Gravitation und Antigravitation – was geht und was nicht?

Was Gravitation ist, wissen wir. Wir haben sie immer um uns, sie beeinflusst unser Leben von der ersten bis zur letzten Sekunde, sie ermöglicht es sogar erst, dass wir Leben. Doch wo kommt sie her, was erzeugt sie und wie wirkt sie auf uns? Das sind Fragen, die viele nicht beantworten können. Deshalb möchte ich dem Thema etwas auf den Zahn fühlen.

Gravitation bzw. Schwerkraft, ist zunächst mal eines – sie ist eine der vier fundamentalen Kräfte (Wechselwirkungen) in der Natur. Neben der elektromagnetischen Kraft, der starken– und der schwachen Wechselwirkung ist die Schwerkraft die schwächste Kraft unter den Vieren. Ein Beispiel: Ein Dachziegel, der von einem Haus fällt, fällt nicht bis zum Mittelpunkt der Erde, sondern zersplittert auf dem Erdboden: die elektromagnetischen Kräfte zwischen den Atomen des Ziegels und des Bodens haben für eine plötzliche Abstoßung gesorgt, eine Kraft, die die Gravitation nicht überwinden konnte. Noch stärker als der Elektromagnetismus ist die starke Kraft, der es sogar gelingt, elektrisch gleichartig geladene Protonen in einem Atomkern zusammenzuhalten. Der starken Kraft, aber auch der schwachen Kraft (Radioaktivität), verdanken wir also die Vielfalt der chemischen Elemente.

Fundamentale Wechselwirkungen

Einzeln oder in Kombination sind die vier fundamentalen Wechselwirkungen verantwortlich für sämtliche bekannten physikalischen Prozesse, seien es Prozesse zwischen Elementarteilchen oder zwischen Materie und Feldern in makroskopischen Ausmaßen, sei es auf der Erde, in Sternen oder im Weltraum. Weitere Arten von Wechselwirkungen scheinen zur Beschreibung der Natur nicht erforderlich; gelegentlich aufgestellte Hypothesen über eine „fünfte Kraft“, die zur Erklärung bestimmter Beobachtungen nötig wäre, konnten nicht bestätigt werden. Andererseits ist es bisher auch nicht gelungen, die Vielfalt der beobachteten Vorgänge mit weniger als vier fundamentalen Wechselwirkungen zu erklären.

Doch das Attribut schwach ist nicht gleichbedeutend mit unwichtig: Die Gravitation ist die dominante Kraft auf der ganz großen Längenskala – sobald wir von Astronomischen Einheiten, Lichtjahren oder gar Milliarden Parsec sprechen. Denn Gravitation und elektromagnetische Kraft haben eine unendliche Reichweite! Doch die Schwerkraft hat im Gegensatz zum Elektromagnetismus die Eigenschaft, dass sie sich nicht abschirmen lässt. Die Konsequenz ist: Gravitation dominiert das Universum

Aber was ist nun eigentlich Gravitation?

So vertraut uns die Schwerkraft im Alltag ist, so rätselhaft ist sie auch. Es ist keinesfalls leicht zu verstehen, was die Natur der Gravitation ist. Selbst im 21. Jahrhundert wissen Physiker und Astronomen zwar viel über die Schwerkraft, aber auch heute noch sind wir weit davon entfernt, alles verstanden zu haben. Ist Gravitation überhaupt eine Kraft?

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Isaac Newton, der Entdecker der Gravitation Bild: physikx.de

In der allgemeinen Relativitätstheorie (ART) nach Albert Einstein, wird die Gravitation nicht wie eine Kraft im Sinne der klassischen Physik behandelt. Vielmehr werden Orts- und Zeitkoordinaten zusammengefasst zu einer vierdimensionalen Raumzeit. Diese Raumzeit ist nun aber nicht mehr „flach“, sondern wird durch die Anwesenheit von Masse oder Energie lokal gekrümmt.

