Lehrerworkshop KosmologieZur Bedeutung der relativistischen Physik

Claus Lammerzahl

Zentrum fur Angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation(ZARM)

Universitat Bremen

Lehrerworkshop Kosmologie, Bremen 24.–29.9.2006

C. Lammerzahl (ZARM, Bremen) Lehrerworkshop Kosmologie Bremen 24.-29..9.2006 1 / 30

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1 Die Struktur heutiger Theorien

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1 Die Struktur heutiger Theorien

2 Die Grundprinzipien

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1 Die Struktur heutiger Theorien

2 Die Grundprinzipien

3 Praktische AnwendungenMetrologieKlimaforschungErdwissenschaftPositionsbestimmung

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1 Die Struktur heutiger Theorien

2 Die Grundprinzipien

3 Praktische AnwendungenMetrologieKlimaforschungErdwissenschaftPositionsbestimmung

4 Kursinhalt

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Die Struktur heutiger Theorien

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1 Die Struktur heutiger Theorien

2 Die Grundprinzipien

3 Praktische AnwendungenMetrologieKlimaforschungErdwissenschaftPositionsbestimmung

4 Kursinhalt

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Die Struktur heutiger Theorien

Die Struktur heutiger Theorien

Rahmentheorien Wechselwirkungen

Quantentheorie Elektrodynamik

Spezielle Relativitatstheorie Gravitation

Allgemeine Relativitatstheorie Schwache Wechselwirkung

Statistische Mechanik Starke Wechselwirkung

Probleme Wunsch

• Inkompatibilitat von Vereinigung aller Wechsel-

Quantentheorie und ART wirkungen

• Problem der Zeit

• Auftreten von Singularitaten

in der ART

Wegen Problemen: Standardtheorie muss geandert werdenHinweise von der Kosmologie?

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Die Struktur heutiger Theorien

Die Struktur heutiger Theorien

Rahmentheorien Wechselwirkungen

Quantentheorie Elektrodynamik

Spezielle Relativitatstheorie Gravitation

Allgemeine Relativitatstheorie Schwache Wechselwirkung

Statistische Mechanik Starke Wechselwirkung

Probleme Wunsch

• Inkompatibilitat von Vereinigung aller Wechsel-

Quantentheorie und ART wirkungen

• Problem der Zeit

• Auftreten von Singularitaten

in der ART

Wegen Problemen: Standardtheorie muss geandert werdenHinweise von der Kosmologie?

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Die Struktur heutiger Theorien

Die Struktur heutiger Theorien

Rahmentheorien Wechselwirkungen

Quantentheorie Elektrodynamik

Spezielle Relativitatstheorie Gravitation

Allgemeine Relativitatstheorie Schwache Wechselwirkung

Statistische Mechanik Starke Wechselwirkung

Probleme Wunsch

• Inkompatibilitat von Vereinigung aller Wechsel-

Quantentheorie und ART wirkungen

• Problem der Zeit

• Auftreten von Singularitaten

in der ART

Wegen Problemen: Standardtheorie muss geandert werdenHinweise von der Kosmologie?

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Die Struktur heutiger Theorien

Die Struktur der Standardphysik

Einstein’sches Aquivalenzprinzip

Universalitatdes freien Falles

Universalitat derGravitat. Rotverschiebg.

Lorentz-Invarianz

Allgemeine Relativitatstheorie

Gravitation = MetrikEinstein–Gleichungen

Bewegungsgleichg. fur Materie

Maxwell–GleichungenDirac–Gleichung

Materie erzeugtGravitation

Gravitation beeinflusstDynamik

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Die Grundprinzipien

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1 Die Struktur heutiger Theorien

2 Die Grundprinzipien

3 Praktische AnwendungenMetrologieKlimaforschungErdwissenschaftPositionsbestimmung

4 Kursinhalt

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Die Grundprinzipien

Grundprinzipien: Lorentz–Invarianz

Alle Aspekte der Lorentz–Invarianz sind experimentell gut tetestet und bestatigt

Grundlagen

Postulate

c = const

Relativitatsprinzip

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Die Grundprinzipien

Grundprinzipien: Lorentz–Invarianz

Alle Aspekte der Lorentz–Invarianz sind experimentell gut tetestet und bestatigt

Grundlagen

Postulate

c = const

Relativitatsprinzip

Tests

Unabhangigkeit von c von derGeschwindigk. der Quelle

Universalitat von c

Isotropie von c

Unabhangigkeit von c von derGeschwindigk. des Labors

Zeitdilatation

Isotropie der Physik(Hughes–Drever Experimente)

