Die Geschichte wird normalerweise erzählt, beginnend mit Einsteins 1915 erschienenem Papier Explanation of the Perihelion Motion of Mercury from General Relativity Theory oder zumindest seinen Entwürfen von 1913-14. Es war der erste Triumph der Allgemeinen Relativitätstheorie. Aber wie kam Einstein überhaupt auf Merkur?
Einsteins Frühwerk scheint ziemlich weit von der Astronomie entfernt zu sein. Die spezielle Relativitätstheorie ist aus der klassischen Elektrodynamik hervorgegangen, ebenso wie der photoelektrische Effekt, auch die Arbeiten über Wärme und Brownsche Bewegung sind weit entfernt von der Astronomie. Sogar die allgemeine Relativitätstheorie wurde eher von philosophischen Bedenken hinsichtlich allgemeiner Kovarianz usw. angetrieben als von empirischen Problemen in der Astronomie. Ich bin mir nicht sicher, wie gut die Merkur-Anomalie damals bekannt war, aber Kelvin und andere erwähnten sie nicht als eine der "Wolken". Während der Entwicklung der Allgemeinen Relativitätstheorie lernte Einstein von einem Geometerfreund die Tensorrechnung kennen, vielleicht hatte er auch einen Astronomenfreund?
Wer oder was hat Einsteins Aufmerksamkeit auf Merkur gelenkt und wann? Was brachte ihn auf die Idee, dass sich Merkurs Fall von all den anderen Fällen unterschied, wenn es um eine banale Erklärung ging?
Eine weitere Wendung ist, dass die spezielle Relativitätstheorie in Kombination mit dem Gesetz des Abstandsquadrats bereits dazu führt, dass elliptische Umlaufbahnen präzedieren. Sommerfeld wusste das zumindest bis 1916, als er Bohrs Modell des Wasserstoffatoms verfeinerte, indem er präzedierende elliptische Bahnen unter spezieller Relativitätskinematik verwendete. Eine Berechnung auf Physics SE zeigt, dass dieser Effekt für etwa 7 Zoll von 43 Zoll pro Jahrhundert der anomalen Präzession von Merkur verantwortlich sein kann.
Waren sich Einstein oder seine Zeitgenossen vor 1915 dieses Effekts für Merkur bewusst, und wie wirkte sich dies auf die spezielle Relativitätstheorie aus, falls dies der Fall war?
BEARBEITEN: VicAches Antwort unten führte mich zum Kapitel Conquering the Perihelion in Kevin Browns Buch Reflections on Relativity , das die ganze Geschichte unten zusammengefasst wiedergibt.
Einstein erwähnt Merkur erstmals 1907 in einem Brief an Habicht: „ Zur Zeit arbeite ich an einer relativistischen Analyse des Gravitationsgesetzes, mit deren Hilfe ich die noch ungeklärten säkularen Veränderungen im Perihel des Merkur zu erklären hoffe.“ Er am meisten wahrscheinlich kam die Idee aus Machs Science of Mechanics, wo erwähnt wird: „ Paul Gerber allein findet aufgrund der Perihelbewegung des Merkur, einundvierzig Sekunden in einem Jahrhundert, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Gravitation dieselbe ist wie die des Lichts.“ Dies deutete direkt darauf hin, dass Merkur-Anomalie im Gegensatz zu vielen anderen relativistisch war.
Bereits 1906 gab Seeliger eine alternative Erklärung der Sonnenkorona, die viele seiner Zeitgenossen überzeugte, aber nicht Einstein. Und nicht Poincare, der im Buch Wissenschaft und Methode von 1908 erwähnte, dass die spezielle Relativitätstheorie bereits einen Vorschub von 7 Zoll für das Perihel des Merkur vorhersagt. Er schrieb weiter (in Beantwortung meiner zweiten Frage): „Dies kann nicht als Argument für die neue Dynamik angesehen werden , da wir für den größten Teil der mit Merkur zusammenhängenden Anomalie noch eine andere Erklärung suchen müssen, aber noch weniger als Gegenargument gelten können.„Dies bestätigte wahrscheinlich die relativistische Natur der Anomalie in Einsteins Augen. Einsteins ursprüngliche Version einer neuen Gravitationstheorie („Entwurf“) sagte zuerst eine negative Präzession voraus und dann 18 Zoll statt 45 Zoll, was einer von drei Gründen war, die er anführte sie zugunsten der sogenannten allgemeinen Relativitätstheorie aufzugeben.