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Bild: zoonar.de

Nachdem es uns nicht gelingt, uns eine vierdimensionale Umgebung vorzustellen, müssen wir, wie in dem Bild oben, auf die uns bekannten Dimensionen zurückgreifen. Die Gitternetzlinien stellen die Raumzeit dar. Man erkennt, dass die Masse der Erde eine Delle in die Raumzeit drückt. Kommt nun ein Objekt, wie beispielsweise ein Komet vorbeigeflogen, so „fällt“ er quasi in diese Krümmung und wird von seiner Bahn abgelenkt. Wäre der Komet langsamer oder kleiner (Masseärmer), so könnte er von der Erde sogar einfangen und auf eine Erdumlaufbahn gezwungen werden, oder sogar auf den Planeten stürzen.

Je größer ein Objekt ist, umso größer ist auch die Delle, die es in die Raumzeit drückt. Einfacher vergleich: Auf der Erde können wir gemütlich stehen, gehen und hüpfen, könnten wir uns allerdings auf der Oberfläche der Sonne aufhalten, würden wir platt wie Papier auf dem Boden kleben. Wenn man sich nun vorstellt, wie die Gravitation einer ganzen Galaxie oder gar einer Ansammlung von Galaxien wirkt, bekommt man ein ungefähres Bild davon, welche enormen Ausmaße Gravitation haben kann.

So, nun wissen wir, was uns so anzieht, aber kann man diese Kraft wirklich nicht umgehen, abschirmen oder einfach „ausschalten“? Für dieses theoretische Phänomen gibt es einen Namen: Antigravitation. Dies ist die Bezeichnung für eine Kraft oder ein Phänomen, das der Schwerkraft, der Gravitation entgegen wirkt.

antigravitation

Leider nur ein Trick. Schweben ist, ebenso wie fliegende Teppiche, nach unserem derzeitigen Kenntnisstand nicht möglich. Bild: lachschon.de

Die Antigravitation

Die Theorien der Gravitation, wie Newtonsche Theorie und an sich auch die Relativitätstheorie sagen nichts über die Existenz von Antigravitation aus. Im Kern kann man die Gravitationskraft nicht abschirmen, weil es nur eine Form ‚gravitativer Ladungen‘ gibt, die Masse. In der Elektrodynamik hingegen ist es möglich die elektrischen Kräfte abzuschirmen, wenn positive auf negative Ladungen treffen. In der Relativitätstheorie gibt es ‚keine negative Ruhemasse‘!

Wie soll das gehen?

Zumindest hypothetisch gibt es Teilchen mit imaginärer Masse, die Tachyonen. Diese Teilchen bewegen sich mit Geschwindigkeiten größer als die Lichtgeschwindigkeit (was man als superrelativistisch bezeichnen könnte) und verstoßen damit gegen das in der Physik fundamentale Kausalitätsprinzip, also dem naturgesetzlichen, reproduzierbaren Zusammenhang zwischen Ursache und Wirkung oder „Aktion“ und „Reaktion“: Ursache und Wirkung können sich bei der Vermittlung von Tachyonen vertauschen. Physiker versuchen dies zu vermeiden und sind bei Theorien, die Tachyonen hervorbringen äußerst skeptisch.

Bitte etwas weniger verrückt…

Es gibt jedoch eine mysteriöse Kraft, die entscheidend die Entwicklung des Universums bestimmt und die man als Antigravitation bezeichnen könnte: die Dunkle Energie, über die ich hier bereits geschrieben habe. Sie wirkt der Gravitation entgegen ist also repulsiv und grundlegend anders als Materie. Im Prinzip hat sie Einstein eingeführt, als er 1917 seine Allgemeine Relativitätstheorie auf die Kosmologie anwendete. Er wollte mathematisch ein aus seiner Sicht ästhetisches statisches Universum rechtfertigen. Dies war jedoch nur möglich, wenn er einen weiteren Term in seinen Feldgleichungen einführte, der die Dynamik unterdrückte: den Lambda-Term oder auch kosmologische Konstante genannt. Eine positive kosmologische Konstante wirkt sich nun repulsiv aus und ist dementsprechend ein Antagonist zur (attraktiven) Gravitation.

