Wenn wir an Schwerkraft denken, denken wir normalerweise an eine Kraft zwischen Massen. Wenn Sie beispielsweise auf eine Waage treten, repräsentiert die Zahl auf der Waage die Anziehungskraft der Erdanziehungskraft auf Ihre Masse, was Ihnen Gewicht verleiht. Man kann sich leicht die Anziehungskraft der Sonne vorstellen, die die Planeten auf ihren Bahnen hält, oder die Anziehungskraft eines Schwarzen Lochs. Kräfte sind als Schubsen und Ziehen leicht zu verstehen.
Aber wir verstehen jetzt, dass die Schwerkraft als Kraft nur ein Teil eines komplexeren Phänomens ist, das die Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt. Während die Allgemeine Relativitätstheorie eine elegante Theorie ist, ist sie eine radikale Abkehr von der Idee der Schwerkraft als Kraft. Wie Carl Sagan einmal sagte: „Außergewöhnliche Behauptungen erfordern außergewöhnliche Beweise“, und Einsteins Theorie ist eine sehr außergewöhnliche Behauptung. Es stellt sich jedoch heraus, dass es mehrere außergewöhnliche Experimente gibt, die die Krümmung von Raum und Zeit bestätigen.
Der Schlüssel zur Allgemeinen Relativitätstheorie liegt darin, dass alles in einem Gravitationsfeld gleich schnell fällt. Stehen Sie auf dem Mond und lassen Sie einen Hammer und eine Feder fallen, und sie werden es tun gleichzeitig die Oberfläche treffen . Das gleiche gilt für jedes Objekt, unabhängig von seiner Masse oder physikalischen Beschaffenheit, und dies wird als Äquivalenzprinzip bezeichnet.
Da alles unabhängig von seiner Masse gleich fällt, bedeutet dies, dass ein frei schwebender Beobachter fern von Gravitationsquellen und ein frei fallender Beobachter im Gravitationsfeld eines massiven Körpers ohne einen externen Bezugspunkt jeweils die gleiche Erfahrung machen . Astronauten in der Raumstation beispielsweise sehen aus, als würden sie ohne Schwerkraft schweben. Tatsächlich ist die Anziehungskraft der Erde auf die Raumstation fast so stark wie an der Oberfläche. Der Unterschied besteht darin, dass die Raumstation (und alles darin) fällt. Die Raumstation befindet sich im Orbit, was bedeutet, dass sie buchstäblich um die Erde fällt.
Die Internationale Raumstation ISS, die die Erde umkreist. Bildnachweis: NASA
Diese Äquivalenz zwischen Schweben und Fallen hat Einstein verwendet, um seine Theorie zu entwickeln. In der Allgemeinen Relativitätstheorie ist die Gravitation keine Kraft zwischen Massen. Stattdessen ist die Schwerkraft ein Effekt der Krümmung von Raum und Zeit in Gegenwart von Masse. Ohne Krafteinwirkung bewegt sich ein Objekt geradlinig. Wenn Sie auf einem Blatt Papier eine Linie zeichnen und das Papier dann drehen oder biegen, erscheint die Linie nicht mehr gerade. Ebenso wird die gerade Bahn eines Objekts gebogen, wenn Raum und Zeit gebogen werden. Dies erklärt, warum alle Objekte gleich schnell fallen. Die Gravitation verzerrt die Raumzeit auf besondere Weise, sodass die geraden Bahnen aller Objekte in Erdnähe auf die gleiche Weise gebogen werden.
Welche Art von Experiment könnte also möglicherweise beweisen, dass die Gravitation eine verzerrte Raumzeit ist? Der eine rührt daher, dass Licht von einer nahen Masse abgelenkt werden kann. Da Licht keine Masse hat, wird oft argumentiert, dass es nicht durch die Gravitationskraft eines Körpers abgelenkt werden sollte. Das ist nicht ganz richtig. Da Licht Energie hat und aufgrund der speziellen Relativitätstheorie Masse und Energie äquivalent sind, sagt Newtons Gravitationstheorie voraus, dass Licht durch eine nahe Masse leicht abgelenkt wird. Der Unterschied besteht darin, dass die Allgemeine Relativitätstheorie vorhersagt, dass sie doppelt so stark abgelenkt wird.
Beschreibung von Eddingtons Experiment aus den Illustrated London News (1919).
Der Effekt wurde erstmals 1919 von Arthur Eddington beobachtet. Eddington reiste auf die Insel Principe vor der Küste Westafrikas, um eine totale Sonnenfinsternis zu fotografieren. Er hatte vor einiger Zeit Fotos von derselben Himmelsregion gemacht. Durch den Vergleich der Sonnenfinsternis-Fotos und der früheren Fotos desselben Himmels konnte Eddington die scheinbare Position von Sternen zeigen, die sich bei Sonnennähe verschoben haben. Der Betrag der Durchbiegung stimmte mit Einstein und nicht mit Newton überein. Seitdem haben wir einen ähnlichen Effekt beobachtet, bei dem das Licht entfernter Quasare und Galaxien von näheren Massen abgelenkt wird. Es wird oft als Gravitationslinseneffekt bezeichnet und wurde verwendet, um die Massen von Galaxien zu messen und sogar die Auswirkungen dunkler Materie zu sehen.
