Jürgen Ehlers - Jürgen Ehlers

Jürgen Ehlers
Jürgen Ehlers
	Alla cerimonia di consegna della Medaglia dell'Università Carlo a Potsdam, settembre 2007
Nato	29 dicembre 1929; Amburgo , Germania
Morto	20 maggio 2008 (78 anni); Potsdam , Brandeburgo , Germania
Nazionalità	Tedesco
Alma mater	Università di Amburgo
Conosciuto per	Relatività generale ; Fisica matematica
Premi	Medaglia Max Planck (2002)
	Carriera scientifica
Campi	Fisica
Istituzioni	Università di Amburgo ; Istituto Max Planck per l'astrofisica ; Istituto Max Planck per la fisica gravitazionale
Consulente di dottorato	Pasquale Giordano

Jürgen Ehlers ( tedesco: [ˈjʏʁɡŋ̩ ˈeːlɐs] ; 29 dicembre 1929 – 20 maggio 2008) è stato un fisico tedesco che ha contribuito alla comprensione della teoria della relatività generale di Albert Einstein . Dopo il lavoro di laurea e post-laurea nel gruppo di ricerca sulla relatività di Pascual Jordan all'Università di Amburgo , ha ricoperto vari incarichi come docente e, in seguito, come professore prima di entrare a far parte dell'Istituto Max Planck per l'astrofisica di Monaco come direttore. Nel 1995 è diventato il direttore fondatore del nuovo Istituto Max Planck per la fisica gravitazionale a Potsdam , in Germania.

La ricerca di Ehlers si è concentrata sui fondamenti della relatività generale e sulle applicazioni della teoria all'astrofisica . Ha formulato una classificazione adeguato di soluzioni esatte di equazioni di campo di Einstein e dimostrato il teorema di Ehlers-Geren-Sachs che giustifica l'applicazione di semplici, universi modello generale-relativistica al moderno cosmologia . Ha creato una descrizione orientata allo spazio-tempo della lente gravitazionale e ha chiarito la relazione tra i modelli formulati nel quadro della relatività generale e quelli della gravità newtoniana . Inoltre, Ehlers aveva un vivo interesse sia per la storia che per la filosofia della fisica ed era un ardente divulgatore della scienza.

Biografia

Primi anni di vita

Jürgen Ehlers è nato ad Amburgo. Ha frequentato le scuole pubbliche dal 1936 al 1949, e poi ha continuato a studiare fisica, matematica e filosofia all'Università di Amburgo dal 1949 al 1955. Nel semestre invernale del 1955-1956, ha superato l'esame di insegnante di scuola superiore ( Staatsexamen ), ma invece di diventare un insegnante ha intrapreso una ricerca universitaria con Pascual Jordan , che ha agito come suo relatore di tesi. Il lavoro di dottorato di Ehlers riguardava la costruzione e la caratterizzazione delle soluzioni delle equazioni di campo di Einstein . Ha conseguito il dottorato in fisica presso l'Università di Amburgo nel 1958.

Prima dell'arrivo di Ehlers, la ricerca principale del gruppo di Jordan era stata dedicata a una modifica del tensore scalare della relatività generale che in seguito divenne nota come teoria di Jordan-Brans-Dicke . Questa teoria differisce dalla relatività generale in quanto la costante gravitazionale è sostituita da un campo variabile . Ehlers è stato determinante nel cambiare l'attenzione del gruppo sulla struttura e l'interpretazione della teoria originale di Einstein. Altri membri del gruppo includevano Wolfgang Kundt, Rainer K. Sachs e Manfred Trümper. Il gruppo ha avuto uno stretto rapporto di collaborazione con Otto Heckmann e il suo allievo Engelbert Schücking a Hamburger Sternwarte , osservatorio della città. Ospiti al colloquio del gruppo includevano Wolfgang Pauli , Joshua Goldberg e Peter Bergmann .

