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Messungen in der Milchstraße: Und wieder hatte Albert Einstein recht

26 Jahre arbeitete es darauf hin, nun hat ein Astronomenteam Albert Einsteins Relativitätstheorie erneut bestätigt – ausgerechnet mithilfe eines Schwarzen Lochs. (Mehr in: ZEIT ONLINE: Mehr aus Forschung und Wissenschaft)

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Messungen in der Milchstraße: Und wieder hatte Albert Einstein Recht

26 Jahre arbeitete es darauf hin, nun hat ein Astronomenteam Albert Einsteins Relativitätstheorie erneut bestätigt – ausgerechnet mithilfe eines Schwarzen Lochs. (Mehr in: ZEIT ONLINE: Mehr aus Forschung und Wissenschaft)

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Relativitätstheorie: Schwarzes Loch bestätigt Albert Einstein

Erstmals haben Astronomen Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie erfolgreich an einem Schwarzen Loch getestet. Sie konnten die Gravitations-Rotverschiebung nachweisen. (Mehr in: ZEIT ONLINE: Mehr aus Forschung und Wissenschaft)

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Relativitätstheorie: Schwarzes Loch gibt Einstein recht

Mit 25 Millionen Kilometern pro Stunde rast ein Stern um ein schwarzes Loch im Zentrum unserer Milchstraße. Forscher beobachteten das seltene Spektakel und stellen nun fest: Einstein hatte recht – mal wieder. (Mehr in: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft)

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Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie wird erstmalig an einem Schwarzen Loch belegt

Neue Messungen am Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße zeigen, wie Einsteins Gravitätstheorie in der Praxis funktioniert / Veröffentlichung in Astronomy & Astrophysics
Quelle: Pressemitteilungen – idw – Informationsdienst Wissenschaft

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Astrophysiker: Stephen Hawking ist tot

Er war für seine bahnbrechenden Erkenntnisse zu Schwarzen Löchern und der Relativitätstheorie bekannt. Mit 76 Jahren starb der Astrophysiker Hawking in Cambridge. (Mehr in: ZEIT ONLINE: Mehr aus Forschung und Wissenschaft)

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Manuskript zur Relativitätstheorie: Brief von Albert Einstein für 83.600 Euro versteigert

In Jerusalem kamen zahlreiche Schriftstücke von Albert Einstein unter den Hammer. Neben wissenschaftlichen Abhandlungen war darunter auch eine Notiz an eine junge Italienerin. (Mehr in: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft)

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Das Universum in einem Kristall

Dresdener Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam einen unerwarteten experimentellen Zugang zu einem Problem der Allgemeinen Relativitätstheorie gefunden. Im Fachmagazin Nature berichten sie, dass es ihnen in neuartigen Materialien und mit Hilfe von thermoelektrischen Messungen gelungen ist, die Schwerkraft-Quantenanomalie nachzuweisen. Erstmals konnten so Quantenanomalien in simulierten Schwerfeldern an einem realen Kristall untersucht werden.
Quelle: Pressemitteilungen – idw – Informationsdienst Wissenschaft

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Relativitätstheorie: Einstein bewiesen – schon wieder!

„Es ist, als ob man den Stern auf die Waage legen würde.“ Wozu die Masse eines Weißen Sterns kennen? Um zu testen, ob Einsteins Theorie stimmt. Und siehe da: Das tut sie. (Mehr in: ZEIT ONLINE: Mehr aus Forschung und Wissenschaft)

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«Hubble» bestätigt Einstein: Astronomen wiegen Weißen Zwerg mit der Relativitätstheorie

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Zeit und Symmetrie physikalischer Gesetze

Es gibt Themen, die mich immer wieder beschäftigen. Zeit ist solch ein Thema. Anfang Oktober 2010 schrieb ich einen Artikel, der sich mit verschiedenen physikalischen Vorgängen beschäftigte, die das Konzept Zeit enthalten.  Ende Oktober behandelte ich dann die Frage: Wie subjektiv ist die Zeit? In diesem Artikel ging es im Wesentlichen um Symmetrie. Ich bin aber bei der klassischen Physik stehen geblieben.

