Credit: Unbekannter Künstler, Public Domain
„Sind die Dilatationsberechnungen richtig“, fragt Sie der Sprungkoordinator, als er sich Ihrem Schreibtisch nähert. Sie sehen sich einige Papiere vor sich an, die verschiedene Gleichungen enthalten, die mit bestimmten Werten eingekreist sind. Die Gleichungen dienen eher Ihrem eigenen Sicherheitsgefühl, da die Computerkonsole vor Ihnen die gleichen Werte anzeigt, die Sie eingekreist haben. Du schaust zurück zum Sprungkoordinator und antwortest,
„Die Zahlen sind solide und die Kontraktionswerte sind für den Trip festgelegt. Helios II hat eine Kopie an Bord für ihre Astrophysik-Abteilung zur Überprüfung. Ihre Kryo-Ingenieure haben bereits damit begonnen, die Nap-Röhren zu überprüfen, um sicherzustellen, dass sie die richtige Aufwachzeit in ihrem Referenzrahmen haben.“ Der Sprungkoordinator nickt und geht hinüber zum Startdirektor der Lunar Launch Base Bravo (LLB Bravo). Er beugt sich vor, um ihr diese Informationen zu übermitteln, und sie nickt, während sie auf den Bildschirm ihrer Konsole tippt.
„Helios II, das ist LLB Bravo Command“, bellt sie ins Kom, „Alles hier ist sauber ausgecheckt und du bist bereit für den Abflug in die Andromeda-Galaxie. Gute Reise und die Menschheit stolz machen.“ Nachdem sie die Kommunikation geschlossen hat, fährt sie fort, als ob sie nur zu denen in ihrer Nähe wäre: „Weil die Menschheit wahrscheinlich nicht existieren wird, wenn Sie dort ankommen …“ Sie schauen aus dem gewölbten Sichtfenster und sehen den Rand eines massiven Mondkraters, der das eingeschlossene Helios II verbirgt auf Magnetbahnen, die den Durchmesser der Vertiefung durchlaufen. Die Schienen sind ein Teil des elektromagnetischen Abschusssystems, das schließlich der Krümmung der Kraterschale nach oben folgt und entwickelt wurde, um massive Schiffe auf ihre Flugbahn (und aus dem Mondgravitationsbrunnen) zu beschleunigen, ohne dass das Schiff seinen Treibstoff verbrennt. Sie sehen, wie der auf dem Kuppelglas holographisch angezeigte Countdown-Timer auf Null herunterläuft und dann verschwindet.
Bildnachweis: Frieso Hoevelkamp/Stocktrek Images
Lautlos ändern die Magnetspuren nacheinander ihre Polarität und schleudern den Helios II mit bemerkenswerter Geschwindigkeit die Kraterwand hinauf und in den Weltraum. Nach wenigen Augenblicken sieht man in der Ferne die Triebwerke leuchten und das Schiff rast auf sein neues Zuhause in Andromeda zu.
Die Bemerkung des Kommandanten trifft dich dann. Ja, in der Schule haben Sie beim Lernen und Testen immer mit der Idee der Zeitdilatation und Längenkontraktion gearbeitet, aber die Realität hat es trotzdem in sich; Wenn die Besatzung der Helios II ihr zukünftiges Ziel erreicht, könnte die Menschheit entweder ganz anders sein oder gar nicht existieren. Die Realität selbst erscheint sehr seltsam, wenn Sie tatsächlich anfangen zu lernen und anzuwenden, wie sie funktioniert. Die Vorstellung, dass diese wenigen Tausend Menschen bei ihrer Ankunft in Andromeda die einzigen Menschen im Universum sein könnten, ist gelinde gesagt schockierend.
Wie ist das möglich? Was sind Dilatationsberechnungen und inwiefern existiert diese Verbindung zu unserer Spezies auf der Erde nicht, wenn unsere mutigen Reisenden in Andromeda ankommen? Was ist dieser Kontraktionswert, der erwähnt wurde? Dies sind die Fragen, die ich in diesem Artikel beantworten möchte. Was ich in dieser Einführung gegeben habe, ist ein unterhaltsamer, aber eindringlicher Blick auf die Auswirkungen dessen, was wir als spezielle und allgemeine Relativitätstheorie kennen.
Farbansicht von M31 (Die Andromeda-Galaxie), mit M32 (einer Satellitengalaxie) unten links. Kredit und Copyright: Terry Hancock.
Es war natürlich Albert Einstein, der zu Beginn des 20. Es war auch Albert Einstein, der versuchte, die Frage „Was ist Licht?“ zu beantworten. Diese drei Dinge scheinen nicht miteinander verbunden zu sein, aber wenn Sie einmal mit dem Studium der Physik beginnen (und natürlich nachdem Sie diesen Artikel gelesen haben), können Sie nicht anders, als zu erkennen, dass Licht, Zeit und Schwerkraft miteinander verflochtene Einheiten sind.
Albert Einstein während eines Vortrags in Wien 1921.
Credit: Österreichische Nationalbibliothek/F Schmutzer/Public Domain
Die Natur des Universums, die Realität, in der Sie existieren, verhält sich auf eine Weise, die jeder Vorstellung von gesundem Menschenverstand widerspricht, die Sie entwickelt haben.