Nel 1961, come assistente di Jordan, Ehlers ottenne la sua abilitazione , qualificandolo per una cattedra tedesca. Ha poi ricoperto incarichi di insegnamento e ricerca in Germania e negli Stati Uniti, in particolare presso l' Università di Kiel , la Syracuse University e l'Università di Amburgo. Dal 1964 al 1965 è stato al Graduate Research Center del Southwest a Dallas . Dal 1965 al 1971 ha ricoperto vari incarichi nel gruppo di Alfred Schild presso l' Università del Texas ad Austin , iniziando come professore associato e, nel 1967, ottenendo un posto come professore ordinario. Durante quel periodo, ha ricoperto incarichi di visiting professor presso le università di Würzburg e Bonn .

Monaco

Nel 1970, Ehlers ricevette un'offerta per entrare a far parte dell'Istituto Max Planck di fisica e astrofisica di Monaco come direttore del suo dipartimento di teoria gravitazionale. Ehlers era stato suggerito da Ludwig Biermann , all'epoca direttore dell'istituto. Quando Ehlers si unì all'istituto nel 1971, divenne anche professore a contratto presso l' Università Ludwig Maximilian di Monaco . Nel marzo 1991, l'istituto si divise nel Max Planck Institute for Physics e nel Max Planck Institute for Astrophysics , dove il dipartimento di Ehlers trovò una casa. Durante i 24 anni del suo mandato, il suo gruppo di ricerca ha ospitato, tra gli altri, Gary Gibbons , John Stewart e Bernd Schmidt, oltre a scienziati in visita tra cui Abhay Ashtekar , Demetrios Christodoulou e Brandon Carter .

Uno degli studenti post - dottorato di Ehlers a Monaco era Reinhard Breuer, che in seguito divenne caporedattore di Spektrum der Wissenschaft , l'edizione tedesca della rivista scientifica popolare Scientific American .

Potsdam

Quando le istituzioni scientifiche tedesche si riorganizzarono dopo la riunificazione tedesca nel 1990, Ehlers fece pressioni per la creazione di un istituto della Max Planck Society dedicato alla ricerca sulla teoria gravitazionale. Il 9 giugno 1994, la Società decise di aprire l' Istituto Max Planck per la Fisica Gravitazionale a Potsdam . L'istituto ha iniziato ad operare il 1 aprile 1995, con Ehlers come direttore fondatore e come capo del suo dipartimento per i fondamenti e la matematica della relatività generale. Ehlers ha poi supervisionato la fondazione di un secondo dipartimento dell'istituto dedicato alla ricerca sulle onde gravitazionali e diretto da Bernard F. Schutz . Il 31 dicembre 1998, Ehlers si ritirò per diventare direttore fondatore emerito .

Ehlers ha continuato a lavorare presso l'istituto fino alla sua morte, avvenuta il 20 maggio 2008. Ha lasciato la moglie Anita Ehlers, i suoi quattro figli, Martin, Kathrin, David e Max, nonché cinque nipoti.

Ricerca

La ricerca di Ehlers era nel campo della relatività generale. In particolare, ha dato contributi alla cosmologia , alla teoria delle lenti gravitazionali e alle onde gravitazionali . La sua principale preoccupazione era quella di chiarire la struttura matematica della relatività generale e le sue conseguenze, separando le prove rigorose dalle congetture euristiche .

Soluzioni esatte

Per la sua tesi di dottorato, Ehlers si è rivolto a una domanda che avrebbe plasmato la sua ricerca per tutta la vita. Cercò soluzioni esatte delle equazioni di Einstein : universi modello coerenti con le leggi della relatività generale che sono abbastanza semplici da consentire una descrizione esplicita in termini di espressioni matematiche di base. Queste soluzioni esatte giocano un ruolo chiave quando si tratta di costruire modelli relativistici generali di situazioni fisiche. Tuttavia, la relatività generale è una teoria completamente covariante : le sue leggi sono le stesse, indipendentemente dalle coordinate scelte per descrivere una data situazione. Una conseguenza diretta è che due soluzioni esatte apparentemente diverse potrebbero corrispondere allo stesso universo modello e differire solo nelle loro coordinate. Ehlers iniziò a cercare modi utili per caratterizzare invariantemente soluzioni esatte , cioè in modi che non dipendessero dalla scelta delle coordinate. Per fare ciò, ha esaminato i modi per descrivere le proprietà geometriche intrinseche delle soluzioni esatte note.

