Ohne Schwerkraft würden wir nicht existieren. Es liefert die Kraft, die uns auf der Erdoberfläche und die Erde in der Umlaufbahn um die Sonne hält.
Es war in erster Linie für die Entstehung des Sonnensystems verantwortlich, und es ist die Anziehungskraft der gesamten Materie in der Sonne, die es fest zusammenzieht, was die Kernfusion ermöglicht stattfinden und uns Wärme und Licht geben.
Trotz ihrer Allgegenwart ist die Schwerkraft eine der mysteriösesten Kräfte im Universum.
Was ist Schwerkraft?
Als eine der vier Grundkräfte der Natur – neben dem Elektromagnetismus und den starken und schwachen Kernkräften – ist die Schwerkraft ein enorm einflussreiches Naturphänomen.
Es ist eine Eigenschaft von Stoffen. Kurz gesagt:Alle Materie wird von allen anderen Materien angezogen. Je mehr Materie vorhanden ist und je näher die Objekte beieinander liegen, desto größer ist diese Anziehungskraft.
Und im Gegensatz zu Elektrizität und Magnetismus, die sich entweder abstoßen oder anziehen können, ist die Schwerkraft immer vorhanden bringt die Dinge zusammen.
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Was war Newtons Gravitationstheorie?
Newton sagte bekanntermaßen, dass er keine Hypothese darüber habe, wie die Schwerkraft funktioniert funktioniert.
Stattdessen war sein Ausgangspunkt für die Beschreibung der Schwerkraft die Idee, dass die Schwerkraft universell ist – dass dasselbe, was einen Apfel von einem Baum fallen lässt, den Mond in der Umlaufbahn hält.
Mit diesem Konzept, einer Sammlung astronomischer Daten und einigen cleveren Gedankenexperimenten konnte Newton zeigen, dass nur drei Dinge die Anziehungskraft zwischen zwei Objekten beeinflussen:die Masse jedes Objekts und die Abstand zwischen ihnen.
Obwohl er es nie in dieser Form niedergeschrieben hat, würde seine Theorie zeigen, dass die Gravitationsanziehung einem umgekehrten quadratischen Gesetz folgt. Die Schwerkraft kann berechnet werden, indem die Massen der beiden Objekte miteinander multipliziert und dann durch das Quadrat der Entfernung zwischen ihnen geteilt werden. Die Anziehungskraft der Schwerkraft steigt also, wenn die Masse der Objekte zunimmt oder wenn sie näher zusammenrücken.
Diese einfache Beziehung reichte aus, um fast die gesamte Bewegung des Mondes und der Planeten zu erklären, und wäre alles, was die NASA brauchte, um eine sichere Flugbahn für die Apollo-Mission zum Mond zu berechnen.
P>Was ist das Äquivalenzprinzip?
Das Äquivalenzprinzip basiert auf dem, was Albert Einstein als seinen „glücklichsten Gedanken“ bezeichnete.
Das war, dass „wenn eine Person frei fällt, wird sie ihr eigenes Gewicht nicht spüren“. Mit anderen Worten, Beschleunigung und Schwerkraft sind genau äquivalent und nicht zu unterscheiden.
Wir sehen dies auf der Internationalen Raumstation. Die Anziehungskraft der Erdanziehungskraft beträgt in der Umlaufbahn der Station von der Erde etwa 90 Prozent derjenigen an der Oberfläche – und dennoch schweben Astronauten.
Die Leute schweben da oben herum, weil sie ständig fallen gegenüber unserem Planeten. Wir erwarten vielleicht, dass sie auf die Erdoberfläche krachen, aber sie bewegen sich auch seitwärts mit genau der richtigen Geschwindigkeit, um immer wieder zu verfehlen – das gehört dazu, im Orbit zu sein.
Das Äquivalenzprinzip zeigt, dass das Beschleunigen, wie es beim Sturz einer Person der Fall ist, ihr Gewicht ausgleicht. Einstein machte den Sprung von seinem glücklichen Gedanken zu der Annahme, dass Beschleunigung und Schwerkraft im Grunde dasselbe sind.
Und dies inspirierte ihn zu seiner Allgemeinen Relativitätstheorie, die sowohl die Schwerkraft vorhersagt als auch erklärt, wie sie funktioniert.
Was ist Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie?
Anhand seines Äquivalenzprinzips konnte Einstein zeigen, dass Körper mit Masse – alles vom Atom bis zum Stern – Raum und Zeit verzerren.
Und es war diese Verzerrung, die etwas erklärte, was Newton nie zeigen konnte:warum die Schwerkraft in der Lage war, auf Distanz zu wirken.
Wie ein Basketball auf einem von Murmeln umgebenen Trampolin erzeugen massivere Objekte größere Krümmungen im Gewebe der Raumzeit, ziehen Objekte in der Nähe an und bringen sie dazu, sich auf gekrümmten Bahnen zu bewegen. Aber auch kleinere Körper haben eine Wirkung – jeder von uns übt eine winzige Gravitationskraft auf die Objekte um uns herum aus.
