SciViews-Videorezension: Vorbereitung auf eine neue Astronomie

Beim Spektrum-Verlag befindet sich derzeit ein Videoportal namens SciViews in der (Alpha-)Testphase – freigeschaltet, aber noch nicht groß beworben, und derzeit noch laufend weiterentwickelt. Die folgende Rezension zu den drei Videos von Gravity Ink. über Einsteins Gravitationstheorie und die LISA-Mission,

Einstein im Gummituch

erscheint sowohl auf SciViews als auch hier auf meinem Blog. (Offenlegung: Für eine solche Rezension zahlt mir Spektrum ein kleines Honorar.)

Die (englischsprachigen) Videos der dreiteiligen Gravity-Ink.-Serie sind, wie die eine Hälfte des Wortspiels im Namen andeutet, quasi-live gezeichnet. Diesen Stil von Internetvideo, den ich immer als sehr ansprechend empfinde, haben erfolgreiche Webserien wie MinutePhysics auch im Bereich der Wissenschaftsvideos bekannt gemacht. Dabei wird der Sprechtext durch zeitgeraffte Zeichnungen unterstützt: Die im Video sichtbare Hand des Zeichners oder der Zeichnerin wirft die zum Verständnis nötigen Illustrationen direkt auf’s gefilmte Papier.

Die drei kurzen Episoden (hier geht es zu Episode 2 und 3) nehmen sich zunächst Einsteins Gravitationstheorie vor (von der Allgemeinen Relativitätstheorie bis hin zu Gravitationswellen), um anschließend in die Grundlagen der Gravitationswellenastronomie einzuführen und im dritten Teil schließlich über die Versuche zu berichten, Gravitationswellen auch tatsächlich nachzuweisen.

Einsteins Gravitationstheorie

Folge 1 zur Gravitationstheorie ist gut produziert, wiederholt jedoch das ungeeignete (aber zugegeben: weit verbreitete) Bild vom Gummituch, um den Effekt der Gravitation zu veranschaulichen. Die Erde (hier eine gezeichnete Scheibe) liegt auf dem Gummituch und krümmt es durch ihr Gewicht nach unten; dadurch rutschen Körper (hier ein gezeichneter Apfel) entlang des Gummituchs abwärts und auf die Erde zu. Voilà: So funktioniert Gravitationsanziehung. Das Gummituch stellt die Raumzeit dar, und sobald diese durch eine Masse verzerrt wird, kommt Schwerkraft ins Spiel.

Dieses Bild gibt zwar anschaulich wieder, dass die Erde und auch jede andere Masse offenbar irgendetwas in ihrer Umgebung verformt und dass über diese Verformung die Gravitation vermittelt wird. Die Sprecherin redet auch extra und korrekterweise davon, dass hier die Raumzeit verzerrt würde (bei Verwendung derselben Analogie andernorts wird gelegentlich behauptet, dass nur „der Raum“ verzerrt wird, was eine weitere Fehlerebene ins Spiel bringt). Soweit, so gut. Aus meiner Sicht birgt dieses Modell aber zu viele Fallen.

Wer näher über die Analogie nachdenkt, stolpert zwangsläufig darüber, dass sie in gewisser Weise Gravitation durch Gravitation erklärt. Dass der Apfel im Gummituchmodell zur Erde fällt, kommt schließlich nur durch die Schwerkraft zustande – durch die echte Schwerkraft, die um uns herum wirkt und eben auch den Apfel entlang des Gummituchs nach unten zieht. Schwerkraft soll im Modell aber doch erst hervorgebracht werden, nämlich durch die Verzerrung der Raumzeit, also des Gummituchs!

Diese Verquickung von wirklicher und modellierter Schwerkraft (ohne die das Modell zudem gar nicht funktioniert!) ist ziemlich verwirrend. Als sekundäres Problem des Modells kommt hinzu, dass es die Raumgeometrie betont, während man die Alltagsgravitation um uns herum in Wirklichkeit vor allem als Verzerrung der Zeit – und eben nicht des Raums – verstehen muss. Beides sind für mich Gründe, auf dieses Bild lieber zu verzichten; es schadet mehr, als dass es nützt.

Von der Wahl des Gummituch-Modells abgesehen finde ich die Episode sehr schön gemacht, zumal sie die Möglichkeiten des Mediums gut nutzt. Zum Beispiel setzt sie zusätzlich zur Zeichnung auch Post-Its ein: Betrachtet der Sprecher anstatt von drei Raumdimensionen zur Vereinfachung nur zwei oder eine, werden die entsprechenden Raumpfeile einfach live „weggeschnitten“.