PS Obwohl Merkur der einzige ist, der in der Geschichte vorkommt, gibt es viele Orbitalanomalien, ebenso wie Vorschläge, die Gesetze der Schwerkraft für sie zu ändern. Newton konnte nicht die gesamte Mondpräzession erklären, und Clairaut schlug eine Modifikation des inversen Quadratgesetzes vor, bevor er entdeckte, dass das Problem darin bestand, nicht genügend Terme in der Taylor-Reihe für die Lösung beizubehalten. Die Anomalie von Uranus führte bekanntermaßen zu Leveriers Vorhersage von Neptun, und Leverier, der auch die anomale Präzession von Merkur entdeckte, schlug einen neuen Planeten Vulkan vor, um dies zu erklären.
Vulkan tauchte 1915 nicht auf, aber Pluto auch nicht bis 1930, und es wurde für die zu Einsteins Zeiten bekannten Orbitanomalien von Uranus und Neptun verantwortlich gemacht. Nach der Entdeckung stellte sich heraus, dass der kleine Pluto doch nicht verantwortlich war, sondern eine Fehleinschätzung der Masse Neptuns. Auch zu Einsteins Zeiten gab es noch eine bekannte Mondanomalie, die erst in den 1940er Jahren behoben wurde, die Ungleichförmigkeit der Erdrotation war die Ursache. Anstelle von Vulcan für Mercury wurden von Newcomb Zodiacal Cloud und eine andere Modifikation des inversen Quadratgesetzes vorgeschlagen. Eine neuere Pioneer-Anomalie sorgte ebenfalls für viele Spekulationen über neue Gravitationsphysik (MOND), wurde aber schließlich auf subtilen thermischen Druck zurückgeführt. Einige schlugen schon früh vor, dass es dafür verantwortlich war.
Wer oder was hat Einsteins Aufmerksamkeit auf Merkur gelenkt und wann? Was brachte ihn auf die Idee, dass sich Merkurs Fall von all den anderen Fällen unterschied, wenn es um eine banale Erklärung ging?
Ich weiß mit Sicherheit, dass Henri Poincaré sich des Problems und seiner Einzigartigkeit bewusst war – wäre er an Kelvins Stelle gewesen, hätte er es der Liste hinzugefügt, und Einstein war sich ganz sicher der Arbeit von Poincaré bewusst (Étienne Klein berichtete La science et l'hypothèse war eines der Diskussionsthemen in der Olympia Academy).
Poincaré studierte in den 1880er und 1890er Jahren ausführlich die Stabilität des Sonnensystems . Ich kenne kein Werk, in dem Merkur vor seiner Ansprache des Problems im Jahr 1910 erwähnt wird (siehe Seite 424 von Poincarés Biografie von Jeremy Gray ), aber trotz meiner Täuschung, keine explizite Ansprache vor 1905 zu finden, ist dies immer noch eine gültige Antwort.
Beachten Sie, dass das Studium des Merkur und des Sonnensystems durch Poincaré zu einer weiteren völlig neuen Theorie führte, der Chaos-Theorie, die diesen lächerlichen Fortschritt im Perihel des Merkur auf einen wirklich produktiven Boden für die Wissenschaft des 20. Jahrhunderts stellt . Warum? Denn Einstein benutzte dieses Beispiel nicht, um seine Theorie bis 1915 bekannt zu machen .
Waren sich Einstein oder seine Zeitgenossen vor 1915 dieses Effekts für Merkur bewusst, und wie wirkte sich dies auf die spezielle Relativitätstheorie aus, falls dies der Fall war?
