Eine Frage der Anziehung: Schwerkraft

Ich habe in der Vergangenheit schon einige Male eine der fundamentalen Kräfte beschrieben, die obwohl sie die schwächste dieser Kräfte ist, einen großen Einfluss auf unser Universum hat: Die Schwerkraft. Obwohl wir diese Kraft tagtäglich erleben – schon alleine, wenn wir über den Boden laufen – fehlt uns ein wirkliches Verständnis dafür. Nicht zuletzt, weil diese Kraft erst mit sehr großen Massen überhaupt spürbar wird.

Wie schon erwähnt, als wir uns Bahn der Erde um die Sonne näher angesehen haben, lässt sich die Stärke der Schwerkraft zwischen zwei Massen beschreiben durch:

(1)    F = G* •m1 • m2/r²

G* ist die universelle Gravitationskonstante, mit dem Wert 6,6741 • E-11 m³/(s² kg) hat (E-11 bedeutet 10 hoch minus 11). Nehmen wir an, wir haben zwei Kugeln, die jeweils 10 kg wiegen und in einem Abstand von 10 cm, also 0,1 m, dann wird daraus eine Kraft von 6,6741 • E-7 N. Das ist die Kraft, die ein Stück Papier der Größe 0,2 mm mal 0,2 mm auf der Erde wiegt. Man merkt es also eigentlich nicht. Erst bei sehr großen Massen kann man die Auswirkungen wirklich spüren.

Aber was bedeutet es, dass die Massen sich gegenseitig anziehen? Man kann das mit zwei Magneten vergleichen, die sich ganz ähnlich verhalten. Je nach magnetischer Feldstärke ziehen sie sich gegenseitig an. Allerdings können sich Magneten auch abstoßen, je nach Pol. Ein ähnliches Verhalten kennt man von elektrischen Ladungen. Wer schon einmal einen Luftballon an seinen Haaren gerieben hat, kennt das Phänomen, dass die Haare zu Berge stehen. Oder ganz häufig merkt man statische Aufladung auch an Verpackungsmaterial, das man nur schwer von den Händen bekommt, wie Folien oder Polsterung aus Kunststoff. Auch hier ziehen sich die unterschiedlichen Ladungen an – da ihre Kraft viel stärker ist als die Gravitationskraft, spüren wir dies deutlicher.

Aber dennoch hat schon Henry Cavendish, Ende des 18. Jahrhunderts, über eine sehr genaue Torsionswaage die Gravitationskraft zwischen Bleikugeln gemessen. Ein Video eines gleichartigen Experiments, kann man hier sehen.

Wie man an Gleichung (1) sehen kann, ziehen sich aber grundsätzlich alle Massen an. Eine Umkehr der Kraft würde man erreichen, wenn eine der Massen ein negatives Vorzeichen hätte – dies wäre dann ähnlich, wie bei den Ladungen oder Magneten, wo man je nach Ladung oder Magnetpol entweder eine Anziehung oder eine Abstoßung feststellen kann.

Bei der Schwerkraft konnte bisher allerdings ein solches Phänomen nicht festgestellt werden. Masse hat nur eine „Ladung“. Massen ziehen sich immer an. Zwar gibt es Hypothesen über negative Masse, aber diese sind bisher nur Konstrukte, die zwar interessante Effekte erlauben würden, aber bisher nicht real aufgespürt wurden.

Die Ladung eines Teilchens wird durch Elektronen und Protonen bestimmt – ein Überfluss ein letzterem bewirkt eine positive Ladung, ein Mangel eine negative Ladung. Gibt es genau gleich viele, so gibt es gar keine Ladung. Sehr starkes Ungleichgewicht bemerken wir durch einen plötzlichen Ladungsausgleichs in Form eines Blitzes.

Etwas komplizierter ist die Ursache für die Masse. Sie wird durch den Einfluss des sogenannten Higgs-Felds ausgelöst – ein Feld, das sich im gesamten Universum ausbreitet und mit dem alle Teilchen interagieren. Die Existenz dieses Felds ist erst seit einigen Jahren bewiesen.

Auch wenn die Ursprünge sehr klein sind, so sind die Einflüsse durchaus schwerwiegend. Die Struktur des Universums wird maßgeblich von der Schwerkraft aller Materie beeinflusst. Tatsächlich wird die Raumzeit gekrümmt – ein wenig wie eine gespannte Decke, die eingebeult wird, wenn man etwas darauf legt.

Trotz ihrer relativ schwachen Ausprägung ist die Schwerkraft also eine maßgebliche Größe. Sie zu überwinden macht Raumfahrt so energieaufwendig, dafür die Fortbewegung auf der Erde um so einfacher. Ohne Schwerkraft sähe unser Wetter ganz anders aus, weil das vertraute Aufsteigen von warmer Luft aufgrund einer geringeren Dichte nicht möglich wäre. Ohne Schwerkraft würde es keine Sterne geben, keine Planeten.

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