Die Zukunft der Astronomie: Gravitationswellen als Informationsträger

In Folge 2 geht es dann um die Zukunft der Astronomie, und damit ist in diesem Zusammenhang natürlich gemeint: um die Möglichkeiten, zukünftig (und das heißt: ab einem unbekannten Zeitpunkt in den kommenden Jahren) Gravitationswellen aus dem Weltall zu empfangen. Das wäre ein großer Schritt für die Astronomen. Ihrem üblichen Informationsträger, nämlich der uns aus dem Kosmos erreichenden elektromagnetischen Strahlung, könnten sie so einen weiteren an die Seite stellen, der ganz anders und in einiger Hinsicht komplementär ist: winzige Störungen in der Raumzeitgeometrie, wie sie irgendwo im Universum entstehen, sich dann mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten und eines Tages auch die Erde erreichen, wo wir sie hoffentlich messen können.

Folge 3, „The Gravitational Universe“, nimmt sich dann einige der astronomischen Systeme vor, von denen man hoffen kann, dass sie sich anhand der von ihnen ausgesandten Gravitationswellen untersuchen lassen, zum Beispiel miteinander verschmelzende Schwarze Löcher. Zuvor gibt sie eine schnelle Einführung in die Nachweistechniken sogenannter interferometrischer Detektoren: Solche Instrumente fahnden vom Erdboden aus nach Gravitationswellen, bislang allerdings nicht erfolgreich.

Apropos „bislang nicht erfolgreich“: Dieser nicht ganz unwichtige Umstand wird nicht so deutlich benannt, wie es (derzeit noch) wünschenswert wäre. Wenn die Sprecherin sagt, solche Detektoren könnten höherfrequente Gravitationswellen etwa von Supernova-Explosionen nachweisen, dann fehlt dabei leider das entscheidende „im Prinzip“ – denn praktisch ist der Nachweis bislang eben noch nicht gelungen. Es ist zwar möglich (und durchaus zu hoffen), dass die Wirklichkeit die Videos in dieser Hinsicht in nicht allzu langer Zeit einholt, aber gegenwärtig sind wir einfach noch nicht so weit.

Als letztes präsentiert Gravity Ink. dann die Möglichkeit, einen solchen interferometrischen Detektor auch in den Weltraum zu schießen. Während die Detektorspezialisten auf der Erde damit kämpfen, dass ihre Messsignale durch niederfrequente Störungen überlagert werden, wird man im Erdorbit von so etwas gar nicht erst belästigt. Darum wird seit langem die (in den letzten Jahren etwas abgespeckte) LISA-Mission geplant, deren wissenschaftlichen Nutzen das Video ganz zum Schluss vorstellt. Als Outreach-Werkzeug für LISA – beziehungsweise eLISA, wie das Projekt mittlerweile heißt – sind die drei Episoden denn auch produziert worden.

Fazit

Insgesamt eine kurzweilige, nett produzierte Einführung in die Gravitationswellenastronomie. Allerdings werden sich einige Zuschauer zu Recht fragen – dieses Thema deutsch vs. englisch war bei meiner letzten Filmbesprechung Hauptthema der Diskussion in den Kommentaren –, warum ein so einfach synchronisierbarer Film nicht auch mit deutscher Tonspur auf YouTube steht.

[Offenlegung Teil 2: Die Filme wurden von einem Teilinstitut des Albert-Einstein-Instituts (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik) produziert, wo ich vor etwas mehr als zehn Jahren meine Doktorarbeit gemacht und anschließend in der wissenschaftlichen Öffentlichkeitsarbeit gearbeitet habe – an einigen Stellen auch für die LISA-Mission.]

Markus Pössel hatte bereits während des Physikstudiums an der Universität Hamburg gemerkt: Die Herausforderung, physikalische Themen so aufzuarbeiten und darzustellen, dass sie auch für Nichtphysiker verständlich werden, war für ihn mindestens ebenso interessant wie die eigentliche Forschungsarbeit. Nach seiner Promotion am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Potsdam blieb er dem Institut als "Outreach scientist" erhalten, war während des Einsteinjahres 2005 an verschiedenen Ausstellungsprojekten beteiligt und schuf das Webportal Einstein Online. Ende 2007 wechselte er für ein Jahr zum World Science Festival in New York. Seit Anfang 2009 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, wo er das Haus der Astronomie leitet, ein Zentrum für astronomische Öffentlichkeits- und Bildungsarbeit. Pössel bloggt, ist Autor/Koautor mehrerer Bücher, und schreibt regelmäßig für die Zeitschrift Sterne und Weltraum.

28 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. »Apropos „bislang nicht erfolgreich“:«

    Gutes Stichwort. Immerhin, wir schreiben das Jahr 2015, und im Abstract von [1] lesen wir:

    Gravitational wave detectors are already operating at interesting sensitivity levels, and they have an upgrade path that should result in secure detections by 2014.

    Und weiter, in Sec. 9,

    As the detectors are upgraded during the period 2008 – 2014, the first detection could occur at any time; if the advanced detectors do not make early detections, then there will inevitably be serious questions about general relativity.

    Das wäre dann allerdings auch wieder völlig verfehlt, gleich die ganze Theorie in Zweifel ziehen zu wollen. Die Theorie kommt hierbei schliesslich gar nicht recht zur Anwendung, sondern vielmehr, wie es Walter Thirring formuliert hat, „it only applies in the context of the linear approximation to the Einsteinian theory. No exact solutions, showing how gravitational waves are created, have yet been found.

