Wie die Zeit vergeht

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1 Zweiter November der Wissenschaft»Einstein heute«wie die Zeit vergeht Uhren, Zeit und Einstein Hannover, 2. November 2010 Peter Aufmuth Albert-Einstein-Institut Leibniz Universität Hannover

2 Einstein: Vorurteile (Unverständliche Theorie) Alles ist relativ! Hallo Leute, wenn Ihr Eure sektenhafte Verehrung für Einstein beiseite lassen würdet, dann könntet Ihr vielleicht erkennen, was für einen Scheiss ihr baut. Anmerkung: Ich bin selber Physiker Ludger Marwitz Jahre Relativität

3 Alles nur Theorie? Die Effekte der Relativitätstheorie sind allesamt zweifelsfrei nachgewiesen, und sie werden auch technisch genutzt. Fernseher, Satellitennavigation Kernreaktor, Beschleuniger Universum, Schwarze Löcher Die Relativitätstheorie ist die genaueste physikalische Theorie, die wir heute haben. Sir Roger Penrose

4 Einsteins Bedeutung * in Ulm in Princeton Neue Vorstellungen von Raum, Zeit und Materie Neues Bild des Universums AEI Einstieg in die Quantentheorie

5 Zweiter November der Wissenschaft»Einstein heute«vortragsreihe von Dr. Peter Aufmuth 1. Wie die Zeit vergeht Uhren, Zeit und Einstein Dienstag, 2. November um 18:00 2. Einsteins Universum Das kosmologische Standardmodell Dienstag, 9. November um 18:00 3. Laserstrahlen und Quantenspuk Einstein und die Quantentheorie Dienstag, 16. November um 18:00 Albert-Einstein-Institut, Callinstr. 38, Raum 103

6 Warum gibt es die Zeit? Wir Menschen können das Ewige nur in der Form des Nacheinander erfassen. Für Gott ist Alles Gegenwart. Gott erschuf die Zeit, damit nicht alle Dinge gleichzeitig passieren. Hl. Augustinus Im Anfang erschuf Gott Himmel und Erde und die Zeit John A. Wheeler

7 Was ist Zeit? Es wäre schön, wenn wir eine gute Definition von Zeit finden könnten Die Physiker wissen nicht, was Zeit eigentlich ist! Wirklich wichtig ist nicht, wie wir Zeit definieren, sondern wie wir sie messen. Richard P. Feynman

8 Einsteins Definition Zeit ist das, was wir an einer Uhr ablesen. Zytglogge, Bern 1900 Albert Einstein

9 Was ist eine Uhr? Uhr = eine Folge von Vorgängen, die sich immer gleich wiederholen Sonnenuhr Sanduhr Mechanische Uhr

10 Moderne Uhren Digitaluhr Schwingender Kristall Atomuhr (PTB, Braunschweig) Lichtfrequenz 1 Sekunde = Dauer von Schwingungen des Lichts eines bestimmten Elektronenübergangs im Cs 133 (relative Genauigkeit: )

11 Die Planck-Skala Max Planck Aus den fundamentalen Naturkonstanten lassen sich natürliche Standards konstruieren. L P G 3 c 1, m Planck-Länge (kurz nach der Entdeckung des Wirkungsquantums) 1899

12 Die Planck-Zeit = Zeit, die das Licht braucht, um die Planck-Länge zu durchqueren t P L / c 10 P 43 s s Strukturen in der Planck-Welt s s Die früheste Zeitspanne: s nach dem Urknall

13 Der Zeitpfeil Warum kann man nicht in die Vergangenheit reisen? Zukunft Gegenwart Zukunft? Warum ist die Zeit keine Fläche? Vergangenheit Imaginäre Zeit

14 Die Richtung der Zeit Es gibt in der Natur Vorgänge, die immer nur in eine Richtung ablaufen. immer nie heiß kalt Nichtumkehrbare Prozesse

15 Die Richtung der Zeit Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik: Alle natürlichen Prozesse verlaufen so, daß die Unordnung zunimmt. immer nie Ordnung Unordnung Übergang von einem unwahrscheinlicheren in einen wahrscheinlicheren Zustand

16 Absolute Zeit? Die Zeit verläuft überall im ganzen Universum gleich. Ich kann im Augenblick keine bessere Annahme machen! Philosophie Isaac Newton Und woher wissen Sie das?

17 Zeit und Bewegung Uhren in Bewegung laufen langsamer als Uhren in Ruhe Spezielle Relativitätstheorie

18 Ruhende und bewegte Beobachter Meine Uhr geht normal! Seine Uhr geht viel langsamer als meine! Albert Beide Beobachter erleben den Zeitverlauf unterschiedlich! Beatrix

19 Relativität der Gleichzeitigkeit Zwei Ereignisse, die für Beatrix gleichzeitig ablaufen, erscheinen bei Albert zu verschiedenen Zeiten. Es gibt keine absolute Gleichzeitigkeit!

20 Elementarteilchen Die Verlangsamung der Zeit läßt sich in der Natur beobachten Beispiel: Lebensdauer T von Myonen (My-Mesonen) Myon in Ruhe: T = 2 µs ( L = 600 m) Myon mit v ~ c: T = 100 µs L = 30 km

21 Flug um die Welt Die Atomuhr geht nach einem Flug um die Welt 50 ns nach (= 50 Milliardstel Sekunden) gegenüber einer Atomuhr am Boden. Bleiben Sie in Bewegung! Das hält jung! Leider haben Sie nichts davon! J.C. Hafele and R.E. Keating (1971)

22 Flug zum Sirius Wie wäre es mit einer Reise zu einem nahe gelegenen Stern, z.b. dem Sirius? 8,6 Lichtjahre Sirius Wenn man schnell genug ist, schafft man eine Strecke in 9 Jahren altert aber nur 2½ Jahre.