Unabhangigkeit der Physik vonder Geschwindigk. des Labors

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Die Grundprinzipien

Grundprinzipien: Universalitat des Freien Falles

Viele Aspekte der Universalitat des freien Falles sind experimentell gut getestetund bestatigt

Postulat

Alle strukturlosen Testteilchenfallen in einem Gravitationsfeldgleich.

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Die Grundprinzipien

Grundprinzipien: Universalitat des Freien Falles

Viele Aspekte der Universalitat des freien Falles sind experimentell gut getestetund bestatigt

Postulat

Alle strukturlosen Testteilchenfallen in einem Gravitationsfeldgleich.

Tests

UFF fur

Neutrale makroskopischeMaterie

Geladene Teilchen

Teilchen mit Spin

Bisher keinen Tests fur

Antiteilchen

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Die Grundprinzipien

Grundprinzipien: Universalitat der gravitat. Rotverschiebg.

Viele Aspekte der Universalitat der gravitativen Rotverschiebung sindexperimentell gut getestet und bestatigt

Postulat

Alle Uhren verhalten sich ineinem Gravitationsfeld gleich.

g

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Die Grundprinzipien

Grundprinzipien: Universalitat der gravitat. Rotverschiebg.

Viele Aspekte der Universalitat der gravitativen Rotverschiebung sindexperimentell gut getestet und bestatigt

Postulat

Alle Uhren verhalten sich ineinem Gravitationsfeld gleich.

g

Tests

UGR fur

Atomuhr: electronisch

Atomuhr: hyperfein

Molekuluhr: Vibration

Molekuluhr: Rotation

Resonatoren

Kernubergange(Mossbauer–Effekt)

Bisher kein Tests mit

”Anti–Uhren”

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Die Grundprinzipien

Die ART

Alle Vorhersagen der Allgemeinen Relativitatstheorie sind experimentell gutgetestet und berstatigt

Foundations

Einstein’sches Aquivalenzprinzip

Universalitat des freien Falles

Universalitat der gravitativenRotverschiebung

Lokale Lorentz–Invarianz

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Die Grundprinzipien

Die ART

Alle Vorhersagen der Allgemeinen Relativitatstheorie sind experimentell gutgetestet und berstatigt

Foundations

Einstein’sches Aquivalenzprinzip

Universalitat des freien Falles

Universalitat der gravitativenRotverschiebung

Lokale Lorentz–Invarianz

Vorhersagen der ART

Effekte im Sonnensystem

Periheldrehung

Grav. Rotverschiebung

Lichtablenkung

Gravitative

Zeitverzogerung

Lense–Thirring–Effekt

Schiff–Effekt

Starke Gravitationsfelder

Binarsysteme

Schwarze Locher

Gravitationswellen

Kosmologie

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Die Grundprinzipien

Die ART

Alle Vorhersagen der Allgemeinen Relativitatstheorie sind experimentell gutgetestet und berstatigt

Foundations

Einstein’sches Aquivalenzprinzip

Universalitat des freien Falles

Universalitat der gravitativenRotverschiebung

Lokale Lorentz–Invarianz

Vorhersagen der ART

Effekte im Sonnensystem

Periheldrehung

Grav. Rotverschiebung

Lichtablenkung

Gravitative

Zeitverzogerung

Lense–Thirring–Effekt

Schiff–Effekt

Starke Gravitationsfelder

Binarsysteme

Schwarze Locher

Gravitationswellen

Kosmologie

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Die Grundprinzipien

Tests im Sonnensystem

Metricg00 = −1 + 2α

U

c2− 2β

U2

c4

gi := g0i = 4µ(J × r)i

c3r3

gij = (1 + 2γ)U

c2

Standard tests

Test Experiment ParameterGravitative Rotverschiebg GP-A |αH−maser − 1| ≤ 1.4 · 10−4