    Wie soll das also weitergehen? Wird eLISA jetzt um jeden Preis durchgezogen werden, oder liesse sich das noch aufhalten?

    [1] Sathyaprakash, B. S., & Schutz, B. F. (2009). Physics, astrophysics and cosmology with gravitational waves. Living Rev. Relativity, 12(2).
    DOI: 10.12942/lrr-2009-2

    • Nee, das ist ein (eher elementarer) Denkfehler.

      Bei dem, was Sie von Sathyaprakash und Schutz zitieren, sind ja zwei Aussagen miteinander verquickt.

      Erste Aussage: Bei der Empfindlichkeit, die Advanced LIGO am Ende erreichen soll, sind (innerhalb vergleichsweise kurzer Zeit – einige Monate bis ein Jahr, soweit ich erinnere) sichere Nachweise zu erwarten; andernfalls wäre irgendwo der Wurm drin.

      Zweite Aussage: Advanced LIGO erreicht diese angestrebte Empfindlichkeit 2014.

      Sie schreiben so weiter, als erfordere der Umstand, dass wir Mai 2015 noch keinen sicheren Nachweis haben, Konsequenzen aus der ersten Aussage.

      Tatsächlich ist das LIGO-Team – und das ist bei so neuer Technik kein wirkliches Wunder – nur im Vergleich von dem Zeitplan von vor 5 Jahren etwas hinterher. Das letzte aLIGO-News Item stammt vom Februar 2015 und beschreibt, wie der Hanford-Detektor H1 jetzt den für die Messungen nötigen Lock-Zustand (salopp: Phasenstabilität der Wellen, die da überlagert werden) erreicht hat. Derzeit ist das Hauptaugenmerk noch darauf, die Detektoren richtig zum Laufen zu bekommen; die erste ernsthafte Messphase ist für Herbst 2015 angesetzt. Wenn es bei dem Plan bleibt und mit der Inbetriebnahme alles weiter so klappt, wäre spätestens Herbst 2016 dann in der Tat der Zeitpunkt gekommen, sich ob etwaiger ausbleibender Nachweise Gedanken zu machen. Vorher nicht.

      Das Thirring-Zitat ist in diesem Rahmen nicht wirklich aussagekräftig. Wichtiges Teil der Vorbereitung auf die jetzigen Messungen waren schließlich die numerischen Simulationen, in denen dann durchaus auch die nichtlinearen Anteile der Theorie wichtig werden. Diese Simulationen werden dann mit den Beobachtungen verglichen.

      • Markus Pössel schrieb (9. Mai 2015 21:23):
        > Advanced LIGO […] Derzeit ist das Hauptaugenmerk noch darauf, die Detektoren richtig zum Laufen zu bekommen

        LOL.
        Was werden die schon herausfinden, wenn sie sich keinen „Fünf-(oder-mehr)-Reflexionspunkte-Krümmungsmesser“ –Versuchsaufbau (nach Synge) leisten können, oder wollen ??:

        Entweder: keinerlei signifikante „detection“; d.h. die Detektoren „liefen“ in allen gültigen Versuchen „richtig“.
        Oder: die Detektoren „liefen“ zumindest in manchen Versuchen „nicht richtig“; wobei darüber zu streiten wäre, ob solche Versuche deshalb als ungültig zu verwerfen sind.

        Das die eine Ergebnismöglichkeit notwendiger Weise mit der Konstanz von Krümmung verbunden wäre, oder das andere mit (quasi-periodischer) Veränderung von Krümmung, ließe sich keinesfalls folgern.

      • Markus Pössel schrieb (9. Mai 2015 21:23):
        > Advanced LIGO […] Derzeit ist das Hauptaugenmerk noch darauf, die Detektoren richtig zum Laufen zu bekommen

        LOL.
        Was werden die schon herausfinden, wenn sie sich keinen „Fünf-(oder-mehr)-Reflexionspunkte-Krümmungsmesser“ –Versuchsaufbau (nach Synge) leisten können, oder wollen ??:

        Entweder: keinerlei signifikante „detection“; d.h. die Detektoren „liefen“ in allen gültigen Versuchen „richtig“.
        Oder: die Detektoren „liefen“ zumindest in manchen Versuchen „nicht richtig“; wobei darüber zu streiten wäre, ob solche Versuche deshalb als ungültig zu verwerfen sind.

        Dass die eine Ergebnismöglichkeit notwendiger Weise mit der Konstanz von Krümmung verbunden wäre, oder dass andere mit (quasi-periodischer) Veränderung von Krümmung, ließe sich keinesfalls folgern.