Weil er einen ganz anderen Ansatz verfolgte als Newton, hatte Einstein eine andere Art von Mathematik zu verwenden, von der er selbst anfangs wenig wusste:die Mathematik des gekrümmten Raums.
Und er musste verschiedene sekundäre Effekte berücksichtigen, von denen Newton keinen Grund hatte zu vermuten, dass sie existierten, wie zum Beispiel die überraschende Entdeckung, dass die Schwerkraft auf sich selbst wirkt.
Einsteins Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie machen dasselbe wie Newtons Gleichung, indem sie die Größe der Anziehungskraft zwischen zwei Körpern vorhersagen, aber weil sie beschreiben, wie alles mit Masse Raum und Zeit verzerrt, können sie das tun viel mehr.
Hat Einstein Newton das Gegenteil bewiesen?
Absolut nicht. Newtons Arbeit war beschreibend:Er passte eine einfache mathematische Gleichung an das an, was beobachtet wurde.
Seine Mathematik sagt uns nichts über die Funktionsweise der Schwerkraft, aber als Beschreibung des Verhaltens alltäglicher Dinge funktionierte sie sehr gut – und tut es immer noch.
Was Einstein tat, war, uns zu helfen zu verstehen, was die Kraft verursacht, die wir haben als Schwerkraft beschreiben.
Er konnte zeigen, dass es bestimmte Umstände gibt, typischerweise wenn die Anziehungskraft der Schwerkraft sehr stark wird, wo die Newtonsche Gleichung keine ausreichende Annäherung darstellt.
In diesen Fällen müssen wir Einstein hinzuziehen, um eine genauere Zahl zu erhalten. Und Einstein ist auch nützlich, um Vorhersagen zu treffen, die unter den grundlegenden Funktionsweisen der Newtonschen Physik nicht einmal in Betracht gezogen würden.
Welchen Beweis haben wir für die Allgemeine Relativitätstheorie?
Es gibt eine riesige Menge an Beweisen für die Allgemeine Relativitätstheorie.
Bevor Einstein seine Theorie aufstellte, hatten Astronomen damit zu kämpfen, einen Aspekt der Umlaufbahn des Merkur zu erklären, der als Präzession bezeichnet wird und bei dem sich der Punkt seiner größten Annäherung an die Sonne allmählich ändert. Newtons Gleichungen konnten den vollen Effekt nicht erklären, aber Einsteins Arbeit tat es.
Darüber hinaus war die Idee, dass Gravitation durch eine räumliche und zeitliche Verzerrung verursacht wurde, ebenfalls überprüfbar, da dies bedeutete, dass (zum Beispiel) Licht, das in der Nähe eines sehr massiven Körpers vorbeigeht, sich in a ausbreiten sollte gekrümmte Linie, die durch den verzerrten Raum verläuft, den der Körper erzeugt.
Dies wurde zum ersten Mal beobachtet, als Licht während a nahe an der Sonne vorbeiging totale Sonnenfinsternis im Jahr 1919 und wurde seitdem beobachtet, wenn entfernte Galaxien wie Linsen wirken und den Lichtweg hinter sich krümmen.
Eine weitere Vorhersage von Einsteins Gleichungen ist, dass die Nähe zu einem massiven Körper die Zeit verlangsamt:Aus diesem Grund müssen wir das Signal von den GPS-Satelliten korrigieren, die uns das Navi liefern.
Gleichermaßen hat ein Experiment namens Gravity Probe B gezeigt, dass ein rotierender massiver Körper die Raumzeit mit sich herumschleppt wie ein rotierender Löffel in Honig, genau wie Einstein es vorhergesehen hatte.
Was hat Schwerkraft mit Schwarzen Löchern zu tun?
Die Vorhersagen von Einsteins Theorie sind normalerweise das Ergebnis der Lösung vereinfachter Versionen seiner Gleichungen. Einer der frühesten beschrieb eine komprimierte Masse, bei der sich die gesamte Materie in einem einzigen Punkt befand – einer „gravitativen Singularität“.
Später wurde klar, dass einige alternde Sterne nicht in der Lage sein würden, der Schwerkraft zu widerstehen und in sich zusammenfallen würden, um einen solchen Punkt zu bilden und ein Schwarzes Loch zu schaffen. Die Schwerkraft in einem Schwarzen Loch ist so stark, dass nicht einmal Licht entweichen kann.
In ähnlicher Weise sagte die Allgemeine Relativitätstheorie voraus, dass die Struktur des Universums dies könnte erweitern und zusammenziehen. In Kombination mit Beobachtungen ist dies die Grundlage für unsere beste Theorie zur Entwicklung des Universums geworden:das Urknallmodell.
Es ist auch die Allgemeine Relativitätstheorie, die Licht auf dunkle Energie werfen könnte – das mysteriöse Phänomen, das die Expansion des Universums zu beschleunigen scheint.
Was sind Gravitationswellen?
Ein Körper mit Masse verzerrt Raum und Zeit. Wenn dieser Körper also durch den Raum beschleunigt, sollte er Wellen in der Raumzeit um ihn herum verursachen.
