Die 6 wichtigsten Dinge über die Schwerkraft

Bildnachweis: Yining Karl Li

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Über das SLAC National Accelerator Laboratory.

Über die Schwerkraft denken wir nicht allzu viel nach, zumindest bis wir auf Eis ausrutschen oder auf der Treppe stolpern. Für viele Denker der Antike war die Schwerkraft nicht einmal eine Kraft – es war nur die natürliche Tendenz von Objekten, in Richtung Erdmittelpunkt zu sinken, während Planeten anderen, nicht verwandten Gesetzen unterworfen waren.


Natürlich wissen wir jetzt, dass die Schwerkraft weit mehr bewirkt, als nur Dinge zu Fall zu bringen. Es regelt die Bewegung der Planeten um die Sonne, hält Galaxien zusammen und bestimmt die Struktur des Universums selbst. Wir erkennen auch an, dass die Schwerkraft neben dem Elektromagnetismus, der schwachen Kraft und der starken Kraft eine der vier Grundkräfte der Natur ist.

Die moderne Gravitationstheorie –Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie– ist eine der erfolgreichsten Theorien, die wir haben. Gleichzeitig wissen wir immer noch nicht alles über die Schwerkraft, auch nicht, wie sie sich genau in die anderen fundamentalen Kräfte einfügt.

Aber hier sind sechs gewichtige Fakten, die wir über die Schwerkraft kennen.

1. Die Schwerkraft ist bei weitem die schwächste Kraft, die wir kennen.Die Schwerkraft zieht nur an – es gibt keine negative Version der Kraft, die Dinge auseinander drückt. Und obwohl die Schwerkraft stark genug ist, um Galaxien zusammenzuhalten, ist sie so schwach, dass Sie sie jeden Tag überwinden. Wenn Sie ein Buch in die Hand nehmen, wirken Sie der Schwerkraft der ganzen Erde entgegen.




Zum Vergleich: Die elektrische Kraft zwischen einem Elektron und einem Proton in einem Atom ist ungefähr eine Trillion (das ist eine Eins mit 30 Nullen dahinter) mal stärker als die Gravitationsanziehung zwischen ihnen. Tatsächlich ist die Schwerkraft so schwach, dass wir nicht genau wissen, wie schwach sie ist.

NASA-Astronautin Karen Nyberg verwendet ein Fundoskop, um ihr Auge im Orbit abzubilden. Bildnachweis: NASA

NASA-Astronautin Karen Nyberg verwendet ein Fundoskop, um ihr Auge im Orbit abzubilden. Bildnachweis: NASA

2. Schwerkraft und Gewicht sind nicht dasselbe.Astronauten auf der Raumstation schweben, und manchmal sagen wir faul, dass sie sich in der Schwerelosigkeit befinden. Das stimmt aber nicht. Die Schwerkraft eines Astronauten beträgt etwa 90 Prozent der Kraft, die er auf der Erde erfahren würde. Astronauten sind jedoch schwerelos, da das Gewicht die Kraft ist, die der Boden (oder ein Stuhl oder ein Bett oder was auch immer) auf sie auf der Erde ausübt.

Nehmen Sie eine Personenwaage in einen Aufzug in einem großen schicken Hotel und stellen Sie sich darauf, während Sie auf und ab fahren, und ignorieren Sie alle skeptischen Blicke, die Sie möglicherweise erhalten. Ihr Gewicht schwankt und Sie spüren, wie sich der Aufzug beschleunigt und verlangsamt, aber die Anziehungskraft ist dieselbe. Im Orbit hingegen bewegen sich Astronauten mit der Raumstation. Es gibt nichts, was sie gegen die Seite des Raumschiffs drücken könnte, um Gewicht zu machen. Einstein hat diese Idee zusammen mit seiner speziellen Relativitätstheorie in die Allgemeine Relativitätstheorie umgesetzt.


3. Die Schwerkraft erzeugt Wellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen.Die Allgemeine Relativitätstheorie sagt Gravitationswellen voraus. Wenn Sie zwei Sterne oder Weiße Zwerge oder Schwarze Löcher in einer gemeinsamen Umlaufbahn haben, kommen sie sich langsam näher, da Gravitationswellen Energie wegtragen. Tatsächlich sendet die Erde auch Gravitationswellen aus, wenn sie die Sonne umkreist, aber der Energieverlust ist zu gering, um es zu bemerken.