Periheldrehung Astrophys. Beobachtg∣

∣

∣

2(α+γ)−β

3 − 1∣

∣

∣≤ 10−4

Lichtablenkung VLBI |γ − 1| ≤ 10−4

Gravitative Zeitverzogerg Cassini |γ − 1| ≤ 2 · 10−5

Lense–Thirring LAGEOS ∼ 10%Schiff GP-B ∼ 0.5% (expected)

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Praktische Anwendungen

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1 Die Struktur heutiger Theorien

2 Die Grundprinzipien

3 Praktische AnwendungenMetrologieKlimaforschungErdwissenschaftPositionsbestimmung

4 Kursinhalt

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Praktische Anwendungen Metrologie

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1 Die Struktur heutiger Theorien

2 Die Grundprinzipien

3 Praktische AnwendungenMetrologieKlimaforschungErdwissenschaftPositionsbestimmung

4 Kursinhalt

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Praktische Anwendungen Metrologie

Anwendungen: Metrologie

s

m

A

mol

cd

K

kg

ART ermoglichtEndeutigkeit derZeitmessung in

Gravitationsfeldern

SRT ermoglichtEndeutigkeit derZeitmessung in

bewegten Bezugs-systemen

ART ermoglichtEndeutigkeit derMassendefinition

SRT: Konstanzder Lichtge-schwindigkeit

3 · 10−15

10−12

4 · 10−8

8 · 10−8

10−4

3 · 10−7unbekannte Alterung

der Prototypen

SRT & ART = Physik von Raum und Zeit ≡ Fundamentalmetrologie

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Praktische Anwendungen Metrologie

Anwendungen: Internationale Atomzeit TAI

EuropeNorth America Asia

AfricaSouth America Australia/Oceania

NPL

VSL

ROA

DTAG

BEV

AO

S PL

LTSU

NIM

B

CAO

NPLI

INPL

OMHTP

UMEN

MCSM

USPJV

LD

S

CHIFA

GDLRORB

OP

IENPTB

NTSC

JATC

SCL

TL

NMLJ

NAO

NIM

BIR

M

NM

LSN

IMTK

RIS

SO

CRLCNMP

APL

NRC

NIST

CNM

USNO

ONBA TCC IGMA ONRJ CSIR AUS

MSL

Laboratory equipped with TWSTFTTWSTFTTWSTFT by Ku band with X band backupGPS CV single channel linkGPS CV single channel backup link

Laboratory with dual frequency GPS receptionGPS CV dual frequency linkGPS CV dual frequency backup linkGPS CV multi channel linkGPS CV multi channel backup link

The organization of the international time links: comparison and synchronizationbetween the various clocks on Earth provide the TAI.

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Praktische Anwendungen Metrologie

Anwendungen: Zeitskalen

Earth rotation Atomic, pulsar time Coordinate models

Time of daily life Most precise time definitionTime and coordinates

for astrophysics

X

Universal Timeof type 0

X

Universal Timeof type 1

X

Greenwich Mn.Sidereal Time

leap

seco

nds

X

Universal TimeCoordinated

X

Internationalatomic time

X

Global Position.System

X

Pulsartime

X

Terrestrialtime

XBarycentrictime

X

Geocentriccoord. time

XBarycentriccoord. time

X

Galacticcoord. time

Time scales and relations between them. For all relations between the various time scales butthe astrophysical ones, one needs SR and GR. In order to account for the variability of the Earthrotation with respect to the atomic time, sometimes additional leap seconds have to be inserted.

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Praktische Anwendungen Metrologie

Metrology

V

Ω A

~/e

~/e2 e

Gultigkeitder Maxwell–

und Schrodinger–Gleichungen

Zukunftige Definition des kg mittels Watt–Waage ...

