Gravitation - die Gewichtskraft
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Gravitation

Die wahrscheinlich älteste bekannte Kraft und zugleich die rätselhafteste ist die Gravitation. Gravitation hält uns auf der Erdoberfläche, verleiht uns Schwere und sorgt auch dafür, dass die Himmelskörper auf ihren Bahnen bleiben.

Die Gravitation ist viel schwächer, als die übrigen Kräfte. Da sie aber immer anziehend ist und - nach heutigem Wissen - nicht abgeschirmt werden kann, ist sie die einzige Kraft, die ungehindert über große Entfernungen wirken kann. So ist die schwache Gravitation die wichtigste Kraft zur Erklärung von Vorgängen im Weltall.

Die modernste Theorie der Gravitation ist die allgemeine Relativitätstheorie. Diese Theorie führt die Gravitation auf geometrische Effekte zurück und erreicht eine unübertroffene Genauigkeit. Die Gravitation ist mit einer Krümmung des Raumes und der Zeit verbunden und ist somit ein grundlegendes Phänomen, das alle physikalischen Vorgänge beeinflusst.

Historisches: Aristoteles

Niemand kann sagen, wann die Gravitation entdeckt wurde. Zu offensichtlich ist die Tatsache, dass wir schwer sind und Gegenstände dazu streben, zu Boden zu fallen. In der Antike und später auch im Mittelalter erklärte man die Gravitation allerdings noch nicht als Anziehung zwischen Gegenständen. Aristoteles, auf den man sich lange berief, erklärte die Schwerkraft geometrisch. Nach ihm ist der Mittelpunkt des Universums der natürliche Ort aller schweren Gegenstände und er nahm an, dass alles zu seinem natürlichen Ort strebe (siehe auch: Relativität nach Galileo). Dies war eine gute Erklärung dafür, dass die Erde unbewegt im Mittelpunkt der Welt verharrt und alle Dinge zur Erde fallen. Es gab also damals gewichtige wissenschaftliche Gründe dafür, die Erde im Mittelpunkt der Welt anzunehmen.

Ptolemäus

Das Problem der Aristotelesschen Physik war, dass für die Bewegung der Planeten um die Erde eine zusätzliche Annahme notwendig war: Aristoteles nahm an, dass die Himmelskörper aus einem unbekannten, fünften Element bestünden, das bestrebt ist im Kreis zu fliegen, der perfekten geometrischen Figur. Genaue Himmelsbeobachtungen ergeben aber, dass sich die Planeten von der Erde aus gesehen nicht auf Kreisbahnen bewegen und Ptolemäus erarbeitete ein kompliziertes Modell aus ineinanderlaufenden Kreisen, um die Planetenbahnen am Himmel zu beschreiben.

Die Kopernikanische Wende

Nikolaus Kopernikus (1473-1543) war das Bild von Ptolemais zu kompliziert. Er wollte die Planetenbewegungen auf Kreisbahnen und eine einfache Harmonie zurückführen. Dies gelang ihm, indem er die Sonne in die Mitte rückte und die Erde gemeinsam mit den anderen Planeten um die Sonne kreisen ließ.

Kopernikus' Zeitgenossen hielten diese Idee zum großen Teil für unmöglich. Zum einen, weil Aristoteles als Autorität galt, an die zu Zweifeln vermessen war. Zum anderen aber auch, weil man argumentierte: Wenn die Erde sich bewegt, dann muss diese Bewegung für uns spürbar sein und ein Stein würde nicht senkrecht zu Boden fallen, sondern hinter der Erdbewegung zurückbleiben. Diese Einwände wurden erst durch galileos Relativität entkräftet.

Kepler und Newton

Das kopernikanische Bild war nicht ganz korrekt. Johannes Kepler (1571-1630) stellte mit den drei nach ihm benannten Gesetzen die Regeln auf, mit denen man die Planetenbahnen beschreiben kann. Das erste dieser Gesetze besagt, dass die Bahnen im allgemeinen keine Kreise sondern Ellipsen sind. (Die Sonne befindet sich dabei nicht in der Mitte, sondern in einem der beiden Brennpunkte der Ellipse.) Das zweite Keplersche Gesetz besagt, dass sich Planeten um so schneller bewegen, je näher sie der Sonne kommen und das dritte beschreibt die Umlaufzeiten in Abhängigkeit von der mittleren Entfernung zur Sonne. Diese Keplerschen Gesetze werden auch heute noch gelehrt und können in der Astronomie in unveränderter Form verwendet werden.

Sir Isaac Newton (1642-1727) konnte später die Keplerschen Gesetze auf eine gegenseitige Anziehung der Himmelskörper zurückführen. Diese Anziehung wirkt nicht nur auf die Himmelskörper, sondern auf alle Körper, die Masse haben. Die Anziehung zweier leichter Körper ist jedoch sehr klein und war vorher noch nicht entdeckt worden. Newton erschuf so die erste Gravitationstheorie und beschrieb als erster die Physik des Weltalls mit Formeln, die auch auf der Erde gültig sind. Dass die Physik jenseits und diesseits des Mondes gleich ist, war eine große Sensation.

Einsteins Relativität

Lange Zeit galt die newtonsche Gravitationstheorie als die endgültige Theorie. Sie beruhte jedoch auf eine Fernwirkung des Kraftfeldes, die nicht zu Einsteins spezieller Relativitätstheorie passte. Einstein verallgemeinerte seine Theorie deshalb zur allgemeinen Relativitätstheorie (ART), die die Gravitation in bisher unübertroffener Genauigkeit beschreibt. So kann die Umlaufbahn des Merkur um die Sonne nur mit der ART befriedigend erklärt werden und von der ART vorhergesagte Effekte treten deutlich messbar in der Satellitennavigation auf. In der ART wird die Gravitation wieder geometrisch beschrieben. Sie wird als Krümmung des Raumes bei Wechselwirkung mit Masse erklärt.

Letzte Änderung: 22.10.2007