Es gibt viele Möglichkeiten, die seltsame Natur von Einsteins Relativität anzugehen, und die meisten verlassen sich auf überwältigende Erklärungen gepaart mit rigorosen mathematischen Behandlungen. Ich werde versuchen, die Kernideen auf etwas zu reduzieren, das keine umfangreiche Mathematik erfordert, um zu zeigen, wie Zeitdilatation und Längenkontraktion funktionieren. Es ist auch erwähnenswert, dass ich die Verwendung der Allgemeinen Relativitätstheorie vermeiden werde, um mich nicht mit der intensiven Mathematik zu beschäftigen, die für solche Beispiele erforderlich ist. Abgesehen davon existieren die Szenarien, die ich verwende, innerhalb der Speziellen Relativitätstheorie, da die meisten Physikstudenten hier im Allgemeinen zum ersten Mal auf diese fantastischen Ideen stoßen.
Das allererste, was zu diskutieren ist, ist etwas, das Einstein postuliert hat und das mir helfen wird, die oben genannten Konzepte weiter zu erklären. Dies ist das sogenannte Äquivalenzprinzip. Es läuft darauf hinaus, zu sagen, dass die Gravitationsmasse einer Person gleich ihrer Trägheitsmasse ist und dass eine Kraft auf eine Masse in einem Gravitationsfeld wie auf der Erdoberfläche die gleiche ist wie eine Kraft auf eine Masse in einem beschleunigten Referenzrahmen, wie wenn Sie in Ihrem Auto aufs Gaspedal treten und fühlen, dass „etwas“ Sie zurückdrängt. Die Art und Weise zu zeigen, dass diese beiden unterschiedlichen Szenarien tatsächlich gleich sind, geht wie folgt:
Zuerst identifizieren wir zwei Bezugssysteme, in denen wir Experimente durchführen werden. Diese Situationen werden in einem Schiff sowohl im offenen Raum als auch auf der Erdoberfläche mit einer Gravitationskraft (die Gravitationsbeschleunigung beträgt 9,8 .) sein). Mit dir im Schiff ist eine Kugel und ein kleines Loch in der Wand. Betrachten Sie zunächst das Schiff auf der Erde, das die Schwerkraft erfährt. Sie würden fühlen, wie Sie auf den Boden des Schiffes gedrückt werden, und wenn Sie den Ball aufheben und loslassen, würden Sie beobachten, wie der Ball mit einer Geschwindigkeit von 9,8 Zoll auf den Boden fällt.
Illustration zum Äquivalenzprinzip.
Bildnachweis: E. Otwell
Wenn Sie dieses Ball-Drop-Experiment in dem Schiff wiederholen würden, das sich im freien Raum befindet, würde die Kugel einfach vor Ihnen „schweben“. Lassen Sie uns dieses Schiff nun mit einer Geschwindigkeit von 9,8 . „nach oben“ beschleunigenund beobachte den Ball. Das Schiff würde nach oben stürmen und auf Ihre Füße treffen, wodurch Sie auf den Boden gedrückt wurden, und wenn Sie den Ball loslassen, würden Sie sehen, wie der Ball „nach unten“ stürzt und auf den Boden aufschlägt, genau wie wenn Ihr Schiff auf dem Boden war Oberfläche des Planeten.
Wenn keines der Schiffe Fenster hätte, sodass Sie nicht feststellen könnten, ob Sie sich im offenen Weltraum oder auf der Erde befinden, könnten Sie aufgrund Ihrer experimentellen Ergebnisse nicht zwischen den beiden Szenarien unterscheiden. Mit einer ähnlichen Idee im Hinterkopf behauptete Einstein, dass die Auswirkungen von Schwerkraft und Beschleunigung dasselbe seien. Dies war ein entscheidender Schritt, um unser Verständnis von Schwerkraft, Licht und Zeit zu vertiefen.
Jetzt richten wir unsere Aufmerksamkeit auf das kleine Loch in der Wand des Schiffes. Von außen blitzt ein Lichtimpuls eines Lasers durch das Loch. Während Sie sich im offenen Raum befinden und nicht beschleunigen, würde sich dieser Lichtstrahl geradlinig über das Schiff bewegen und auf die Wand direkt gegenüber dem Loch treffen. Lassen Sie uns nun dieses Schiff „nach oben“ beschleunigen und beobachten, was passiert. Während das Schiff „nach oben“ beschleunigt, wie es beim Ball-Drop-Experiment der Fall war, dringt der Lichtstrahl in das Loch in der Wand ein. Da sich die Photonen (Licht ist sowohl eine Welle als auch ein Teilchen, und diese Teilchen werden Photonen genannt), aus denen der Lichtstrahl besteht, mit konstanter Geschwindigkeit über das Schiff bewegen und das Schiff „nach oben“ beschleunigt, ist der Fleck an der Wand wo die Photonen auftreffen würden, würde es so aussehen, als ob sie unter die Stelle fallen würden, an der sich das Loch an der gegenüberliegenden Wand befindet.
Bild, das leichte Biegung aufgrund von Beschleunigung und Schwerkraft zeigt. Credit: Unbekannter Künstler, gepostet von Matthew Gelata als Antwort auf Quora.com
Für Sie im Schiff scheint sich das Licht in Gegenwart des beschleunigten Bezugssystems nach unten zu biegen. Erinnern Sie sich nun daran, was wir bereits mit dem Äquivalenzprinzip und dem Ball-Drop-Experiment festgestellt haben. Jemand in einem Schiff im offenen Raum beschleunigt mit einer Geschwindigkeit von 9,8 . nach obenwürde die gleiche Physik erfahren wie jemand, der sich auf der Erdoberfläche befindet. Das würde also bedeuten, dass, wenn Sie eine leichte Biegung in dem sich im freien Raum beschleunigenden Schiff beobachten, Sie auch eine leichte Biegung in dem Schiff beobachten müssen, das sich auf der Erdoberfläche befindet. Aber stimmt das? Krümmt sich Licht tatsächlich, wenn es einen gravitierenden Körper hat? Die kurze Antwort lautet ja, aber um herauszufinden, warum wir zuerst Raum und Zeit diskutieren müssen und wie sie eng miteinander verbunden sind.
