DAS PUZZLE DER SCHWERKRAFT

Die Schwerkraft bzw. Gravitation spielt eine entscheidende Rolle bei der Entstehung von Sternen und Planeten, da sie zur Verklumpung von Materie führt. Die moderne Gravitationstheorie, Einsteins allgemeine Relativitätstheorie, erklärt ihre Auswirkungen genau. Dennoch bleibt die wahre Natur der Schwerkraft ein Rätsel.

Der antike griechische Philosoph Aristoteles ging davon aus, dass sich die Erde im Zentrum des Universums befindet und dass alles eine natürliche Tendenz hat, sich dorthin zu bewegen. Laut Aristoteles haben schwerere Dinge diese Tendenz stärker und fallen daher schneller. Obwohl Aristoteles' einfache Vorstellung oberflächlich durch Beobachtungen gestützt wurde, zeigten Experimente des italienischen Wissenschaftlers Galileo Galilei im 17. Jahrhundert, dass er falsch lag. Galileis Experimente führten ihn zu der korrekten Vorhersage, dass ohne Luftwiderstand alle fallenden Objekte mit der gleichen Geschwindigkeit nach unten beschleunigen würden. Der englische Wissenschaftler Isaac Newton verdeutlichte Galileis Vorhersage mit seinem Universellen Gravitationsgesetz.

NEWTONS SCHWERKRAFT
Newton erkannte, dass das, was hier auf der Erde Dinge zu Boden fallen lässt, auch den Mond in seiner Umlaufbahn hält. Er schlug vor, dass die Schwerkraft eine Kraft sei, und leitete eine Gleichung ab, die die Stärke der Kraft zwischen allen vorhersagen könnte zwei Objekte. Nach dem Newtonschen Gesetz hängt die Kraft von der Masse der Objekte und dem Abstand zwischen ihren Mittelpunkten ab. Durch die Kombination seines Gravitationsgesetzes mit seinen Bewegungsgesetzen war Newton in der Lage, die Bewegungen aller Objekte unter dem Einfluss der Schwerkraft zu erklären – von Projektilen auf der Erde bis hin zu Planeten im Weltraum. Seine Theorie wurde über 200 Jahre lang akzeptiert – und Wissenschaftler verwenden seine Gleichung immer noch in den meisten Situationen, in denen sie die Auswirkungen der Schwerkraft berechnen müssen. Im 19. Jahrhundert zeigten jedoch Berechnungen der Umlaufbahn des Planeten Merkur, die im Widerspruch zu Beobachtungen standen, dass Newtons Theorie fehlerhaft war. Im Jahr 1915 schlug der deutsche Physiker Albert Einstein eine radikal neue Gravitationstheorie – die allgemeine Relativitätstheorie – vor, mit der die Umlaufbahn des Merkur genau vorhergesagt werden konnte. Und nach Einsteins Theorie ist die Schwerkraft überhaupt keine Kraft.

▼ Isaac Newton In den späten 1680er Jahren veröffentlichte Newton sowohl sein Universelles Gravitationsgesetz – die erste wissenschaftliche Theorie der Schwerkraft – als auch seine drei Bewegungsgesetze.
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▲ Newtons Theorie In Newtons Theorie üben ein Stern und ein Planet eine Anziehungskraft aufeinander aus. Auf beide wirkt die gleiche Kraft, aber die Wirkung auf den Planeten ist deutlicher, weil er eine geringere Masse hat.

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Newton selbst war sich der Schwächen besser bewusst IN SEINEM INTELLEKTUELLEN GEBÄUDE ALS DIE GENERATIONEN VON Gelehrte Wissenschaftler, die ihm folgten.

