Wie Einstein den größten Fehler seines Lebens machte

Stellen Sie sich vor, wie es damals im frühen 20. Jahrhundert gewesen sein muss, das Universum auf einer grundlegenden Ebene zu erforschen. Über 200 Jahre lang schien die Physik von Newton zu bestimmen, wie sich Objekte bewegten, wobei Newtons Gesetz der universellen Gravitation und die Bewegungsgesetze vorgaben, wie sich Dinge auf der Erde, in unserem Sonnensystem und im größeren Universum bewegten. In letzter Zeit tauchten jedoch einige Herausforderungen für Newtons Bild auf. Man konnte Objekte nicht ständig auf beliebige Geschwindigkeiten beschleunigen, sondern alles war durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt. Newtons Optik beschrieb Licht bei weitem nicht so gut wie Maxwells Elektromagnetismus, und die Quantenphysik steckte noch in den Kinderschuhen und stellte Physiker weltweit vor neue Fragen.

Das vielleicht größte Problem stellte jedoch die Umlaufbahn des Merkur dar, die seit dem späten 16. Jahrhundert genau gemessen wurde und im Widerspruch zu Newtons Vorhersagen stand. Es war sein Bestreben, diese Beobachtung zu erklären, die Albert Einstein dazu veranlasste, die Allgemeine Relativitätstheorie zu formulieren, die Newtons Gravitationsgesetz durch eine Beziehung zwischen Materie und Energie, die die Raumzeit krümmt, und der gekrümmten Raumzeit, die Materie und Energie sagt, ersetzte -Energie, wie man sich bewegt.

Doch Einstein hat diese Version der Allgemeinen Relativitätstheorie nicht veröffentlicht; Er veröffentlichte eine Version, die einen zusätzlichen Ad-hoc-Begriff enthielt: eine kosmologische Konstante, die dem Universum künstlich ein zusätzliches Feld hinzufügte. Jahrzehnte später würde er es als seinen größten Fehler bezeichnen, aber nicht bevor er es im Laufe der Jahre immer wieder bekräftigte. Hier erfahren Sie, wie der klügste Mann der Geschichte seinen größten Fehler aller Zeiten machte, mit Lektionen für uns alle.

Wichtig ist, dass die Allgemeine Relativitätstheorie aus drei Puzzleteilen aufgebaut war, die in Einsteins Kopf zusammenkamen.

Diese drei Vorstellungen zusammen führten Einstein dazu, die Schwerkraft anders zu verstehen: Anstatt von einer unsichtbaren, unendlich schnell wirkenden Kraft beherrscht zu werden, die über alle Entfernungen und zu jeder Zeit wirkte, wurde die Schwerkraft stattdessen durch die Krümmung der Raumzeit verursacht selbst wurde durch die Anwesenheit von Materie und Energie in ihm induziert.

Diese drei ersten Schritte erfolgten jeweils 1905, 1907 und 1908, aber die Allgemeine Relativitätstheorie wurde in ihrer endgültigen Form erst 1915 veröffentlicht; So lange brauchten Einstein und seine Mitarbeiter, um die Details richtig herauszufinden. Sobald er dies jedoch getan hatte, veröffentlichte er eine Reihe von Gleichungen – heute bekannt als die Einstein-Feldgleichungen – die sich darauf beziehen, wie sich Materie-Energie und Raumzeit gegenseitig beeinflussen. In diesem Artikel bestätigte er Folgendes:

Dieser dritte Punkt führte zu einer wichtigen neuen Vorhersage: dass während einer totalen Sonnenfinsternis, wenn das Licht der Sonne vom Mond blockiert wird und Sterne sichtbar sind, die scheinbare Position der Sterne hinter der Sonne verbogen oder verschoben wird. durch die Schwerkraft der Sonne. Nachdem die Chance, dies zu testen, 1916 wegen des Ersten Weltkriegs „verpasst“ wurde und 1918 den Wolken zum Opfer fiel, machte die Sonnenfinsternis-Expedition von 1919 schließlich die entscheidenden Beobachtungen, bestätigte die Vorhersagen von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie und führte zu ihrer breiten Akzeptanz als Neue Theorie der Schwerkraft.

Aber wie jeder gute Wissenschaftler, der eine neue Theorie formuliert, war Einstein selbst ziemlich unsicher, wie die Experimente und Beobachtungen ausgehen würden. In einem Brief an den Physiker Willem de Sitter im Jahr 1917 schrieb Einstein Folgendes:

„Für mich … war es eine brennende Frage, ob das Relativitätskonzept bis zum Ende durchgehalten werden kann oder ob es zu Widersprüchen führt.“

Mit anderen Worten: Nachdem wir die Mathematik der Allgemeinen Relativitätstheorie herausgefunden haben und wissen, wie man sie erfolgreich auf verschiedene Situationen anwenden kann, steht nun die große Herausforderung an: Sie auf jeden physikalischen Fall anzuwenden, bei dem sie eine korrekte Beschreibung liefern soll. Eine große Herausforderung stellte dies jedoch dar, als es um das bekannte Universum zu Einsteins Zeiten ging.

