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Big Bang - Online

Big Bang 8 NEU

Anfang der 1920er-Jahre soll ein Journalist dem Astronomen Eddington erzählt haben, er habe gehört, dass es auf der Welt nur drei Leute gäbe, die die Allgemeine Relativitätstheorie verstanden hätten. Eddington schwieg eine Weile und soll dann gesagt haben: „Ich überlege, wer der Dritte sein könnte“. Einstein brauchte nach der Veröffentlichung seiner Speziellen Relativitätstheorie zehn Jahre, um daraus sein Meisterwerk zu entwickeln, die Allgemeine Relativitätstheorie (ART), die er 1916 veröffentlichte. Einige Jahre vorher soll er einem Freund geschrieben haben, dass er noch nie in seinem Leben so hart gearbeitet habe. Obwohl das Newton’sche Gravitationsgesetz und die Spezielle Relativitätstheorie jeweils sehr gute Ergebnisse liefern, sind sie miteinander unvereinbar. Die Newton’sche Gravitation ist eine sofort wirkende Kraft, also unendlich schnell. Nach der Speziellen Relativitätstheorie können sich aber Informationen und somit auch Kräfte maximal mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Deshalb suchte Einstein nach einer Theorie, mit der er die Gravitation und die Spezielle Relativitätstheorie unter einen Hut bringen konnte.

Kapitel 43 Allgemeine Relativitätstheorie

Vertiefung und Kompetenzüberprüfung

Ergänzende Aufgaben und Lösungen für dieses Kapitel von Martin Apolin. Alle ergänzenden Aufgaben und Lösungen auf einen Blick findet man auf der Startseite Online unter dem Punkt „Vertiefung und Kompetenzüberprüfung“.

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Maturafragen

Kompetenzorientierte Maturafragen für dieses Kapitel von Martin Apolin. Alle Maturafragen auf einen Blick findet man auf der Startseite Online unter dem Punkt Matura und Co.

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Seite 38

Video (7,5 MB) von Astronauten in der Schwerelosigkeit des Spacelabs

Quelle: NASA

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Seite 38

Ein Astronaut in Schwerelosigkeit, also im freien Fall im die Erde
Quelle: NASA

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Seite 38

Ein Astronaut im freien Fall um die Erde
Quelle: NASA

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Seite 39

Äquivalenzprinzip Teil 2 (Abb. 43.4): Es ist nicht zu unterscheiden, ob ein Raumschiff fernab aller Himmelskörper im All schwebt (a) oder sich im freien Fall befindet (b). Bei a wirken weder träge noch schwere Masse, bei b heben sie einander genau auf.

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Seite 42

Beim Aufsteigen im Gravitationsfeld verlieren Photonen an Frequenz. Es kommt zur Rotverschiebung. Beim Absteigen kommt es zur Blauverschiebung. Der Effekt ist übertrieben dargestellt (Abb. 43.15).

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Seite 44

Die Bahn von zwei GPS-Satelliten (Abb. 43.19).

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Seite 44

Gif-Animation der Konstellationen der GPS-Satelliten

Quelle: Wikipedia

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Seite 44

Künstlerische Darstellung eines GPS-Satelliten

Quelle: NASA

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Seite 45

Zwei mögliche Ansichten, um den zu großen Durchmesser zu erklären: a) Der Raum ist eben, aber die Maßstäbe schrumpfen. b) Die Maßstäbe sind gleich lang, aber der Raum ist gekrümmt (Abb. 43.22).

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Seite 46

Zeitliche Verzögerung beim Shapiro-Experiment (Abb. 43.24). Diese kann im Extremfall 240 µs betragen. Diese Verzögerung hat zwei Ursachen. 50 % des Effekts kommen dadurch zu Stande, dass in der Nähe der Sonne die Uhren langsamer gehen. Die anderen 50 % sind auf die Raumkrümmung zurückzuführen. 120 µs entspricht einem längeren Weg von s = c ⋅ t = 36 km.

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Seite 47

Durch Gravitationslinseneffekte sind weit entfernte Galaxien manchmal bogenförmig verzerrt.

Quelle: NASA

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Seite 47

Schematische Darstellung, wie es zu den bogenförmigen Verzerrungen der Galaxien kommt.

Quelle: NASA

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Seite 47

Computersimulation einer Gravitationslinse, die durch einen Galaxienhaufen verursacht wird.

Quelle: Richard Bouwens, NASA

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Seite 48

Das Einsteinkreuz (Abb. 43.31) ist ein Gravitationslinsensystem im Sternbild Pegasus. Der Quasar QSO 2237+0305 (etwa 8 Milliarden LJ entfernt) steht von der Erde aus gesehen genau hinter der Galaxie Zw 2237+030 (400 Millionen LJ entfernt), die als Gravitationslinse wirkt und den Quasar vierfach abbildet.

Quelle: NASA und ESA

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Seite 49

Die zusätzliche Periheldrehung entsteht einerseits durch die relativistische Massenzunahme des Merkurs in Sonnennähe, weil dort seine Geschwindigkeit auf Grund des 2. Keplerschen Gesetzes etwas höher ist. Andererseits entsteht sie durch die Raumkrümmung. Dieser Effekt lässt sich mit Hilfe eines eingeschnittenen Blatts Papier veranschaulichen, das zu einem Trichter geformt wird (Abb. 43.34).

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Seite 49

Animation zur Periheldrehung des Merkur

Quelle: Wikimedia

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Seite 49

Ein indirekter Beleg für die Aussendung von Gravitationswellen von zwei umeinander rotierenden Neutronensternen (Abb. 43.36).

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Seite 51

So klein ist der Schwarzschildradius der Erde! Darin hätten 6 · 10^(24) kg Masse Platz (Abb. 43.42).

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Seite 51

Animated simulation (11 MB) of gravitational lensing caused by a black hole going past a background galaxy.

Animation: Alain Riazuelo; dieses File unterliegt der Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0 Lizenz

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Seite 51

Ein fiktives schwarzes Loch. Die Position der dahinter liegenden Sterne ist durch Gravitationslinseneffekte verzerrt.

Quelle: NASA

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Seite 52

Computergeneriertes Bild eines schwarzen Loches welches das Gas seines Doppelstern-Partners ansaugt. Es bildet sich eine rotierende Gasscheibe aus und durch die Beschleunigung des Gases entsteht eine charakteristische Strahlung.
Quelle: NASA und ESA

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Seite 52

Ein Stern im Orbit um ein schwarzes Loch. Er befindet sich auf der innersten Bahn, auf der noch ein stabiler Orbit möglich ist (Video, 0,6 MB). In der Simulation wurden auch Rot- und Blauverschiebung berücksichtigt.

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Seite 53

Ein Wurmloch verbindet als Abkürzung zwei Teile des Universums (a) oder zwei verschiedene Universen (b) (Abb. 43.46).

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Seite 53

Ein Beobachters umrundet ein Wurmloch und bewegt sich dann durch dieses durch (Video, 4 MB). © Thomas Müller, Institut für Visualisierung und Interaktive Systeme, Universität Stuttgart

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Seite 53

Wie der Warp-Antrieb der Enterprise durch Verzerrung des Raumes funktionieren soll (engl. to warp = verzerren).

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