„Vom Standpunkt der Astronomie ist es natürlich ein geräumiges Luftschloß, das ich da gebaut habe.
Aber für mich war die Frage brennend, ob sich der Relativitäts – Gedanke fertig ausspinnen lässt, oder
ob er auf Widersprüche führt.[...] Ob das Schema, das ich mir bildete, der Wirklichkeit entspricht, ist
eine andere Frage, über die wir wohl nie Auskunft erlangen werden.“
(Albert Einstein)
Dieses Zitat Albert Einsteins beschreibt die Intentionen, die ihn dazu geleitet haben, aus der allgemeinen Relativitätstheorie heraus ein eigenes Modell des Universums zu entwickeln. Diese Intention wird in der vorliegenden Arbeit aufgegriffen, um ein übersichtliches Bild über die Verknüpfung der Relativitätstheorie mit den vorherrschenden relativistischen kosmologischen Universumsmodellen zu verschaffen. Dabei werden zuerst die Grundzüge von Albert Einsteins spezieller und allgemeiner Relativitätstheorie selbst erläutert. Diese bilden sowohl die Grundlage für die Entwicklung und Einbettung in die jeweiligen kosmologischen Modelle, und zudem sind sie als moderne Grundlage der Physik überhaupt anzusehen und deshalb essentiell wichtig für ein korrektes kosmologisches Modell. Anschließend wird Einsteins eigener Modellvorschlag der sogenannten
„Zylinderwelt“ besprochen, da dieses Modell sich direkt aus der allgemeinen Relativitätstheorie entwickelt hat. Dieser Vorschlag ist historisch eingebettet in die Einstein – De Sitter – Kontroverse,
welche die Diskussion zwischen Einstein und De Sitter bezüglich ihrer verschiedenen Universen Modelle darstellt. Dabei ist „[d]ie Rolle De Sitters in der Kontroverse, in deren Verlauf die
relativistische Kosmologie begründet wurde, […] vielfach verkannt.“
Da schon zu Einsteins Zeiten die Frage danach, ob das Universum in seiner Form endlich oder unendlich ist, eine große Rolle spielte und Einstein seine eigene Lösung der Welt in einer endlichen Struktur vorstellte, wird anschließend der Übergang zum sogenannten „expandierenden Universum“ und der damit akzeptierten Expansion des Universums in seiner allgemeinen Form besprochen. Dabei soll die Frage geklärt werden, in wie weit dies für die genaue Einbettung der Relativitätstheorie Probleme aufwirft und wie diese eventuell gelöst werden können und wie groß der Einfluss der allgemeinen Relativitätstheorie und Einsteins selbst für die heutige Kosmologie ist.
Inhaltsverzeichnis
I.) Einleitung
II.) Einsteins Relativitätstheorie – Die Grundlage der modernen Physik
II.1.) Die spezielle Relativitätstheorie
II.2.) Die allgemeine Relativitätstheorie
III.) Die Weltmodelle von Einstein und De Sitter
III.1.) Einsteins Zylinderwelt
III.2.) De Sitters Hyperbolidwelt
III.3.) Die Einstein - De Sitter Kontroverse
IV.) Neue kosmologische Erkenntnisse und die Relativitätstheorie – Das expandierende Universum
V.) Die Bedeutung der allgemeinen Relativitätstheorie für die Entwicklung der Kosmologie
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit untersucht die Einbettung der Raum-Zeit-Struktur der allgemeinen Relativitätstheorie in die historisch bedeutenden kosmologischen Universumsmodelle und analysiert dabei insbesondere die theoretischen Kontroversen zwischen Albert Einstein und Willem de Sitter sowie deren Einfluss auf das Verständnis des expandierenden Universums.
