Gravitation und Antigravitation – anziehend oder abstoßend?

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 nicht so einfach zu beantworten sind. 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
Bild: http://erlangen.physicsmasterclasses.org

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 Parsec sprechen. Denn Gravitation und elektromagnetische Kraft haben eine unbegrenzte 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 eingefangen 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.

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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.

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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