100 Jahre Relativität Gravitation ist Geometrie. Max Camenzind Akademie HD Sept. 2016

Transkript

1 100 Jahre Relativität Gravitation ist Geometrie Max Camenzind Akademie HD Sept. 2016

2 Der 25. November 1915 gilt als Geburtstag der Allgemeinen Relativitätstheorie geboren mitten in eine sehr chaotische Zeit

3 In der Preußischen Akademie präsentiert

4 Albert Einstein - seine Allgemeine Relativität

5 die Feldgleichungen der Gravitation Die Kollegen haben ihn nicht verstanden!

6 Am 25. November 1915 hielt Albert Einstein vor der Preußischen Akademie der Wissenschaften zu Berlin seinen denkwürdigen Vortrag, der mit den Worten endete: Damit ist endlich die allgemeine Relativitätstheorie als logisches Gebäude abgeschlossen. Es folgten Tage und Wochen voll überschäumender Begeisterung. Gegenüber Freunden schwärmte Einstein, die Theorie sei von unvergleichlicher Schönheit und seine kühnsten Träume seien in Erfüllung gegangen. Dem Physiker Arnold Sommerfeld versicherte er, es sei der wertvollste Fund, den ich in meinem Leben gemacht habe.

7 Einstein war seiner Zeit um Jahrzehnte voraus Er war aber auch ein begeisterter Segler ohne Rettungsweste unterwegs

8 Kip Thorne (CalTech) hielt die Laudatio

9 Kip Thorne gilt als einer der Pioniere der Gravitationswellen

10 auch die ETH Zürich feierte den Geburtstag Studium an ETH Einstein in Zürich 25. Nov Gleichungen

11 Archimedes, Aristoteles, Ibn al-haytham, Leonardo da Vinci, Galileo Galilei, Johannes Kepler; Isaac Newton, James Hutton, Antoine Lavoisier, John Dalton, Charles Darwin, Gregor Mendel; Louis Pasteur, James Clerk Maxwell, Henri Poincaré, Sigmund Freud, Nikola Tesla, Max Planck; Ernest Rutherford, Marie Curie, Albert Einstein, Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Enrico Fermi; J. Robert Oppenheimer, Alan Turing, Richard Feynman, E. O. Wilson, Jane Goodall, Kip Thorne (GWellen)

12 Thema: 100 Jahre Allgemeine Relativität Das physikalische Weltbild um 1900: von Kopernikus bis Maxwell. Die Spezielle Relativität von 1905: die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit Stationen im Leben von Albert Einstein. Die Allgemeine Relativität von 1915: Äquivalenzprinzipien; die Dramaturgie der Lichtablenkung; der Königsweg zu den Feldgleichungen.

13 Stationen der Physik bis um 1900 Isaac Newton Michael Faraday James Maxwell

14 Newtons Erbe: Kopernikanische Wende

15 Newtons Erbe: Galileo Galilei Formuliert das schwache Äquivalenzprinzip

16 Newtons Erbe: Johannes Kepler

17 Newtons Erbe: Descartes` Äther

18 Newton zerlegt Licht in Farben

19 Kraft auf Apfel = Kraft auf Mond Newton Gravitation universell

20 Edmund Halley besiegelt Newtons Theorie Aufgrund von Newton berechnet er die Bahn

21 Probleme mit Newtons Theorie seit 1850 Merkurbahn keine geschlossene Ellipse Le Verrier 1855: Periheldrehung der Merkurbahn von 43 Bogensekunden pro Jahrhundert kann nicht erklärt werden. Diese Tatsache war Einstein bekannt. Zusammen mit Michele Besso, einem Kollegen am Patentamt in Bern, löste er dieses Problem 1915 vor Vollendung der ART. Merkurs Aphel Merkurs Perihel