Einstein war wirklich ein Mann, der über seine Zeit hinausging; sein Verstand war in der Lage, aus dem Bekannten heraus zu greifen und sich vorzustellen, was sonst niemand hatte. Er kam zu der Idee, dass Raum und Zeit zusammenhängen (Hermann Minkowski, ein brillanter Mathematiker und einer von Einsteins ehemaligen Professoren, war der erste, der Raum und Zeit geometrisch miteinander verknüpfte und nannte es Raumzeit, die später Einstein verwendete, um seine Theorie zu vervollständigen) und dass die Verwerfung dies verursacht, was dazu führt, dass das, was wir messen, Gravitation ist. Aber wie können wir dies visualisieren, um diese erstaunliche Entdeckung zu verstehen? Die nützlichste Art und Weise, wie ich die Raumzeit und ihre Wechselwirkung so visualisiere, dass sie die Lichtkrümmung hervorruft, ist ein weiteres Gedankenexperiment. Wir brauchen eine große, runde Gummiplatte (wie ein Trampolin), einen schweren Ball, eine Murmel und einen Freund. Stellen Sie sich nun vor, die Gummiplatte ist an den Kanten festgezogen; das ist raumzeit. Ohne etwas darauf ist es flach. Lasse deinen Freund dir gegenüber stehen und nimm dann die Murmel und rolle sie auf sie zu; die Murmel repräsentiert ein Photon. Was Ihr Freund beobachtet, ist, dass die Murmel in einer geraden Linie zu ihm rollt.
Legen Sie nun die schwere Kugel in die Mitte des Blattes; der Ball ist ein massiver Körper wie die Erde oder die Sonne. Was Sie und Ihr Freund beobachten, ist, dass der Ball in das Blatt sinkt und eine Art Brunnen bildet; diesen Brunnen erleben wir als Schwerkraft!
Eine Demonstration der Schwerkraft mit Kugeln auf einer Gummiplatte.
Kredit: Stanford University.
Lassen Sie uns die Murmel noch einmal zu Ihrem Freund rollen, außer dass diesmal die Kugel das Blech verzieht. Wenn Sie die Murmel ausreichend schnell rollen, taucht sie in den Brunnen ein, rollt ein wenig um die innere Brunnenwand und dann nach oben und aus dem Brunnen heraus. Je nachdem, wie schnell Sie die Murmel gerollt haben oder wie tief der Brunnen ist, beeinflusst dies, wo die Murmel auf der anderen Seite austritt. Ihr Freund wird sehen, wo Sie die Murmel ursprünglich gerollt haben, aber wo sie den Brunnen verlässt, muss nicht unbedingt gegenüber Ihrer Position liegen. Die Murmel wird auf eine neue Flugbahn abgelenkt. Wenn Sie dieses Bild im Hinterkopf behalten, können Sie jetzt ein wenig verstehen, wie sich Licht in Gegenwart der Schwerkraft zu biegen scheint! Das Licht bewegt sich in einer geraden Linie, aber wenn die Raumzeit selbst gekrümmt ist, folgt das Licht dieser Krümmung.
Leichte Biegung aufgrund der Schwerkraft gut.
Credit: Physik-Stack-Austausch
Sie mögen fragen: „Aber wie können wir diese Lichtkrümmung auf der Erde nicht sehen? Die Erde ist riesig und Licht sollte sich um uns herum biegen!“ Nun, tatsächlich tut es das. Aber es ist eine so kleine Abweichung, dass sie unbemerkt bleibt. Denken Sie an das Szenario mit dem Blatt zurück: Je nachdem, wie schnell die Murmel rollte oder wie tief der Brunnen war, würde dies bestimmen, wo die Murmel aus dem Brunnen austritt. In Wirklichkeit bewegt sich Licht extrem schnell, und dieser Wert ist für alle Beobachter festgelegt (was wir in Kürze behandeln werden). Das heißt, die einzige Sache, die bestimmt, wie stark das Licht abgelenkt wird, wie es von einem Beobachter (wie Ihrem Freund) gesehen wird, ist, wie tief der Brunnen in der Raumzeit (genannt Schwerkraftbrunnen) ist, mit dem das Licht interagiert. Da Licht so schnell ist, bräuchte man einen unglaublich tiefen Gravitationsbrunnen, um diese Krümmung zu bemerken.
Genau das wusste Einstein, als er diese Idee postulierte. Er wusste, dass er etwas mit viel mehr Masse als die Erde brauchen würde, um mit der ihm zu dieser Zeit verfügbaren Technologie jemals Lichtkrümmungen sehen zu können. Er erkannte, dass unsere Sonne genügend Masse haben würde, um eine Gravitation zu erzeugen, die tief genug ist, um eine merkliche Lichtablenkung zu erzeugen. Und was würde das zu messende Licht liefern? Ferne Sterne. Aber die einzige Möglichkeit, Sterne um die Sonne herum wirklich abzubilden, war während einer totalen Sonnenfinsternis. Dafür wandte er sich an den Astronomen Sir Arthur Eddington. Die Geschichte, wie Einstein sowohl die Vorhersage seiner Theorie als auch seinen gewünschten experimentellen Test an Eddington bringen konnte, war an sich schon bemerkenswert, da der Erste Weltkrieg während dieser Zeit in vollem Gange war.
