Physik
Wie entsteht Gravitation?
Gravitation entsteht nicht durch eine anziehende Kraft, sondern dadurch, dass jede Masse den Raum um sich herum krümmt. Andere Objekte bewegen sich einfach entlang dieser gekrümmten Bahnen weiter geradeaus - das nehmen wir als Anziehung wahr.
Die Gummihaut-Idee: Masse verbiegt den Raum
Nach Newton war Gravitation jahrhundertelang eine unsichtbare Kraft, die zwei Massen aneinander zieht - stärker, je schwerer und je näher die Objekte sind. Albert Einstein zeigte mit seiner Allgemeinen Relativitätstheorie, dass das nur die halbe Wahrheit ist. Masse und Energie verformen tatsächlich den Raum und die Zeit um sich herum, die zusammen als Raumzeit bezeichnet werden. Ein anschauliches Bild ist eine gespannte Gummihaut: Legt man eine schwere Kugel darauf, entsteht eine Delle. Rollt eine kleinere Kugel in die Nähe, läuft sie nicht geradeaus weiter, sondern wird in Richtung der Delle abgelenkt - nicht weil sie angezogen wird, sondern weil der Untergrund selbst gekrümmt ist. Genau das passiert im dreidimensionalen Raum, nur eben in einer Dimension mehr und schwerer vorstellbar.
Warum fallen Dinge dann eigentlich? Die Geodäte
Ein Objekt, auf das keine Kraft wirkt, bewegt sich immer auf der geradesten möglichen Bahn - das ist eine Grundregel der Physik, die schon vor Einstein galt. In gekrümmter Raumzeit ist diese geradeste Bahn aber keine Gerade im gewohnten Sinn mehr, sondern eine sogenannte Geodäte, die der Krümmung folgt. Ein fallender Apfel oder ein Planet auf seiner Umlaufbahn folgen also schlicht der für sie geradesten Route durch die von der Erde beziehungsweise der Sonne gekrümmte Raumzeit. Was wie eine Anziehungskraft aussieht, ist in Wirklichkeit die Geometrie des Raumes selbst. Je mehr Masse ein Objekt hat, desto stärker krümmt es die Raumzeit in seiner Umgebung und desto deutlicher werden Bahnen anderer Objekte abgelenkt.
Was war an Newton falsch, was richtig?
Newtons Gravitationsgesetz ist keineswegs falsch - es beschreibt die Anziehung zwischen Massen für die meisten Alltagssituationen und sogar für Raumfahrt-Berechnungen mit hoher Genauigkeit. Es ist aber eine Näherung, die für schwache Gravitationsfelder und kleine Geschwindigkeiten funktioniert. In extremen Fällen, etwa nahe an sehr massereichen Objekten wie der Sonne oder Schwarzen Löchern, oder wenn es auf winzige Zeitunterschiede ankommt, reicht Newtons Modell nicht mehr aus. Einsteins Feldgleichungen beschreiben, wie genau Masse und Energie die Raumzeit krümmen, und liefern in diesen Grenzfällen die korrekten Vorhersagen, etwa für die leicht abweichende Bahn des Merkur um die Sonne oder für die Ablenkung von Licht durch massereiche Objekte.
Warum ist Gravitation so schwach?
Im Vergleich zu den anderen Grundkräften der Physik, etwa der elektromagnetischen Kraft, ist Gravitation extrem schwach. Ein kleiner Magnet kann eine Büroklammer mühelos gegen die Anziehungskraft der gesamten Erde hochheben. Das liegt daran, dass Gravitation nur von Masse und Energie abhängt und sich nicht gegenseitig aufheben kann, wie es bei elektrischen Ladungen mit Plus und Minus der Fall ist. Deshalb macht sich Gravitation erst bei sehr großen Massen wie Planeten, Sternen oder Galaxien deutlich bemerkbar, obwohl sie im Grunde die schwächste der bekannten Kräfte ist. Warum sie so viel schwächer ist als die anderen Kräfte und wie sie sich mit der Quantenphysik verträgt, gehört zu den großen ungelösten Fragen der Physik.
Die gekrümmte Zeit: warum GPS nachjustieren muss
Nicht nur der Raum, auch die Zeit wird von Masse beeinflusst. Je stärker die Raumzeit gekrümmt ist, desto langsamer vergeht dort die Zeit im Vergleich zu einem Ort mit schwächerer Krümmung. Nahe der Erdoberfläche ist die Krümmung stärker als weit draußen im All, wo sich GPS-Satelliten befinden. Dadurch tickt eine Uhr auf einem Satelliten aus diesem Grund etwas schneller als eine Uhr auf der Erde. Gleichzeitig sorgt die hohe Geschwindigkeit der Satelliten nach der Speziellen Relativitätstheorie dafür, dass ihre Uhren langsamer laufen. Beide Effekte zusammen ergeben eine kleine, aber messbare Abweichung, die sich über einen Tag zu Mikrosekunden summiert. Würde man diese Korrektur nicht regelmäßig einrechnen, würden GPS-Positionsangaben nach kurzer Zeit spürbar ungenau werden.
Häufige Fragen
Ist Gravitation eine Kraft oder nicht?
Im Alltag und in vielen Formeln verhält sie sich wie eine Kraft, nach Einsteins Theorie ist sie aber eher eine Folge der Raumzeitkrümmung als eine echte Kraft im klassischen Sinn.
Warum spürt man auf der ISS keine Schwerkraft, obwohl die Erde nah ist?
Astronauten und die Raumstation fallen gemeinsam entlang derselben gekrümmten Bahn um die Erde, dadurch entsteht Schwerelosigkeit, obwohl die Erdanziehung dort fast genauso stark wirkt wie am Boden.
Kann man Raumzeitkrümmung sehen?
Ja, indirekt: Licht folgt ebenfalls den gekrümmten Bahnen der Raumzeit, weshalb massereiche Objekte wie Galaxienhaufen das Licht dahinterliegender Objekte sichtbar verzerren, ein Effekt namens Gravitationslinse.