Wir haben seit 40 Jahren indirekte Beweise für Gravitationswellen, aber nur das Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO)bestätigte das Phänomen in diesem Jahr. Die Detektoren nahmen einen Ausbruch von Gravitationswellen auf, der durch die Kollision zweier Schwarzer Löcher in einer Entfernung von mehr als einer Milliarde Lichtjahren erzeugt wurde.

Eine Folge der Relativität ist, dass sich nichts schneller als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum fortbewegen kann. Das gilt auch für die Gravitation: Wenn der Sonne etwas Drastisches passiert, würde uns die Gravitationswirkung gleichzeitig mit dem Licht des Ereignisses erreichen.

Gravitationswellen werden bei einigen der heftigsten Ereignisse in unserem Universum erzeugt, wie zum Beispiel bei der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher. one.Image über Swinburne Astronomy Productions / NASA JPL.

Gravitationswellen werden bei einigen der heftigsten Ereignisse in unserem Universum erzeugt, wie zum Beispiel bei der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher. one.Image über Swinburne Astronomy Productions /NASA JPL.


4. Die Erklärung des mikroskopischen Verhaltens der Schwerkraft hat die Forscher auf den Kopf gestellt. Die anderen drei fundamentalen Naturkräfte werden durch Quantentheorien auf kleinstem Maßstab beschrieben – genauer gesagt durch das Standardmodell. Wir haben jedoch immer noch keine vollständig funktionierende Quantentheorie der Gravitation, obwohl Forscher es versuchen.

Ein Forschungsweg ist die Loop-Quantengravitation, die Techniken aus der Quantenphysik verwendet, um die Struktur der Raumzeit zu beschreiben. Sie schlägt vor, dass die Raumzeit auf kleinsten Skalen teilchenähnlich ist, genauso wie Materie aus Teilchen besteht. Materie würde sich darauf beschränken, auf einer flexiblen, maschenartigen Struktur von einem Punkt zum anderen zu hüpfen. Dies ermöglicht es der Schleifen-Quantengravitation, die Wirkung der Gravitation auf einer Skala zu beschreiben, die viel kleiner ist als die des Atomkerns.

Ein bekannterer Ansatz istStringtheorie, wo Partikel – einschließlichGravitonen– gelten als Schwingungen von Saiten, die in Dimensionen aufgewickelt sind, die für Experimente zu klein sind. Weder die Schleifenquantengravitation noch die Stringtheorie noch irgendeine andere Theorie sind derzeit in der Lage, überprüfbare Details über das mikroskopische Verhalten der Gravitation zu liefern.

5. Die Schwerkraft könnte von masselosen Teilchen getragen werden, die Gravitonen genannt werden.Im Standardmodell interagieren Partikel über andere krafttragende Partikel miteinander. Das Photon ist beispielsweise der Träger der elektromagnetischen Kraft. Die hypothetischen Teilchen für die Quantengravitation sind Gravitonen, und wir haben einige Ideen, wie sie aus der allgemeinen Relativitätstheorie funktionieren sollten. Gravitonen sind wie Photonen wahrscheinlich masselos. Wenn sie Masse hätten, hätten Experimente etwas sehen müssen – aber es schließt eine lächerlich kleine Masse nicht aus.

6. Die Quantengravitation erscheint bei der kleinsten Länge, die irgend möglich sein kann.Die Schwerkraft ist sehr schwach, aber je näher zwei Objekte beieinander liegen, desto stärker wird sie. Schließlich erreicht sie die Stärke der anderen Kräfte in einer sehr kleinen Entfernung, der sogenannten Planck-Länge, die um ein Vielfaches kleiner ist als der Atomkern.

Hier werden die Effekte der Quantengravitation stark genug sein, um gemessen zu werden, aber sie ist viel zu klein, um von jedem Experiment untersucht zu werden. Einige Leute haben Theorien vorgeschlagen, die Quantengravitation nahe der Millimeterskala zeigen würden, aber bisher haben wir diese Effekte nicht gesehen. Andere haben nach kreativen Wegen gesucht, um Quantengravitationseffekte zu verstärken, indem sie Vibrationen in einem großen Metallstab oder Ansammlungen von Atomen verwenden, die bei ultrakalten Temperaturen gehalten werden.

Es scheint, dass die Schwerkraft vom kleinsten bis zum größten Maßstab die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler auf sich zieht. Vielleicht ist das beim nächsten Sturz ein Trost, wenn auch die Schwerkraft Ihre Aufmerksamkeit erregt.

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Fazit: Sechs Fakten über die Schwerkraft vom SLAC National Accelerator Laboratory.