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2017 | Book

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Gravitationswellen

Einblicke in Theorie, Vorhersage und Entdeckung

Authors: Domenico Giulini, Claus Kiefer

Publisher: Springer Fachmedien Wiesbaden

Book Series : essentials

Part of: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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About this book

100 Jahre nach Einsteins Arbeit zur Relativitätstheorie ist der Beweis für die Existenz von Gravitationswellen eine Sensation. Die angesehenen Wissenschaftler Domenico Giulini und Claus Kiefer geben in diesem essential einen kompakten Überblick über dieses Phänomen der theoretischen Physik und über die indirekten und die kürzlich gelungenen direkten Nachweise von Gravitationswellen. Vorhergesagt durch die Allgemeine Relativitätstheorie, entstehen sie in hochenergetischen astrophysikalischen Prozessen und liefern wertvolle Informationen über Supernovae und die Kollision schwarzer Löcher. Ausgehend von der ersten Detektion besitzt die Menschheit mit diesen Erkenntnissen „ein neues Fenster“ ins Universum, dass die Forschung noch lange beschäftigen wird.

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Table of Contents

Frontmatter

Kapitel 1. Einleitung:Warum überhaupt ,,Wellen“?

Zusammenfassung

Um die physikalische Bedeutung der nunmehr gesicherten Existenz von Gravitationswellen richtig zu verstehen, ist es notwendig, einleitend etwas über den vielfältig verwendeten Begriff der Welle zu sagen. Wir tun dies absichtlich etwas ausführlicher, denn es geht uns hier auch darum, möglichen Missverständnissen vorzubeugen, die oft durch einen zu weit gefassten umgangssprachlichen Gebrauch dieses Begriffs nahegelegt werden.

Domenico Giulini, Claus Kiefer

Kapitel 2. Historischer Hintergrund

Zusammenfassung

Die historische Entwicklung der Gravitationstheorien, ausgehend von der Newton’schen bis zu Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie, zeigt einige interessante Analogien, aber auch wesentliche Unterschiede zur Entwicklung der Theorie des Elektromagnetismus. Um später die Bedeutung besser würdigen zu können, die die Entdeckung der Gravitationswellen für die Gravitationsphysik im allgemeinen und die Allgemeine Relativitätstheorie im besonderen besitzt, wollen wir uns in diesem Kapitel einige dieser Gemeinsamkeiten und auch Unterschiede bewusst machen.

Domenico Giulini, Claus Kiefer

Kapitel 3. Ausbreitung und Auswirkung von Gravitationswellen

Zusammenfassung

Elektromagnetische Wellen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit durch das Vakuum. Die gleiche Aussage trifft – richtig verstanden – auch auf Gravitationswellen zu. Allerdings ist zu beachten, dass letztere nicht Störungen eines Feldes in oder über einer festen Struktur von Raum und Zeit sind, sondern diese Struktur selbst betreffen.

Domenico Giulini, Claus Kiefer

Kapitel 4. Erzeugung von Gravitationswellen

Zusammenfassung

Bereits in der Elektrodynamik hat die Frage, wann und mit welcher Stärke eine Ladungs- und Stromverteilung elektromagnetische Wellen aussendet (man sagt auch kurz ,,strahlt“), eine sehr komplexe Antwort, die nicht in wenigen Sätzen gegeben werden kann. Grundsätzlich gilt hier, dass eine stationäre – also von der Zeit unabhängige – Verteilung niemals strahlt, ebenso wenig wie eine unbeschleunigte (also geradlinig gleichförmig bewegte) Ladung. Hingegen strahlt eine periodisch um eine Ruhelage linear oszillierende Ladung, genauso wie eine mit konstanter Winkelgeschwindigkeit auf einem Kreis herumgeführte.

Domenico Giulini, Claus Kiefer

Kapitel 5. Indirekter Nachweis: Binärpulsare

Zusammenfassung

Bei einem indirekten Nachweis von Gravitationswellen begnügt man sich damit, die Folgen des durch die Abstrahlung entstehenden Energieverlustes an einem System selbst zu messen, ohne dass dabei die entsandten Gravitationswellen in irgendeiner Form auch selbst detektiert werden. Eine solche beobachtbare Folge eines Energieverlustes ist etwa die zeitliche Veränderung der Umlaufperiode eines Doppelsternsystems. Ist diese gemessen und gerade so groß wie die theoretische Voraussage des Energieverlustes durch Gravitationswellen, so kann man dann von einem Nachweis sprechen, wenn man hinreichend überzeugend ausschließen kann, dass dieser Energieverlust nicht doch auf das Konto irgendeines anderen Prozesses geht. Solche Auschlussverfahren sind in der Regel komplex und auch nicht immer eindeutig. Es ist deshalb wichtig, mehrere dieser ,,Indizien“ an physikalisch unabhängigen Systemen zu sammeln, um die Wahrscheinlichkeit einer Fehldeutung, die ja dann alle Systeme gleichermaßen betreffen müsste, zu minimieren.

Domenico Giulini, Claus Kiefer

Kapitel 6. Direkter Nachweis: Interferometer

Zusammenfassung

Die Ausbreitung einer Gravitationswelle führt dazu, dass sich physikalische Abstände in der Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung periodisch ändern. Die relative Längenänderung ist dabei durch die Formel (3.1) gegeben, mit h als der Wellenamplitude. Wie kann man eine solche Änderung nachweisen?

Domenico Giulini, Claus Kiefer

Kapitel 7. Gravitationswellen, Kosmologie und Quantengravitation

Zusammenfassung

Bisher haben wir Gravitationswellen im Rahmen von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie beschrieben. Im allgemeinen reicht dabei die lineare Näherung aus, in der man eine Wellengleichung analog zum Elektromagnetismus findet und in der sich Einsteins berühmte Quadrupolformel ableiten lässt. Für starke Signale, wie sie etwa beim direkten Verschmelzungsakt Schwarzer Löcher auftreten, muss man hingegen die vollen Gleichungen numerisch lösen.

Domenico Giulini, Claus Kiefer

Backmatter

Title: Gravitationswellen
Authors: Domenico Giulini
Claus Kiefer
Copyright Year: 2017
Publisher: Springer Fachmedien Wiesbaden
Electronic ISBN: 978-3-658-16013-5
Print ISBN: 978-3-658-16012-8
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-658-16013-5

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