      • Markus Pössel schrieb (9. Mai 2015 21:23):
        > Advanced LIGO […] Derzeit ist das Hauptaugenmerk noch darauf, die Detektoren richtig zum Laufen zu bekommen

        LOL.
        Was werden die schon herausfinden, wenn sie sich keinen „Fünf-(oder-mehr)-Reflexionspunkte-Krümmungsmesser“ –Versuchsaufbau (nach Synge) leisten können, oder wollen ??:

        Entweder: keinerlei signifikante „detection“; d.h. die Detektoren „liefen“ in allen gültigen Versuchen „richtig“.
        Oder: die Detektoren „liefen“ zumindest in manchen Versuchen „nicht richtig“; wobei darüber zu streiten wäre, ob solche Versuche deshalb als ungültig zu verwerfen sind.

        Dass die eine Ergebnismöglichkeit notwendiger Weise mit der Konstanz von Krümmung verbunden wäre, oder die andere mit (quasi-periodischer) Veränderung von Krümmung, ließe sich keinesfalls folgern.

    • Chrys schrieb (9. Mai 2015 12:40):
      > [1] Sathyaprakash, B. S., & Schutz, B. F. (2009). Physics, astrophysics and cosmology with gravitational waves. Living Rev. Relativity, 12(2).
      DOI: 10.12942/lrr-2009-2 [http://relativity.livingreviews.org/Articles/lrr-2009-2/ ]

      > in Sec. 9,
      > “ […] if the advanced detectors do not make early detections, then there will inevitably be serious questions about general relativity.”

      Anstelle der GR (in Ganzen, oder auch nur in Teilen) könnte ein (hinreichend sensitives) experimentelles Ergebnis hinsichtlich des (Nicht-)Vorkommens von Gravitations-(Krümmungs-)wellen in Nordamerika lediglich das Modell in Frage stellen (bzw. widerlegen), dass die im Abstrakt genannten „most likely sources of gravitational wavestatsächlich derartige Quellen wären; also tatsächlich über hinreichend veränderliches (Masse-Energie-Stress-)Quadrupolmoment etc. verfügten.

        • Chrys schrieb (14. Mai 2015 13:30):
          > […] Für Verdachtsmomente, dass da irgendwo der Wurm drinsteckt, siehe http://arxiv.org/abs/1305.0777v2

          Und dort z.B. (S. 7-8): „According to the standard approach […] However, the above procedure is clearly self-inconsistent.

          Ach, auch das noch!
          (Das macht mir die diesbezüglichen Kommentare vom 11. Mai etwas verständlicher.)

          Tja: Leuten, die nicht begreifen (wollen), dass „alle unsere zeit-räumlichen Konstatierungen stets auf Feststellungen zeit-räumlicher Koinzidenzen hinauslaufen“, und die entsprechende Definitionen von Begriffen und Messmethoden folglich nicht konsequent, ausdrücklich und ausschließlich auf Festellungen von Koinzidenzen (bzw ggf. von Nicht-Koinzidenzen) aufbauen, ist wohl so gut wie jede Dusseligkeit zuzutrauen.

          • Eine Grande Dame der Math. Physik hat in einem erst jüngst erschienenen Buch ihre Sicht zur Lage bei den GWs so formuliert (Yvonne Choquet-Bruhat. Introduction to General Relativity, Black Holes, and Cosmology. OUP, 2015):

            The recent development of kilometre-size interferometric detectors of gravitational waves (LIGO, VIRGO, etc.) has provided strong motivation for improving the theoretical treatment of the generation of gravitational waves by astrophysically realistic systems. […] Much important and very complex work, analytical as well as numerical, has been (and is continuing to be) devoted to the problem of gravitational radiation energy, but some fundamental questions are still open.

            Indessen haben wir hier noch eine weitere Prognose der neuen Astrologie zum Durchbruch bei Advanced LIGO:

            By the third science run, planned for 2017–18, the machine should be getting sensitive enough to almost certainly nail a detection, says Reitze.

            Quelle: http://www.nature.com/news/physics-wave-of-the-future-1.15561

  2. Sorry, aber die Aussage aus dem Abstract kann ich nur als eine Voraussage für den gesicherten Nachweis von Gravitationswellen verstehen. Falls da eigentlich 2015 gemeint war und jetzt noch auf 2016 korrigiert wird, sei’s drum. Auf zwei Jahre mehr oder weniger kommt es doch auch nicht mehr an.

    Ich stelle die Frage mal anders: Steht die Planung von eLISA unter dem Vorbehalt eines Erfolges von Experimenten wie LIGO etc., denen hier immerhin eine entscheidende Rolle für die Möglichkeit eines observationellen Nachweises zuerkannt wird?

    An der zweiten Aussage stört mich, dass da scheinbar gleich die ganze GR im Falle eines Misserfolges angezweifelt wird. Denn es ist strenggenommen nicht die GR, sondern nur die linearisierte Theorie, auf die sich die Behauptung stützt, bewegte Massen würden Gravitationsstrahlung emittieren. Aber das ist ganz unabhängig von meiner Frage zu eLISA.

    • Es sind im Abstract, wie gesagt, zwei Voraussagen, eine wissenschaftliche (bei welcher Empfindlichkeit Nachweis zu erwarten) und eine organisatorische (wann wird diese Empfindlichkeit von LIGO erreicht). Der organisatorische Teil hat sich, wie gesagt, verzögert.