- Grundlagen der speziellen und allgemeinen Relativitätstheorie
- Einsteins Modell der statischen „Zylinderwelt“
- De Sitters Kritik und sein Modell der „Hyperbolidwelt“
- Die Einstein-De Sitter-Kontroverse als Treiber der Kosmologie
- Der Übergang zur Theorie des expandierenden Universums
Auszug aus dem Buch
III.1.) Einsteins Zylinderwelt
„Besonders befriedigend erscheint die Möglichkeit, daß die Welt räumlich geschlossen, also […] sphärisch oder elliptisch sei, weil dann die vom Standpunkt der Allgemeinen Relativitätstheorie so unbequemen Grenzbedingungen für das Unendliche die viel natürlichere Geschlossenheitsbedingung zu ersetzen wäre.“50
Mit dieser Begründung wirbt Einstein selbst für sein Modell des Universums. Um dies nachvollziehen zu können, muss kurz auf eine andere Debatte eingegangen werden, die die Relativitätstheorie und das darin enthaltenen Machsche Prinzip betrifft. Hierbei ist es von allgemeiner Wichtigkeit, ob die allgemeine Relativitätstheorie das Machsche Prinzip erfüllt, da sie sich darauf stützt.51 Es gibt jedoch viele Modelle, in denen das Machsche Prinzip nicht erfüllt wird, wie zum Beispiel das materiefreie Universum, da hier kein Unterschied zwischen Trägheitsbewegungen und nicht-linearer Bewegung festzumachen ist. Jedoch reicht nach Einstein selbst eine bloße Beeinflussung der Geodätenstruktur durch die Materie nicht aus, deshalb verlangte er eine restlose Bestimmung des metrischen Feldes. Da das materiefreie Universum jedoch dahingehend unwichtig erscheint, da es sehr unrealistisch52 ist, sind weitere Beispiele anzuführen, wie zum Beispiel das Inseluniversum.
Zusammenfassung der Kapitel
I.) Einleitung: Diese Einleitung führt in die Motivation ein, aus der allgemeinen Relativitätstheorie ein kosmologisches Modell des Universums zu entwickeln.
II.) Einsteins Relativitätstheorie – Die Grundlage der modernen Physik: Dieses Kapitel erläutert die Grundprinzipien der speziellen und allgemeinen Relativitätstheorie als notwendiges Fundament für jede kosmologische Betrachtung.
III.) Die Weltmodelle von Einstein und De Sitter: Hier werden die konträren Weltmodelle beider Physiker gegenübergestellt und die wissenschaftliche Debatte um diese Ansätze analysiert.
IV.) Neue kosmologische Erkenntnisse und die Relativitätstheorie – Das expandierende Universum: Das Kapitel behandelt den Übergang von statischen Modellen hin zur Theorie des expandierenden Universums auf Basis der Beobachtungen von Edwin Hubble.
V.) Die Bedeutung der allgemeinen Relativitätstheorie für die Entwicklung der Kosmologie: Diese Zusammenfassung bewertet den Beitrag Einsteins zur modernen Kosmologie und würdigt die Bedeutung seines theoretischen Grundsteins für das heutige Forschungsfeld.
Schlüsselwörter
Allgemeine Relativitätstheorie, Raum-Zeit, Kosmologie, Einstein, De Sitter, Zylinderwelt, Hyperbolidwelt, Machsches Prinzip, Expandierendes Universum, Urknall, Gravitation, Feldgleichungen, Weltmodelle, Äquivalenzprinzip, Materie.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der philosophischen und physikalischen Einbettung der allgemeinen Relativitätstheorie in verschiedene kosmologische Modelle des Universums.
Was sind die zentralen Themenfelder der Untersuchung?
Zu den Schwerpunkten zählen die theoretischen Ansätze Einsteins und De Sitters, die Rolle der Gravitation und der Raum-Zeit-Struktur sowie die Evolution der Kosmologie zum expandierenden Universum.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Ziel ist es, ein übersichtliches Bild über die Verknüpfung der Relativitätstheorie mit den relativistischen Universumsmodellen zu verschaffen und deren wissenschaftlichen Fortschritt aufzuzeigen.
Welche wissenschaftliche Methode wurde verwendet?
Es handelt sich um eine theoretische Analyse, die auf Literaturarbeit und der historisch-philosophischen Interpretation physikalischer Originalquellen und Debatten basiert.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die Erläuterung der Relativitätstheorie, die Darstellung der statischen Weltmodelle, die Einstein-De Sitter-Kontroverse sowie die darauffolgenden Erkenntnisse über die Expansion des Weltalls.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit lässt sich maßgeblich über Begriffe wie Allgemeine Relativitätstheorie, kosmologische Modelle, Raum-Zeit-Krümmung und das Machsche Prinzip definieren.
Warum lehnte Einstein ursprünglich expandierende Modelle ab?
Einstein hielt expandierende Modelle für unrealistisch und suchte nach einer Lösung für die kosmische Stabilität, was ihn zur Entwicklung seines statischen Modells der Zylinderwelt führte.
Welche Bedeutung kommt der Einstein-De Sitter-Kontroverse zu?
Die Kontroverse war zentral für die Begründung der relativistischen Kosmologie, da durch sie wichtige theoretische Fragen vorangetrieben wurden, die letztlich zur Entwicklung moderner kosmologischer Ansätze führten.
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- Bachelor Anna-Vanadis Faix (Autor), 2012, Von der Relativitätstheorie zum Modell des Universums, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/205686