Negli anni '60, proseguendo la sua tesi di dottorato, Ehlers pubblicò una serie di articoli, tutti tranne uno in collaborazione con i colleghi del gruppo di Amburgo, che in seguito divenne noto come la "Bibbia di Amburgo". Il primo articolo, scritto con Jordan e Kundt, è un trattato su come caratterizzare in modo sistematico le soluzioni esatte delle equazioni di campo di Einstein. L'analisi presentata utilizza strumenti della geometria differenziale come la classificazione di Petrov dei tensori di Weyl (cioè quelle parti del tensore di Riemann che descrivono la curvatura dello spazio-tempo che non sono vincolate dalle equazioni di Einstein), gruppi di isometria e trasformazioni conformi . Questo lavoro include anche la prima definizione e classificazione delle onde pp , una classe di onde gravitazionali semplici.

I seguenti articoli della serie erano trattati sulla radiazione gravitazionale (uno con Sachs, uno con Trümper). Il lavoro con Sachs studia, tra l'altro, soluzioni del vuoto con particolari proprietà algebriche , utilizzando il formalismo spinore a 2 componenti . Fornisce inoltre un'esposizione sistematica delle proprietà geometriche dei fibrati (in termini matematici: congruenze) dei fasci luminosi. La geometria dello spaziotempo può influenzare la propagazione della luce, facendole convergere o divergere l'una dall'altra, oppure deformando la sezione trasversale del fascio senza modificarne l'area. L'articolo formalizza questi possibili cambiamenti nel fibrato in termini di espansione del fibrato (convergenza/divergenza) e torsione e taglio (deformazione che conserva l'area della sezione), collegando queste proprietà alla geometria dello spaziotempo. Un risultato è il teorema di Ehlers-Sachs che descrive le proprietà dell'ombra prodotta da un fascio di luce stretto che incontra un oggetto opaco. Gli strumenti sviluppati in quel lavoro si sarebbero rivelati essenziali per la scoperta da parte di Roy Kerr della sua soluzione Kerr , che descrive un buco nero rotante , una delle soluzioni esatte più importanti.

L'ultimo di questi documenti seminali ha affrontato il trattamento relativistico generale della meccanica dei media continui. Per quanto utile possa essere nella fisica classica la nozione di massa puntiforme; nella relatività generale, una tale concentrazione di massa idealizzata in un singolo punto dello spazio non è nemmeno ben definita. Ecco perché l' idrodinamica relativistica , cioè lo studio dei mezzi continui, è una parte essenziale della costruzione di modelli nella relatività generale. L'articolo descrive sistematicamente i concetti ei modelli di base in quello che l'editore della rivista General Relativity and Gravitation , in occasione della pubblicazione di una traduzione inglese 32 anni dopo la data di pubblicazione originale, ha definito "una delle migliori recensioni in questo settore".

Un'altra parte dell'esplorazione delle soluzioni esatte di Ehlers nella sua tesi ha portato a un risultato che si è rivelato importante in seguito. Quando Ehlers iniziò la sua ricerca sulla sua tesi di dottorato, l' età dell'oro della relatività generale non era ancora iniziata e le proprietà ei concetti di base dei buchi neri non erano ancora stati compresi. Nel lavoro che ha portato alla sua tesi di dottorato, Ehlers ha dimostrato importanti proprietà della superficie attorno a un buco nero che sarebbe poi stato identificato come il suo orizzonte , in particolare che il campo gravitazionale al suo interno non può essere statico, ma deve cambiare nel tempo. L'esempio più semplice è il "ponte Einstein-Rosen", o wormhole Schwarzschild che fa parte della soluzione Schwarzschild che descrive un buco nero idealizzato, sfericamente simmetrico: l'interno dell'orizzonte ospita una connessione simile a un ponte che cambia nel tempo, collassando abbastanza rapidamente da impedire a qualsiasi viaggiatore spaziale di attraversare il wormhole.