Expansion des Universums ist antigravitativ

Mit der Entdeckung der Expansion des Universums wurde die kosmologische Konstante fallengelassen und geriet lange Zeit in Vergessenheit bis sie in den 90er Jahren wieder en vogue wurde, um kosmologische Daten zu erklären. Jetzt wird die kosmologische Konstante sogar von Supernovae (Typ Ia) favorisiert, weil keine merkliche zeitliche Variabilität der Dunklen Energie nachgewiesen werden konnte. In der Kosmologie findet man deshalb nach wie vor Modelle mit positiver kosmologischer Konstante, sogar noch mehr: die aktuellen Messungen stützen die These, dass wir in einem Lambda-dominierten Universum leben. Der Anteil Dunkler Energie ist sogar mit 2/3 der entscheidende Anteil.
Außerdem glaubt man, dass eine Blase Dunkler Energie, ein ‚Antigravitationsvakuum‘ im Innern neuer Lösungen der Einstein-Gleichungen realisiert sind, die man Gravasterne genannt hat. Das Antigravitationsvakuum stabilisiert den Gravastern und verhindert dessen Kollaps. Sie werden nun als reguläre Alternative zu den Schwarzen Löchern diskutiert.

Doch lange Rede kurzer Sinn, es gibt nichts uns bekanntes, dass die Schwerkraft ausschalten, abschirmen oder umgehen kann. Für uns ist die Schwerkraft nach wie vor allgegenwärtig.

Ich hoffe doch sehr, dieser Beitrag war übersichtlich und leicht verständlich. Sollte etwas unklar sein oder noch Fragen offen geblieben sind, schreibt mich bitte an.

Quellangabe:

Die Klassiker der Physik – E = mc2, Verlag Hoffmann und Campe, 2004

Lexikon der Astrophysik

wikipedia.com

Über stellariumblog

Stellariumblog ist ein Info-und Newslog. Ich versuche, die oftmals komplizierte und unübersichtliche Fülle an Informationen und Wissen verständlich zu erklären. Mein Ziel ist es, mit diesem Blog so viele Menschen wie möglich von der Astronomie zu begeistern. Natürlich versuche ich, täglich die wichtigsten News aus den Bereichen Astronomie, Astrophysik und vergleichbaren Wissenschaften zu bloggen, ich bin allerdings Berufstätig und habe leider nicht jeden Tag ein bis zwei Stunden Zeit – seid also bitte etwas nachsichtig falls ich nicht immer alles als erster poste ;) Ich freue mich immer über positive Bewertungen, aber auch über konstruktive Kritik sowie Vorschläge und/oder Hinweise auf mögliche Fehler (ich bin auch nur ein Mensch). Ansonsten wünsche ich euch viel Spaß in meinem Blog.
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2 Antworten zu Gravitation und Antigravitation – was geht und was nicht?

  1. Gunter-von-Quast schreibt:

    Was ist Gravitation?
    Die Frage nach der physikalischen Ursache der Massenanziehungskraft beschäftigt die Menschheit seit Urzeiten. Auch Albert Einstein hatte nach eigenen Aussagen keine befriedigende Lösung gefunden. Er formulierte Ableitungen, nach der die Raumzeit mathematisch verbogen wird und somit einer Singularität immer näher kommt. Die Raumzeit wird in der Singularität zu Null und ist die Definition für ein Schwarzes Loch. Leider widerspricht diese Ableitung dem Satz von der Energieerhaltung gemäß H. v. Helmholtz. Die Energie würde mit der Singular-Zeit von Null auch zu Null oder mathematisch auch unendlich werden. Somit verschwindet die Energie im Schwarzen Loch im Nirwana. Das begründet die heute noch gültige Standard-Theorie. Aber diese Einsteinschen mathematischen Ableitungen sind auch Ableitungen über Feldbeziehungen und gelten für Berechnungen bei der Massenanziehungskraft in einem gravitativen, räumlichen Bezugssystem universeller als die linearen Newtonschen Grundformeln.

    Inzwischen gibt es eine neue Theorie, die Energiefeld-Theorie. Danach ist Energie an eine linear fortlaufende Zeit gebunden. Energie ist Potential mal einem Zeitfaktor, also Leistung mal Zeiteinheit. Ohne fortlaufende Zeit keine Energie! Somit leitet sich aus der Erkenntnis auch ein skalares Energiefeld ab, das den Raum erfüllt. Energetische Felder, wie das elektrostatische Feld und das elektromagnetische Feld haben in sich Felddichte und auch Felddruck. Feldverzerrungen dieser elektromagentischen Felder begründen über die Feldrückwirkung unter anderem die Umformung von Elektroenergie in mechanische Energie und umgekehrt. Übertragen auf das richtungslose skalare Feld der Raumenergie ist die Gravitation eine Feldverzerrung und somit eine Feldrückwirkung.

