Astronomie

Die allgemeine Relativitätstheorie macht verschiedene Vorhersagen über das Verhalten von Raum und Zeit. Eine dieser Vorhersagen, in Alltagsbegriffen ausgedrückt, ist, dass je stärker die Schwerkraft, desto langsamer das Tempo der Zeit. Eine solche Aussage widerspricht sehr unserem intuitiven Zeitgefühl als Fluss, den wir alle teilen. Zeit schien immer das demokratischste Konzept zu sein: Wir alle, unabhängig von Reichtum oder Status, scheinen uns in der großen Strömung der Zeit gemeinsam von der Wiege bis zur Bahre zu bewegen.

Aber Einstein argumentierte, dass es uns nur so erscheint, weil alle Menschen bisher in der Gravitationsumgebung der Erde gelebt haben und gestorben sind. Wir hatten keine Chance, die Idee zu testen, dass das Tempo der Zeit von der Stärke der Schwerkraft abhängen könnte, weil wir keine radikal unterschiedlichen Gravitationen erlebt haben. Darüber hinaus sind die Unterschiede im Zeitfluss extrem gering, bis wirklich große Massen beteiligt sind. Trotzdem wurde Einsteins Vorhersage jetzt sowohl auf der Erde als auch im Weltraum getestet.

Die Tests der Zeit

Ein geniales Experiment im Jahr 1959 verwendete die genaueste bekannte Atomuhr, um Zeitmessungen im Erdgeschoss und im obersten Stockwerk des Physikgebäudes der Harvard University zu vergleichen. Für eine Uhr verwendeten die Experimentatoren die Frequenz (die Anzahl der Zyklen pro Sekunde) der von radioaktivem Kobalt emittierten Gammastrahlen. Einsteins Theorie sagt voraus, dass eine solche Kobaltuhr im Erdgeschoss, die etwas näher am Erdschwerpunkt liegt, etwas langsamer laufen sollte als dieselbe Uhr im obersten Stockwerk. Genau das haben die Experimente beobachtet. Später wurden Atomuhren in hochfliegenden Flugzeugen und sogar auf einem der Gemini-Raumflüge aufgenommen. In jedem Fall liefen die Uhren, die weiter von der Erde entfernt waren, etwas schneller. Während es 1959 keine Rolle spielte, ob die Uhr oben im Gebäude schneller lief als die Uhr im Keller, ist dieser Effekt heute sehr relevant. Jedes Smartphone oder Gerät, das mit einem GPS synchronisiert wird, muss dies korrigieren (wie wir im nächsten Abschnitt sehen werden), da die Uhren auf Satelliten schneller laufen als die Uhren auf der Erde.

Der Effekt ist ausgeprägter, wenn die Schwerkraft der Sonne und nicht der Erde entspricht. Wenn eine stärkere Schwerkraft das Tempo der Zeit verlangsamt, dauert es länger, bis eine Licht- oder Radiowelle, die sehr nahe am Rand der Sonne vorbeizieht, die Erde erreicht, als wir es auf der Grundlage des Newtonschen Gravitationsgesetzes erwarten würden. (Es dauert länger, weil die Raumzeit in der Nähe der Sonne gekrümmt ist.) Je kleiner der Abstand zwischen dem Lichtstrahl und dem Rand der Sonne bei nächster Annäherung ist, desto länger ist die Verzögerung der Ankunftszeit.

Im November 1976, als die beiden Viking-Raumschiffe auf der Marsoberfläche operierten, ging der Planet von der Erde aus gesehen hinter die Sonne (Abbildung 1). Wissenschaftler hatten Viking vorprogrammiert, um eine Radiowelle in Richtung Erde zu senden, die extrem nahe an die äußeren Regionen der Sonne gehen würde. Nach der allgemeinen Relativitätstheorie würde es eine Verzögerung geben, weil die Radiowelle eine Region durchqueren würde, in der die Zeit langsamer lief. Das Experiment konnte Einsteins Theorie auf 0,1% bestätigen.

Abbildung 1 übergeht. Zeitverzögerungen für Radiowellen in der Nähe der Sonne: Radiosignale vom Viking-Lander auf dem Mars wurden verzögert, als sie in der Nähe der Sonne vorbeikamen, wo die Raumzeit relativ stark gekrümmt ist. In diesem Bild ist die Raumzeit als zweidimensionales Gummiblatt dargestellt.

Gravitative Rotverschiebung

Was bedeutet es zu sagen, dass die Zeit langsamer läuft? Wenn Licht aus einer Region starker Schwerkraft austritt, in der sich die Zeit verlangsamt, erfährt das Licht eine Änderung seiner Frequenz und Wellenlänge. Um zu verstehen, was passiert, erinnern wir uns daran, dass eine Lichtwelle ein sich wiederholendes Phänomen ist — Kamm folgt Kamm mit großer Regelmäßigkeit. In diesem Sinne ist jede Lichtwelle eine kleine Uhr, die die Zeit mit ihrem Wellenzyklus hält. Wenn eine stärkere Gravitation das Tempo der Zeit verlangsamt (relativ zu einem äußeren Beobachter), dann muss die Geschwindigkeit, mit der Kamm auf Kamm folgt, entsprechend langsamer sein — das heißt, die Wellen werden weniger häufig.