Denn damals war noch nicht bekannt, ob es da draußen noch andere Galaxien gab – was die damaligen Astronomen die Hypothese des „Inseluniversums“ nannten – oder ob alles, was wir beobachteten, in der Milchstraße selbst enthalten war. Einige Jahre später, im Jahr 1920, gab es sogar eine große Debatte zu genau diesem Thema, und obwohl beide Seiten leidenschaftlich stritten, blieb sie höchst ergebnislos. Es war vernünftig und wurde von vielen akzeptiert, dass die Milchstraße und die Objekte darin einfach alles waren, was es gab.

Diese Vorstellung stellte Einstein vor ein großes Problem. Sehen Sie, einer der Sätze, der in der Relativitätstheorie relativ einfach abzuleiten war, lautet wie folgt:

Wenn man eine anfängliche Massenverteilung annimmt und sie im Ruhezustand betrachtet, wird man nach Ablauf einer endlichen Zeitspanne unweigerlich feststellen, dass diese Massen schließlich zu einem einzigen Punkt zusammenfallen, den wir heute kennen ein schwarzes Loch.

Das wäre schlecht, denn ein Schwarzes Loch ist eine Singularität, in der Raum und Zeit ein Ende haben und keine vernünftigen physikalischen Vorhersagen getroffen werden können. Dies brachte genau die Art von Widerspruch hervor, die Einstein befürchtete. Wenn unsere Milchstraße lediglich eine große Ansammlung von Massen wäre, die sich alle sehr langsam relativ zueinander bewegen, müssten diese Massen unweigerlich dazu führen, dass die Raumzeit, in der sie sich befanden, zusammenbricht. Und doch schien unsere Milchstraße nicht zusammenzubrechen und war offensichtlich auch nicht in sich selbst zusammengebrochen. Um diese Art von Widerspruch zu vermeiden, postulierte Einstein, dass der Gleichung etwas Zusätzliches – eine neue Zutat oder Wirkung – hinzugefügt werden muss. Andernfalls ließe sich die inakzeptable Konsequenz eines instabilen Universums nicht vermeiden, das eigentlich zusammenbrechen sollte (obwohl dies beobachtungsgemäß nicht der Fall zu sein schien).

Mit anderen Worten: Wenn das Universum statisch ist, kann es nicht einfach zusammenbrechen; Das wäre wirklich schlimm und würde im Widerspruch zu dem stehen, was wir sahen. Wie konnte Einstein es vermeiden? Er führte einen neuen Begriff in die Gleichungen ein: das, was heute als kosmologische Konstante bekannt ist. In seinen eigenen Worten, die Einstein erneut im Jahr 1917 schrieb, erklärte er Folgendes:

„Um zu dieser konsistenten Ansicht zu gelangen, mussten wir zugegebenermaßen eine Erweiterung der Feldgleichungen der Gravitation einführen, die durch unser tatsächliches Wissen über die Gravitation nicht gerechtfertigt ist … Dieser Begriff ist nur notwendig, um eine quasistatische Verteilung zu ermöglichen der Materie, wie es die Tatsache der geringen Geschwindigkeiten der Sterne erfordert.

Es ist ziemlich hart, dies als Fehler zu bezeichnen, da sein Gedankengang leicht zu verstehen ist und vernünftig erscheint. Wir wissen das:

Die einzige Option, die Einstein gefunden hatte, war dieser zusätzliche Term, den er hinzufügen konnte, ohne weitere Pathologien in seine Theorie einzuführen: ein kosmologischer konstanter Term.

Andere Leute – ich sollte hier klarstellen, dass es sich hierbei um andere sehr kluge und sehr kompetente Leute handelt – haben diese Gleichungen und Konzepte von Einstein übernommen und daraus die unvermeidlichen Konsequenzen abgeleitet.

Zunächst zeigte Willem de Sitter später im Jahr 1917, dass man eine leere, vierdimensionale Raumzeit erhält, die sich ausdehnt, wenn man ein Modelluniversum nimmt, das nur eine kosmologische Konstante enthält (d. h. ohne andere Materie- oder Energiequellen). ewig in konstanter Geschwindigkeit.

Zweitens zeigte Alexander Friedmann 1922, dass, wenn man im Rahmen der Einsteinschen Relativitätstheorie davon ausgeht, dass das gesamte Universum gleichmäßig mit irgendeiner Art von Energie gefüllt ist – einschließlich (aber nicht beschränkt auf) Materie, Strahlung oder der Art von Energie, die dies tun würde eine kosmologische Konstante ergeben – dann ist eine statische Lösung unmöglich und das Universum muss sich entweder ausdehnen oder zusammenziehen. (Und das gilt unabhängig davon, ob die kosmologische Konstante existiert oder nicht.)

