Hubert Goenner. Einführung in. die spezielle. und allgemeine Relativitätstheorie

Ähnliche Dokumente
RIEMANNSCHE GEOMETRIE UND TENSORANALYSIS

Allgemeine Relativitätstheorie

Allgemeine Relativitätstheorie

Grundideen der allgemeinen Relativitätstheorie

Mechanik Relativität Gravitation

Allgemeine Relativitätstheorie

Inhaltsverzeichnis. Spezielle Relativitätstheorie

Gravitation und Krümmung der Raum-Zeit - Teil 1

Allgemeine Relativitätstheorie: Systeme, die gegeneinander beschleunigt werden; Einfluss von Gravitationsfeldern.

Albert Einsteins Relativitätstheorie und die moderne Kosmologie In welchem Universum leben wir?

Allgemeine Relativitätstheorie, was ist das?

Ferienkurs Elektrodynamik WS11/12 - Elektrodynamik und spezielle Relativitätstheorie

Vorträge gehalten im Rahmen der L2 Vorlesung von Prof. R.A. Bertlmann Jänner Philipp Köhler

Allgemeine Relativitätstheorie Ausarbeitung. Von Jan Kaprolat

Gravitation und Krümmung der Raum-Zeit - Teil 2

Gravitation und Raumzeitkrümmung

Standardmodell der Kosmologie

Schulbücher, Themen- und Arbeitshefte für den Physikunterricht (Sekundarstufe II) (ohne Reihenfolge)

Relativität und Realität

Raffiniert ist der Herrgott..." Albert Einstein Eine wissenschaftliche Biographie

WOLFRAM SCHOMMERS ZEIT UND REALITÄT PHYSIKALISCHE ANSÄTZE - PHILOSOPHISCHE ASPEKTE DIE GRAUE EDITION

Das Konzept der Raumzeit-Krümmung

Die Geometrie des Universums. Max Camenzind Akademie Heidelberg November 2014

Inhaltsverzeichnis Vorwort Einleitung Kapitel 1: Sonnensystem Kapitel 2: Sterne, Galaxien und Strukturen aus Galaxien

Die allgemeine Relativitätstheorie

Die Geometrie. des Universums. Max Camenzind APCOSMO SS2012

Spezielle Relativitätstheorie

Theoretische Physik. Klassische. Römer. Eine Einführung. Dritte, durchgesehene und erweiterte Auflage mit 139 Abbildungen und 39 Übungen

Die Schwarzschildmetrik

\ ' \ \ I Vektorrechnung 1. 1 Einführung und Grunddefinitionen 1. 2 Das Skalarprodukt 3. 3 Komponentendaxsteilung eines Vektors 6

Kapitel 2. Lorentz-Transformation

Kosmologische Modelle Vortrag im Rahmen des Ausbildungsseminars Vom Urknall zu den Galaxien

Grundlegende Aspekte der speziellen Relativitätstheorie

Krümmung in der Mathematik und Physik. Relativitätstheorie im Alltag

Moderne Physik. von Paul A.Tipler und Ralph A. Liewellyn

Kosmologie. der Allgemeinen Relativitätstheorie. Das expandierende Universum

beschrieben wird. B' sei ein IS das derjenigen Weltlinie folgt, die P und Q in gleichförmiger Bewegung verbindet. Aus Sicht von A folgt B' Bahn mit

Skript zur Vorlesung Allgemeine Relativitätstheorie

1 Einleitung: Die Lichtgeschwindigkeit

2.8.1 Modul Physik I: Dynamik der Teilchen und Teilchensysteme. Die Studiendekanin/der Studiendekan des Fachbereichs Physik.

Hochschule Düsseldorf University of Applied Sciences. 22. Oktober 2015 HSD. Physik. Gravitation

Gravitation. Einführung in die Allgemeine Relativitätstheorie. von Ulrich E Schröder. überarbeitet

Klassische Elektrodynamik

GRUNDGEDANKEN UND PROBLEME DER RELATIVITÄTS- THEORIE.