    Materie besteht gemäß Albert Einstein selbst aus Energie ( E = m * c² ). Somit besteht Materie gemäß der Nukleonen-Theorie aus Energiefeldern, den Quarks. Quarks sind kondensierte Raumenergie und bestehen aus strömender Energie in der Form von in sich rückgekoppelten Strudeln in der Form von Trokado-Strudel Systemen. Diese Strudelfelder sind über ihre Drehrichtung gepolt und können sich feldmäßig über die wechselseitig elektrostatische Polung ( up = rechtsdrehend = Plus und down = linksdrehend = Minus ) zu den Nukleonen, den Protonen und Neutronen verschränken. Drei Quarks bilden jeweils ein Elementarteilchen aus, auch das Elektron in Form eines Toroid-Strudel Systems. Diese Feldverschränkung begründet die Starke Kernkraft. Die Feldverschränkung zwischen den Protonen im gepolten Wechsel mit den Neutronen begründet die Schwache Kernkraft in den Atomkernen.

    Die Elementarteilchen sind durch die eingespeicherte, strömende Energie in hoher Rotation und verdrängen volumenhaft das Feld der Raumenergie. Diese Feldverdrängung hat eine Feldrückwirkung zur Folge und ist die Grundlage für die Gravitation. Große Materieansammlungen verzerren somit das Feld der Raumenergie, weil gemäß dem physikalischen Gesetz der Enthalpie das Feld im Raum der Verzerrung eine Kraft entgegen stellt, die das Bestreben hat, die geringste Feldverzerrung zu erreichen. Die geringste Feldverzerrung zu erreichen ist auch gleichzusetzten mit dem Bestreben, das geringste Energieniveau zu erreichen. Auch die energetische Strahlung aller Arten ist eine Feldverzerrung des Feldes der Raumenergie und kann somit Energie in Form von Druckwellen im Feld der Raumenergie von schwingenden Atomen zu weit entfernten Atomen übertragen und diese wiederum mit dem induzierten Energieeintrag zu atomspezifischen Schwingungen anregen und damit zur Reflexions-Strahlung bringen.

    Materie bewirkt über ihr Volumen und Dichte eine Feldrückwirkung und hat somit eine Masse. Wird auf Erden eine Masse angehoben, so wird in diese Masse Energie induzieret. Fällt die Masse wieder zu Boden, wird die Energie wieder freigesetzt, um das Energieniveau zu minimieren. Um eine Masse zu beschleunigen, muss Energie induziert werden, um ihr Energieniveau im Feld der Raumenergie zu erhöhen. Das ist die Massenträgheit und somit ein Energiespeicher in der Form einer Feldrückwirkung. Das gilt für die Translations-Energie und auch für die Rotations-Energie. Die Gravitation wirkt somit als Potentielle Energie. Der Mond hat ein entsprechendes Energieniveau gegenüber der Erde, Erde und Mond zusammen haben ein entsprechendes Energieniveau gegenüber der Sonne und das gesamte Sonnensystem ein entsprechendes Energieniveau gegenüber ihrem Entstehungsort. Gemäß der Nukleonen-Theorie entsteht die Materie in den Zentren der Galaxien. Soweit in Kürze zu der physikalischen Begründung der Gravitation.
    Günter von Quast

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  2. Christian Peter schreibt:

    Mit Endeckung der Dunklen Energie müsste das Gummituchmodell etwa in der folgenden Art und Weise adaptiert werden (und Sie sagen mir bitte, ob meine Überlegungen richtig sind oder nicht):

    Ich nehme einen Kleiderkasten, dichte diesen ab und lege ihn mit der Rückwand nach unten auf den Boden. Die nun auf der Oberseite befindlichen beiden Türen montiere ich ab und spanne stattdessen eine Gummimembran darüber, die ebenfalls luftdicht mit dem Kasten verbunden ist. In eine Seitenwand des Kastens bohre ich noch ein Loch, in das ich, luftdicht verschlossen, einen Schlauch stecke.