22 Magnetische Kräfte erfüllen den Raum Feld

23 Kraftfelder richten Eisenspähne aus

24 Elektrische Kräfte Bernsteinstab

25 El. Kraftfeld lenkt Wasserstrahl ab

26 Strom-Draht erzeugt magnetische Kräfte

27 Faraday: Bewegter Magnet erzeugt Ströme

28 Maxwell formuliert die Theorie des Elektromagnetismus Nicht verträglich mit Newton!

29 Maxwell 1865 sagt EM-Wellen voraus, die sich mit Lichtgeschwindig- keit im Vakuum ausbreiten Felder

30 Newton: Raum ist unveränderlich

31 Ist der Raum durch den Äther gefüllt? Ein waberndes Medium mit seltsamen Eigenschaften

32 Einstein negiert Existenz des Äthers Während die Naturwissenschaft heute von vier bekannten Naturkräften ausgeht, bestand noch vor etwa hundert Jahren eine gänzlich andere Vorstellung dessen, was die Welt zusammen hält und alle physikalischen Ereignisse bestimmt. Man glaubte an ein Medium, gleichsam dem unsichtbaren Klebstoff des Universums Äther genannt. Die uns im Alltag vertrauten Wellen, z.b. Wasser- oder Schallwellen, werden von einer Substanz, einem Medium, übertragen - z.b. Schallwellen von der Luft. Dabei wird die Geschwindigkeit dieser Wellen relativ zu diesem Medium angegeben. Die 'Schallgeschwindigkeit' von etwa 1200 km/h meint, dass die Schallwellen sich in einer ansonsten ruhenden Luft mit dieser Geschwindigkeit ausbreiten. Von daher nahmen Physiker im 19. Jahrhundert noch an, dass sich auch Licht, d.h. elektromagnetische Wellen - nur in einem bestimmten Medium ausbreiten könne. Ein solches Medium war zwar weder entdeckt noch jemals bewiesen worden, dennoch wurde seine Existenz von den meisten Physikern vorausgesetzt. Einstein entwickelte jedoch 1905 ein gegensätzliches Konzept.

33 Spezielle Relativität von 1905 gilt in jedem Raumpunkt und zu jeder Zeit auch auf ISS 1. Relativitätsprinzip: kein ausgezeichnetes System Die physikalischen Gesetze haben in allen Inertialsystemen dieselbe Form, es gibt kein ausgezeichnetes System. Alle Geschwindigkeiten sind Relativgeschwindigkeiten bezogen auf ein Inertialsystem. Das hatte schon Galilei formuliert. 2. Die Lichtgeschwindigkeit ist unveränderlich: Die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit c hat in jedem Inertialsystem exakt und unveränderlich den selben Wert, gänzlich unabhängig vom Bewegungszustand der Lichtquelle oder des Beobachters. (Andernfalls wäre der leere Raum ein bevorzugtes Bezugssystem.)

34 Was ist Zeit?

35 Bewegte Uhren gehen langsamer (Zeitdilatation) Aus der Sicht eines als unbewegt angenommenen Beobachters gehen alle Uhren eines bewegten Objektes oder Systems langsamer als eine unbewegte Uhr, und zwar gehen sie umso langsamer je näher das Objekt der Lichtgeschwindigkeit kommt fundamental für GPS-Ortung. Das Photon braucht also längere Zeit für die Vollendung seines Zyklus die Uhr tickt in größeren Abständen die bewegte Uhr geht aus Sicht des ruhenden Beobachters langsamer!

36 Zwillingsparadoxon Der Raumfahrer-Zwilling Einstein fliegt mit 99% der Lichtgeschwindigkeit zu einem 30 Lichtjahre entfernten Stern, dreht um und kommt zurück. Heute erreichen Protonen am LHC CERN 99,999999% der Lichtgeschwindigkeit.