23 Der Zwillingseffekt Zeit 18 Jahre älter 5 Jahre älter Sirius 8,6 Lichtjahre 96 % c Kip Karsten Ort Sind Reisen mit Lichtgeschwindigkeit c oder mehr möglich?

24 Zunahme der Trägheit Je größer die kinetische Energie, umso größer die Trägheit des Körpers. TV: v ~ 1/3 c Abweichung auf dem Schirm bis zu 1 mm

25 c als Grenzgeschwindigkeit Für v = c wird die Trägheit unendlich groß. Kein Objekt mit einer Ruhemasse größer als Null kann sich schneller ausbreiten als mit Lichtgeschwindigkeit Enterprise ade!

26 Stillstand der Zeit Jede denkbare Wirkung und jedes Signal breitet sich höchstens mit Lichtgeschwindigkeit aus. 150 Mio. km d.h. 8 Lichtminuten Wir sehen die Sonne genau so, wie sie vor 8 Minuten ausgesehen hat! Für lichtschnelle Teilchen bleibt die Zeit stehen.

27 Lichtkegel Lichtschnelle Teilchen bewegen sich längs des Kegelmantels, langsamere innerhalb des Kegels. Wir sehen nur den Ausschnitt von der Welt, der von unserem Rückwärts-Lichtkegel erfaßt wird. Dreidimensionale Beschreibung: Raum als Fläche, Zeit als Linie

28 Blick in die Vergangenheit 13 Milliarden Jahre Das Licht von fernen Galaxien erreicht uns erst nach Millionen oder Milliarden von Jahren! HST 2004 Edwin P. Hubble

29 Schwerkraft und Zeit Uhr an Bord eines Satelliten geht schneller Uhren laufen langsamer, wenn sie sich in der Nähe schwerer Körper befinden! Uhr am Erdboden

30 Satellitennavigation GPS = Global Positioning System (Satelliten-Navigationssystem) 24 Satelliten in km Höhe, welche die Erde in 12 Std. umkreisen. Jeder Satellit enthält 3 Atomuhren.

31 Die Zeit im GPS Bewegte Uhren gehen langsamer: t SRT = 7 µs/tag Von der Erde entfernte Uhren gehen schneller als am Erdboden: t ART = +45 µs/tag Differenz zur Uhr am Erdboden: Die Satellitenuhr geht pro Tag um 38 Millionstel Sekunden vor Das macht pro Tag eine Abweichung in der Positionsbestimmung von x = 10 km aus! Satelliten-Navigation ohne Relativitätstheorie unbrauchbar!

32 < 33 cm > Neueste Ergebnisse Süddeutsche Zeitung vom Höhe macht alt, Tempo hält jung Einstein sche Zeitverschiebung im Labor bestätigt 36 km/h Gangdifferenz der Atomuhren: 1 s in 2 Milliarden Jahren t SRT = s t ART = s 80 Jahre in Hamburg statt in München: 1/6000 s Gewinn!

33 Der Anfang der Zeit Das Universum entstand im Urknall. Seitdem dehnt es sich immer weiter aus. Mit dem Urknall entstand auch die Zeit! 1927 A. Einstein Georges Lemaître

34 Relativistischer Kollaps Querschnitt des Sterns Ein Stern am Ende seines Lebens Der Stern erlischt und fällt in sich zusammen Schwarzes Loch Die gesamte Masse ist in einem Punkt konzentriert

35 Hinter dem Horizont Der kollabierte Stern besitzt eine gewaltige Schwerkraft Horizont Der Horizont ist eine gedachte Linie. Alles was sie überschreitet, kann den Stern nicht mehr verlassen und ist für die Außenwelt verschwunden. 3 km für einen Stern mit Sonnenmasse Kollabierter Stern

36 Schwarze Löcher Horizont = Rand des Schwarzen Lochs Die Schwerkraft eines solchen Objekts ist so groß, daß ihm nichts entkommen kann auch kein Licht.

37 Ein Schwarzes Loch im All Das Schwarze Loch markiert einen Bereich des Universums, mit dem wir keine Verbindung aufnehmen können. Schwarzes Loch im Zentrum unserer Milchstraße (enthält vier Millionen Sonnenmassen) Die Größe eines Schwarzen Lochs hängt von seiner Masse ab.

38 Das Ende der Zeit Eine Uhr fällt in das Schwarze Loch Horizont Am Rand des Schwarzen Lochs bleibt die Uhr stehen! Ferne Beobachter Im Schwarzen Loch enden Raum und Zeit!

39 Reise ins Schwarze Loch Am Horizont bleibt die Uhr stehen. Ich sehe keinen Unterschied! Auch meine Uhr läuft normal weiter. Ferne Beobachter Zentrum 1,5 Mrd km Horizont

40 Eigenzeit Jeder Mensch hat seine eigene Zeit, die davon abhängt, wo er sich befindet und wie er sich bewegt. Der weise König Salomo Ein Jegliches hat seine Zeit Prediger 3,1

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