Langevin sagt, Poincaré habe mehrere Ausbreitungsgleichungen für Gravitationswellen mit Lichtgeschwindigkeit vorgeschlagen, die alle gemeinsam hätten, "dass sie die Kluft zwischen den Gesetzen der Physik und den Tatsachen verringerten, zum Beispiel bei der Bewegung der Perihelien des Merkur". Dies beweist, dass die französische Akademie der Wissenschaften bei der Arbeit an ähnlichen Gesetzen nicht ungewohnt war, sie auf Merkur zu testen (Poincarés Scheitern, die spezielle Relativitätstheorie zu finden, kann durch seine Besessenheit erklärt werden, seine Gesetze Lorentz-konform zu halten. Poincarés Arbeit führte zur Relativitätstheorie Prioritätsstreit . Poincaré schreibt Lorentz die spezielle Relativitätstheorie zu, Lorentz Poincaré und Einstein und Einstein sich selbst, als er erkannte, dass Lorentz' Ortszeit tatsächlich nur die Zeit war. Es ist sicher, dass die drei aufeinander aufpassten,
Ich denke, die Antwort ist eher enttäuschend. Das tl;dr lautet: Die anomale Präzession des Merkur war damals tatsächlich ein wohlbekanntes Problem unter Astronomen. Die korrekte Vorhersage der anomalen Präzession war ein großer und bekannter Test für jede Gravitationstheorie, die nicht die von Newton war Gesetz.
In den 1840er Jahren schlug Le Verrier auf der Grundlage seiner Berechnungen zur Umlaufbahn des damals bekannten Planeten Uranus die Existenz eines anderen Planeten vor, den wir heute als Neptun kennen, der tatsächlich nur kurz danach entdeckt wurde. Etwa zur gleichen Zeit berechnete er auch die Umlaufbahn des Merkur und stellte fest, dass das theoretisch vorhergesagte Ergebnis stark von dem tatsächlichen abwich. In einem Brief an Hervé Faye hielt er dies für möglich
[...] schwieriges Problem, das der Aufmerksamkeit aller Astronomen würdig ist.
Als einer der führenden Astronomen seiner Zeit bin ich mir ziemlich sicher, dass dies viele Menschen ermutigt hat, nach Lösungen zu suchen. Le Verrier selbst bezweifelte die Existenz eines unentdeckten Planeten innerhalb des Merkur (Vulcanus). Die einzige Lösung innerhalb der bekannten Effekte war eine mindestens 10%ige Erhöhung der Venusmasse, was ziemlich absurd erschien.
Wie Sie bereits erwähnt haben, gab es zwei Hauptansätze, um dies zu lösen:
Berücksichtigung unbekannter Himmelskörper oder Veränderung der Eigenschaften des bekannten. Bekannte Beispiele sind die Existenz des Planeten Vulkan oder der Vorschlag, der Sonne zu schmeicheln. Diese Beispiele hielten sich an das Newtonsche Gravitationsgesetz. Keines dieser Phänomene wurde jedoch jemals beobachtet.
Wie Sie bereits erwähnt haben, versuchten auch viele Theoretiker dies zu erklären, indem sie Newtons Heilige modifizierten -Gesetz. Zwei Hauptansätze waren hier beliebt: Vermeidung eines völlig statischen Gesetzes oder Korrektur des Newtonschen Gesetzes durch einen geschwindigkeitsabhängigen Term (zB die Lorentzsche Gravitationstheorie). Alle diese Ansätze waren entweder nicht erfolgreich oder enthielten willkürliche Parameter.
Einsteins Ansatz ist offensichtlich ein theoretischer Ansatz, aber abgesehen davon, dass er tatsächlich funktionierte, hatte er große Vorteile gegenüber allen anderen Ansätzen – insbesondere war er im Gegensatz zu vielen anderen Ansätzen nicht speziell darauf ausgelegt, dieses Problem und Einstein zu lösen berücksichtigte außer seinen Gravitationsgesetzen keine weiteren Hypothesen. Daher war es ein sehr erfolgreicher Test für Einsteins Gravitationstheorie.
Siehe auch IV.14c in Pais' Einstein Biographie.
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