Ein weiterer Beweis ist das Zeitverzögerungsexperiment. Die Masse der Sonne verzerrt den Raum in ihrer Nähe, daher bewegt sich Licht, das in der Nähe der Sonne vorbeikommt, nicht in einer perfekt geraden Linie. Stattdessen verläuft sie auf einem leicht geschwungenen Pfad, der etwas länger ist. Das bedeutet, dass uns Licht von einem Planeten auf der anderen Seite des Sonnensystems von der Erde etwas später erreicht, als wir es sonst erwarten würden. Die erste Messung dieser Zeitverzögerung erfolgte Ende der 1960er Jahre von Irwin Shapiro. Funksignale wurden von der Erde von der Venus reflektiert, als sich die beiden Planeten fast auf gegenüberliegenden Seiten der Sonne befanden. Die gemessene Verzögerung des Hin- und Rückwegs der Signale betrug etwa 200 Mikrosekunden, genau wie von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt. Dieser Effekt ist heute als Shapiro-Zeitverzögerung bekannt und bedeutet, dass die durchschnittliche Lichtgeschwindigkeit (wie durch die Reisezeit bestimmt) etwas langsamer ist als die (immer konstante) Momentanlichtgeschwindigkeit.
Ein dritter Effekt sind Gravitationswellen. Wenn Sterne den Raum um sie herum verzerren, sollte die Bewegung von Sternen in einem Doppelsternsystem Wellen in der Raumzeit erzeugen, ähnlich wie das Wirbeln Ihres Fingers im Wasser Wellen auf der Wasseroberfläche erzeugen kann. Wenn die Gravitationswellen von den Sternen wegstrahlen, entziehen sie dem Doppelsternsystem einen Teil der Energie. Dies bedeutet, dass sich die beiden Sterne allmählich näher zusammenrücken, ein Effekt, der als Inspiralling bezeichnet wird. Wenn sich die beiden Sterne inspiralisieren, wird ihre Umlaufzeit kürzer, weil ihre Umlaufbahnen kleiner werden.
Abklingen der Pulsarperiode im Vergleich zur Vorhersage (gestrichelte Kurve). Daten von Hulse und Taylor, gezeichnet vom Autor.
Bei normalen Doppelsternen ist dieser Effekt so gering, dass wir ihn nicht beobachten können. 1974 entdeckten jedoch zwei Astronomen (Hulse und Taylor) einen interessanten Pulsar. Pulsare sind schnell rotierende Neutronensterne, die zufällig Radiopulse in unsere Richtung ausstrahlen. Die Pulsfrequenz von Pulsaren ist typischerweise sehr, sehr regelmäßig. Hulse und Taylor bemerkten, dass sich die Geschwindigkeit dieses speziellen Pulsars leicht beschleunigen und dann mit einer regelmäßigen Geschwindigkeit leicht verlangsamen würde. Sie zeigten, dass diese Variation auf die Bewegung des Pulsars zurückzuführen ist, wenn er einen Stern umkreist. Sie konnten die Bahnbewegung des Pulsars sehr genau bestimmen und seine Umlaufzeit auf den Bruchteil einer Sekunde genau berechnen. Als sie ihren Pulsar im Laufe der Jahre beobachteten, stellten sie fest, dass seine Umlaufzeit allmählich kürzer wurde. Der Pulsar inspiriert durch die Strahlung von Schwerewellen, genau wie vorhergesagt.
Illustration der Gravity Probe B. Credit: Gravity Probe B Team, Stanford, NASA
Schließlich gibt es noch einen Effekt, der als Frame-Ziehen bekannt ist. Wir haben diesen Effekt in der Nähe der Erde selbst gesehen. Da sich die Erde dreht, krümmt sie die Raumzeit nicht nur durch ihre Masse, sondern verdreht die Raumzeit aufgrund ihrer Rotation um sie herum. Diese Verdrehung der Raumzeit wird als Frame Dragging bezeichnet. Der Effekt ist in Erdnähe nicht sehr groß, kann aber durch den Lense-Thirring-Effekt gemessen werden. Im Grunde bringen Sie ein kugelförmiges Gyroskop in die Umlaufbahn und sehen, ob sich seine Rotationsachse ändert. Wenn kein Frame-Ziehen stattfindet, sollte sich die Ausrichtung des Gyroskops nicht ändern. Wenn es zu einem Ziehen des Rahmens kommt, führt die spiralförmige Verdrehung von Raum und Zeit dazu, dass das Gyroskop präzediert und sich seine Ausrichtung im Laufe der Zeit langsam ändert.
Ergebnisse der Schwerkraftsonde B. Bildnachweis: Gravity Probe B-Team, NASA.
Wir haben dieses Experiment tatsächlich mit einem Satelliten namens Gravity Probe B durchgeführt, und Sie können die Ergebnisse in der Abbildung hier sehen. Wie Sie sehen, stimmen sie sehr gut überein.
Jedes dieser Experimente zeigt, dass die Schwerkraft nicht einfach eine Kraft zwischen Massen ist. Die Schwerkraft ist stattdessen eine Wirkung von Raum und Zeit. Die Schwerkraft ist in die Form des Universums eingebaut.
Denken Sie daran, wenn Sie das nächste Mal auf eine Waage treten.