Sir Arthur Stanley Eddington Credit: Wikimedia Commons
Sowohl er als auch Eddington lebten zufällig in rivalisierenden Nationen im Krieg (Deutschland bzw. England), was bedeutete, dass eine direkte Kommunikation zwischen den beiden unmöglich war, ganz zu schweigen davon, dass Eddington versuchte, seine fanatischen patriotischen Kollegen und die Regierung davon zu überzeugen, eine Expedition zu finanzieren, um ein ' Feind“-Theorie. Am Ende setzten sich jedoch sowohl Einsteins als auch Eddingtons internationalistische und pazifistische Ideale durch, und Eddington konnte das erforderliche Experiment durchführen, um zu beweisen, was Einstein behauptete.
Dieses Experiment erforderte, dass die Sonnenmasse eine sichtbare Ablenkung des Sternenlichts zeigt, das aus unserer Perspektive sehr nahe an der Sonne vorbeigeht, und dies war nur während einer totalen Sonnenfinsternis möglich. Der Finsternis-Mechanismus bestand lediglich darin, das Licht der Sonne auszublenden, damit Eddington Bilder der Sterne um die Sonne machen konnte, um zu sehen, ob die Sonnenmasse ihre scheinbare Position aufgrund der Krümmung der Raumzeit änderte.
Starlight Biegung, wie von Eddington während der Sonnenfinsternis 1919 beobachtet.
Bildnachweis: Discover Magazine, GFSC/NASA
Das Experiment war insofern ein Erfolg, als Eddington und seine Kollegen sahen, dass die scheinbaren Positionen der Sterne, die der Sonne sehr nahe erschienen, um den von Einsteins Berechnungen vorhergesagten Betrag verschoben waren, was bestätigte, dass die Schwerkraft das Licht tatsächlich beugte. Einstein hatte Recht mit seiner Ansicht über die Wechselwirkung von Schwerkraft und Licht.
Nachdem wir eine Möglichkeit geschaffen haben, Einsteins Perspektive auf Gravitation und Raumzeit zu visualisieren, können wir zu den ursprünglichen Fragen kommen, die unser futuristisches Szenario am Anfang dieses Artikels anstrebt. Ich sprach von Dilatationsberechnungen und Kontraktionswerten. Die offensichtliche Frage lautet: „Dehnt sich Zeit und Raum wirklich aus und zieht sich zusammen?“ Alles stammt aus einer Beobachtung, die in der Welt der Physik existierte und die Einstein zu versöhnen dachte. Bis Anfang des 20. Jahrhunderts wurde die Physik von zwei sehr großen Ideen dominiert. Diese Ideen kamen von Isaac Newton und James Maxwell.
Godfrey Knellers Porträt von Isaac Newton aus dem Jahr 1689 im Alter von 46 Jahren.
Bildnachweis: Isaac Newton Institute
Isaac Newton stellte bei der Formulierung seiner Theorie über Gravitation und Bewegung fest, dass Zeit und Raum für alle Beobachter absolut und unveränderlich sind. Zu Beginn seiner bahnbrechenden Arbeit Principia Mathematica definierte er, dass die Zeit für alle Dinge gleich vergeht und im Wesentlichen invariant gegenüber allen Arten der Messung ist. Ebenso definierte er auch den Raum als unverrückbar und unveränderlich; ein Absolutes, an dem Positionen gemessen werden können. Dies waren entscheidende Definitionen, als er seine mathematischen Behandlungen für die Gravitationswechselwirkung massiver Körper formulierte.
James Maxwell, oft als Vater der elektromagnetischen Theorie und einer der wichtigsten Naturphilosophen aller Zeiten bezeichnet, entwickelte den mathematischen Rahmen, der beschreibt, wie sich Elektrizität und Magnetismus verhalten. Sein Ansatz umfasste die Modellierung dieser beiden physikalischen Systeme unter Verwendung von Feldern, die auf intrinsische Weise miteinander wechselwirkten, um zu zeigen, dass sie beide Teil desselben Prozesses waren. Eines der Produkte dieser Wechselwirkungen war etwas, das er elektromagnetische Wellen nannte, und als er sie untersuchte, entdeckte er etwas Erstaunliches. Die Geschwindigkeit dieser Wellen entsprach genau der von uns gemessenen Lichtgeschwindigkeit: ungefähr 300.000.000(671 Millionen Meilen pro Stunde). Dies war kein Zufall, und später bewies er, dass Licht selbst eine elektromagnetische Welle war. Eine merkwürdige Folge der Funktionsweise seiner mathematischen Gesetze implizierte, dass sich Licht unabhängig von der relativen Bewegung nur mit einer Geschwindigkeit ausbreitete. Die erstaunliche Erkenntnis, zu der seine Mathematik schließlich führte, war, dass, selbst wenn sich jemand relativ zu jemand anderem bewegt und Licht aussendet, beide Personen die gleiche Geschwindigkeit messen würden, was bedeutet, dass Sie das Licht nicht „schneller“ bewegen sehen, weil jemand bewegte sich schneller als Sie, während er das Licht ausstrahlte.
James Clerk Maxwell
Kredit: Gemeinfrei
Dies war ein direkter Widerspruch zur Newtonschen Physik, die besagte, dass Geschwindigkeiten von gemessenen Objekten in Abhängigkeit von ihrer relativen Bewegung addiert und subtrahiert werden. Obwohl diese Diskrepanz zwischen diesen beiden führenden Theorien bekannt ist, würde es eines Genies erfordern, einen Weg zu finden, die beiden entweder zu versöhnen oder die eine zum Sieger zu erklären und die andere zur Niederlage zu besiegen. Um das Problem zwischen diesen beiden Theorien zu verdeutlichen, werde ich ein Gedankenexperiment verwenden, das von Einstein entwickelt und in seiner Arbeit zur Beschreibung der Speziellen Relativitätstheorie illustriert wurde.
