1 2 < = 2 1 3 Sonne 3 Beobahter Große Massen krümmen den Verlauf on Lihtstrahlen und die Geshwindigkeit des Lihts wird kleiner (allgemeine Relatiitätstheorie). In bewegten Systemen ergeht die Zeit langsamer als in ruhenden Systemen (spezielle Relatiitätstheorie). Die Sonne ist ein Stern mit unterdurhshnittliher Größe und etwa 10 Mrd. Jahren Lebenserwartung (Astrophysik). Weißer Zwerg Sonne NGC 4414 60 Mio. Ly entfernte Spiralgalaxie R o t e r R i e s e Vorhersagbares Verhalten Niht orhersagbares Verhalten Die Chaostheorie untersuht die Grenzen der Vorhersagbarkeit on Abläufen. Teil C: Relatiität Astrophysik Chaostheorie 186 Teil C
C RELATIVITÄT ASTROPHYSIK CHAOS Teil Kapitel 9: Relatiitätstheorie Kapitel 10: Astrophysik Kapitel 11: Chaostheorie Einer der bekanntesten Physiker aller Zeit, Albert Einstein, hat Anfang des 20. Jhs. mit seinen fundamentalen Arbeiten unsere Vorstellungen om Uniersum reolutioniert. Bis dahin galten Raum und Zeit als uneränderbare Größen, in denen sih das Geshehen abspielt. Nun sind es die Ereignisse selbst, die Raum und Zeit erändern. Immer wenn traditionelle Vorstellungen über Bord geworfen werden müssen, dauert es längere Zeit, bis dies allgemein akzeptiert wird. So war es auh mit Einsteins Relatiitätstheorie. Es dauerte Jahrzehnte, bis die Konsequenzen der neuen Sihtweise klar wurden. Je nah Standort untershiedlih shneller Zeiterlauf, die Raumkrümmung, Shwarze Löher, Graitationswellen, et. sind Vorgänge und Ersheinungen, die unser Vorstellungsermögen auh heute noh sehr strapazieren. Man könnte meinen, dass die Relatiitätstheorie nur bei astronomishe Abläufe gilt. Dies ist aber niht der Fall. Sie beshreibt die Wirklihkeit in wesentlih umfassenderer Weise als die klassishe Physik und gilt immer und überall. Allerdings sind die relatiistishen Effekte auf der Erde zumeist so klein, dass sie niht direkt in Ersheinung treten und ernahlässigt werden können. Dennoh sind sie es, die uns einen tieferen Einblik in das Funktionieren des Kosmos ermöglihen. Die Astrophysik steht niht zufällig am Ende unseres Streifzuges durh die Physik. Um erstehen zu können, wie Sterne entstehen, funktionieren und wieder ergehen, wie es zur Bildung on riesigen Massenansammlungen (Galaxien) einerseits und großen, fast leeren Räumen andererseits gekommen ist und wie man überhaupt Informationen über Objekte gewinnt, die hunderte Millionen Lihtjahre entfernt sind, ist eine Zusammenshau aller Arbeitsbereihe der Physik nötig. Nur so kann es uns gelingen, einen kleinen Blik in das grandiose Geshehen im Kosmos zu werfen. Neben diesem Mainstream physikalisher Forshung tauhen immer wieder auh neue und oft unerwartete Theorien auf. Eine daon ist die Chaostheorie, die zwar auf Vorstellungen on Henri Poinaré (Ende des 19. Jhs.) basiert, aber erst mit den Fortshritten in der Computertehnologie neues Leben erhielt. Sie erlaubt einen neuen Blik auf dynamisheabläufe. Teil C 187
Sir Isaa Newton (1642 1727) Newton ging on einer absoluten Zeit und einem absoluten Raum aus. Newton und seine Annahmen über Raum und Zeit B 1 B 2 Im System des Beobahters B2 ist und bleibt die Kugel in gleihförmiger Bewegung, solange keine Kraft einwirkt. Der Trägheitssatz ist erfüllt. Das System on B2 ist ein Inertialsystem. B 1 B 2 Im System des Beobahters B1 ist und bleibt die Kugel in Ruhe, solange keine Kraft einwirkt. Der Trägheitssatz ist erfüllt. Das System on B ist ein Inertialsystem. Inertialsysteme 1 beshleunigte Bewegung Das System des fallenden (beshleunigten) Menshen ist kein Inertialsystem. Beshleunigte Bezugssysteme sind keine Inertialsysteme. Die Erde ist nur näherungsweise ein Inertialsystem. 188 Newton she Mehanik Einstein she Relatiitätstheorie