gruppo Ehlers

In fisica, dualità significa che esistono due descrizioni equivalenti di una particolare situazione fisica, utilizzando concetti fisici diversi. Questo è un caso speciale di simmetria fisica , cioè un cambiamento che conserva le caratteristiche chiave di un sistema fisico. Un semplice esempio di dualità è quello tra il campo elettrico E e il campo magnetico B elettrodinamica : In completa assenza di cariche elettriche, la sostituzione E – B , B E lascia invarianti le equazioni di Maxwell . Ogni volta che una particolare coppia di espressioni per B ed E è conforme alle leggi dell'elettrodinamica, è valido anche scambiare le due espressioni e aggiungere un segno meno alla nuova B. $\to$ $\to$

Nella sua tesi di dottorato, Ehlers ha sottolineato una simmetria di dualità tra diverse componenti della metrica di uno spaziotempo vuoto stazionario , che mappa le soluzioni delle equazioni di campo di Einstein ad altre soluzioni. Questa simmetria tra la componente tt della metrica, che descrive il tempo misurato da orologi le cui coordinate spaziali non cambiano, e un termine noto come potenziale di torsione è analogo alla suddetta dualità tra E e B .

La dualità scoperta da Ehlers è stata successivamente ampliata a una simmetria più ampia corrispondente al gruppo lineare speciale . Da allora questo gruppo di simmetria più ampio è diventato noto come gruppo di Ehlers . La sua scoperta ha portato a ulteriori generalizzazioni, in particolare il gruppo Geroch a dimensione infinita (il gruppo Geroch è generato da due sottogruppi non pendolari , uno dei quali è il gruppo Ehlers). Queste cosiddette simmetrie nascoste giocano un ruolo importante nella riduzione di Kaluza-Klein sia della relatività generale che delle sue generalizzazioni, come la supergravità a undici dimensioni . Altre applicazioni includono il loro uso come strumento nella scoperta di soluzioni precedentemente sconosciute e il loro ruolo nella dimostrazione che le soluzioni nel caso stazionario assi-simmetrico formano un sistema integrabile . $SL(2)$

Cosmologia: teorema di Ehlers-Geren-Sachs

Le disomogeneità nella temperatura della radiazione cosmica di fondo registrata in questa immagine dalla sonda satellitare WMAP ammontano a non più di 10 ^-4 kelvin .

Il teorema di Ehlers-Geren-Sachs, pubblicato nel 1968, mostra che in un dato universo, se tutti gli osservatori in caduta libera misurano che la radiazione cosmica di fondo ha esattamente le stesse proprietà in tutte le direzioni (cioè misurano che la radiazione di fondo è isotropa ), allora quell'universo è uno spaziotempo di Friedmann–Lemaître isotropo e omogeneo . L'isotropia cosmica e l'omogeneità sono importanti in quanto sono la base del moderno modello standard della cosmologia.

Concetti fondamentali della relatività generale

Negli anni '60, Ehlers ha collaborato con Felix Pirani e Alfred Schild su un approccio costruttivo-assiomatico alla relatività generale: un modo per derivare la teoria da un insieme minimo di oggetti elementari e un insieme di assiomi che specificano le proprietà di questi oggetti. Gli ingredienti di base del loro approccio sono concetti primitivi come evento , raggio di luce , particella e particella in caduta libera . All'inizio, lo spaziotempo è un semplice insieme di eventi, senza alcuna ulteriore struttura. Hanno postulato le proprietà di base della luce e delle particelle in caduta libera come assiomi, e con il loro aiuto hanno costruito la topologia differenziale , la struttura conforme e, infine, la struttura metrica dello spaziotempo, cioè: la nozione di quando due eventi sono vicini l'uno all'altro, il ruolo dei raggi luminosi nel collegare gli eventi e una nozione di distanza tra gli eventi. I passaggi chiave della costruzione corrispondono a misurazioni idealizzate, come il rilevamento della distanza standard utilizzato nei radar . Il passo finale derivava le equazioni di Einstein dall'insieme più debole possibile di assiomi aggiuntivi. Il risultato è una formulazione che identifica chiaramente le assunzioni alla base della relatività generale.