      Und nein, Gravitationswellen durch bewegte Massen (mit Quadrupolmoment) sind nicht nur Vorhersagen der linearisierten Theorie, sondern wie ich schrieb: die numerischen Simulationen führen zum gleichen Ergebnis.

      • Von mir aus, dann hätte ich das mit 2014 eben falsch verstanden. Für meine Frage, ob und gegebenenfalls wie die LIGO etc. Resultate für die eLISA Planung berücksichtigt werden, ist das doch nicht entscheidend.

        »Und nein, Gravitationswellen durch bewegte Massen (mit Quadrupolmoment) sind nicht nur Vorhersagen der linearisierten Theorie, sondern wie ich schrieb: die numerischen Simulationen führen zum gleichen Ergebnis.«

        Das ist mir weder nachvollziehbar noch plausibel. Auch eine numerische Behandlung hat zu gewährleisten, dass eine dabei erhaltene Lösung tatsächlich gegen eine Lösung des in Betracht stehenden Problems konvergiert, sonst kann das in die Tonne. Und wie sollte das jenseits der linearisierten Theorie zu gewährleisten sein?

        • Ich habe den Eindruck, da gehen bei Ihnen die Begriffe „Lösung“ und „Lösung, die man in Form von elementaren Funktionen hinschreiben kann“ (=analytische Lösung) durcheinander.

          Richtig ist, dass die numerischen Relativisten sehr vorsichtig damit sein müssen, was sie da machen. Ein allgemeines Simulationsverfahren sollte man z.B. tunlichst für Spezialfälle durchführen, bei denen ein Vergleich mit einfach hinschreibbaren Lösungen möglich ist (angefangen bei einfachen Situationen wie z.B. einem Schwarzschild-Loch, bei dem sich mit der Zeit gar nichts verändert).

          Aber wenn solche und ähnliche Tests klappen, und wenn die Simulationen die Art und Weise, wie sie von einem Zeitschritt zum nächsten gehen, sinnvoll aus der Theorie ableiten, sind das gute (nicht: unausweichliches) Argument dafür, dass die numerischen Simulationen tatsächlich numerische Lösungen der Allgemeinen Relativitätstheorie liefern.

          Zur eLISA-Planung: Ja klar – wenn z.B. LIGO Signale verschmelzender Schwarzer Löcher misst, ist das wichtig für eLISAs Suche nach den Signalen verschmelzender supermassereicher Schwarzer Löcher. Und falls LIGO wider erwarten gar nichts findet, wird man vermutlich erst auf der Erde versuchen, zu klären, was da so gewaltig schiefgelaufen ist, bevor man eLISA hochschieße.

          • Der Eindruck rührt vermutlich daher, dass in meinem Thirring-Zitat von „exakten Lösungen“ die Rede ist. So eng darf man ihm das aber nicht auslegen, an anderer Stelle hat er da mit Hinblick auf Einsteins Ansatz auch geschrieben: „But because of the nonlinearity of the problem it was not obvious that these approximations closely resembled real solutions. Right up to the present day, no-one has succeeded in pushing through the details showing how a source produces gravity waves.“ (Gemeint sind hier schon gravitational waves, und auch im Original hatte er entsprechend das Wort Schwerewellen verwendet, was man ihm als Sprachschlamperei ankreiden könnte, aber inhaltlich nichts ändert.)

            Mit einer „Lösung des in Betracht stehenden Problems“ meine ich hier grundsätzlich eine Raumzeit (M,g), wobei der Begriff Raumzeit nach meiner Lesart impliziert, dass dabei die Einsteinschen Feldgleichungen erfüllt sind. Eine numerische Behandlung des Problems sollte dann Approximationen liefern, in dem Sinne, dass im Limes für verschwindenden Diskretisierungsfehler eine Konvergenz von numerisch erhaltenen Lösungen gegen ein solches (M,g) vorliegt, was i.a. ja keineswegs trivial ist.

            Der störungsmethodische Ansatz der Linearisierung ist für GWs einerseits sicherlich naheliegend und erleichtert anderseits aus Sicht der Numerik das Leben beträchtlich. Wie so etwas konkret gemacht wird, lässt sich beispielsweise hier ersehen:

            Hobbs, G., et al. (2009). tempo2: a new pulsar timing package–III. Gravitational wave simulation. Mon. Not. R. Astron. Soc., 394(4), 1945-1955.
            DOI: 10.1111/j.1365-2966.2009.14391.x

            In Appendix A1 heisst es dort dann auch:

            GWs are linear perturbations to a background space–time metric. For the purpose of this paper, we will assume that the background space–time is flat.

            Dass sich im Rahmen einer linearisierten (oder wesentlich auf diesem Ansatz basierten) Theorie dann Lösungen mit Welleneigenschaften auch numerisch bestätigen lassen, überrascht nicht. Die Frage, inwiefern solche Störungsansätze insgesamt gerechtfertigt und für observationelle Vorhersagen brauchbar sind, wird dabei allerdings noch ausgeklammert.

