Experimentelle Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie

Die Allgemeine Relativitätstheorie hat ein Jahrhundert immer präziserer Tests bestanden, von der Ablenkung des Sternenlichts und der Präzession der Merkurumlaufbahn bis hin zur gravitativen Rotverschiebung, Zeitverzögerung von Signalen, Frame-Dragging und Gravitationswellen.

Definition

Experimentelle Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie sind Beobachtungen und Messungen, die die Vorhersagen der Theorie mit Alternativen vergleichen, quantifiziert im schwachen Feld durch die parametrisierten post-Newtonschen Parameter und im starken Feld durch Pulsar-Timing und Gravitationswellenbeobachtungen.

Scope

Dieses Thema behandelt die drei klassischen Tests (Perihelpräzession des Merkurs, Lichtablenkung, gravitative Rotverschiebung), die Shapiro-Zeitverzögerung, Frame-Dragging und geodätische Präzession, gemessen von Gravity Probe B und Lunar Laser Ranging, Binärpulsar-Timing und den parametrisierten post-Newtonschen Rahmen, der zum Vergleich von Gravitationstheorien mit Daten verwendet wird.

Core questions

• Welche waren die ursprünglichen klassischen Tests, die die Allgemeine Relativitätstheorie etablierten?
• Wie wird die Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment quantifiziert?
• Welche starken Feldregime liefern die strengsten modernen Tests?

Key concepts

• Perihelpräzession
• Lichtablenkung
• Gravitative Rotverschiebung
• Shapiro-Zeitverzögerung
• Frame-Dragging
• Parametrisierte post-Newtonsche Parameter

Key theories

Klassische Tests

Die Allgemeine Relativitätstheorie sagt korrekt die anomale Perihelpräzession des Merkurs, die Ablenkung des Sternenlichts, das die Sonne streift und bei der Sonnenfinsternis von 1919 bestätigt wurde, und die gravitative Rotverschiebung von Licht, das aus einem Potentialtopf aufsteigt, voraus.

Parametrisierter post-Newtonscher Rahmen

Ein Satz dimensionsloser Parameter charakterisiert die schwache Feld- und langsame Bewegungsgrenze jeder metrischen Gravitationstheorie, wodurch Sonnensystemmessungen Abweichungen von der Allgemeinen Relativitätstheorie mit hoher Präzision einschränken können.

Clinical relevance

Bestätigte relativistische Effekte sind nicht nur akademischer Natur: Gravitative Rotverschiebung und Zeitdilatation müssen im GPS und anderen Satellitennavigationssystemen korrigiert werden, und Frame-Dragging sowie Lichtablenkung beeinflussen die Präzisionsastrometrie und die Interpretation astrophysikalischer Quellen mit starker Gravitation.

History

Einsteins Erklärung des Merkur-Perihels von 1915 war der erste Erfolg; Eddingtons Sonnenfinsternis-Expedition von 1919 bestätigte die Lichtablenkung und machte Einstein berühmt; das Pound-Rebka-Experiment maß 1959 die Rotverschiebung, Shapiro schlug 1964 die Zeitverzögerung vor, und die Ergebnisse von Binärpulsaren und Gravity Probe B erweiterten die Tests bis ins späte 20. und frühe 21. Jahrhundert.

Key figures

• Albert Einstein
• Arthur Eddington
• Irwin Shapiro
• Clifford Will

Seminal works

• dyson1920
• will2014

Frequently asked questions

Warum war die Sonnenfinsternis-Expedition von 1919 so wichtig?

Die Messung der Ablenkung des Sternenlichts in der Nähe der Sonne erforderte die Abschirmung des Sonnenlichts, was eine Sonnenfinsternis ermöglichte; das Ergebnis stimmte mit Einsteins Vorhersage des doppelten Newtonschen Wertes überein und lieferte die erste dramatische Bestätigung der Allgemeinen Relativitätstheorie und weltweiten Ruhm für Einstein.

Hat die Allgemeine Relativitätstheorie jemals einen Test nicht bestanden?

Kein Test hat eine bestätigte Abweichung gezeigt; die Theorie stimmt mit allen Messungen im Sonnensystem, von Binärpulsaren und Gravitationswellen bis zur aktuellen Präzision überein, obwohl die Suche fortgesetzt wird, da die Vereinigung der Gravitation mit der Quantenmechanik möglicherweise irgendwann Modifikationen erfordert.