Warum ist die RAUMZEIT gekrümmt? Was ist eigentlich Gravitation?

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1 Warum ist die RAUMZEIT gekrümmt? Was ist eigentlich Gravitation?

2 Was ist RAUMZEIT? z t 3 dimensionaler Raum y + Zeitachse x = 4 dimensionale RAUMZEIT

3 Was ist RAUMZEIT? Zeitachse = t c = 4 dimensionale RAUMZEIT

4 Was ist RAUMZEIT? Zeit-Achse t Ein Ereignis (z.b. Treffen) bestimmt durch Angabe von Raum + Zeit Vereinheitlichung von Raum + Zeit = RAUMZEIT: Raum-Achse x Fundament Einstein s Relativitätstheorien Raum-Zeit-Diagramm

5 Spezielle Relativitätstheorie Albert Einstein Annalen der Physik (1905)

6 Spezielle Relativitätstheorie Postulat: die Lichtgeschwindigkeit * ist in allen Bezugssystemen identisch Konsequenz: Zeit und Raum sind nicht unabhängig 4 dimensionale RAUMZEIT Albert Einstein Annalen der Physik (1905) * im Vakuum

7 Spezielle Relativitätstheorie unterschiedliche Bezugssysteme

8 Spezielle Relativitätstheorie aus Sicht des mitbewegten Beobachters aus Sicht des externen Beobachters Konzept der Gleichzeitigkeit abhängig von Beobachter

9 Spezielle Relativitätstheorie Albert Abraham Michelson ( ) Aufbau Michelson Experiment 1881 in Potsdam 2005 MAZ Potsdam

10 Spezielle Relativitätstheorie Konsequenzen: Raum und Zeit sind nicht unabhängig = 4 dimensionale RAUMZEIT

11 Spezielle Relativitätstheorie Konsequenzen: bewegte Uhren gehen langsamer (z.b. GPS-Satelliten) Längenkontraktion: bewegte Objekte sind kürzer E = m c 2 : Masse = Energie, z.b. Kernspaltung, Kernfusion

12 Gekrümmte RAUMZEIT? Warum ist die RAUMZEIT gekrümmt? Was krümmt die RAUMZEIT?

13 Allgemeine Relativitätstheorie Albert Einstein 1915 in Berlin Einstein s Originalartikel Sitzungsberichte der Königlich Preußischen Akademie der Wissenschaften (Berlin, 1915) Seite

14 Allgemeine Relativitätstheorie Galileo Galilei ( ): alle Gegenstände fallen gleich schnell gleiche Beschleunigung für alle Objekte gravitative Masse = träge Masse Galileo Galilei (1636) BR/Anna Hunger

15 Allgemeine Relativitätstheorie Postulat des Äquivalenzprinzips: Einstein: glücklichster Gedanke in meinem Leben : ein frei-fallender Beobachter befindet sich in Ruhe relativ zu allen (auch frei-fallenden) Objekten in seiner Nähe Es war 1907, als mir der glücklichste Gedanke meines Lebens kam... Das Gravitationsfeld hat nur eine relative Existenz, weil für einen Beobachter, der frei vom Dach eines Hauses fällt zumindest in seiner Umgebung kein Gravitationsfeld existiert. Tatsächlich bleiben alle von diesem Beobachter fallen gelassenen Gegenstände im Zustand der Ruhe oder der gleichförmigen Bewegung, unabhängig von ihrer chemischen oder physikalischen Natur.

16 Allgemeine Relativitätstheorie Postulat des Äquivalenzprinzips: ein frei-fallender Beobachter befindet sich in Ruhe relativ zu allen (auch frei-fallenden) Objekten in seiner Nähe

17 Allgemeine Relativitätstheorie Äquivalenzprinzip:

18 Allgemeine Relativitätstheorie im RAUMZEIT-Diagram bewegen sich alle Objekte * durch Gravitation auf der gleichen Bahn ct : Zeit RAUMZEIT mit Gravitation muss gekrümmt sein und Objekte bewegen sich auf Geraden x :Raum * mit gleicher Anfangsgeschwindigkeit

19 Gekrümmter Raum sphärisch flach = euklidscher Raum hyperbolisch

20 Gekrümmter Raum

21 Gekrümmte RAUMZEIT

22 Gekrümmte RAUMZEIT Erde bewegt sich auf einer Geraden = kürzester Weg in der gekrümmten RAUMZEIT um die Sonne

23 Gekrümmte RAUMZEIT A schneller B langsamer auch Zeitachse wird gekrümmt: Uhren werden beeinflußt: z.b. Uhren in GPS-Satelliten

24 Gekrümmte RAUMZEIT Uhren auf GPS Satelliten: relativer Zeitunterschied: 10 9

25 Gekrümmte RAUMZEIT Lichtablenkung durch Gravitationslinse

26 Gekrümmte RAUMZEIT GRAVITATION = gekrümmte RAUMZEIT RAUMZEIT wird durch Planeten, Sterne, Galaxien,... gekrümmte Allgemein: RZ-Krümmung durch Massen, Energie je größer die Masse desto stärker die RZ-Krümmung Konsequenz: Alle Objekte, einschl. Licht, bewegen sich auf Geraden in der gekrümmten RAUMZEIT

27 Gravitationswellen

28 Gravitationswellen zeitlich veränderliche Störungen der RAUMZEIT breiten sich als Wellen mit Lichtgeschwindigkeit aus

29 Was sind Gravitationswellen? zeitlich veränderliche Störungen der RAUMZEIT

30

31 Was sind Gravitationswellen? zeitlich veränderliche Störungen der RAUMZEIT z.b. durch zwei Neutronensternen (Pulsare) oder Verschmelzung von Schwarzen Löchern

32 Wie kann man Gravitationswellen nachweisen? bisher: indirekter Nachweis: Pulsar PSR Veränderung der Rotationsperiode

33 Wie kann man Gravitationswellen nachweisen? seit 14. September 2015, 9:50 Uhr (UTC): direkter Nachweis mit LASER-Interferometer

34 Nachweis von Gravitationswellen Interferenz: Überlagerung von Wellen ohne Störung mit Störung Interferenzen von LASER Licht

35 LIGO * LIGO Station Hanford, Washington State * Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory

36 LIGO * LIGO Station Livingston, Lousiana * Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory

37 Direkter Nachweis von GW Veröffentlicht am 12. Februar 2016

38 Direkter Nachweis von GW Was hat die Gravitationswelle ausgelöst? Verschmelzung von zwei Schwarzen Löchern: MBHs = 36 M + 29 M

39 Direkter Nachweis von GW Verschmelzung von zwei Schwarzen Löchern

40 Gravitationswellen: ein neues Fenster für die Astronomie Verschmelzung von Neutronen Sterne und Schwarzen Löchern Supernova Explosion Vermessung des Urknalls

41 Zukunft elisa: european/evolved Laser Interferometer Space Antenna Armlänge: ~ 1 Mio km geplanter Start: 2034

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