Stellen Sie sich zwei Freunde vor, einer namens X und der andere Y. Y steht während eines Gewitters an einem Bahnhof und X sitzt im Zug. Der Zug nähert sich dem Bahnhof mit hoher Geschwindigkeit, und beim Vorbeifahren schlagen zwei Blitze in den Boden ein, einer vor dem fahrenden Zug und der andere dahinter (Bolzen A bzw. B). Diese Schläge fallen mit dem Moment zusammen, in dem sich Y und X gegenüberliegen. Aus Sicht von Y treffen beide Blitze A und B gleichzeitig auf den Boden; das Licht jedes Bolzens, das die gleiche Entfernung zurücklegt, um Y gleichzeitig zu erreichen. Aber im Zug bewegt sich X in Richtung Bolzen A und von Bolzen B weg. Daher hat das Licht von Bolzen A eine kürzere Fahrtstrecke und das Licht von Bolzen B eine längere Fahrtstrecke. Daher sieht X, dass die Bolzen zu unterschiedlichen Zeiten einschlagen. Also was ist es? Sind die Blitze gleichzeitig oder zu unterschiedlichen Zeiten auf den Boden eingeschlagen?
Abbildung, die das Blitz- und Zuggedankenexperiment zeigt.
Credit: Unbekannter Künstler
Betrachten Sie dies sorgfältig; unsere beiden widersprüchlichen Postulate sind, dass Zeit und Raum absolut sind (Newton) und dass die Lichtgeschwindigkeit für alle Beobachter unabhängig von der relativen Bewegung gleich ist (Maxwell). Y würde die Zeit beider Blitzeinschläge als gleichzeitig messen, da der Zeitpunkt, zu dem sie einschlagen, zu einer bestimmten Zeit auf ihrer Uhr erfolgen würde, beispielsweise um 16:00 Uhr und 10 Sekunden. Wenn Zeit und Raum absolut sind, muss X auch die Blitzeinschläge messen, da beide um 16 Uhr und 10 Sekunden auftreten. Aber wenn die Lichtgeschwindigkeit für alle Beobachter unabhängig von der Bewegung ein fester Wert ist, muss X zuerst Bolzen A schlagen sehen, sagen wir um 16 Uhr und 9 Sekunden, und dann Bolzen B als zweiter um 16 Uhr und 11 Sekunden. Damit X beide Bolzen gleichzeitig messen kann, müsste sich das Licht von Bolzen B schneller bewegen als das Licht von Bolzen A, um gleichzeitig die Position von X zu erreichen. Um Newtons Postulat aufrechtzuerhalten, dass Zeit und Raum für alle Bezugssysteme absolut sind, muss die Lichtgeschwindigkeit variieren. Aber wenn die Lichtgeschwindigkeit fest und für alle Bezugssysteme gleich ist, so Maxwells Entdeckung, dann muss das bedeuten, dass Zeit und Raum variieren müssen.
Wer gewinnt also diese gigantische Schlacht, Newton oder Maxwell? Um dies zu beantworten, schlug Einstein etwas vor (und bewies es später), was er die Relativität der Gleichzeitigkeit nannte. Beide Beobachter waren in ihrem Bezugssystem korrekt, da die Lichtgeschwindigkeit festgelegt wurde. Y sah, wie die Bolzen gleichzeitig auf dem Boden aufschlugen, da sich das Licht mit einer festgelegten Geschwindigkeit über eine unveränderliche Distanz zu Ys Position bewegte. Aus Sicht von X trafen die Bolzen jedoch aufgrund der Bewegung von X in Bezug auf Y zu unterschiedlichen Zeiten. Das Licht von Bolzen A erreichte X zuerst, da sich das Referenzsystem von X (der Zug) auf diesen Bolzen zubewegte, und sich von Bolzen B wegbewegen, also B an zweiter Stelle schlagend.
Dies ist der Uhrenturm in Bern, Schweiz, der vielleicht Einsteins Gedanken über die Natur der Zeit beeinflusst hat.
Kredit: Gemeinfrei
Die Relativität der Gleichzeitigkeit zeigte, dass verschiedene Bezugssysteme ihr eigenes, unabhängiges Maß für Zeit und Raum haben. Gleichzeitige Ereignisse in einem Bezugssystem finden nicht notwendigerweise gleichzeitig in einem anderen statt, wobei die Variable die Geschwindigkeiten zwischen den beiden Bezugssystemen sind. Auf diese Weise zeigte Einstein, dass Maxwells mathematische Konsequenzen für die Lichtgeschwindigkeit (sie ist für alle Beobachter unabhängig von der relativen Bewegung gleich) richtig sind und dass die Messungen von Zeit und Raum für verschiedene Beobachter aufgrund ihrer relativen unterschiedlich sein müssen Bewegungen zueinander. Newton war gestürzt.
Einstein begann, sich seinen Ideen mathematisch zu nähern, indem er die Zeit aus der Konstantenspalte entfernte und sie je nach Bezugsrahmen, in dem die Messungen stattfanden, variieren ließ. Er zeigte, dass Zeit variieren kann und nicht mehr als absolut bezeichnet werden kann. Damit verbunden war, dass auch der Raum selbst nicht mehr absolut war und je nach Bezugsrahmen entsprechend variieren konnte. All diese Variation von Raum und Zeit hängt davon ab, wie schnell sich ein Objekt relativ zu anderen Objekten bewegt. Im Wesentlichen hatte Einstein gezeigt, dass es keinen bevorzugten Bezugsrahmen gab, der in Bezug auf das Universum „ruht“, von dem aus alle Messungen vorgenommen werden könnten; Licht war die einzige Konstante in allen Referenzsystemen, und daher mussten wir unsere Messungen unter Berücksichtigung der Lichtgeschwindigkeit als unveränderlich durchführen – dies zwingt Raum und Zeit zu variieren.
