Allgemeinen Relativitätstheorie bei 100: Einsteins berühmte Theorie hat gut gealtert

Die Natur der Schwerkraft

Allgemeinen Relativitätstheorie verleiht Schwerkraft die Theorie der speziellen Relativität, die Einstein 1905 veröffentlicht. Spezielle Relativitätstheorie postuliert, dass die Gesetze der Physik für alle nonaccelerating Beobachter identisch sind und, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum niemals ändert, auch wenn die Beobachter oder die Lichtquelle bewegt.

Spezielle Relativitätstheorie gelegt, die Beziehung zwischen Energie und Masse in der Geschichte wohl bekannteste Gleichung: E = Mc². ("E" ist Energie; "m" ist die Masse, und "c" ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum – etwa 671 Millionen km/h oder 1,08 Milliarden km/h). Die Theorie vereinheitlicht auch Raum und Zeit in einem vierdimensionalen "Raumzeit."

Allgemeine Relativitätstheorie erweitert auf diese letztere Idee, erklärt, dass Materie Raumzeit verzerrt, wie eine Bowling-Kugel auf ein Bett aufgestellt schafft eine Depression in den Blättern. Diese monumentale Einsicht kam einfach nicht Albert Einstein; Er erwarb seinen Weg, mehr als ein Jahrzehnt intensiver Gedanken-und harte Arbeit.

"Er musste seine Schritte zurückzuverfolgen. Er schlug vor, was er später zurückgezogen. Aber er ging auf ", sagte Blandford Space.com. "Er war nicht durch mathematische Ideen oder mathematische Techniken geführt. Er war in erster Linie von Physik Intuition leiten; nicht außerordentlich leistungsstarken Physik Intuition, die ihm in der Vergangenheit so gut gedient hatte ihn im Stich hier."

Allgemeinen Relativitätstheorie charakterisiert Schwerkraft nicht als eine angeborene Kraft, die auf Objekte, sondern eher die Folge der Raum-Zeit-Krümmung. (Man stelle sich eine Murmel rollten die Steigung, erstellt von der Bowling-Kugel auf dem Bett.)

Es ist eine leistungsstarke, radikale Idee – und es hat stand bis zu intensiver Beobachtung seit einem Jahrhundert, Blandford schreibt in einem speziellen Review Artikel veröffentlicht heute (5. März) online in der Fachzeitschrift Science.

Bestätigung von vielen Seiten

Allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass Licht einen gekrümmten Pfad um eine massive Objekt wie einem Galaxienhaufen nehmen, die den Stoff der Raumzeit deutlich verzerrt. [Die Geschichte & Structure of the Universe (Infografik)]

Dies ist in der Tat beobachtet worden; Astronomen verwenden routinemäßig "Gravitationslinsen" weit entfernte Lichtquellen zu studieren. In der Tat in einem kleineren Maßstab hilft das Phänomen sogar Planeten Jäger Welten jenseits der Erde Sonnensystem suchen. (Exoplaneten können manchmal erkannt werden, durch das Studium, wie ihre Sternensysteme Licht von Hintergrundobjekten biegen.)

Besonderheiten in der Umlaufbahn des Merkur um die Sonne sichern auch allgemeine Relativitätstheorie.

"Es erklärt die anomale Präzession des Merkurs Perihel oder die Rotation der Verbindungslinie der Sonne bis zu dem Punkt der größten Annäherung des Planeten", schreibt Blandford in Science Review-Artikel. "Einstein verwendet allgemeine Relativitätstheorie um zu erklären, eine ~ 10 Prozent Abweichung in der Präzession zurückzuführen, die Schwerkraft zieht der anderen Planeten, ~ 43 Arc sec pro Jahrhundert. "Die Vereinbarung heute ist besser als 10⁻⁴."

Andere Arten von Beobachtungen Beweise auch geholfen haben allgemeine Relativitätstheorie auf solide Basis zu stellen, sagte Blandford.

"Wir es in viele, viele verschiedene Möglichkeiten getestet haben," sagte er. "Ich denke, es ist fair zu sagen, dass es keine glaubwürdige Messung oder Beobachtung, die bewirkt, dass man es innerhalb seiner Domäne der Anwendbarkeit zu zweifeln."

