zu Beginn werden wir uns kurz mit der Speziellen Relativitätstheorie befassen, die zum Verständnis der Allgemeinen Relativitätstheorie beiträgt. Deren Grundlagen und Ergebnisse werden wir im Anschluss allgemeinverständlich behanden und dabei zu überraschenden Erkenntnissen gelangen.
Bernd Sonne

Kapitel 2. Einstieg in Einsteins Spezielle Relativitätstheorie

Isaac Newton hatte im Jahre 1687 ein Lehrbuch über physikalische Gesetze veröffentlicht, die „Philosophiae Naturalis Principia Mathematica“. Es handelte sich um die Gesetze zur Mechanik und Gravitation, d. h. nach welchen Gesetzen sich Körper im Raum bewegen. Eines davon ist das Trägheitsgesetz, das gleichförmig bewegte Körper betrachtet. Während die räumliche Bewegung von der Zeit abhängt, ist bei Newton die Zeit selbst eine absolute Größe. Dies ändert sich jedoch, wenn die immer konstante Lichtgeschwindigkeit ins Spiel kommt. Dann müssen die Gesetze modifiziert werden.
Bernd Sonne

Kapitel 3. Prinzipien der Speziellen Relativitätstheorie

Einstein hat seine SRT auf zwei Prinzipien aufgebaut:
1.
Die Lichtgeschwindigkeit ist immer konstant und unabhängig von der Bewegung des Systems. Dies hat sich experimentell erwiesen.
 
2.
In jedem Inertialsystem sollen dieselben physikalischen Gesetze gelten. Um dies zu erreichen, muss das erste Prinzip berücksichtigt werden. Die wichtigste Konsequenz daraus ist, dass Energie und Masse bis auf eine Konstante gleich sind: sie sind äquivalent, wie man sagt.
 
Bernd Sonne

Kapitel 4. Wie es zur Allgemeinen Relativitätstheorie kam

Newton hatte neben den mechanischen Gesetzen auch eine Theorie über die gravitativen Wirkungen zusammengestellt. Er kannte die Kepler’schen Gesetze, nach denen sich die Planeten um die Sonne bewegen. Sie sind zurückzuführen auf die Gravitationskräfte, die massive Körper wie die Erde und die Sonne aufeinander ausüben. Einstein hat sich einige „Gedankenexperimente“ ausgedacht und gezeigt, dass man eine Gravitationskraft nicht von einer Beschleunigungskraft unterscheiden kann. Dies hat zur Folge, dass sich unter Einfluss dieser Kräfte sowohl die Geometrie des Raumes als auch die Uhrzeit ändert.
Bernd Sonne

Kapitel 5. Grundlagen der ART

Isaac Newton und Ernst Mach hatten sich Gedanken über Bewegungen im Raum gemacht. Sie kamen jedoch zu verschiedenen Interpretationen. Für Newton gab es nur absolute Bewegungen gegenüber dem ganzen unbeweglichen Raum. Für Mach hingegen gab es nur relative Bewegungen gegenüber anderen Körpern. Einstein sah dies auch so. Außerdem forderte er, dass die schwere Masse eines Körpers gleich seiner trägen Masse sein soll. Dies hatte sich experimentell ergeben. Er entwickelte daraus seine ART und zeigte, dass sich Raum und Zeit in der Umgebung von Massen ändern.
Bernd Sonne

Kapitel 6. Experimentelle Bestätigungen und Anwendungen der ART

Es gibt inzwischen viele Experimente, die die Gültigkeit von Einsteins ART mit einer sehr hohen Genauigkeit belegen. Dabei handelt es sich nur um sehr kleine Abweichungen von der Newton’schen Theorie. Sie sind jedoch sehr wichtig für das Navigationssystem GPS. Einsteins Theorie gibt auch Auskunft über Schwarze Löcher und was es mit Zeitreisen auf sich hat.
Bernd Sonne

Kapitel 7. Entwicklung des Universums: Weltmodelle

Die ART beschreibt aber nicht nur winzige zeitliche und räumliche Effekte, sondern sie ist auch in der Lage, wirklich große Dinge wie das Universum zu modellieren. Grundsätzlich geht man davon aus, dass das Universum „einfach“ zu beschreiben ist. Einfach bedeutet, dass wir es nicht mit komplizierten Unregelmäßigkeiten zu tun haben. Wenn wir von uns aus in das Weltall blicken, dann sieht es im Großen und Ganzen überall gleich aus. Sterne gibt es überall und in jeder Richtung zu sehen. Der Blick ist zu jeder Zeit der gleiche, wenn man von kleinen Unregelmäßigen absieht. Sie sollen aber nicht ins Gewicht fallen. Die Bewegung von Sternen (Galaxien) im Raum lassen sich mit der ART berechnen.
Bernd Sonne

Kapitel 8. Zusammenfassung ART

Zunächst haben wir die Prinzipien der ART kennengelernt:
  • Äquivalenzprinzip: Schwere und träge Masse sind einander äquivalent. Man kann Kräfte, die durch eine Beschleunigung oder durch die Gravitation hervorgerufen werden, nicht unterscheiden.
  • Kovarianzprinzip: In allen Koordinatensystemen und unabhängig von deren Bewegungszustand und der Bewegung von Objekten gelten dieselben physikalischen Gesetze.
  • Korrespondenzprinzip: Die Newton’sche Mechanik ist ein Spezialfall der SRT, die Newton’sche Gravitationstheorie und die SRT sind Spezialfälle der ART. Einsteins ART kann beobachtbare Abweichungen von Newtons Gravitationstheorie erklären und berechnen. Dazu zählen u.a. astronomische Erscheinungen, gekrümmte Geometrie, Gravitationswellen, Schwarze Löcher, Modelle der zeitlichen und räumlichen Entwicklung des Universums. Die wichtigste praktische Anwendung der ART ist im GPS zu finden.
Bernd Sonne

Kapitel 9. Einsteins Werke

Zu Beginn des essentials wurde erwähnt, dass Einstein wohl der bedeutendste Physiker des zwanzigsten Jahrhunderts war. Es waren nicht nur die unverstandenen Effekte, die er mit den Relativitätstheorien erklären konnte, sondern auch die Vorhersagen, die sich daraus ergaben. Wir haben sie in diesem essential beschrieben. Es gibt jedoch noch viele andere wichtige Ergebnisse, die Einstein gefunden hat und die ihn berühmt gemacht haben, u. a. eine schlüssige Erklärung des Atommodelles, der lichtelektrische Effekt und die Theorie des Lasers.
Bernd Sonne

Backmatter

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