IX Relativistische Mechanik

Die Einsteinsche Feldgleichung. Seminararbeit

24 Minkowskis vierdimensionale Raumzeit

Das gravitomagnetische Feld der Erde

Klassische Mechanik. Elektrodynamik. Thermodynamik. Der Stand der Physik am Beginn des 20. Jahrhunderts. Relativitätstheorie?

Grundlagen der Differentialgeometrie und Einführung in die Allgemeine Relativitätstheorie

Mathematisierung der Gravitation: Die Schwarzschildlösung der Einsteingleichungen als Grundmodell vieler Phänomene der Gravitation

Gliederung. Massenbestimmung von Galaxien/Galaxienhaufen Entstehung großräumiger Strukturen Kandidaten für dunkle Materie Alternative Vorstellungen

Experimentalphysik Modul PH-EP4 / PH-DP-EP4

String Theorie - Die Suche nach der großen Vereinheitlichung

Das Standardmodell der Kosmologie

Modell der Punktmasse

Der begriffliche Aufbau der theoretischen Physik

Experimentalphysik 2

Eine Einführung. Felix Fleischmann. 16. Mai 2011

In Newtons Gravitationstheorie wird die Bewegung von N Massenpunkten, die sich gegenseitig durch Gravitation anziehen, durch

K L A U S U R. Spezielle. und. Allgemeine Relativitätstheorie

Frühes Universum in Newton scher Kosmologie. Tobias Lautenschlager 27. Juni 2007

Wie Einstein seine Feldgleichungen fand

= +1. Rotverschiebung. Unterschiedliche Arten der Rotverschiebung

Minkowski-Geometrie in der Schule. Michael Bürker

Die Masse - Energie - Äquivalenz und Folgerungen daraus

Allgemeine Relativitätstheorie und Kosmologie

Relativistische Quantenfeldtheorie

Die beschleunigte Expansion

DIE EINSTEINSCHEN FELDGLEICHUNGEN

Schulinterner Lehrplan (Übersichtsraster) des Joseph-Haydn-Gymnasiums Senden zum Kernlehrplan für die gymnasiale Oberstufe. Physik

1.5 Relativistische Kinematik

Carl Friedrich von Weizsäcker Aufbau der Physik

Spezielle Relativitätstheorie

Atome - Moleküle - Kerne

Kapitel 3. Minkowski-Raum. 3.1 Raumzeitlicher Abstand

Moderne Kosmologie. Michael H Soffel. Lohrmann Observatorium TU Dresden

Feynman Vorlesungen über Physik

Allgemeine Relativitätstheorie

Klaus Lichtenegger. Schlüsselkonzepte. zur Physik. Von den Newton-Axiomen. bis zur Hawking-Strahlung. 4 i Springer Spektrum

Die Einsteinschen Feldgleichungen

MMM. 1-1 Die Natur der Physik 1. Einführung 1

11. Vorlesung Wintersemester

Gravitation Urkraft des Universums

Bildungsplan Gymnasium Physik Kompetenzen und (verbindliche) Inhalte Klasse 8

Was fehlt derzeit im Internet? Sicherlich eine verständliche Einführung in Tensoren.

Friedmann-Robertson-Walker-Metrik und Friedmann-Gleichung Skript zum Vortrag im Rahmen des Seminars: Theorie der Teilchen und Felder (WS 06/07)

Energie und Energieerhaltung

Kretschmanns Dissertation 1914 und seine Arbeiten zu Einsteins Spezieller (SRT) und Allgemeiner Relativitätstheorie (ART) von 1915 und 1917.

