Vertiefungsthemen

Schwarze Löcher, Kosmologie, Gravitationswellen – die Relativitätstheorie hat viele Facetten. Einige werden an dieser Stelle etwas näher beleuchtet – in unseren Vertiefungsthemen: kurzen, bebilderten Texten, die jeweils einem interessanten Teilaspekt von Einsteins Erbe gewidmet sind. Die Vertiefungsthemen bauen nicht aufeinander auf und Sie sind eingeladen, nach Lust und Laune zu stöbern. Günstig wäre es allerdings, wenn Sie schon eine ungefähre Idee von den Grundlagen der Relativitätstheorie mitbrächten, auf dem Level etwa, den Ihnen unsere Einführung Einstein für Einsteiger vermittelt.

Einstein Online bietet Vertiefungsthemen zu den unten angegebenen Themenbereichen – wenn Sie möchten, können Sie allerdings auch zur Gesamtübersicht Vertiefungsthemen springen.

Spezielle Relativitätstheorie

Grundlagen und Allgemeines zur speziellen Relativitätstheorie, inklusive der reisenden Zwillinge und der Formel E=mc²

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Allgemeine Relativitätstheorie

Grundlagen und Allgemeines zur allgemeinen Relativitätstheorie: Relativistische Nobelpreise, Einstein und die Seifenblasen

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Gravitationswellen

Mehr zu Gravitationswellen, ihrer Erzeugung und den Nachweismöglichkeiten – von „hörbaren“ Gravitationswellen bis zu Einstein@home

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Schwarze Löcher & Co.

Schwarze Löcher: Was sie sind, wie sie entstehen und wie sie ihre Umgebung beeinflussen. Außerdem Informationen über verwandte Objekte.

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Kosmologie

Der Urknall und die Folgen: Die Geometrie des Universums, Kosmologie und Quantengravitation, Kosmologie und Mathematik

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Relativität und Quanten

Zur relativistischen Quantentheorie und den verschiedenen Ansätzen, Einsteinsche Gravitation und Quantentheorie zusammenzubringen

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Definitioner

Gravitation

In der klassischen Physik äußert sich die Gravitation als Gravitationskraft, als Fernkraft, aufgrund derer sich alle Körper, die eine Masse besitzen, gegenseitig anziehen (siehe Newtonsche Gravitation), Synonym: Schwerkraft. Das zugehörige Feld ist das Gravitationsfeld (wie Kraft und Feld zusammenhängen, beschreibt das Vertiefungsthema Von der Kraft zum Feld).

In Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie: Der Umstand, dass Materie, die Masse, Energie oder Druck besitzt die Raumzeit verzerrt und das diese Verzerrung umgekehrt auf die in der Raumzeit enthaltene Materie zurückwirkt.

Eine Einführung in die Grundideen der allgemeinen Relativitätstheorie liefert der Abschnitt Allgemeine Relativitätstheorie von Einstein für Einsteiger. Speziell dem Thema, was Gravitation in Einsteins Theorie denn nun eigentlich ist, widmet sich das Vertiefungsthema Gravitation: Vom Fahrstuhl zur Raumzeitkrümmung. Näheres dazu, welche Eigenschaften der Materie für ihre Gravitationswirkung entscheidend sind, bietet das Vertiefungsthema Masse und mehr.

Urknall (Urknallmodelle)

Die Urknallmodelle sind die Standardmodelle der heutigen Kosmologie. Sie beschreiben ein expandierendes Universum, das aus einer heißen Frühphase hervorgegangen ist. In ihnen ist der Anfang des Universums eine Raumzeit-Singularität, ein Zustand unendlich großer Dichte (weitere Informationen zu Singularitäten bietet das Vertiefungsthema Raumzeitsingularitäten). Diese Singularität ist der Urknall im engeren Sinne, im weiteren Sinne wird Urknall dagegen auch für die auf die Singularität folgende heiße Frühphase verwandt, aus der unser Universum hervorgegangen ist. Diese Unterscheidung ist wichtig: Die Physik der heißen Frühphase ist durch Beobachtungen gut abgesichert, die Anfangssingularität ist dagegen höchstwahrscheinlich ein unphysikalisches Artefakt, dass sich ergibt, da die Allgemeine Relativitätstheorie, auf der die Urknallmodelle beruhen, die Effekte der Quantenphysik außer acht lässt (weitere Informationen zu den beiden Bedeutungen des Wortes bietet das Vertiefungsthema Der doppelte Urknall). Eine Einführung in die Grundlagen dieser Modelle bietet das Kapitel Kosmologie von Einstein für Einsteiger. Informationen zu einer Reihe weiterer Aspekte der Urknallmodelle finden sich bei den Vertiefungsthemen in der Kategorie Kosmologie.