9. Relatiitätstheorie Ende des 19. Jhs. waren iele PhysikerInnen daon überzeugt, dass die wesentlihen Gesetze der Physik bereits entdekt sind und nur noh Details ausgearbeitet werden müssen. Mithilfe der Newton shen Mehanik und der Maxwell shen Feldtheorie konnte man die bekannten Ersheinungen der Natur erklären. Man ging on der Existenz eines absoluten Raumes und einer absoluten Zeit aus, in denen sih das kosmishe Geshehen abspielt. 9.1 Von der Newton shen Mehanik zur Einstein shen Relatiitätstheorie Das Relatiitätsprinzip der klassishen Mehanik In seinem Hauptwerk Philosophiae naturalis prinipia mathematia geht der englishe Naturforsher Sir Isaa Newton on einem absoluten Raum und einer absoluten, wahren und mathematishen Zeit aus. Sie existieren objekti (auh außerhalb des menshlihen Bewusstseins) und bilden die Bühne für das kosmishe Geshehen. Raum und Zeit werden on diesem Geshehen auh niht beeinflusst. Die Länge on Streken und die Zeitdauer on Abläufen hängen damit niht om Bezugssystem ab. Newton hat auf dieser Basis u. a. seine drei Grundgesetze der Mehanik (siehe Band 1+2) aufgestellt. Im Besonderen interessiert uns hier der Trägheitssatz: Ein Körper erharrt im Zustand der Ruhe oder der gleihförmigen Bewegung auf gerader Bahn, bis eine Kraft auf ihn einwirkt. Wir betrahten eine Kugel, die relati zum Beobahter B1 in Ruhe ist. Es gilt der Trägheitssatz, die Kugel bleibt, solange niht eine Kraft auf sie einwirkt, in Ruhe. Ein zweiter Beobahter (B 2) bewegt sih mit konstanter Geshwindigkeit am Beobahter B1 orbei. Aus seiner Siht ist und bleibt die Kugel in gleihförmiger Bewegung. Auh hier gilt der Trägheitssatz. B 1 (mit Kugel) und B2 bilden zwei Bezugssysteme, die sih aneinander mit der konstanten Geshwindigkeit orbeibewegen. Systeme, in denen der Trägheitssatz gilt, haben in der Physik eine besondere Bedeutung. Man nennt sie Inertialsysteme. Alle Systeme, die relati zu einem Inertialsystem in Ruhe oder in gleihförmiger Bewegung sind, sind wieder Inertialsysteme. Bewegt sih der Beobahter beshleunigt, so ist sein Bezugssystem kein Inertialsystem. Aus der Siht eines frei fallenden Menshen werden die Wolken ohne erkennbare Kraft nah oben beshleunigt. Der Trägheitssatz gilt hier also niht mehr. Streng genommen ist auh die Erde auf Grund ihrer Rotation und ihrer gekrümmten Bahnbewegung um die Sonne kein Inertialsystem. Und auh die Sonne bewegt sih mit ihren Planeten entlang einer gekrümmten Linie um das Zentrum der Milhstraße. Für iele kurz andauernde Betrahtungen sind diese Abweihungen on einer geradlinigen Bahn allerdings ernahlässigbar. Das beste Inertialsystem, on dem wir ausgehen können, ist der Fixsternhimmel. Newton she Mehanik Einstein she Relatiitätstheorie 189
z z y x y x Die Experimente erlaufen in beiden Inertialsystemen gleih. Es kann niht entshieden werden, ob sih der Zug nah rehts, oder der Bahndamm nah links bewegt. Bewegungen können nur relati angegeben werden. Newton shes Relatiitätsprinzip Starrer Festkörper, da Liht eine Transersalwelle mit hoher Geshwindigkeit ist. Eigenshaften des Äthers Sehr kleine Dihte, sonst würden die Planeten gebremst. Raumorstellung in der Ätherhypothese Im ruhenden Äther breitet sih Liht in alle Rihtungen mit aus. s W a s e r w e l l e n Lihtquelle Spiegel + - - + Geshwindigkeit der Wasserwellen relati zum bewegten Boot Relatigeshwindigkeiten Geshwindigkeit der Lihtwellen im ruhenden Äther, relati zur bewegten Erde 190 Newton she Mehanik Einstein she Relatiitätstheorie