    Bevor ich beginne, den Luftdruck innerhalb des Kastens mit einer Pumpe über den Schlauch zu erhöhen, lege ich noch die Kastentüren zur Beschwerung über die Membran. Wenn ich mit dem Pumpen fertig bin, habe ich also irgendeinen Überdruck innerhalb des Kastens (entspricht der Dunklen Energie). Jetzt nehme ich die Kastentüren blitzartig von der Gummimembran weg und beobachte, dass sich diese ebenso blitzartig nach oben hin aufwölbt.

    Jetzt lege ich aber in die aufgewölbte Gummimembran da und dort Stahlkugeln hinein (entspricht der baryonischen Materie) und verstreue um die und in etwa linienförmig zwischen den Stahlkugeln die fünf- bis sechsfache Masse der Stahlkugeln in Form von Sand (entspricht der Dunklen Materie).

    Zufälligerweise sollen die im Erdgravitationsfeld befindlichen Massen aus Stahlkugeln und Sand die Druckarbeit der Luft im Kasten ausgleichen und ich erhalte eine Art Eierkartonstruktur, die aber rechnerisch gemittelt flach ist. Das entspräche dann einem statischen Universum, wo sich die gravitativen und antigravitativen Kräfte die Waage halten.

    Astronomische Beobachtungen ergeben aber eine beschleunigte Expansion des Alls. Um das zu simulieren, lege ich wieder die Kastentüren über die Gummimembran + Stahlkugeln + Sand, und erhöhe durch Pumpen den Luftdruck im Kasten nochmals.

    Nachdem ich nun wieder die Kastentüren rasch entfernt habe, bläht sich die Gummimembran nun wieder nach oben auf. (Damit sowohl die Kugeln als auch der Sand nicht zum äußeren Rand des Gummituchs rollen bzw. rutschen, hätte ich diese eigentlich zuvor noch an der Gummimembran ankleben müssen.)

    Dieses Modell sollte den Ist-Zustand des Universums gut beschreiben, passt aber überhaupt nicht zur postulierten Flachheit des Universums.

    Ich kann mir überhaupt nicht erklären, wie eine beschleunigte Expansion mit einer flachen, also euklidischen Geometrie vereinbar sein soll. Ich könnte mir nur vorstellen, dass das Universum bis jetzt nur im zeitlichen Mittel flach war, da ungefähr in der bisherigen ersten Lebenshälfte des Universums die Gravitation der Baryonischen und Dunklen Materie überwog und somit die vom Urknall herrührende Expansionsgeschwindigkeit des Universums verlangsamte, während in der bisherigen zweiten Lebenshälfte des Universums aufgrund der mittleren Ausdünnung der beiden Materieformen und der mit dem 1/r²-Abstandsgesetz verbundenen beschleunigten Abnahme der effektiven Gravitationskraft die Antigravitation der Dunklen Energie zu überwiegen begann.

    In dem Fall wäre es also so, dass das Universum nur zu seiner Lebensmitte für kurze Zeit flach war, das es bis jetzt nur im zeitlichen Mittel flach war und in Zukunft auch im zeitlichen Mittel zunehmend unflacher werden wird.

    Ich habe noch eine Frage an Sie: Wie kommt die Wissenschaft darauf, dass die Dunkle Energie eine positive Energie beziehungsweise Masse hat? Man könnte es doch auch so sehen: Positive Energie bewirkt Gravitation, negative Energie Antigravitation, wobei das Vorzeichen willkürlich vergeben ist, man könnte es genauso umgekehrt sehen. Im Verhältnis zur kritischen Dichte des Universums trägt die baryonische Materie 4,4±0,4 %, die Strahlung 0,008 %, die Dunkle Materie 27±4 % und die dunkle Energie 73±4 % bei, was nach gängiger Lehrmeinung zusammen 102±2 % der kritischen Dichte ergibt.
    Interessanterweise komme ich beim Addieren unter Berücksichtigung der Plusminusse auf Werte von 96.008 bis 112.808 %, im Mittel also auf 104,408 %. Wie kommt es, dass die Gesamtmasse genauer bekannt ist, als die Summe der Einzelmassen der unterschiedlichen Energieformen?

    Was ist aber, wenn man etwa bei der Dunklen Energie ein Minus davor schreiben würde? Dann käme als Gesamtmasse -41,6 % der kritischen Dichte des Universums heraus, beziehungsweise bei einem Vorzeichentausch 41,6 % – also nicht einmal annähernd ein flaches Universum, wie oben.

    Was meinen Sie?

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