Physik ist die Suche nach Gleichartigem in der Natur. Nach Symmetrie. Exakte Gleichartigkeit physikalischer Vorgänge ist der Grund, warum sich etwas wie Zeit überhaupt definieren lässt, warum man Uhren bauen kann. Aber auf welche Art die Natur gleichmäßig ist, ist dann doch wieder überraschend.

Stecken wir zwei gleichartige Uhren jeweils in eine Kiste, so dass sie nichts von Ihrer Umwelt und vor allem nichts voneinander mitbekommen können, so werden sie im Rahmen ihrer Genauigkeit gleich gehen. Das liegt an der Symmetrie physikalischer Gesetze bezüglich Verschiebungen im Raum.

Verschiebungen in Raum und Zeit

Lassen Sie mich das erläutern: Symmetrisch ist ein geometrisches Objekt, wenn es bei einer Operation gleich bleibt. Beispiele für Operationen sind Spiegelung, Verschiebung oder Drehung. Ein gleichseitiges Dreieck ist symmetrisch bezüglich Drehungen um Vielfache von 120° und bezüglich Spiegelungen entlang der drei halbierenden Achsen. Ein Quadrat hat sogar acht solcher Achsen, ist bezüglich 90°-Drehungen symmetrisch und ist zusätzlich symmetrisch bezüglich einer Punktspiegelung am Mittelpunkt.

Die geometrische Definition von Symmetrie lässt sich auf physikalische Gesetze verallgemeinern. Danach ist ein Gesetz bezüglich Verschiebungen im Raum symmetrisch, wenn es vom Ort unabhängig überall gleich gilt. Wenn ich mein Labor um drei Meter nach Osten verschiebe, sollten alle Experimente gleich ablaufen. Bezüglich Verschiebungen in der Zeit ist ein Gesetz symmetrisch, wenn sie unabhängig vom Startzeitpunkt gleich ist. Wenn also ein Experiment heute wie morgen abläuft. Zu guter letzt können wir Symmetrien bezüglich Drehungen im Raum definieren, wenn ein Gesetz von der Richtung unabhängig ist. Oder bezüglich Spiegelungen in der Zeit, wenn ein Gesetz rückwärts wie vorwärts abläuft.

Zeit verläuft überall gleich

Zurück zur Zeit: Die oben genannten Uhren in den Kisten laufen synchron, also gleich, weil die ihnen zugrunde liegenden Gesetze symmetrisch bezüglich Verschiebungen im Raum sind. Das klingt zunächst wie ein Gesetz über den Raum, es ist aber vor allem eine Aussage zur Zeit: Die Zeit läuft überall gleich ab.

Eine weitere Eigenschaft der Zeit ist, dass sie aus ganz verschiedenartigen Prozessen extrahiert werden kann. In meinem Artikel Das Phänomen Zeit habe ich solche Prozesse beschrieben. Wir brauchen nur eine Variable in der Physik um sehr unterschiedliche Prozesse zu beschreiben und wir können mit jedem der genannten Prozesse eine Uhr bauen. Diese Uhren können miteinander synchronisiert werden.

Ich finde es bemerkenswert, dass sich jedes Geschehen im Universum mit einem Parameter Zeit beschreiben lässt, unabhängig vom physikalischen Prozess oder vom Ort des Geschehens. Nach Galileos Relativitätsprinzip kommt noch eine weitere Symmetrie hinzu: Physikalische Prozesse sollten auch vom Bewegungszustand  des Systems, in dem eine Prozess abläuft, unabhängig sein. Am einfachsten wäre das zu realisieren, wenn die Zeit unabhängig von der Geschwindigkeit immer gleich ginge.

Vom Widerspruch in der klassischen Physik…

Die Natur ist aber raffinierter. Physikalische Gesetze sind zwar unabhängig von der Geschwindigkeit, aber die Zeit ist es nicht. Von der Geschwindigkeit unabhängige Zeit führt zu einem Widerspruch zwischen Elektrodynamik und Mechanik:

Die Maxwell’schen Gesetze legen über gegenseitige Induktion von elektrischem und magnetischem Feld die Lichtgeschwindigkeit eindeutig fest. Sind nun diese Induktionen unabhängig vom Bewegungszustand des physikalischen Systems, in dem sie auftreten, so muss die Lichtgeschwindigkeit vom Bewegungszustand des Systems unabhängig sein. Mechanische Systeme werden durch Längen und Zeiten und damit definierten Geschwindigkeiten und Beschleunigungen definiert. Wenn nun Zeiten und Längen auch vom Bewegungszustand unabhängig sind, führt das direkt auf einen Widerspruch zur Unabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit vom Bewegungszustand, denn eine Geschwindigkeit ist (Weg-)Länge pro Zeit.