2.2 4-Stromdichte [Griffiths , Jackson 11.9]

Kinematik des Massenpunktes

Kosmologie. der Allgemeinen Relativitätstheorie. Seminar des Physikalischen Vereins Frankfurt am Main Rainer Göhring

Thermodynamik Schwarzer Löcher & Hawking Strahlung

Mathematischer Vorkurs für Physiker WS 2011/12 Vorlesung 3

3. N. I Einführung in die Mechanik. II Grundbegriffe der Elektrizitätslehre

10. Kosmologie. Kosmologie = Lehre vom Bau des Weltalls kosmologische Weltmodelle = zeitliche & räumliche Entwicklung des Weltalls

William E. Dibble. Anschauliche Physik. Für Studierende der Ingenieurwissenschaften, Naturwissenschaften und Medizin sowie zum Selbststudium

Allgemeine Relativitätstheorie

Universität Dresden Laborpraktikum Kern- und Teilchenphysik. Blasenkammer (BK)

Prüfungsfragen zur Mechanik 1998/1999

Transkript:

Hubert Goenner Einführung in die spezielle und allgemeine Relativitätstheorie

0 Einleitung 1 0.1 Spezielle Relativitätstheorie 1 0.2 Allgemeine Relativitätstheorie 2 Teil I 1 Relativitätsprinzip und Lorentztransformation 9 1.1 Raum - Zeit als Ereigniskontinuum 9 1.2 Relativitätsprinzip in der Mechanik 1 1 1.3 Einsteinsches Relativitätsprinzip und Lorentztransformation 12 1.3.1 Begründung der speziellen Lorentztransformation 14 1.3.2 Das Additionstheorem der Geschwindigkeiten 1 9 1.4 Experimentelle Überprüfung der Grundpostulate 2 1 1.4.1 Unabängigkeit der Lichtgeschwindigkei t von der Bewegung der Lichtquelle 2 1 1.4.2 Isotropie des Raumes 27 2 Einfache Folgerungen aus der Lorentztransformation 3 1 2.1 Makroskopisches Kausalitätsprinzip 3 1 2.2 Relativität der Gleichzeitigkeit, Raum-Zeit-Diagramm 32 2.3 Längen- und Zeitmessungen, Uhrensynchronisation 35 2.4 Längenkontraktion 37 2.5 Zeitdilatation 3 8 2.6 Dopplereffekt und Aberration 39 2.6.1 Transformationsverhalten einer ebenen Welle 39 2.6.2 Dopplereffekt 42 2.6.3 Aberration 44 2.7 Das Zwillingsparadoxon 47

2.8 Abbildung schnell bewegter Gegenstände 5 3 2.9 Experimentelle Uberprufung 5 8 2.10 Die Vakuumlichtgeschwindigkeit als obere Grenze der Signalgeschwindigkeit 66 3 Die Geometrie der Raum-Zeit 6 8 3.1 Spezielle Lorentz-Transformatio n und elektrischer Feldstärketensor 6 8 3.1.1 Vierdimensionale Formulierung der spez. Lorentz-Transformation 69 3.1.2 Transformationsverhalten der elektromagnetischen Größen 72 3.2 Der Minkowski-Raum 76 3.2.1 Vektoren und Linearformen 76 3.2.2 Minkowski-Metrik 8 1 3.2.3 Tensoren, Tensorfelder, Tensordichten 87 3.2.4 Minkowski-Raum 9 1 3.3 Homogene Lorentz-Transformation 92 3.4 Die Poincare-Gruppe* 95 3.4.1 Darstellungen der Lorentz-Gruppe 9 8 3.4.2 Irreduzible Darstellungen der Poincare-Gruppe 10 1 4 Relativistische Mechanik und Feldtheorie 10 3 4.1 Kinematik des Massenpunktes und Uhrenhypothese 103 4.2 Masse, Energie, Impuls 106 4.3 Speziell-relativistische Mechanik von Punktteilchen 110 4.3.1 Dynamik einer Punktmasse 110 4.3.2 Schwerpunktsystem 112 4.3.3 Elastischer Zweikörperstoß* 116 4.3.4 Compton-Streuung* 122 4.4 Wirkungsquerschnitt der Streuung 124 4.4.1 Zur Definition des Wirkungsquerschnitts 124 4.4.2 Transformation des Wirkungsquerschnitts vom Laborsystem zum Schwerpunktsystem 125 4.5 Empirische Überprüfung de r Geschwindigkeitsabhängigkeit der Mass e und der Energie-Masse-Äquivalenz 12 8 4.5.1 Geschwindigkeitsabhängigkeit der Masse 12 8 4.5.2 Energie-Masse-Äquivalenz 132 4.5.3 Synchrotronstrahlung 13 3 4.6 Feldtheorie 134