Und drittens baute Georges Lemaître 1927 auf Friedmanns Gleichungen auf und wandte sie auf die Kombination galaktischer Entfernungen an, die von Hubble gemessen wurden (ab 1923), und auch auf die scheinbar große Rezessionsbewegung dieser Galaxien, die zuvor von Vesto Slipher gemessen wurde (bereits 1923). 1911). Er kam zu dem Schluss, dass sich das Universum ausdehnt, und reichte nicht nur einen Aufsatz darüber ein, sondern schrieb auch persönlich an Einstein.

Der Grund dafür, dass die kosmologische Konstante oft als „Einsteins größter Fehler“ bezeichnet wird, liegt nicht darin, warum er sie ursprünglich formuliert hat; Es liegt an seiner unverdienten, unvernünftigen und vielleicht sogar unbeholfenen Reaktion auf die berechtigte Kritik und die gegenteiligen Schlussfolgerungen aller anderen. Einstein kritisierte de Sitters Ableitungen ausführlich und fälschlicherweise und wurde von de Sitter und Oskar Klein in einer Reihe von Briefen in den Jahren 1917 und 1918 in jeder Hinsicht als falsch erwiesen. Einstein kritisierte Friedmanns Arbeit 1922 fälschlicherweise und nannte sie mit den Feldgleichungen unvereinbar; Friedmann wies richtig auf Einsteins Fehler hin, den Einstein ignorierte, bis sein Freund Juri Krutkow ihn ihm erklärte und er daraufhin seine Einwände zurückzog.

Und dennoch erwiderte Einstein 1927, als er auf Lemaîtres Arbeit aufmerksam wurde: „Vos calculs sont Corrects, mais votre physique est abominable“, was übersetzt so viel bedeutet wie: „Ihre Berechnungen sind korrekt, aber Ihre Physik ist abscheulich.“ Er behielt diese Haltung im Jahr 1928 bei, als Howard Robertson mit verbesserten Daten unabhängig zu den gleichen Schlussfolgerungen wie Lemaître gelangte, und änderte seine Meinung nicht mit Hubbles (und später Humasons) überwältigender Demonstration, dass weiter entfernte Objekte (wobei Entfernungen anhand von Henrietta Leavitts legendärem Modell bestimmt wurden). Methode) entfernten sich 1929 schneller. Hubble schrieb, dass der Befund „den De-Sitter-Effekt darstellen“ könnte und „daher das Element der Zeit“ in das Universum einführt.

Dabei hat Einstein seine Haltung überhaupt nicht geändert. Er behauptete, dass das Universum statisch sein müsse und die kosmologische Konstante zwingend sei. Und weil er Einstein war, waren viele Menschen – darunter auch Hubble – vorsichtig, diese Daten als Hinweis auf die Expansion des Universums zu interpretieren. Erst 1931 schrieb Lemaître einen sehr einflussreichen Brief an die Natur, in dem er die einzelnen Teile vollständig zusammenfügte: dass sich das Universum im Laufe der Zeit weiterentwickeln könnte, wenn es von einem kleineren, dichteren Zustand ausginge und sich seitdem ausdehnte. Erst danach gab Einstein schließlich zu, dass er möglicherweise voreilig war, indem er eine kosmologische Konstante einführte, mit dem einzigen Ziel, das Universum statisch zu halten.

Im Nachhinein ist die kosmologische Konstante heute ein sehr wichtiger Teil der modernen Kosmologie, da sie die beste Erklärung ist, die wir für die Auswirkungen dunkler Energie auf unser expandierendes Universum haben. Aber wenn Einstein es nicht eingeführt hätte und es weiterhin so verteidigt und befürwortet hätte – wenn er sich einfach an die Gleichungen gehalten hätte – hätte er das expandierende Universum als Folge seiner Gleichungen ableiten können, genau wie Friedmann es später tat , Lemaître, Robertson und andere.

Es war ein kleiner Fehler, einen belanglosen, unnötigen Term in seine Gleichungen einzuführen, aber sein größter Fehler bestand darin, seinen Fehler angesichts überwältigender Beweise zu verteidigen. Wie wir alle lernen sollten, ist es der einzige Weg, zu wachsen, wenn wir sagen: „Ich habe mich geirrt“, wenn sich herausstellt, dass wir im Irrtum sind.

Der Autor dankt Dan Scolnic für seinen Plenarvortrag auf der 242. Tagung der American Astronomical Society, der viele dieser Fakten und Zitate ans Licht gebracht hat.