Spezielle und allgemeine Relativitätstheorie Grundlagen, Anwendungen in Astrophysik und Kosmologie sowie relativistische Visualisierung

Transkript

1 Sebastian Boblest Thomas Müller Spezielle und allgemeine Relativitätstheorie Grundlagen, Anwendungen in Astrophysik und Kosmologie sowie relativistische Visualisierung

2 Spezielle und allgemeine Relativitätstheorie

3 Sebastian Boblest Thomas Müller Spezielle und allgemeine Relativitätstheorie Grundlagen, Anwendungen in Astrophysik und Kosmologie sowie relativistische Visualisierung

4 Sebastian Boblest Thomas Müller Visualisierungsinstitut Universität Stuttgart Stuttgart, Deutschland 1. Institut für Theoretische Physik Universität Stuttgart Stuttgart, Deutschland ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Spektrum Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2016 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Einbandabbildung: Sebastian Boblest, Thomas Müller, Planung: Margit Maly Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Springer-Verlag GmbH Berlin Heidelberg ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (

5 Vorwort Dieses Buch ist aus Vorlesungen über spezielle und allgemeine Relativitätstheorie sowie über Astrophysik hervorgegangen, die in den vergangenen Jahren an der Universität Stuttgart für Physikstudierende gehalten hat. In keiner Wissenschaft ist die allgemeine Relativitätstheorie präsenter als in der Astrophysik. Es lag daher nahe, Relativitätstheorie und Astrophysik in einem Buch zusammenzufassen und die Querbezüge aufzuzeigen. Dabei ist die Astrophysik aber ein so breites Forschungsgebiet, dass eine umfassende Darstellung in einem einführenden Buch nicht möglich ist. Der Fokus des vorliegenden Textes liegt innerhalb der Astrophysik auf der Entstehung und Entwicklung von Sternen bis hin zu ihren Endprodukten, den weißen Zwergen und Neutronensternen, sowie auf der Kosmologie. Inspiriert sind die Inhalte von Vorlesungen, die Hanns Ruder an der Universität Tübingen gehalten hat, sowie von dem Buch Spezielle Relativitätstheorie, das er gemeinsam mit Margret Ruder geschrieben hat, und durch das Büchlein Weiße Zwerge schwarze Löcher von Roman und Hannelore Sexl aus dem Jahre Speziell in der Astrophysik wurden in den letzten Jahrzehnten bahnbrechende Neuentdeckungen gemacht. Während etwa 1975 die Entdeckung des ersten Neutronensterns erst 7 Jahre zurücklag, kennt man heute weit über 1000 dieser Objekte, und ihre Eigenschaften werden sowohl durch Beobachtungen als auch durch theoretische Betrachtungen umfassend studiert. So musste natürlich weit über die damaligen Darstellungen hinausgegangen werden, und selbst innerhalb der behandelten Themengebiete kann nur eine kleine Auswahl der Phänomene diskutiert werden, mit denen sich die Astrophysik heute beschäftigt. Natürlich gibt es heute eine Vielzahl von Lehrbüchern zu den in diesem Buch behandelten Themen, und teilweise haben wir unsere Diskussion an andere Texte angelehnt. Hervorheben möchten wir die Bücher Introduction to Cosmology von Barbara Ryden, Astronomie und Astrophysik Ein Grundkurs von Weigert, Wendker und Wisotzki, Stellar Evolution and Nucleosynthesis von Sean Ryan und Andrew Norton und Geometry, Topology and Physics von Mikio Nakahara. In diesem Buch versuchen wir einen ersten Einblick in einige faszinierende Teilgebiete der Physik zu geben, ohne aber den Anspruch zu erheben, diese im Sti- V