Negli anni '70, in collaborazione con Ekkart Rudolph, Ehlers affrontò il problema dei corpi rigidi nella relatività generale. I corpi rigidi sono un concetto fondamentale nella fisica classica. Tuttavia, il fatto che per definizione le loro diverse parti si muovano contemporaneamente è incompatibile con il concetto relativistico della velocità della luce come velocità limite per la propagazione di segnali e altre influenze. Mentre, già nel 1909, Max Born aveva dato una definizione di rigidità compatibile con la fisica relativistica, la sua definizione dipende da assunzioni che non sono soddisfatte in uno spazio-tempo generale, e sono quindi eccessivamente restrittive. Ehlers e Rudolph generalizzarono la definizione di Born in una definizione più facilmente applicabile che chiamarono "pseudo-rigidità", che rappresenta un'approssimazione più soddisfacente della rigidità della fisica classica.

Lente gravitazionale

La maggior parte dei modelli astrofisici dei sistemi di lenti gravitazionali fa uso dell'approssimazione quasi newtoniana

Con Peter Schneider, Ehlers ha intrapreso uno studio approfondito sui fondamenti della lente gravitazionale . Uno dei risultati di questo lavoro è stata una monografia del 1992 scritta insieme a Schneider ed Emilio Falco. Fu la prima esposizione sistematica del tema che comprendeva sia i fondamenti teorici che i risultati osservativi. Dal punto di vista dell'astronomia, la lente gravitazionale è spesso descritta usando un'approssimazione quasi newtoniana, assumendo che il campo gravitazionale sia piccolo e gli angoli di deflessione piccoli, il che è perfettamente sufficiente per la maggior parte delle situazioni di rilevanza astrofisica. Al contrario, la monografia ha sviluppato una descrizione approfondita e completa della lente gravitazionale da una prospettiva spazio-temporale completamente relativistica. Questa caratteristica del libro ha giocato un ruolo importante nella sua ricezione positiva a lungo termine. Negli anni successivi, Ehlers continuò le sue ricerche sulla propagazione di fasci di luce in spazi-tempi arbitrari.

Teoria del frame e gravità newtoniana

Una derivazione fondamentale del limite newtoniano della relatività generale è antica quanto la teoria stessa. Einstein lo usò per ricavare previsioni come l' anomala precessione del perielio del pianeta Mercurio . I lavori successivi di Élie Cartan , Kurt Friedrichs e altri hanno mostrato più concretamente come una generalizzazione geometrica della teoria della gravità di Newton nota come teoria di Newton-Cartan potesse essere intesa come un limite (degenerato) della relatività generale . Ciò richiedeva che un parametro specifico andasse a zero. Ehlers estese questo lavoro sviluppando una teoria dei frame che consentiva di costruire il limite di Newton-Cartan, e in modo matematicamente preciso, non solo per le leggi fisiche, ma per qualsiasi spaziotempo che obbedisse a tali leggi (cioè soluzioni delle equazioni di Einstein). Ciò ha permesso ai fisici di esplorare cosa significasse il limite newtoniano in specifiche situazioni fisiche. Ad esempio, la teoria del frame può essere utilizzata per dimostrare che il limite newtoniano di un buco nero di Schwarzschild è una semplice particella puntiforme . Inoltre, consente di costruire versioni newtoniani di soluzioni esatte come i modelli di Friedmann-Lemaître o l' universo di Gödel . Fin dal suo inizio, le idee introdotte da Ehlers nel contesto della sua teoria dei frame hanno trovato importanti applicazioni nello studio sia del limite newtoniano della relatività generale che dell'espansione post-newtoniana , dove la gravità newtoniana è completata da termini di ordine sempre maggiore in per accogliere gli effetti relativistici. $\lambda$ $1/c^{2}$

La relatività generale non è lineare : l'influenza gravitazionale di due masse non è semplicemente la somma delle singole influenze gravitazionali di quelle masse, come era avvenuto nella gravità newtoniana. Ehlers partecipato alla discussione di come il back-reazione da radiazione gravitazionale su un sistema radiante potrebbe essere descritto sistematicamente in una teoria non lineare come relatività generale, sottolineando che la norma quadrupolo formula per il flusso di energia per sistemi come la pulsar binaria non era (ancora) stata rigorosamente derivata: a priori, una derivazione richiedeva l'inclusione di termini di ordine superiore a quanto comunemente si presumeva, superiore a quello calcolato fino a quel momento.