Relativitätstheorie

Die auf Albert Einstein zurückgehenden Theorien von Raum und Zeit: Die Spezielle Relativitätstheorie, in der die Gravitation außen vor bleibt, und die Allgemeine Relativität, in der die Gravitation als Verzerrung von Raum und Zeit in Erscheinung tritt. Eine Einführung in die Grundideen der beiden Relativitätstheorien bieten die Kapitel Spezielle Relativitätstheorie und Allgemeine Relativitätstheorie von Einstein für Einsteiger. Viele weitere Informationen zu den Relativitätstheorien und der auf ihnen basierenden relativistischen Physik bieten unsere Vertiefungsthemen.

Quantentheorie

Sammelbegriff für physikalische Gesetze, die überall dort wichtig werden, wo mikroskopische Größenskalen ins Spiel kommen - sei es, weil es um den Aufbau der Materie geht, etwa in der Physik der Atome, Atomkerne oder Elementarteilchen, sei es im Zusammenhang mit ultragenauen Messungen wie denen an Gravitationswellendetektoren.

Die Gesetze der Quantentheorie unterscheiden sich beträchtlich von dem, was wir aus dem Alltag gewohnt sind und von den Vorstellungen der klassischen Physik.

Erste ungewohnte Eigenschaft ist, dass die Quantentheorie in vielen Fällen nurmehr Wahrscheinlichkeitsaussagen erlaubt: In der klassischen Physik kann man Teilchen zu jedem Zeitpunkt einen Ort und eine Geschwindigkeit zuordnen, und wer diese Größen genau bestimmen kann, kann im Prinzip genau vorhersagen, wo sich die Teilchen in der Zukunft aufhalten werden. In der Quantentheorie lässt sich einem System von Teilchen nurmehr ein abstrakter Zustand zuordnen, aus dem sich keine exakten Vorhersagen, sondern nur noch Wahrscheinlichkeiten dafür ableiten lassen, ein bestimmtes Teilchen zu einem zukünftigen Zeitpunkt an einem gegebenen Ort anzutreffen. Ob man das Teilchen wirklich an diesem Ort antrifft, ist vom Zufall bestimmt. (Eine Möglichkeit, die Wahrscheinlichkeiten zu berechnen, bieten so genannte Pfadintegrale; siehe das Vertiefungsthema Auf allen möglichen Wegen zum Ziel.)

Zweite ungewöhnliche Eigenschaft ist, dass die Genauigkeit bestimmter Messungen prinzipiell eingeschränkt ist (Heisenbergsche Unschärferelation). Je genauer man beispielsweise den Ort eines Teilchens bestimmt, umso ungenauer werden die Aussagen, die sich über seine Geschwindigkeit treffen lassen.

Die dritte Eigenschaft hat der Quantentheorie ihren Namen gegeben: Eine Reihe physikalischer Größen kommen in der Natur nur in winzigen Paketen vor, den Quanten. Elektromagnetische Strahlung etwa besteht in der Quantentheorie aus winzigen Lichtpaketen, den Photonen.

Beispiele für Quantentheorien sind die Quantenmechanik und relativistische Quantenfeldtheorien wie die Quantenelektrodynamik oder die anderen Teile des Standardmodells der Elementarteilchen.

Quantengravitation

Theorie, die sowohl die Effekte und Gesetze der Quantentheorie berücksichtigt, wie auch die der Allgemeinen Relativitätstheorie. Bislang gibt es noch keine vollständige Formulierung einer solchen Theorie; die bekanntesten Ansätze dafür sind die Stringtheorie und die Schleifen-Quantengravitation. Einige Informationen zum Problem der Quantengravitation finden sich im Kapitel Relativität und Quanten von Einstein für Einsteiger ab der Seite Grenzen der Gravitation. Informationen zu einer Reihe weiterer Aspekte der Quantengravitation finden sich bei den Vertiefungsthemen in der Kategorie Relativität und Quanten.

Kosmologie

Die Lehre vom Aufbau und der Entwicklung des Universums als Ganzes. Kernstück der modernen Kosmologie sind die auf der Allgemeinen Relativitätstheorie basierenden Urknallmodelle, deren grundlegende Eigenschaften im Abschnitt Kosmologie von Einstein für Einsteiger vorgestellt werden.

Informationen zu einer Reihe weiterer Aspekte der Kosmologie finden sich bei den Vertiefungsthemen in der Kategorie Kosmologie.

Geometrie

Teilgebiet der Mathematik, das sich mit Flächen oder allgemeineren Räumen, darin definierbaren Objekten wie Punkten oder Linien und daraus konstruierbaren Gebilden wie Dreiecken beschäftigt.

Gravitationswellen

Störungen der Raumgeometrie, die sich mit Lichtgeschwindigkeit durch den Raum ausbreiten.

Nähere Informationen liefert der Abschnitt Gravitationswellen von Einstein für Einsteiger.

Informationen zu einer Reihe weiterer Aspekte der Gravitationswellenphysik finden sich in den Vertiefungsthemen in der Kategorie Gravitationswellen.