…zur Zeit in der Relativitätstheorie

Diesen Widerspruch löste Albert Einstein in seinem Aufsatz Zur Elektrodynamik bewegter Körper, indem er eine andere Symmetrie einführte: Anstelle gleicher Zeitläufe an jedem Ort, setzt Einsteins Relativitätstheorie auf die sogenannte Lorentz-Invarianz physikalischer Gesetzmäßigkeiten.

Anstelle eines konstanten Zeitablaufs überall postuliert die spezielle Relativitätstheorie eine komplexere Symmetrie: Physikalische Gesetze bleiben gleich, wenn Geschwindigkeiten durch eine Lorentz-Transformation ineinander überführt werden. Solch eine Lorentz-Transformation addiert nicht einfach eine Geschwindigkeit auf eine andere. Sie verlangsamt Zeit, verkürzt Abstände und ändert Gleichzeitigkeit. Das alles aber konzertiert für den gesamten Raum und die gesamte Zeit.

Für Geschwindigkeiten, die klein sind gegen die Lichtgeschwindigkeit, ist eine Lorentz-Transformation fast gleich einer einfachen Addition von Geschwindigkeiten. Deshalb glaubte man so lange an eine einfache Zeitsymmetrie. Aber so einfach ist das nicht. „Raffiniert ist der Herrgott, aber boshaft ist er nicht.“ 1

Der Beitrag Zeit und Symmetrie physikalischer Gesetze erschien zuerst auf Quantenwelt.

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Seriöse Astrologie

Ja, Sie lesen richtig. In der Überschrift steht „seriöse Astrologie“ nicht Astronomie. Also nicht was wir über die Sterne wissen, sondern was die Sterne angeblich über uns sagen. Wir wissen heute so viel über die Sterne, dass wir Astrologie getrost verwerfen können. Die Sterne haben keinen wesentlichen Einfluss auf unser Leben. Es sei denn, wir sind Astronomin und richten unser Leben bewusst danach aus, über Sterne zu forschen.

In einem Neujahrsinterview mit einem Astrologen1 las ich die Unterscheidung zwischen Unterhaltungs-Astrologie auf der einen Seite und seriöser Astrologie. Das Kriterium fand ich spannend: Unterhaltungs-Astrologie verwendet Kalendersprüche, die irgendwie auf alle2 zutreffen und von denen sich deshalb viele angesprochen fühlen. Seriöse Astrologie, so der Experte, setze sich hin und rechne. Da spiele nicht nur das Sternzeichen der Person eine Rolle, sondern die exakte Sternenkonstellation zur präzisen Geburtsminute bestimme das Schicksal eines Menschen.

Ein Wissenschaftsbild steckt dahinter, das Seriosität an komplexe Rechnungen fest macht. Seriös ist, was nicht jeder versteht. Was viel Wissen und Arbeit erfordert.

Auf die Physik übertragen hieße das: Seriös ist Himmels-Mechanik dann, wenn wir alle Einflüsse von Sonne, Planeten, Monde, Asteroiden und Meteoroiden modellieren und mit den vollständigen Feldgleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie berechnen. Einfache Modelle nach den Keplerschen Gesetzen, die die wesentlichen Bahneigenschaften beschreiben, sind Unterhaltungs-Mechanik.

Ich lasse das mal so stehen und wünsche Ihnen ein glückliches und erfolgreiches 2017. Mit oder ohne Unterhaltungsastrologie.