            In einigen, wenngleich unphysikalisch idealisierten Beispielen weiss man immerhin, dass die Wellen der lineariserten Theorie sogar exakten Lösungen der Einsteinschen Gleichungen entsprechen (pp-waves). Während nun diese ebenen Wellen gemäss der Vorstellung von Linearisierung eigentlich Energie und Impuls tragen sollten, tun sie das als exakte Lösungen der nichtlinearen Theorie offenbar gerade nicht. Dergleichen scheint mir einstweilen noch zu den besagten „open fundamental questions“ zu gehören.

          • Die numerischen Simulationen, von denen ich sprach, basieren nun aber eben nicht auf der linearisierten Theorie oder auf Störungstheorie. Das war der zentrale Punkt meines Arguments: Auch da, völlig ohne Linearisierung, bekommt man Gravitationswellen heraus.

          • Kip Thornes Artikel THE GENERATION OF GRAVITATIONAL WAVES : A REVIEW OF COMPUTATIONAL TECHNIQUES (scheinbar aus den späten 1970er Jahren) erwähnt viele Methoden/Ansätze um Gravitationswellen zu berechnen. Methoden die mit Linearisierung arbeiten sind dabei nur eine kleine Untermenge der vorgestellten Methoden. In diesem Papier stellt Thorne aber nicht einmal die Frage, ob es gravitationelle Wellen geben muss. Vielmehr geht er davon aus, dass das so ist.

            In der Wikipedia wird im Subkapitel Mathematik ganz zu Beginn sogar gesagt: With some simple assumptions, Einstein’s equations can be rewritten to show explicitly that they are wave equations
            Selber kann ich die Validität dieses Arguments nicht beurteilen. Der Autor will damit aber offenbar sagen, dass Gravitationswellen unvermeidbar sind wenn man die Allgemeine Relativitästheorie voraussetzt.

          • @Markus Pössel
            Prima, doch es bräuchte halt immer noch ein rigoroses Argument um auszuschliessen, dass es sich dabei um Artefakte der Simulation handelt. Ohne Linearisierung wird die Sache ja auch nicht gerade einfacher, ganz im Gegenteil, wie auch Flanagan & Hughes feststellen:

            For the purpose of our present discussion, it suffices to remark that it has proven to be extremely difficult to model some of the most interesting and important GW sources.

            Da wird dann u.a. noch auf Baumgarte & Shapiro verwiesen, die inzwischen auch ein Buch dazu verfasst haben (Numerical Relativity: Solving Einstein’s Equations on the Computer. CUP, 2010). Nur eine Erleuchtung, wie die mutmasslichen GW Quellen ihre GWs hervorquellen lassen, findet man da auch nicht, weder numerisch noch analytisch. Was wir offenbar tatsächlich haben ist viel Heuristik und, in den Worten von Choquet-Bruhat, eine „strong motivation for improving the theoretical treatment of the generation of gravitational waves by astrophysically realistic systems.

            @Martin Holzherr
            Das ist der linearisierte Ansatz, was da bei Wikipedia umrissen wird. Apropos Kip Thorne, der hatte den direkten Nachweis von GWs innert der nächsten Dekade bereits 1980 einmal prophezeit.

          • Klar wäre es toll, eine explizite Lösung zu haben. Aber es ist nicht so, als wäre es jetzt eine ungewöhnliche Situation, keine zu haben. Und der Umstand, dass die verschiedenen Lösungsweisen zusammenpassen (linearisierte Formulierung mit höherer Ableitung des Quadrupol-Moments als Quelle, semi-analytische Beschreibungen, numerische Simulationen und ihr Vergleich mit analytischen Lösungen, nur leicht relativistischen [post-Newton’schen] Lösungen und, für unterschiedliche Implementierungsverfahren, untereinander) ist doch ein klarer Hinweis darauf, dass es nicht um Artefakte geht – zumal mit den Messungen am Doppel-Pulsar und am Hulse-Taylor-Pulsar ja zumindest für den Grenzfall schwächerer Felder auch echte Daten vorliegen und mit der theoretischen Beschreibung konsistent sind.

            Insofern: Warten wir doch jetzt an dieser Stelle einfach ab, wie es weiter geht. In ein paar Jahren wissen wir mehr.

          • Markus Pössel schrieb (25. Mai 2015 20:30):
            > Warten wir doch jetzt an dieser Stelle einfach ab, wie es weiter geht. In ein paar Jahren wissen wir mehr.

            Darf man dies als Zusage auffassen (sofern David Reitze und Kollegschaft ihre Terminplanung einhalten), dass man sich ggf. spätestens im Jahre 2019 insbesondere hier an gebotener Stelle mit dem Begriff „Lichtuhr“ auseinandersetzen wird
            ?;
            so dass wir endlich dem Problem zu Leibe rücken könnten, was irgendwelches (sicherlich auf die eine oder andere Weise berechen- oder zumindest abschätzbares) koordinaten-besudeltes „g“ (bekannt aus „(M, g)“)
            eventuell damit zu tun haben sollte und könnte,
            was getrennte Beteiligte (z.B. LIGO-„Spiegel“) einander „zugetickt“ hätten.