4.6.1 Maxwell-Gleichungen und Energie-Impulstenso r des elektromagnetischen Feldes 134 4.6.2 Hydrodynamik, Thermodynamik* 139 4.7 Spinoren und relativistische Feldgleichungen 144 4.7.1 Spinoren 144 4.7.2 Spinoren und Darstellung der Lorentzgruppe 15 1 4.7.3 Spin und Darstellungen D'i'* 154 4.7.4 Relativistische 1-Teilchen-Feldgleichungen 157 4.8 Weitere (indirekte) empirische Bestätigung der speziellen Relativitätstheorie* 162 5 Minkowski-Raum und Nichtinertialsysteme 164 5.1 Trägheitsfelder 164 5.2 Freies Teilchen im Nichtinertialsystem 165 5.3 Momentaner Ruhraum eines Beobachter s und Geometrie des Anschauungsraumes 17 3 6 Äquivalenzprinzip und lokales Inertialsystem 17 5 6.1 Träge und schwere Masse 17 5 6.2 Homogenes Gravitationsfeld und Nichtinertialsystem 176 6.3 Äquivalenzprinzip und lokales Inertialsystem 177 6.3.1 Einsteinsches Äquivalenzprinzip 177 6.3.2 Lokale Inertialsysteme 178 6.4 Ereignisabstand und Gravitationspotentiale 180 6.5 Permanente und Nichtpermanente Gravitationsfelder 183 6.6 Experimente zum Einfluß des Gravitationsfelde s auf den Uhrengang 184 6.6.1 Die Experimente von Pound und Mitarbeitern 184 6.6.2 Messungen durch Raumprobe zum Saturn 186 6.6.3 Vergleich des Uhrenganges für Uhren in Turin (250 m ü.m.) und auf dem Monte Rosa-Plateau (3500 m ü.m.) 188 6.7 Zu Experimenten auf einer Erdumlaufbahn oder auf der rotierenden Scheibe 188 7 Das Gravitationsfeld einer kugelsymmetrischen Massenverteilung (Näherung) 190 7.1 Die Gravitationspotentiale 190 7.2 Bewegungsgleichungen von Probeteilche n im Gravitationsfeld 193

7.3 Bewegung einer Probemasse im zentralsymmetrische n statischen Gravitationsfeld 194 7.4 Die Perihelbewegung des Planeten Merkur 200 7.5 Die Lichtablenkung am Sonnenrand 204 7.6 Ausklang : Die Dynamik des Gravitationsfeldes (erste Näherung) 209 Teil II Zusammenfassung des ersten Teils 217 8 Differentialgeometrie Riemannscher Mannigfaltigkeiten 22 1 8.1 Die Menge der physikalischen Ereigniss e als differenzierbare Mannigfaltigkeit* 22 1 8.1.1 Differenzierbarkeitsstruktur 22 1 8.1.2 Weitere Eigenschaften der Ereignismenge 224 8.2 Lineare Übertragun g und kovariante Ableitung 226 8.2.1 Vergleich von Vektorfeldern (Parallelverschiebung) auf Mannigfaltigkeiten 226 8.2.2 Kovariante Ableitung 227 8.2.3 Kovariante Ableitung von Tensorfeldern 23 3 8.3 Krümmung 234 8.3.1 Motivation 234 8.3.2 Der Krümmungstensor einer linearen Übertragung... : 236 8.3.3 Berechnung des Krümmungstensors mit der Cartanschen Differentialformenmethode 239 8.4 Riemannsche Mannigfaltigkeiten 243 8.4.1 Lorentz-Metrik 244 8.4.2 Riemannsche Mannigfaltigkeit 246 8.4.3 Lokale Inertialkoordinaten 248 8.4.4 Riemannscher Krümmungstensor 252 8.4.5 Beispiele zur Veranschaulichung und physikalischen Interpretation 256 8.4.6 Geodätische Abweichung 260 9 Allgemeine Relativitätstheori e - Einsteinsche Gravitationstheorie 26 5 9.1 Einsteinsche Feldgleichungen 26 5 9.1.1 Mathematisches Modell und Dynamik 26 5 9.1.2 Das Prinzip der minimalen Kopplung 267

