Schwere.Der durchschnittliche Mensch denkt wahrscheinlich nicht täglich darüber nach, aber die Schwerkraft beeinflusst jede unserer Bewegungen. Aufgrund der Schwerkraft fallen wir nach unten (nicht nach oben), Gegenstände stürzen zu Boden und wir fliegen nicht in den Weltraum, wenn wir in die Luft springen. Das alte Sprichwort „Alles was hoch geht, muss runter“ macht für jeden Sinn, denn vom Tag unserer Geburt an sind wir aufgrund dieser alles durchdringenden unsichtbaren Kraft scheinbar an die Erdoberfläche gebunden.
Aber Physiker denken die ganze Zeit über die Schwerkraft nach. Für sie ist die Schwerkraft eines der Geheimnisse, die es zu lösen gilt, um ein vollständiges Verständnis der Funktionsweise des Universums zu erlangen.
Was ist Schwerkraft und woher kommt sie?
Ehrlich gesagt sind wir uns nicht ganz sicher.
Grafik mit freundlicher Genehmigung der University of Tennessee Knoxville.
Wir wissen von Isaac Newton und seinem Gravitationsgesetz, dass zwei beliebige Objekte im Universum eine Anziehungskraft aufeinander ausüben. Diese Beziehung basiert auf der Masse der beiden Objekte und dem Abstand zwischen ihnen. Je größer die Masse der beiden Objekte und je geringer der Abstand zwischen ihnen, desto stärker ziehen die Gravitationskräfte, die sie aufeinander ausüben, an.
Wir wissen auch, dass die Schwerkraft in einem komplexen System mit mehreren Objekten funktionieren kann. In unserem eigenen Sonnensystem zum Beispiel übt die Sonne nicht nur auf alle Planeten eine Gravitation aus und hält sie in ihrer Umlaufbahn, sondern jeder Planet übt eine Gravitationskraft auf die Sonne sowie alle anderen Planeten aus je nach Masse und Abstand zwischen den Körpern unterschiedlich stark. Und es geht über unser Sonnensystem hinaus, denn tatsächlich zieht jedes Objekt mit Masse im Universum jedes andere Objekt mit Masse an – wiederum in unterschiedlichem Maße, basierend auf Masse und Entfernung.
Eine Demonstration der Schwerkraft mit Kugeln auf einer Gummiplatte. Kredit: Stanford University.
Albert Einstein hat mit seiner Relativitätstheorie erklärt, dass Gravitation mehr ist als nur eine Kraft: Sie ist eine Krümmung im Raum-Zeit-Kontinuum. Das klingt wie etwas direkt aus der Science-Fiction, aber einfach ausgedrückt bewirkt die Masse eines Objekts, dass sich der Raum um ihn herum im Wesentlichen verbiegt und krümmt. Dies wird oft als schwerer Ball dargestellt, der auf einer Gummiplatte sitzt, und andere kleinere Bälle fallen in Richtung des schwereren Objekts, weil die Gummiplatte durch das Gewicht des schweren Balls verzogen wird.
In Wirklichkeit können wir die Krümmung des Raums nicht direkt sehen, aber wir können sie in den Bewegungen von Objekten erkennen. Jedes Objekt, das von der Schwerkraft eines anderen Himmelskörpers „gefangen“ wird, wird beeinflusst, weil der Raum, durch den es sich bewegt, zu diesem Objekt hin gekrümmt ist. Es ist ähnlich, wie eine Münze einen dieser Penny-Slot-Zyklon-Maschinen hinunterrollt, die man in Touristengeschäften sieht, oder wie sich Fahrräder um ein Velodrom drehen.
Eine 2-dimensionale Animation, wie die Schwerkraft funktioniert. Über den Space Place der NASA..
Wir können auch die Auswirkungen der Schwerkraft auf das Licht in einem Phänomen sehen, das als Gravitationslinseneffekt bezeichnet wird. Wenn ein Objekt im Weltraum massiv genug ist – wie eine große Galaxie oder ein Galaxienhaufen – kann es dazu führen, dass sich ein ansonsten gerader Lichtstrahl um ihn krümmt und einen Linseneffekt erzeugt.
Bilder vom Hubble-Weltraumteleskop, die einen Gravitationslinseneffekt zeigen. Bildnachweis: NASA/ESA.
Aber diese Effekte – wo es im Wesentlichen Kurven, Hügel und Täler im Raum gibt – treten aus Gründen auf, die wir nicht vollständig erklären können. Die Schwerkraft ist nicht nur eine Eigenschaft des Raums, sondern auch eine Kraft (aber die schwächste der vier Kräfte) und kann auch ein Teilchen sein. Einige Wissenschaftler haben vorgeschlagen, dass Teilchen, die Gravitonen genannt werden, dazu führen, dass sich Objekte gegenseitig anziehen. Aber Gravitonen wurden nie wirklich beobachtet. Eine andere Idee ist, dass Gravitationswellen erzeugt werden, wenn ein Objekt durch eine äußere Kraft beschleunigt wird, aber auch diese Wellen wurden nie direkt nachgewiesen.
Unser Verständnis der Schwerkraft bricht sowohl im ganz Kleinen als auch im ganz Großen zusammen: Auf der Ebene der Atome und Moleküle hört die Schwerkraft einfach auf zu funktionieren. Und wir können das Innere von Schwarzen Löchern und den Moment des Urknalls nicht beschreiben, ohne dass die Mathematik vollständig auseinanderfällt.
Das Problem ist, dass unser Verständnis sowohl der Teilchenphysik als auch der Geometrie der Gravitation unvollständig ist.
„Nachdem wir von grundsätzlich philosophischen Verständnissen, warum Dinge fallen, zu mathematischen Beschreibungen übergegangen sind, wie sich Dinge von Galileo hinunter beschleunigen, zu Keplers Gleichungen, die die Planetenbewegung beschreiben, zu Newtons Formulierung der Gesetze der Physik, zu Einsteins Formulierungen der Relativität, haben wir gebaut und eine umfassendere Sicht auf die Schwerkraft aufbauen. Aber wir sind immer noch nicht vollständig“, sagte Dr. Pamela Gay. „Wir wissen, dass es noch einen Weg geben muss, Quantenmechanik und Gravitation zu vereinen und tatsächlich Gleichungen aufzuschreiben, die die Zentren Schwarzer Löcher und die frühesten Momente des Universums beschreiben. Aber wir sind noch nicht da.“
Und so bleibt das Geheimnis … vorerst.
Dieses „Minute Physics“-Video hilft zu erklären, was wir über die Schwerkraft wissen:
Wir haben viele Artikel über die Schwerkraft für Universe Today geschrieben. Hier ist ein Artikel über Schwerkraft und Antimaterie , und hier ist ein Artikel über die Entdeckung der Schwerkraft . Dies In einem kürzlich erschienenen Artikel wird diskutiert, wie die neueste Forschung die Quantenphysik betrachtet, um die Gravitation zu erklären.
Wenn du weitere Informationen zu Gravity haben möchtest, schau mal vorbei Die ständige Anziehungskraft der Schwerkraft: Wie funktioniert sie? , und hier ist ein Link zu Schwerkraft auf der Erde versus Schwerkraft im Weltraum: Was ist der Unterschied? .
Wir haben auch eine ganze Episode von Astronomy Cast all about Gravity aufgenommen. Hör zu, Folge 102: Schwerkraft .
Zum Weiterlesen:
Cornell-Astronomie
UT-Knoxville