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100 Jahre Relativitätstheorie: E = m · c² erklärt in 100 Sekunden

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Relativitätstheorie: Nachfolger verzweifelt gesucht

Für Physiker ist Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie ein bewährtes Handwerkszeug. Doch es gibt Situationen, in denen sie an Grenzen stößt. Was sind mögliche Alternativen? (Mehr in: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft)

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Neuerscheinung: „Die letzten Ursachen“

Die letzten Ursachen - Buchcover ISBN 978-3-7392-1823-6
Die letzten Ursachen – Buchcover ISBN 978-3-7392-1823-6

Die Säulen naturwissenschaftlicher Welterkenntnis, Quantenphysik oder Relativitätstheorie basieren auf für Uneingeweihte viel zu abstrakten Formeln. Deshalb bedarf es der Naturphilosophie. Sie versucht die Strukturen der Natur mit Worten zu beschreiben, anschaulich zu erklären und zu deuten. Neue Erkenntnisse über Bewusstsein, Information und einen physikalischen Bereich jenseits von Raum und Zeit werden in „Die letzten Ursachen“ gemeinverständlich dargestellt. Continue reading „Neuerscheinung: „Die letzten Ursachen““

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100 Jahre Relativitätstheorie: Wie Einstein die Welt auf den Kopf stellte

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Relativitätstheorie: Einstein in der Grübelfalle

X-mal zweifelte Albert Einstein an seiner Relativitätstheorie, kaum jemand glaubte ihm – am Ende hatte er zehn super komplizierte Formeln. Wie kam er darauf? (Mehr in: ZEIT ONLINE: Mehr aus Forschung und Wissenschaft)

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Allgemeine Relativitätstheorie: Wie Albert Einstein das Weltbild der Physik revolutionierte

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100 Jahre Relativitätstheorie: E = m · c² erklärt in 100 Sekunden

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100 Jahre Allgemeine Relativitätstheorie: Willkommen in Einsteins Universum

Sie sprengt unsere Vorstellungskraft und beflügelt Science-Fiction-Autoren: Vor genau 100 Jahren stellte Albert Einstein die Allgemeine Relativitätstheorie vor. Schwarze Löcher, Dunkle Energie, Urknall – diese Begriffe sollten Sie kennen. (Mehr in: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft)

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Gedankenexperimente: Wie Einstein die Allgemeine Relativitätstheorie erfand

Vor 100 Jahren präsentierte Albert Einstein in Berlin die Allgemeine Relativitätstheorie – ein Fundament der modernen Physik. Der Durchbruch gelang auch dank verblüffend einfacher Gedankenexperimente. (Mehr in: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft)

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Härtetest für Relativitätstheorie: Und Einstein hat doch Recht

Einsteins Relativitätstheorie ist rund 100 Jahre alt und wurde bis jetzt noch nicht widerlegt. Nun haben deutsche Forscher sie an einem besonders schweren Objekt im All getestet.
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Einstein behält Recht: Relativitätstheorie hält extremem Härtetest Stand

Ein Forscherteam hat versucht, die Grenzen der Relativitätstheorie auszutesten: Doch auch ein superlatives Doppelsternsystem ist nicht extrem genug, um Einsteins Thesen zu widerlegen.
Quelle: WELT ONLINE – Wissenschaft

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Relativitätstheorie im Test: Einstein behält recht

Mehr als eine Milliarde Tonnen Materie haben hier das Volumen eines Zuckerwürfels: Ein neu entdeckter Neutronenstern ist extrem massereich – und ein spannendes Testobjekt für die Relativitätstheorie.
Quelle: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft

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Erkenntnistheorie: "Wissenschaftler nehmen ihre Formeln nicht ernst"

Ob Relativitätstheorie oder kosmische Hintergrundstrahlung: Würden sich Forscher ihre Formeln genauer angesehen, könnten sie wissenschaftliche Durchbrüche viel eher machen, schreibt der Physiker Brian Green im New Scientist. Die Gleichungen verbergen überraschende Einsichten.
Quelle: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft

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Ist Gravitation spukhafte Fernwirkung?

Fernwirkung bezeichnet ein physikalisches Konzept der klassischen Physik, bei dem sich eine physikalische Wirkung zum selben Zeitpunkt, das heißt instantan über beliebige Distanzen auswirkt. Einerseits konnte so eine Fernwirkung bisher nicht gemessen werden, zudem kann sich nach Albert Einsteins Relativitätstheorie keine Wirkung schneller als mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten.
Andererseits gibt es in der quantenmechanischen Theorie das Phänomen der Quantenverschränkung, die von Albert Einstein als spukhafte Fernwirkung bezeichnet wurde.
Ist Gravitation spukhafte Fernwirkung oder nicht?