37 Masse und Energie sind äquivalent Ein kleiner Zusatz 1905 mit großer Wirkung

38 Massendefekt = Energie 1938 Otto Hahn & Fritz Strassmann in Berlin 1 Proton = 938 MeV/c²

39 13 TeV kinetische Energie am LHC materialisiert in Teilchen

40 Wer war Albert Einstein?

41 Copyright:

42 Einstein-Brunnen in Ulm erinnert an sein Geburtshaus *

43 Einstein-Brunnen in Ulm

44 Ulm & Albert Einstein Im Jahre 1922 wurde Einstein mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Die Nachricht darüber veranlasste den Ulmer Gemeinderat, einer der neu zu benennenden Straßen "zu Ehren des in Ulm geborenen Schöpfers der Relativitätstheorie" den Namen "Einsteinstraße" zu geben. Als der Oberbürgermeister ihm dies 1929 in einem Glückwunsch-Schreiben zum 50. Geburtstag mitteilte, antwortete Einstein: "Von der nach mir benannten Straße habe ich schon gehört. Mein tröstlicher Gedanke war, dass ich ja nicht für das verantwortlich bin, was darin geschieht."

45 Albert und Maja Einstein (*1881)

46 Luitpold-Gymnasium München

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48 Einstein als Jugendlicher, 1893 wissbegieriger Junge gibt mit 16 seinen Pass zurück

49 Klassenfoto A. Einstein 1896 Aarau

50 Einstein Aarau 1896 Maturazeugnis = Abi-Zeugnis 6: beste Note Immatrikulation an der ETH Zürich zur Fachlehrer- Ausbildung in Mathe & Physik

51 Einstein studiert an ETH

52 ETH Zürich heute 9. Platz Ranking

53 Marcel Grossmann, Albert Einstein, Gustav Geissler und Marcels Bruder Eugen während ihrer Zeit als Studenten an der ETH

54 der Musterstudent Marcel Grossmann spielt eine wichtige Rolle im Leben des AE

55 die Serbin Mileva Maric tritt in sein Leben Frauen aus dem Ausland durften in Zürich studieren

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57 Einsteins Schweizer Pass 1901

58 Einsteins Berner Jahre Beamter III. Klasse 1906 an Uni Zürich promoviert (27) 1908 an Uni Bern habilitiert

59 Einstein schreibt 1906: Er sei ein «ehrwürdiger eidgenössischer Tintenscheisser mit ordentlichem Gehalt. Daneben reite ich auf meinem alten mathematischphysikalischen Steckenpferd und fege auf der Geige - beides in den engen Grenzen, welche mir mein 2-jähriger Bubi für derlei überflüssige Dinge gesteckt hat.»

60 Zytglogge Turm inspirierte Einstein?

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62 Diskussionsforum wichtig Einstein Akademie Olympia in Bern Habicht, Solovine und Einstein (1903)

63 Mileva Marić und Albert Einstein, 1912, heiraten 1903 in Bern

64 Mileva, Einsteins erste Frau, mit den beiden Söhnen Eduard (links) geboren 28. Juli 1910 und Hans-Albert (rechts) geb. 14. Mai 1904

65 Bern 1905 Annus Mirabilis 4 nobelpreiswürdige Arbeiten Albert Einstein

66 Annus Mirabilis Am 17. März eingereicht: die Erklärung des Photoeffekts (Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt, Annalen der Physik 17, ) Nobelpreis Am 11. Mai: über die Brownsche Bewegung (Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen, Annalen der Physik 17, ) sowie 3. eine quantentheoretische Erklärung der spezifischen Wärme von Festkörpern. 4. Am 30. Juni erschienen: der grundlegende Artikel zur Speziellen Relativitätstheorie (Zur Elektrodynamik bewegter Körper, Annalen der Physik 17, ), 5. Nachtrag vom 27. September Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig? (E = mc²)

67 Doktorarbeit: Am 30. April 1905 hat Albert Einstein seine bahnbrechende Arbeit Eine neue Bestimmung der Moleküldimensionen abgeschlossen. Drei Monate später reichte er sie als Dissertation an der Universität Zürich ein (nur 17 Seiten). Sie ist eine der fünf bedeutenden Veröffentlichungen, die der damals 26-jährige Physiker innerhalb weniger Monate als Angestellter am Patentamt in Bern schrieb.