          • Um das so speziell zu interpretieren, ist vermutlich schon eine sehr eigene Sicht der Realität und der deutschen Sprache nötig…

            Davon ganz unabhängig bin ich zuversichtlich, dass „Einstein verstehen“ lange vor 2019 zur Lichtuhr kommt.

          • Markus Pössel schrieb (25. Mai 2015 20:30):
            > Um das so speziell zu interpretieren, ist vermutlich schon eine sehr eigene Sicht der Realität und der deutschen Sprache nötig…

            Viel wesentlicher: ein bestimmter Klärungsbedarf.

            > […] bin ich zuversichtlich, dass „Einstein verstehen“ lange vor 2019 zur Lichtuhr kommt.
            Es ist schon eine sehr eigenartige Auffassung des „Einstein verstehen“s, bei dem der Begriff der „Lichtuhr“ (also dass unterscheidbare Beteiligte ihre Anzeigen gegenseitig wahrnehmen und wiedererkennen könnten) keine besondere Wichtigkeit und Dringlichkeit, keinen besonderen Vorrang hat; die stattdessen über Jahre und etliche recht umfangreiche Darstellungs-„Teile“ hinweg darauf verzichtet.
            Aber besser spät als nie. Dann (diesbezüglich) bis hoffentlich spätestens 2019 …

          • Sagen wir mal präziser: Klärungsbedarf und eine starke Neigung dazu, die Dinge anspielerisch und kompliziert zu formulieren.

            Dass Sie meine Auffassung, erst die Grundlagen und Voraussetzungen zu klären, für „eigenartig“ halten, haben Sie ja nun schon in vielen, vielen Kommentaren erschöpfend geäußert. Aber ich kann mich auch nur wiederholen: Wenn Sie direkt mit Koinzidenzen, Lichtstrahlen und Bondis k-Kalkül anfangen würden, dann würden Sie viele Leser gleich wieder verlieren, bevor die überhaupt etwas verstanden haben. Dass man dem Relativitätsprinzip, den Inertialsystemen, dem Licht eine so besondere Rolle zugesteht, ist bereits Konsequenz von viel Vorwissen und beachtlicher konzeptueller Entwicklung.

          • Markus Pössel schrieb (26. Mai 2015 17:05):
            > Dass Sie meine Auffassung, erst die Grundlagen und Voraussetzungen zu klären, für „eigenartig“ halten, haben Sie ja nun schon in vielen, vielen Kommentaren erschöpfend geäußert.

            Da wurde ich offenbar ein ums andere Mal missverstanden.
            Nein: für eigenartig halte ich es, wenn irgendetwas anderes als der „Koinzidenz“-Begriff (also Verständnis für die Fähigkeit zu beurteilen, welche Wahrnehmungen man „zusammen“/„auf einmal“ gemacht hat, oder ansonsten „hintereinander“) zur „Grundlage und Voraussetzung“ der RT (v-)erklärt wird.

            Insbesondere hinsichtlich Begriffen wie „Inertialsystem“, „Maßstab“, „Geschwindigkeit“, „Strahl“.
            Schon Einstein wusste: Man gäbe sich als Physiker (allerdings auch als Nicht-Physker) einer Täuschung hin, mit solchen Begriffen irgendeinen bestimmten/nachvollziehbaren Sinn verbinden zu wollen, außer sofern dieser jeweils in einer bestimmten/nachvollziehbaren (zwangsläufig aus dem „Koinzidenz“-Begriff konstruierten) Messdefinition besteht.

            > Aber ich kann mich auch nur wiederholen: Wenn Sie direkt mit Koinzidenzen, Lichtstrahlen und Bondis k-Kalkül anfangen würden, dann würden Sie viele Leser gleich wieder verlieren, bevor die überhaupt etwas verstanden haben.

            Da kann ich wieder nur zustimmen.
            (Und von „Bondis k-Kalkül“ hatte ich bis gerade eben noch niemals etwas gelesen; erst recht nicht in diesem SciLog. Wozu auch.)

          • Nicht wirklich missverstanden – nur, dass Sie unter „Grundlagen und Voraussetzungen“ eben etwas ganz anderes verstehen als ich.

            Und: genau. Ich bin überzeugt, dass man ohne Begriffe wie Inertialsystem, Bezugssystem, Maßstab, Geschwindigkeit, Raumgerade, kräftefreie Bewegung und so weiter nicht nachvollziehen kann, warum Einstein so argumentiert, wie er argumentiert. Wenn diese Grundlagen (genau in dem Sinne von: ohne… nicht nachvollziehen) gelegt sind, kann man sich Schritt für Schritt von einigen davon lösen – und dann am Ende bei den Begriffen landen, mit denen Sie eine Erklärung gleich beginnen wollen.