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Praktische Anwendungen Klimaforschung

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1 Die Struktur heutiger Theorien

2 Die Grundprinzipien

3 Praktische AnwendungenMetrologieKlimaforschungErdwissenschaftPositionsbestimmung

4 Kursinhalt

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Praktische Anwendungen Klimaforschung

Anwendungen: Klimaforschung

Excess LOD (seasonals removed) AAM wind (seasonals removed)

per

iod

(day

s)

3200

1600

800

400

200

100

50

25

12.5

6.25

199019851980year

19901985year

−0.10

−0.05

0.00

0.05

0.10

variationin ms

The FFT of the variations of the Earth rotation. From the variation of the LODone can obtain information about the atmospheric state of the Earth. LOD =Length Of Day, AAM = Atmospheric Angular Momentum.

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Praktische Anwendungen Klimaforschung

Anwendungen: Klimaforschung

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Praktische Anwendungen Erdwissenschaft

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1 Die Struktur heutiger Theorien

2 Die Grundprinzipien

3 Praktische AnwendungenMetrologieKlimaforschungErdwissenschaftPositionsbestimmung

4 Kursinhalt

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Praktische Anwendungen Erdwissenschaft

Anwendungen: Erddynamik

.

10−2

10−1

1

10

102

103

size

ofeff

ects

(µs)

10−2

10−1 1 10 10

210

310

4

time scale (days)

largeearth-quakes

librationcore modes

fluidcore

solidEarthtidesocean

tides

ENSOatmosphere

VLBI (after 2 years of CORE data)

VLBI (CORE)

VLBI

GPS

.

Nur unter Zuhilfenahmevon SRT und ART kannman die Daten richtiginterpretieren, so dass manInformationen erhaltenkann zu:

Ozeanerwarmung

Bewegung derErdkruste, ...

...

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Praktische Anwendungen Positionsbestimmung

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1 Die Struktur heutiger Theorien

2 Die Grundprinzipien

3 Praktische AnwendungenMetrologieKlimaforschungErdwissenschaftPositionsbestimmung

4 Kursinhalt

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Praktische Anwendungen Positionsbestimmung

GPS

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Praktische Anwendungen Positionsbestimmung

GPS

SRT

Satelliten haben v = 4 km/sspeziell relativistische Zeitverzogerung

∆t =t′

√

1 − v2/c2− t′ = 7, 3 µs ⇒ ∆x = c∆t = 2.2 km

ART

Satelliten haben Hohe h = 40000 kmallgemein relativistische Zeitverzogerung

∆t =∆U

c2t′ = 7, 3 µs ⇒ ∆x = c∆t = 10 km

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Praktische Anwendungen Positionsbestimmung

Anwendungen: Positionsbestimmung

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Kursinhalt

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1 Die Struktur heutiger Theorien

2 Die Grundprinzipien

3 Praktische AnwendungenMetrologieKlimaforschungErdwissenschaftPositionsbestimmung

4 Kursinhalt

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Kursinhalt

Inhalt des Kurses

Spezielle Relativitatstheorie

Beobachtungen

Die Theorie

Konsequenzen

Allgemeine Relativitatstheorie

Geometrie

Beobachtungen – Grundlagen der ART

Die Theorie – Einstein–Gleichungen

Konsequenzen und Tests der ART

Probleme im Bereich der SRT und ART

Pioneer–Anomalie

Einfluss der kosmischen Expansion auf lokale Systeme

Flyby–Anomalie

Quantengravitation

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Kursinhalt

Didaktisches Konzept

Teile der Kurse

Schulern vermittelbares Wissen

Normaler Vorlesungsstoff – Hintergrundwissen

Popularwissenschaftliches

Mathematisches Niveau: Wurzel, sin, cos, ..., ex, sinh, cosh, ...

Mein personlicher Wunsch: Aufbrechen von Gewohnung an SRT und ART,um Besonderheiten dieser Theorien zu betonen

Viel Diskussionen

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Kursinhalt

Begrußung

Heraeus–Stiftung

Tagungsablauf

9:00 Kurs

10:30 Kaffee

11:00 Kurs

12:30 Mittagessen + Pause

15:00 Kurs

16:30 Kaffee

17:00 Ubungen + Diskussion

18:30 Ende

19:00 Abendessen

Socal dinner (Mo)

Abendveranstaltungen (Di, Mi, Do)

Exkursion (Mi)

Internet – WLAN

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