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Relativitätstheorie auf Universitätsniveau

Dieses Werk über die allgemeine Relativitätstheorie sticht unter anderem durch seine astronomische Ausrichtung hervor.

Guidrys Buch ist ein Lehrbuch der allgemeinen Relativitätstheorie auf Universitätsniveau. Es eignet sich für Menschen, die solide Kenntnisse in Mathematik und Physik besitzen und sich fundiertes Wissen über Einsteins Theorie aneignen möchten, die einen Zusammenhang zwischen Raumzeit-Eigenschaften und der Gravitation herstellt. Das Werk sticht unter anderem durch seine astronomische Ausrichtung hervor.

Seit den klassischen Lehrbüchern zur allgemeinen Relativitätstheorie – dem »Brikett« von Misner, Thorne und Wheeler aus dem Jahr 1973 oder der mathematisch orientierten Einführung von Robert Wald von 1984 – hat die relativistische Astrophysik beträchtliche Fortschritte gemacht. Relativistische Phänomene gehören beim Beschreiben kompakter Körper, im Zusammenhang mit dem Universum als Ganzes, aber auch bei hochpräzisen Positionsmessungen zum astronomischen Forschungsalltag. Guidrys Band nähert sich dem Thema entsprechend nicht von der Seite der theoretischen Physik, sondern von der Seite der Astronomie. Der Autor, Professor für Physik und Astronomie an der University of Tennessee, Knoxville, hat sein Werk aus Astronomiekursen heraus entwickelt, in denen er seinen Studierenden die allgemeine Relativitätstheorie, Schwarze Löcher, Gravitationswellen sowie die Kosmologie nahebringt.

Eingedenk der Astronomieorientierung könnte man erwarten, Guidry würde die physikalische Motivation und ihre Ausarbeitungen an den Anfang des Buchs stellen – »Physik zuerst« also, wie es beispielsweise in dem einführenden Lehrbuch von James Hartle (2003) umgesetzt ist. Tatsächlich aber bleibt der Autor an dieser Stelle ganz klassisch und wählt eine »Mathematik zuerst!«-Struktur: Nach einer kurzen Einführung bespricht er ausführlich Koordinatensysteme und ihre Transformationen, Tensoren und den Begriff der Kovarianz sowie die Lorentz-Geometrie und entsprechende mechanische Grundlagen für die Bewegungen von Testteilchen, bevor er dann über das Äquivalenzprinzip zu den zentralen Gleichungen vorstößt. Diese beschreiben, wie die Materie die Raumzeit verzerrt und so Gravitationswirkungen hervorruft und wie die verzerrte Raumzeit ihrerseits wiederum die Bewegungen der Materie beeinflusst.

Bei den Anwendungen widmet sich Guidry zunächst der Schwarzschild-Metrik für die Raumzeit einer kugelsymmetrischen Massenkonfiguration oder eines nichtrotierenden Schwarzen Lochs. Nach Einführungen insbesondere zur Bewegung von Testteilchen in der Umgebung einer solchen Masse läuft das Buch dann bei den Neutronensternen und vor allem den Schwarzen Löchern zu astronomischer Hochform auf: Es stellt Röntgendoppelsterne und, besonders ausführlich, extrem massereiche Schwarze Löcher beziehungsweise aktive Galaxienkerne vor – mit vielen Querbezügen zu den astronomischen Beobachtungsbefunden.

Im anschließenden Kosmologie-Teil geht Guidry ausführlich auf die Voraussetzungen unseres kosmologischen Weltbilds ein, und zwar sowohl auf die Beobachtungsdaten als auch auf die Herleitung der Grundgleichungen für ein expandierendes Universum. Dann folgen Friedmann-Raumzeiten, bei deren Beschreibung nichtklassische Aspekte wie die gekrümmte Raumgeometrie des expandierenden Universums ins Spiel kommen. Astronomische Entfernungsmessungen behandelt de Autor ebenso wie die Physik des frühen, heißen Universums in der Urknall-Phase, die kosmische Hintergrundstrahlung und ihre Eigenschaften sowie die Bildung großräumiger Strukturen im Universum. Im letzten Teil des Buchs erörtert er Gravitationswellen – von den grundlegenden Eigenschaften über den ersten direkten Nachweis bis hin zur ersten nachgewiesenen Neutronenstern-Verschmelzung am 17. August 2017.

Vom Niveau der Darstellung her liegt das Buch zwischen einem Lehrbuch der Astronomie und einem der theoretischen Physik – mit ausführlichen Rechnungen zu den Grundlagen der allgemeinen Relativitätstheorie und zusammenfassenden Beschreibungen ihrer astronomischen Anwendungen. Zahlreiche Aufgaben, einige davon mit Lösungen, die sich von der Website des Verlags abrufen lassen, ergänzen den Haupttext.

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