Il suo lavoro sul limite newtoniano, in particolare in relazione alle soluzioni cosmologiche , ha portato Ehlers, insieme al suo ex dottorando Thomas Buchert, a uno studio sistematico delle perturbazioni e delle disomogeneità in un cosmo newtoniano. Ciò ha posto le basi per la successiva generalizzazione di Buchert di questo trattamento delle disomogeneità. Questa generalizzazione è stata alla base del suo tentativo di spiegare quelli che attualmente sono visti come gli effetti cosmici di una costante cosmologica o, in gergo moderno, energia oscura , come una conseguenza non lineare delle disomogeneità nella cosmologia generale-relativistica.

Storia e filosofia della fisica

A complemento del suo interesse per i fondamenti della relatività generale e, più in generale, della fisica, Ehlers ha studiato la storia della fisica. Fino alla sua morte ha collaborato a un progetto sulla storia della teoria quantistica presso il Max Planck Institute for the History of Science di Berlino. In particolare, ha esplorato i contributi seminali di Pascual Jordan allo sviluppo della teoria quantistica dei campi tra il 1925 e il 1928. Durante la sua carriera, Ehlers si è interessato ai fondamenti filosofici e alle implicazioni della fisica e ha contribuito alla ricerca su questo argomento affrontando questioni come la stato di base delle conoscenze scientifiche in fisica.

Divulgazione scientifica

Ehlers ha mostrato un vivo interesse a raggiungere un pubblico generale. Era un frequente docente pubblico, nelle università e in luoghi come l' Urania di Berlino . È autore di articoli di divulgazione scientifica, inclusi contributi a riviste di pubblico generale come Bild der Wissenschaft . Ha curato una raccolta di articoli sulla gravità per l'edizione tedesca di Scientific American . Ehlers si è rivolto direttamente agli insegnanti di fisica, in conferenze e articoli di riviste sull'insegnamento della relatività e sulle relative idee di base, come la matematica come linguaggio della fisica.

onori e premi

Ehlers divenne membro dell'Accademia delle scienze e delle scienze umane di Berlino-Brandeburgo (1993), dell'Akademie der Wissenschaften und der Literatur , Magonza (1972), della Leopoldina di Halle (1975) e dell'Accademia bavarese delle scienze e delle scienze umane a Monaco di Baviera (1979). ). Dal 1995 al 1998 è stato presidente della International Society on General Relativity and Gravitation . Ha inoltre ricevuto la Medaglia Max Planck 2002 della Società Tedesca di Fisica , la Medaglia d'Oro Volta dell'Università di Pavia (2005) e la medaglia della Facoltà di Scienze Naturali dell'Università Carlo , Praga (2007).

Nel 2008, la Società Internazionale di Relatività Generale e Gravitazione ha istituito il "Premio di tesi Jürgen Ehlers" in commemorazione di Ehlers. È patrocinato dalla casa editrice scientifica Springer e viene assegnato ogni tre anni, al convegno internazionale della società, alla migliore tesi di dottorato nelle aree della relatività generale matematica e numerica. Il numero 9 del volume 41 della rivista General Relativity and Gravitation è stato dedicato a Ehlers, in memoriam.

Pubblicazioni selezionate

Borner, G.; Ehlers, J., ed. (1996), Gravitazione , Spektrum Akademischer Verlag, ISBN 3-86025-362-X
Ehlers, Jürgen (1973), "Sondaggio sulla teoria della relatività generale", in Israele, Werner (a cura di), Relatività, Astrofisica e Cosmologia , D. Reidel, pp. 1-125, ISBN 90-277-0369-8
Schneider, P.; Ehlers, J.; Falco, EE (1992), Lenti gravitazionali , Springer, ISBN 3-540-66506-4

Appunti

Riferimenti

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link esterno

Jürgen Ehlers al Progetto Genealogia Matematica
Jürgen Ehlers nel catalogo della Biblioteca nazionale tedesca
Pagine in memoriam Jürgen Ehlers presso l' Albert Einstein Institute

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