11.4.1 Abstrahlung von Gravitationswellen durch ein Doppelsternsystem 34 1 11.4.2 Vergleich mit den Beobachtungsdaten des Binärpulsars PSR 1913 + 16 343 11.4.3 Direkter Nachweis von Gravitationswellen? 350 12 Sternaufbau, Gravitationskollaps, schwarze Löcher 352 12.1 Das statische Gravitationsfeld im Inner n eines kugelsymmetrischen Körpers 352 12.1.1 Die Feldgleichungen und die LOV-Gleichung 352 12.1.2 Die innere Schwarzschild-Lösung 356 12.2 Das zeitabhängige Gravitationsfel d im Innern von Materiestaub 358 12.2.1 Form der Metrik und Einsteinsche Feldgleichungen 35 8 12.2.2 Lösung der Feldgleichungen und Interpretation 360 12.3 Zentralsymmetrischer Gravitationskollaps 36 3 12.3.1 Gleichgewichtsbedingungen 364 12.3.2 Zustandsgleichung der Materie und Grenzmassen 36 6 12.3.3 Endzustände kalter Sternmaterie 37 1 12.4 Schwarze Löcher 374 12.4.1 Ereignishorizont und statische Grenze 374 12.4.2 Die Kerr-Metrik als Modell eines schwarzen Loches 379 12.4.3 Ein Eindeutigkeitssatz für schwarze Löcher* 38 5 12.4.4 Thermodynamik des schwarzen Loches* 387 12.4.5 Wie findet man schwarze Löcher? 39 3 13 Symmetrien und Erhaltungssätze 39 6 13.1 Symmetrien des metrischen Feldes (Lokale Isometrien) 396 13.1.1 Killing-Gleichungen 396 13.1.2 Integrabilitätsbedingungen* 400 13.2 Stationäre und statische Riemannsche Räume 40 1 13.3 Die Lie-Ableitung* 404 13.3.1 Definition der Lie-Ableitung 404 13.4 Erhaltungssätze und Symmetrien 406 13.4.1 Integrale Erhaltungssätze und Materieverteilung 40 6 13.4.2 Die Komar-Integrale 40 8 14 Kosmologie 41 1 14.1 Modellvorstellungen und Robertson-Walker-Metrik 41 1 14.1.1 Beobachtungen mit Bedeutung für das kosmologische Modell 412

14.1.2 Das Materiemodell 420 14.1.3 Die Robertson-Walker-Metrik 424 14.2 Einfache homogen-isotrope kosmologisch e Lösungen der Einsteinschen Gravitationstheorie 426 14.2.1 Materie- und Strahlungskosmos 426 14.2.2 Lösungen mit kosmologischer Konstante 435 14.3 Charakteristische Eigenschaften des homogen-isotropen kosmologischen Modells 43 8 14.3.1 Horizonte 43 8 14.3.2 Rotverschiebung der Spektrallinien 443 14.3.3 Das Weltalter 444 14.4 Thermodynamik im Kosmos 447 14.5 Kosmologisches Standardmodell und Erfahrung 449 14.5.1 Helligkeits-Rotverschiebungsbeziehung 449 14.5.2 Anknüpfung an die Beobachtungen 452 Nachwort 45 5 Anhang A Verwendete Notationskonvention 459 B Anleitung zur Lösung der Übungsaufgaben 46 1 Abbildungsverzeichnis 488 Literaturverzeichnis 49 1 Namen- und Sachverzeichnis 510