Eine dunkle Universum

Allgemeine Relativitätstheorie auch impliziert, dass die überwiegende Mehrheit des Universums aus Stoff besteht, die Menschen nicht direkt zu erkennen oder sogar (an dieser Stelle) zu verstehen, schreibt David Spergel der Princeton Universität in einem anderen Beitrag-Artikel in der gleichen Ausgabe der Wissenschaft.

Sorgfältige Untersuchung der Bewegung von Materie und Licht im ganzen Universum hat ergeben, dass "normaler" Materie allein Raum-Zeit-Krümmung-Muster, Spergel Notizen nicht erklären kann. In der Tat zufolge Beobachtungen nur 5 Prozent des Universums ist vertraut atomare Materie, während 25 Prozent dunkle Materie ist und etwa 70 Prozent dunkle Energie ist.

Dunkler Materie strahlt weder absorbiert Licht, verraten seine Existenz nur durch die Schwerkraft. Dunkle Energie ist unterdessen eine geheimnisvolle Kraft, die hat im Zusammenhang mit dem leeren Raum und wird gedacht, um für die beschleunigte Expansion des Universums verantwortlich.

Im Jahr 1917 eingefügt Einstein einen Begriff als die "kosmologische Konstante" in der allgemeinen Relativitätstheorie, als eine abstoßende Kraft, die Schwerkraft entgegenzuwirken und ein statisches Universum (war die vorherrschende Meinung der Natur des Universums zum Zeitpunkt) erreichen würde. Nach Astronom Edwin Hubble Beobachtungen im Jahre 1929 bekanntlich ergab, dass tatsächlich das Universum expandiert, fiel Einstein die kosmologische Konstante, da es angeblich den "größten Fehltritt" seines Lebens.

Aber die konstante sieht vorausschauend, jetzt, dass Astronomen sind die Auseinandersetzung mit der Natur der dunklen Energie.

"Warum ist das Universum beschleunigt? Die am meisten untersuchte Möglichkeit ist, dass die kosmologische Konstante (oder gleichwertig, die Vakuumenergie des leeren Raumes) kosmische Beschleunigung fährt,"schreibt Spergel in der Science-Artikel. "Eine andere Möglichkeit ist, dass es eine sich entwickelnde skalaren Feld, das füllt Raum (wie das Higgs-Feld oder das Inflaton-Feld, das die schnelle frühe Expansion des Universums fuhren). Beide Möglichkeiten werden zusammengefasst in "dunkle Energie".

"Da alle Beweise für dunkle Energie verwendet die Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie, um unsere Beobachtungen der Expansion des Universums und Evolution zu interpretieren, eine alternative Schlussfolgerung ist, dass eine neue Theorie der Gravitation benötigt wird, um die Beobachtungen zu erklären,", fügt er hinzu. "Möglichkeiten umfassen modifizierte Schwerkraft Theorien mit extra-Dimensionen."

Die Zukunft

Allgemeinen Relativitätstheorie sollte weiterhin die Bemühungen der Physiker, Kosmologen und Astronomen weit in die Zukunft zu gestalten, sagte Blandford.

Zum Beispiel werden Forscher die Theorie weiter nutzen, um schwarze Löcher, Neutronensterne und anderer Himmelskörper und Phänomene besser zu verstehen. Wissenschaftler werden auch weiterhin sondieren die Natur der dunklen Energie und dunkle Materie, in dem Bemühen, das Universum in den weitesten Maßstäben zu verstehen.

Schließlich, und vielleicht am meisten aufregend Forscher werden solange versuchen, allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik, die Welt der sehr großen mit der sehr kleinen heiraten zu vereinheitlichen. Dieses grand und ersehnte "Theorie von allem" hat Physiker bisher entgangen, aber Blandford sagte, dass er denkt, dass es erreichbar ist.

"Es gibt es viele spannende Ideen," sagte er. "Ich werde ein Optimist und hoffe, dass meine Kolleginnen und Kollegen diese abreißen können."

Mike Wall auf Twitter folgen @michaeldwall und Google + . Folgen Sie uns @Spacedotcom, Facebook oder Google +. Ursprünglich veröffentlicht am Space.com.