Um eine konstante Lichtgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten (das Schlüsselpostulat in Einsteins Theorien der speziellen und allgemeinen Relativitätstheorie), muss die niedrigere Frequenz durch eine längere Wellenlänge kompensiert werden. Diese Art der Zunahme der Wellenlänge (wenn sie durch die Bewegung der Quelle verursacht wird) wird als Rotverschiebung in Strahlung und Spektren bezeichnet. Da hier die Schwerkraft und nicht die Bewegung die längeren Wellenlängen erzeugt, nennen wir den Effekt eine Gravitationsrotverschiebung.

Das Aufkommen der Weltraumtechnologie ermöglichte es, die Gravitationsrotverschiebung mit sehr hoher Genauigkeit zu messen. Mitte der 1970er Jahre wurde ein Wasserstoffmaser, ein Gerät, das einem Laser ähnelt und ein Mikrowellen-Funksignal bei einer bestimmten Wellenlänge erzeugt, von einer Rakete in eine Höhe von 10.000 Kilometern getragen. Instrumente am Boden wurden verwendet, um die Frequenz des Signals des raketentragenden Masers mit der eines ähnlichen Masers auf der Erde zu vergleichen. Das Experiment zeigte, dass das stärkere Gravitationsfeld an der Erdoberfläche den Zeitfluss im Vergleich zu dem, der vom Maser in der Rakete gemessen wurde, wirklich verlangsamte. Der beobachtete Effekt entsprach den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie auf wenige Teile von 100.000.

Dies sind nur einige Beispiele für Tests, die die Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie bestätigt haben. Heute wird die allgemeine Relativitätstheorie als unsere beste Beschreibung der Schwerkraft akzeptiert und von Astronomen und Physikern verwendet, um das Verhalten der Zentren von Galaxien, den Beginn des Universums und das Thema, mit dem wir dieses Kapitel begonnen haben, zu verstehen — den Tod wirklich massereicher Sterne.

Relativitätstheorie: Eine praktische Anwendung

Jetzt fragen Sie vielleicht: warum sollte ich mich mit Relativität beschäftigen? Kann ich mein Leben ohne sie nicht perfekt leben? Jedes Mal, wenn ein Pilot ein Flugzeug landet oder Sie ein GPS verwenden, um festzustellen, wo Sie sich auf einer Fahrt oder Wanderung im Hinterland befinden, müssen Sie (oder zumindest Ihr GPS-fähiges Gerät) die Auswirkungen der allgemeinen und der speziellen Relativitätstheorie berücksichtigen.

GPS basiert auf einer Reihe von 24 Satelliten, die die Erde umkreisen, und mindestens 4 von ihnen sind von jedem Punkt der Erde aus sichtbar. Jeder Satellit trägt eine genaue Atomuhr. Ihr GPS-Empfänger erkennt die Signale der Satelliten, die sich über Ihnen befinden, und berechnet Ihre Position basierend auf der Zeit, die diese Signale benötigt haben, um Sie zu erreichen. Angenommen, Sie möchten wissen, wo Sie sich innerhalb von 50 Fuß befinden (GPS-Geräte können dies tatsächlich viel besser). Da es nur 50 Milliardstel Sekunden dauert, bis Licht 50 Fuß zurücklegt, müssen die Uhren auf den Satelliten auf mindestens diese Genauigkeit synchronisiert werden — und relativistische Effekte müssen daher berücksichtigt werden.

Die Uhren auf den Satelliten umkreisen die Erde mit einer Geschwindigkeit von 14.000 Stundenkilometern und bewegen sich viel schneller als Uhren auf der Erdoberfläche. Nach Einsteins Relativitätstheorie ticken die Uhren auf den Satelliten um etwa 7 Millionstelsekunden pro Tag langsamer als auf der Erde. (Wir haben die spezielle Relativitätstheorie nicht diskutiert, die sich mit Veränderungen befasst, wenn sich Objekte sehr schnell bewegen, also müssen Sie unser Wort für diesen Teil nehmen.)

Die Umlaufbahnen der Satelliten befinden sich 20.000 Kilometer über der Erde, wo die Schwerkraft etwa viermal schwächer ist als an der Erdoberfläche. Die allgemeine Relativitätstheorie sagt, dass die umlaufenden Uhren etwa 45 Millionstel Sekunden schneller ticken sollten als auf der Erde. Der Nettoeffekt ist, dass die Zeit auf einer Satellitenuhr um etwa 38 Mikrosekunden pro Tag vorrückt. Wenn diese relativistischen Effekte nicht berücksichtigt würden, würden sich Navigationsfehler addieren und die Positionen würden an nur einem einzigen Tag um etwa 7 Meilen abweichen.

Glossar

gravitative Rotverschiebung:

eine Zunahme der Wellenlänge einer elektromagnetischen Welle (Licht), wenn sie sich von oder in der Nähe eines massiven Objekts ausbreitet