68 Erste Professuren in Zürich & Prag

69 Nach einem anderthalbjährigen Aufenthalt in Prag wechselte Einstein im August 1912 als Professor zur Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich, wo er bis zum Frühjahr 1914 blieb. In dieser Zeit hatte er die Möglichkeit, mit seinem ehemaligen Studienfreund Grossmann zusammenzuarbeiten, der inzwischen eine Professur für Mathematik an der ETH innehatte und der ihm bei der Rezeption der relevanten mathematischen Literatur half. Es sind vor allem die in dieser Zusammenarbeit gewonnen Einsichten, die ihren Niederschlag im "Züricher Notizbuch" Einsteins gefunden haben. Züricher Notizbuch Einstein experimentierte mit dem metrischen Tensor

70 Max Planck hat Einstein verstanden und reist zusammen mit Walter Nernst 1913 nach Zürich

71 und die Rosen waren in seiner Hand rot. Ostern gehe ich nach Berlin als Akademie- Mensch ohne irgendwelche Verpflichtung, quasi als lebendige Mumie.

72 Einsteins Antrittsrede 1914 Berlin

73 Die Berliner Runde

74 Berliner Gedenktafel am Haus Ehrenbergstraße 33 in Berlin-Dahlem

75 mitten Euphorie des 1. Weltkriegs

76 Elsa Löwenthal und Albert Einstein um 1921

77 Einsteins erster USA-Besuch 1921 weltweite Anerkennung der ART

78 Einsteins Vorlesung am 11. Juli 1923 in Göteborg

79 Stimmung wurde zunehmend anti Sommerhaus von Albert Einstein in Caputh bei Berlin hat sich dies selbst zum 50. Geburtstag gebaut!

80 Am 1. Oktober 1940 erhielt Einstein von Richter Phillip Forman die amerikanische Einbürgerungsurkunde. Photo: Library of Congress's Prints and Photographs division

81 Statue von Albert Einstein im Hof der Israelischen Akademie der Wissenschaften

82 The Albert Einstein Archives The Hebrew University of Jerusalem In seinem Testament verfügte Albert Einstein, dass seine Sekretärin Helen Dukas ( ) und Dr. Otto Nathan (deutsch-amerikanischer Nationalökonom, ) zu ihren Lebzeiten seinen literarischen Nachlass verwalten sollten. Danach sollte er der Hebräischen Universität in Jerusalem gehören.

83 Zum Zeitpunkt seines Todes enthielt Einsteins schriftlicher Nachlass ca Stücke. Durch das große Engagement und Dank des unermüdlichen Einsatzes von Helen Dukas und Dr. Otto Nathan wurden sehr viele Dokumente Einsteins zusammengetragen, gesichtet, sortiert und ausgewertet. So konnte die Anzahl der Schriftstücke in den Jahren 1955 bis 1982 auf ca erweitert werden. Um Einsteins schriftlichen Nachlass für Forscher besser zugänglich zu machen, führte Helen Dukas gemeinsam mit dem Physiker Gerald Holton in den 1960er Jahren ein neues Ordnungssystem ein übertrugen die Nachlassverwalter die Rechte an Einsteins Nachlass der Hebräischen Universität in Jerusalem. Dort fand er seinen endgültigen Platz in der Jüdischen National- und Universitätsbibliothek, im dort eingerichteten Albert Einstein Archiv. Heute befinden sich dort ca Archivstücke, wovon ca , zum Teil in handschriftlicher Form, von Einstein selbst stammen. Die anderen Stücke sind Kopien bzw. Transkripte von Einstein Originalen sowie Briefe, Manuskripte usw. die Einstein erhalten hat.

84 Nächster Vortrag: Schwarze Löcher sind reine Geometrie Mittwoch, 16. November