Albert Einstein, Deutscher Physiker, 1879–1955​

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EINSTEINS SCHWERKRAFT
Die Allgemeine Relativitätstheorie ist eine Erweiterung der Speziellen Relativitätstheorie, einer Theorie, die Einstein 1905 veröffentlichte. Die Spezielle Relativitätstheorie war ein Versuch, Newtons Bewegungsgesetze mit der in den 1860er Jahren entwickelten Theorie des Elektromagnetismus in Einklang zu bringen. Um dies zu erreichen, musste Einstein die Idee aufgeben, dass Raum und Zeit absolut sind: Menschen, die sich relativ zueinander bewegen, messen Entfernungen und Zeitintervalle unterschiedlich – die Unterschiede werden erst bei extrem hohen Relativgeschwindigkeiten signifikant. Eine der direkten Konsequenzen der speziellen Relativitätstheorie war die Erkenntnis, dass die Zeit eine Dimension ist, genau wie die drei Dimensionen des Raums, und dass alle vier in einem vierdimensionalen Gitter namens Raumzeit existieren; Objekte bewegen sich daher durch die Raumzeit, nicht durch den Raum. Um die Spezielle Relativitätstheorie auf die Schwerkraft zu verallgemeinern, erkannte Einstein, dass Objekte mit Masse die Raumzeit verzerren. Je massiver ein Objekt ist, desto größer ist es Verzerrung. Objekte, die sich frei durch die verzerrte Raumzeit bewegen, folgen gekrümmten Bahnen. Projektile und Planeten folgen also einfach dem Äquivalent geradliniger Bahnen, allerdings in verzerrter Raumzeit. Um den Weg eines Objekts zu ändern, ist eine Kraft erforderlich. Beispielsweise drückt der Boden die Füße einer Person nach oben, wodurch die Person daran gehindert wird, einem Weg zu folgen, der sie im „freien Fall" in Richtung Erdmittelpunkt führen würde. Bei einem Stern liefert die Expansion des heißen Gases, aus dem er besteht, die nötige Kraft, um seinen Kollaps zu stoppen – eine Expansion, die so lange anhält, wie der Stern Wärme produziert (siehe S. 56–57).

EINSTEINS VORHERSAGEN
Die allgemeine Relativitätstheorie wurde viele Male mit äußerst hoher Präzision getestet. Es hat auch mehrere wichtige Vorhersagen getroffen, beispielsweise die Idee, dass Licht auch den gekrümmten Bahnen der verzerrten Raumzeit folgen muss. Das Ergebnis ist ein Phänomen namens Gravitationslinseneffekt, das sich in den verzerrten Ansichten entfernter Galaxien zeigt, deren Licht beim Vorbeiflug nahegelegener Galaxien abgelenkt wurde. Eine weitere wichtige Vorhersage ist die Existenz von Gravitationswellen: Wellen in der Raumzeit, die mit Lichtgeschwindigkeit von jedem sehr energiereichen Ereignis ausgehen. Im Jahr 2015 entdeckten Wissenschaftler den ersten eindeutigen Beweis für die Existenz von Gravitationswellen, die durch die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher entstehen.

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◀ Gravitationswellen Die ersten jemals entdeckten Gravitationswellen resultierten aus der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher. Hier werden die Wellen als Wellen in einem zweidimensionalen Raumzeitblatt dargestellt. Diese Wellen wurden von empfindlichen Geräten auf der Erde entdeckt.

Trotz des Erfolgs der Allgemeinen Relativitätstheorie steht die Theorie im Widerspruch zur Quantenmechanik, einem ebenso gut erprobten Eckpfeiler der modernen Wissenschaft. Die Quantenmechanik beschreibt das Verhalten von Materie auf atomarer und subatomarer Skala genau, während die Schwerkraft das Verhalten von Materie auf viel größeren Skalen genau beschreibt – aber die beiden Theorien sind nicht kompatibel. Die Suche nach einer Quantentheorie der Schwerkraft ist ein Hauptanliegen der modernen Physik, und es ist wahrscheinlich, dass Einsteins Schwerkrafttheorie als Teil einer großen Theorie, die das Verhalten von Materie auf allen Skalen beschreiben kann, neu interpretiert oder ersetzt wird. Eines ist sicher: Das Rätsel der Schwerkraft ist noch nicht gelöst.

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