Das ist zunächst viel zu verinnerlichen. Zugegeben, es kann mich manchmal noch verwirren und ich bin Diplom-Physiker. Es gibt viele Paradoxien, die aus diesen erstaunlichen Enthüllungen über die Raum- und Zeitvariante hervorzugehen scheinen. Bei genauerem Hinsehen und Verschieben dieser Paradoxe in den Bereich der Allgemeinen Relativitätstheorie, der Theorie, die all das frühere Gerede über die Verkrümmung der Raumzeit beschreibt, sehen Sie jedoch, dass diese Paradoxien tatsächlich dahinschmelzen. Denken Sie noch einmal daran, dass Masse die Raumzeit verzerrt und dies das Licht beeinflusst (unser Gummituch- und Bowlingkugel-Szenario von vorhin). Diese Verkrümmung des Raums bedeutet auch, dass sie die Zeit verzerren kann, da sie eng miteinander verbunden sind.
Um diese Idee mit den oben mit unseren Freunden Y und X besprochenen beweglichen Referenzsystemen zu verbinden, betrachten wir Masse und Energie. Masse verkrümmt die Raumzeit und via(das verdanken wir auch Einstein), sehen wir, dass Masse und Energie äquivalent sind. Das bedeutet, dass sowohl Masse als auch Energie zur Krümmung der Raumzeit beitragen können, oder besser gesagt zu dem Effekt, den wir Gravitation nennen. Wenn ein massiver Körper beschleunigt, gewinnt er an Energie; je schneller Sie es beschleunigen, desto mehr Energie gewinnt es. Daher trägt diese Beschleunigung zur Krümmung der Raumzeit bei.
Künstlerische Wiedergabe von dreidimensionaler Raumzeitverzerrung in Gegenwart von Masse.
Die Krümmung der Raumzeit verursacht die relativistischen Effekte, die wir diskutiert haben (Zeit- und Raumvariation und Lichtablenkung). Diese Konzepte sind alle miteinander verbunden und es sind ziemlich komplexe Themen zu diskutieren. Die tatsächliche Natur der Beschleunigung, die die Raumzeit verzerrt, hat mit mathematischen Konstrukten und Bezugsrahmen innerhalb dieser Konstrukte zu tun, Themen, die wir hier nicht versuchen werden. Wenn Sie diese Ideen jedoch (gelinde gesagt stark vereinfacht) auf die verschiedenen Szenarien und Paradoxien anwenden, die sich natürlicherweise aus der Speziellen Relativitätstheorie ergeben, kommen Sie zu den richtigen Schlussfolgerungen und die Paradoxien lösen sich auf.
Wenn Ihnen all dies zu unwirklich erscheint, erkennen Sie, dass die relativistischen Auswirkungen von Zeit und Raum, die sich je nach Bewegung oder Schwerkraft ändern, in den meisten unseres täglichen Lebens ins Spiel kommen. Unsere GPS-Satelliten sind viel weiter von der Erdoberfläche entfernt als Sie oder ich. Sie reisen auch sehr schnell im Vergleich zu Ihnen oder mir. Damit GPS funktioniert, muss es Ihre genaue Position kennen, wohin Sie fahren und wie lange Sie basierend auf diesen beiden Parametern für diese Fahrt benötigen. Das Timing muss so eingestellt werden, dass es mit Ihrem übereinstimmt. Wenn wir die relativistischen Effekte bei der Arbeit nicht berücksichtigen würden (die Uhr des Satelliten tickt aufgrund ihrer Geschwindigkeit und Entfernung von der Erde anders als Ihre), wäre Ihr GPS nicht genau und Sie würden nie dorthin gelangen, wo Sie wollten gehen!
GPS-Satelliten müssen die Krümmung der Raumzeit berücksichtigen, um Ihre Position genau vorherzusagen.
Bildnachweis: space.com Bildnachweis: NASA
Diese relativistischen Berechnungen werden in die Programmierung des Satelliten implementiert, um den Unterschied im Zeitfluss zu berücksichtigen, den er erlebt.
Wo bleibt uns das mit unserer anfänglichen futuristischen Vision? Ich sprach von einer Dilatationsberechnung für das Schiff, das auf die Andromeda-Galaxie zusteuern würde. Ich habe erwähnt, dass die richtige Zeit für die Kryoröhren basierend auf dem Referenzrahmen implementiert wird. Um die seltsame Realität der Realität zu demonstrieren, verwenden wir eine vereinfachte Idealsituation. Vereinfacht meine ich, dass wir unsere Frage in Bezug auf die Regeln der Speziellen Relativitätstheorie aufstellen und die beiden folgenden Gleichungen verwenden:
Längenkontraktion
Zeitdilatation
Daher werden wir die Beschleunigung des Helios II nicht berücksichtigen, um auf Geschwindigkeit zu kommen, und vermeiden so die Besonderheiten, die Einsteins Feldgleichungen zur Beschreibung der Allgemeinen Relativitätstheorie erfordern.
Feldgleichungen für die Allgemeine Relativitätstheorie.