          • Markus Pössel schrieb (26. Mai 2015 18:20):
            > Ich bin überzeugt, dass man ohne Begriffe wie Inertialsystem, Bezugssystem, Maßstab, Geschwindigkeit, Raumgerade, kräftefreie Bewegung und so weiter nicht nachvollziehen kann, warum Einstein so argumentiert, wie er argumentiert

            Und ich weise ein weiteres Mal darauf hin, dass und wie Einstein (1917, also rückblickend auf die wesentliche Entwicklung und Begründung der RT) gegen das vermeintlich selbstverständliche Voraussetzen derartiger Begriffe argumentiert hat; nämlich:

            Der Begriff existiert für den Physiker erst dann, wenn
            die Möglichkeit gegeben ist, im konkreten Falle herauszufinden,
            ob der Begriff zutrifft oder nicht. Es bedarf also einer
            solchen Definition [… die eine] Methode an die Hand gibt, nach welcher im vorliegenden
            Falle aus Experimenten entschieden werden kann, ob […] oder nicht.

            [ „Über die spezielle und die allgemeine Relativitätstheorie (Gemeinverständlich)“, §8;
            http://archive.org/stream/berdiespezielle00unkngoog/berdiespezielle00unkngoog_djvu.txt ]

            Bevor du dich mit dieser Argumentation auseinandergesetzt und sie überzeugend berücksichtigt hast, lieber SciLog-Schreiber, schreib nicht weiter vom „Einstein verstehen“.

          • Ach kommen Sie, solch verfälschendes Zitieren grenzt jetzt wirklich schon an intellektuelle Unredlichkeit. Das Einstein-Zitat bezieht sich nicht auf Begriffe wie Bezugssystem, Raumgerade etc. sondern ganz explizit auf den Begriff der Gleichzeitigkeit.

            Was Geometrie, klassische Mechanik etc. angeht, geht Einstein genau so vor wie ich in „Einstein verstehen“ (wenn auch deutlich knapper und damit mehr Vorwissen voraussetzend). Und das von Ihnen so verstümmelte Zitat sagt ziemlich genau das aus, was ich in Teil III vermittle – Gleichzeitigkeit ist nicht selbstverständlichund naturgegeben, sondern man muss sich um praktisch umsetzbare Definitionen bemühen.

            Angesichts solcher Hintergründe ist es nicht nur ziemlich überheblich, dass Sie meinen Texten pauschal das „Einstein verstehen“ ansprechen wollen, sondern widerspricht direkt dem Einstein-Text, den Sie als Beleg anführen.

          • Markus Pössel schrieb (27. Mai 2015 10:12):
            > Das Einstein-Zitat bezieht sich nicht auf Begriffe wie Bezugssystem, Raumgerade etc. sondern ganz explizit auf den Begriff der Gleichzeitigkeit.

            Das Auslassen des ganz expliziten, konkreten Begriffsbezuges (selbstverständlich immer mit ausdrücklicher Markierung der konkreten Auslassungen; denn alles andere wäre ja intellektuell unredlich) verdeutlicht aber Einsteins Argument.

            (Und markiert dabei bequem die Stellen, an denen konkrete Begriffe einzufügen wären, um Einsteins überzeugendes Argument konkret einzusetzen.)

            > Und das von Ihnen so verstümmelte Zitat sagt ziemlich genau das aus, was ich in Teil III vermittle – Gleichzeitigkeit ist nicht selbstverständlich und naturgegeben, sondern man muss sich um praktisch umsetzbare Definitionen bemühen.

            Ganz recht. Trifft das auf Begriffe wie „Bezugssystem“, „Raumgerade“ etc. etwa nicht zu ??

            Soll etwa behauptet werden, Einstein habe das nicht verstanden, als er sich mit dieser Problematik anhand des „Loch-Arguments“ beschäftigte und schließlich überzeugend fand, dass

            alle unsere zeit-räumlichen Konstatierungen [Begründungen, Ansprüche, usw.] stets auf [durch unterscheidbare materielle Beteiligte zu treffende] Feststellungen zeit-räumlicher Koinzidenzen [oder Reihenfolgen] hinauslaufen

            ?

            > dass Sie meinen Texten pauschal das „Einstein verstehen“ a[b]sprechen wollen,

            Letztlich vor allem: bestimmten frühen Texten Einsteins.

        • In spätestens 5 Jahren werden Gravitationswellen gemäss Barry Barisch (LIGO-Hauptentwickler) nachgewiesen werden. Zitat

          BARISH: I’ve always had the fond wish that we’d do it by 2016, which is the hundredth anniversary of Einstein’s theory. Advanced LIGO may take three to five years to reach the designed sensitivity, but we’ll be taking data along the way, so the probability of a detection will be continually increasing. Our sensitivity is designed to improve by a factor of 10 to 20, and a factor of 10 increases the detection probability by a factor of 1,000.
          ..
          When we started this back in 1989, some people were a bit skeptical, saying maybe it’s a little bit like fusion. They always say fusion is „50 years away.“ With LIGO the common lore is we are 10 years away from detecting gravitational waves. I would say that it’s not 10 years any longer. It’s probably within five.