Diese Wellen werden Gravitationswellen genannt und bewegen sich nach außen, ähnlich wie die Beschleunigung von Elektronen auf und ab einer Antenne die elektromagnetischen Wellen von Radio und Fernsehen erzeugt.
Gravitationswellen, die Einstein kurz nach der Entwicklung seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorhersagte, sollten ständig aus einer Vielzahl von Quellen erzeugt werden. Die Schwerkraft ist jedoch eine extrem schwache Kraft, was bedeutet, dass diese Wellen extrem schwer zu erkennen sind.
Als das LIGO-Experiment im September erstmals Gravitationswellen beobachtete 2015 war es das Ergebnis einer massiven Störung der Raumzeit, die durch zwei verschmelzende Schwarze Löcher verursacht wurde.
Die Detektoren von LIGO sind so empfindlich, dass alle Vibrationen eliminiert werden müssen, von vorbeifahrenden Autos bis hin zu fernen Wellen, die auf einen Strand schlagen.
Gravitationswellen sind wichtig, nicht weil sie „Einsteins Theorie beweisen“ – dafür gibt es bereits viele Beweise –, sondern weil sie uns eine neue Möglichkeit bieten, das Universum zu untersuchen, indem wir auf seine Anfänge zurückblicken Jahre, die nicht einmal Licht erreichen kann.
Erklärt die Allgemeine Relativitätstheorie alles?
Mit ziemlicher Sicherheit nicht.
Die Allgemeine Relativitätstheorie ist äußerst effektiv und macht keinen Fehler, wenn es darum geht, Vorhersagen über das Verhalten von Alltagsgegenständen zu treffen, aber es gibt ein paar Umstände – insbesondere im Herzen eines Schwarzen Loch, oder bei der Beschreibung des Universums vor dem Urknall – wo die Theorie zusammenbricht.
Die Physik der ganz Kleinen wird mit beeindruckender Genauigkeit von der Quantenphysik beschrieben, aber die Allgemeine Relativitätstheorie und die Quantentheorie sind nicht kompatibel. Alle anderen Naturkräfte sind „quantisiert“ – sie kommen eher in Stücken als in kontinuierlich variablen Mengen.
Die Annahme ist, dass es möglich sein sollte, eine Quantentheorie der Gravitation zu entwickeln, die sie mit den anderen Kräften in Einklang bringt und dennoch die gleichen Ergebnisse wie Einsteins Theorie für größere Objekte liefert.
P>Bis jetzt sind die besten Versuche die Stringtheorie/M-Theorie und die Schleifenquantengravitation, aber keiner hat bisher brauchbare Vorhersagen gemacht.
Könnte Gravitation durch ein subatomares Teilchen verursacht werden?
Es ist sehr wahrscheinlich, und es hat bereits einen Namen:das Graviton. Eine Möglichkeit, wie die Quantentheorie die Übertragung einer Kraft wie Elektromagnetismus darstellt, ist ein Fluss von Trägerteilchen, die als „Bosonen“ bezeichnet werden.
Beim Elektromagnetismus ist das Teilchen das Photon. Jedes Teilchen ist ein „Quantum“ – ein Stück – des quantisierten Phänomens.
Wenn Gravitation also ein Quanteneffekt ist, gehen wir davon aus, dass es ein Graviton als Träger gibt. Erwarten Sie jedoch nicht, dass in absehbarer Zeit einer beim Large Hadron Collider auftaucht. Es ist so unwahrscheinlich, dass ein Graviton auf nachweisbare Weise mit einem anderen Teilchen interagiert, dass es derzeit kein realistisch vorstellbares Experiment gibt, das eines entdecken könnte.
Gibt es so etwas wie Antigravitation?
Nicht dass wir wüssten. Im Gegensatz zum Elektromagnetismus ist die Schwerkraft ein Einbahneffekt – sie zieht nur an. Wir können die Schwerkraft mit anderen Kräften ausgleichen; Sie tun das jedes Mal, wenn Sie etwas abholen.
Besonders beeindruckend sieht es aus, wenn die Gegenkraft unsichtbarer Elektromagnetismus ist – etwa wenn etwas über einem Magneten schwebt – aber keine Antigravitation.
Wir kennen auch keine Möglichkeit, uns gegen die Schwerkraft abzuschirmen:Sie durchdringt alles. Wenn wir die Schwerkraft stoppen könnten, könnten wir ein Perpetuum Mobile bauen und kostenlose Energie erzeugen. Malen Sie die gleiche Seite jedes Paddels eines Wasserrads mit der Barrieresubstanz.
Die Paddel auf der einen Seite des Rads zeigen mit ihren blanken Seiten zur Erde und spüren so die Anziehungskraft, während die Paddel auf der anderen Seite von der Schwerkraft abgeschirmt sind. So wird nur eine Seite des Rades nach unten gezogen und es dreht sich für immer.
Die einzige kleine Chance, Antigravitation zu entdecken, besteht darin, dass Antimaterie von gewöhnlicher Materie gravitativ abgestoßen wird.
Wissenschaftler am CERN werden bald genug Antimaterie haben, um dies zu testen, aber die meisten Physiker glauben, dass sie sich wie normales Zeug verhalten wird.
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