Kredit: Gemeinfrei
Aber keine Angst, dies ist eigentlich eine gängige Methode, um jungen Physikern die seltsame Natur von Zeit und Raum vorzustellen, und die Ergebnisse unserer oben aufgeführten Gleichungen sind genauso gültig, solange die beschriebene physikalische Situation vereinfacht bleibt (konstante Geschwindigkeit).
Der Helios II ist gestartet und erreicht eine Geschwindigkeit von fast Lichtgeschwindigkeit, sagen wir 2.9999999(ca. 99% der Lichtgeschwindigkeit). Wir kennen auch die Entfernung von der Erde zum Ziel des Helios II, Andromeda; etwa 2,5 Millionen Lichtjahre. Wir können jetzt damit beginnen, das, was wir wissen, in unsere Gleichungen einzugeben. Lassen Sie uns der Übersichtlichkeit halber die Zeitgleichung aufschlüsseln, damit wir wissen, wofür jeder Wert steht:
t = Zeit, die die Menschen auf der Erde erleben
t’ = erlebte Zeit im Helios II
v = Geschwindigkeit des Helios II
c = Lichtgeschwindigkeit
Angesichts dessen, was wir wissen (die Zeit, die die Reise nach Andromeda wie auf der Erde erfahren wird, t und die Geschwindigkeit des Helios II, v), können wir unsere Zeitgleichung für den von uns benötigten Wert neu ordnen; wie lange müssen die Passagiere von ihrem Bezugsrahmen aus schlafen, t’:
Wir können jetzt t und v anschließen und sehen, wie seltsam unser Universum wirklich ist. Was wir entdecken ist, dass, obwohl auf der Erde ungefähr 2,5 Millionen Jahre vergehen, für die Besatzung der Helios II etwas mehr als 655 Jahre vergehen. Sie haben richtig gelesen: Die Kryokapseln auf dem Schiff werden nur so programmiert, dass sie die Besatzung 655 Jahre lang schlafen lassen, aber für die Menschheit auf der Erde werden mehr als 2,5 Millionen Jahre vergehen.
Die Zukunft der bemannten Raumfahrt könnte anders aussehen, als wir denken.
Bildnachweis: Offizielle SpaceX-Fotos, Flickr
Lassen Sie dies ein wenig sinken; was für den Helios II nur wenige Jahrhunderte betragen wird, wird mehr als die Hälfte der Zeit sein, die die gesamte Erde für die Menschheit in unserem Sonnensystem existiert hat. Aber die Dinge werden noch seltsamer.
Sie denken vielleicht: „Wie kann die Zeit kürzer sein, wenn der Helios II 2,5 Millionen Lichtjahre zurücklegt? Das würde bedeuten, dass sie schneller als Lichtgeschwindigkeit gereist sein mussten!“ Denken Sie daran, dass Zeit und Raum so verbunden sind, dass sich diese seltsamen Szenarien manifestieren. Die andere oben erwähnte Gleichung, die Längenkontraktionsgleichung, kommt jetzt ins Spiel. Wir können das auch aus Gründen der Klarheit aufschlüsseln:
l = Entfernung zur Andromeda-Galaxie, gemessen von der Erde
l’ = Entfernung, die Helios II von der Andromeda-Galaxie mit der Geschwindigkeit misst
v = Geschwindigkeit des Helios II
c = Lichtgeschwindigkeit
Wenn wir die bekannten Werte (l und v) einstecken, kommen wir zu einer verblüffenden Schlussfolgerung: dass die vom Helios II zurückgelegte Entfernung nur etwa 655 Lichtjahre betrug. Das bedeutet, dass sie mit nahezu Lichtgeschwindigkeit etwas mehr als 655 Jahre brauchen, um diese Reise zu machen. Und ja, der Raum hat sich für den Helios II physisch zusammengezogen. Dies ist ein gemessenes Phänomen, das mit Myonen (subatomaren Teilchen) physikalisch nachgewiesen wurde und wie sie nach ihrer Entstehung in der oberen Atmosphäre an die Erdoberfläche gelangen.
Wie der Titel dieses Artikels andeutet, ist die Realität sehr seltsam. Dies führt uns auch zu einigen philosophischen Spekulationen. Stellen wir uns vor, wir haben die Technologie, um ein futuristisches Schiff auf 99,99999 % der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen (ohne physikalische Einschränkungen).
Reisen zu weit entfernten Orten wie Andromeda könnten interessante Konsequenzen haben.
Bildnachweis: NASA
Nehmen wir sogar an, wir hätten die Fähigkeit, uns asymptotisch der Lichtgeschwindigkeit zu nähern. Was Sie feststellen, ist, dass die Zeit, die Sie auf dem Schiff erfahren, immer kürzer wird, wenn sich das Schiff der Lichtgeschwindigkeit nähert. 655 Jahre. 25 Jahre. 1 Jahr. 1 Monat. 1 Tag. 1 Sekunde. Aus der Sicht eines Erdenmenschen müssen mindestens 2,5 Millionen Jahre vergehen, bis unser immer schnelleres Schiff die Andromeda-Galaxie erreicht. Aber je schneller es auf dem Schiff ist, desto langsamer wird sich die Zeit laut unserem erdgebundenen Beobachter bewegen.
Wechseln Sie diese Perspektive jetzt zu jemandem auf dem Schiff. Für sie läuft die Zeit wie sie sollte; ihre Uhren ticken normal, ihre biologischen Prozesse funktionieren ordnungsgemäß und die Filmlänge wäre dieselbe, als ob sie auf der Erde stationär wären. Aber für sie hat sich das Universum selbst (zumindest vor ihnen) geschrumpft. Je schneller ihr Schiff durch das Universum rast, desto kürzer wird ihre Reise durch das Universum. 655 Lichtjahre. 25 Lichtjahre. 1 Lichtjahr. 100 Meilen. 10 Meilen. 1 Meile. Für unsere Crew auf dem Schiff scheint das Universum selbst vor ihnen zusammenzubrechen.
Immer noch bei mir?
Stellen Sie sich nun für einen Moment vor, Sie fahren auf einem Lichtstrahl. Sie sind auf ein Photon fixiert, das während des Urknalls emittiert wird. Jemand auf der Erde würde Sie sehen und zu dem Schluss kommen, dass Sie vom Moment Ihrer Erschaffung bis zu dem Moment, in dem Sie auf ihr neugieriges Auge fielen, 13,8 Milliarden Jahre gereist sind und Billionen von Meilen zurückgelegt haben. Aber für dich, für das Photon, wäre keine Zeit vergangen.
Reiten neben einem Lichtstrahl.
Bildnachweis: Screenshot der Videosimulation von Licht, Encyclopedia Britannica, Contunico ZDF Enterprises,
Wie oben besprochen, je schneller Sie sich durch den Raum bewegen, desto langsamer bewegen Sie sich durch die Zeit und desto kürzer wird der Raum für Sie. Daher stoppt die Zeit bei Lichtgeschwindigkeit einfach und der Raum zieht sich vor Ihnen auf die Länge Null zusammen. Für Sie hört das Konzept eines Universums auf zu existieren, denn in dem Moment, in dem Ihr Photon erzeugt wird, wird es absorbiert.
Dies ist eine ziemlich erstaunliche Offenbarung, wenn man die Konzepte der Relativität bis an die Grenzen bringt. Natürlich ist dies nur ein Gedankenexperiment, da ein Photon kein Bewusstsein dafür mit sich bringt, was Zeit oder Raum ist, und wir können nie die Lichtgeschwindigkeit erreichen. Tatsächlich scheint es ziemlich unwahrscheinlich, die Geschwindigkeit zu erreichen, die ich zuvor in meinem Beispiel verwendet habe. Aber um Ihnen zu zeigen, wie seltsam die Realität ist, muss man die Regeln auf eine Weise anwenden, die Dinge offenbart, die in unserem täglichen Leben oft nicht zu sehen sind.
Aber denk noch einen Moment mit mir nach. Reise mit mir an den Rand der Unendlichkeit. Versetzen wir uns in die ferne Zukunft, in der die Menschheit einen Weg gefunden hat, unsere Schiffe mit diesen unglaublichen Geschwindigkeiten durch das Universum zu bewegen. Stellen Sie sich vor, Sie sind ein Besatzungsmitglied der Helios II und werden 655 Jahre nach dem Einfrieren in Ihrer Kryokapsel aufgeweckt. Sie würden von Ihrem Quartier auf das außerirdische Sternenfeld blicken und sich fragen, was die Menschen auf der Erde dachten. Erde. Es kommt einem der Gedanke, dass 655 Jahre vergangen sind. Es ist erstaunlich, darüber nachzudenken.
Das Hubble-Weltraumteleskop.
Bildnachweis: Stuart Atkinson
Sie erinnern sich, dass zwischen der Beulenpest, die 1348 Europa verwüstete, bis zum Start des Hubble-Teleskops im Jahr 1991 eine Zeitspanne von 645 Jahren verging.
Aber warten Sie, Sie haben 655 Jahre erlebt; die Menschen auf der Erde haben ungefähr 2,5 Millionen Jahre erlebt. Die Spanne von 2,5 Millionen Jahren trennt das erste jemals aufgenommene Bild eines Schwarzen Lochs im Jahr 2019 mit dem ersten bekannten Vorfahren der Menschheit, der auf der Erde auftauchte (Homo habilis).
Das erste aktuelle Bild eines Schwarzen Lochs, aufgenommen im Jahr 2019.
Credit: Event Horizon Telescope Collaboration
Diese Erkenntnis ist erschütternd. Abgesehen von phantastischen Geschwindigkeiten und noch unbekannten Technologien die Vorstellung, dass wir, wenn wir uns mit immer höherer Geschwindigkeit in den Kosmos wagen, nicht nur große räumliche Distanzen, sondern auch große zeitliche Distanzen zwischen uns legen werden. Wenn wir mit fast Lichtgeschwindigkeit reisen, werden menschliche Taschen entstehen, die so getrennt sind, dass ein abreisendes Kolonieschiff von einer Welt ankommt und eine neue Welt besiedelt, in der Gewissheit, dass die Kolonie, die sie zurückgelassen haben, möglicherweise nicht so existiert, wie sie es ist weiß es nicht mehr. Für die Helios II hat die Erde ihre Reise vielleicht schon lange vergessen, und noch tragischer ist, dass die Menschheit möglicherweise überhaupt nicht wie Menschen aussieht oder sich verhält. Die Menschheit existiert möglicherweise nicht mehr auf der Erde und wird möglicherweise zu einem Fossilienbestand für einige unbekannte Arten, die sich nach uns entwickeln. Die Erde, an die sich die Besatzung der Helios II erinnert, wäre verschwunden und die Besatzung wäre das Echo einer von unserer Heimatwelt längst vergessenen Spezies.
Die Natur der Relativität und die seltsame Realität der Realität zeigen, dass wir uns umso mehr voneinander trennen und im Hintergrundrauschen des Universums verschwinden, je weiter und schneller wir reisen; wandernde Geister einer Welt, die weit entfernt in Raum und Zeit existierte.
Die Menschheit stürzt ins Leere…
Bildnachweis: Battlestar Wiki Media