Die faszinierende Gravitation

ISAAC NEWTON sann vor etwa 300 Jahren über die Funktionsweise der Schwerkraft nach. Er stellte sich vor, ein Mann werfe einen Gegenstand vom Gipfel eines sehr hohen Berges. Einfach fallen gelassen, fiele der Gegenstand wie ein Apfel zu Boden.

Doch würde er nach vorn geworfen werden, fiele er auf einer gekrümmten Bahn nach unten. Newton schlußfolgerte, daß der Gegenstand, würde er nur stark genug geworfen werden, die Erde auf einer Umlaufbahn umkreisen müßte.

Aus dieser Überlegung heraus wurde ihm der Zusammenhang zwischen der Schwerkraft oder Gravitation und der Bewegung des Mondes und der Planeten klar: Die Erdanziehungskraft hält den Mond auf seiner Bahn um die Erde, so wie die Planeten aufgrund der Schwerkraft der Sonne auf ihrer Bahn bleiben.

Ein universelles Gesetz

Nach sorgfältigen Nachforschungen formulierte Newton eine genaue mathematische Beschreibung des universellen Gesetzes. Einfach ausgedrückt, besagt das Newtonsche Gesetz, daß jeder Körper, ob groß oder klein, von jedem anderen Körper durch eine Kraft angezogen wird, die von der Masse der Körper und der Entfernung voneinander abhängig ist.

Noch heute benutzt man, mit einigen Verbesserungen, Newtons grundlegende, die Gravitation beschreibende Formeln, insbesondere um Weltraumunternehmen zu planen, wie z. B. den Flug einer Raumsonde zum Halleyschen Kometen im Jahr 1985. Der englische Astronom Edmond Halley, ein Kollege Newtons, sagte übrigens anhand der Newtonschen Theorien das Jahr voraus, in dem der Komet wieder erscheinen würde.

Was Newton über die Gravitation entdeckte, vermittelte ihm einen kleinen Einblick in die Ordnung, die sich im Universum manifestiert, eine Ordnung, die auf einer intelligenten Planung beruht. Doch damit war keineswegs das letzte Wort in dieser Sache gesprochen. Zu Beginn unseres Jahrhunderts bemerkte man, daß einige Aspekte der Newtonschen Theorien unzulänglich oder sogar widersprüchlich waren.

Einstein und die Gravitation

Im Jahr 1916 veröffentlichte Albert Einstein seine allgemeine Relativitätstheorie. Seine erstaunliche Überlegung besagte, daß die Gravitation nicht nur das Universum formt, sondern auch bestimmt, wie wir es sehen und wie wir es messen. Ja, die Gravitation beeinflußt sogar die Zeitmessung!

Hier kann wieder eine Veranschaulichung helfen. Stellen wir uns vor, das Universum sei ein unendlich großes Gummituch. Wenn wir nun einen Gegenstand auf diese flexible Fläche setzen, entsteht eine Delle oder Vertiefung. Den Überlegungen Einsteins zufolge verhalten sich die Erde, die Sonne und die Sterne wie Gegenstände auf einer flexiblen Fläche: Sie krümmen den Raum. Rollen wir jetzt einen weiteren Gegenstand auf das Tuch, wird er durch die Vertiefung um die anderen Objekte auf eine gekrümmte Bahn abgelenkt.

In ähnlicher Weise bewegen sich die Erde, die Planeten und die Sterne auf gekrümmten Bahnen, den natürlichen „Vertiefungen“ folgend. Selbst ein Lichtstrahl wird gebeugt, wenn er einem massereichen Objekt im Universum nahe kommt. Licht, das sich gegen eine Gravitationskraft bewegt, müßte außerdem gemäß Einsteins Berechnungen etwas an Energie verlieren, was sich durch eine leichte Farbverschiebung zum roten Ende des Spektrums hin bemerkbar machen würde. Physiker nennen dieses Phänomen Gravitationsrotverschiebung.

Während Einsteins Theorie einerseits die Unstimmigkeiten in den Überlegungen Newtons klärte, brachte sie andererseits neue Geheimnisse über die Wirkungsweise der Gravitation im Universum mit sich.

Faszinierende Effekte

Die Fähigkeit der Gravitation, die Bewegung des Lichts zu beeinflussen, führt zu einigen erstaunlichen, von den Astronomen beobachteten Effekten.

Wüstenreisende sind seit langem mit Spiegelungen vertraut — optischen Täuschungen, die den Anschein erwecken, auf dem Boden schimmere Wasser. Jetzt hat man kosmische „Spiegelungen“ fotografiert. Worum handelt es sich dabei?

Weit entfernte Objekte, von denen man annimmt, sie seien die aktiven Kerne von Galaxien, sogenannte Quasare (quasistellare Objekte), senden Licht aus. Dieses kommt auf seinem Weg zur Erde an Galaxien vorbei, die in derselben Sichtlinie liegen. Dabei wird es durch deren Gravitationskraft gebeugt, wodurch zwei oder mehr Bilder von dem einen Quasar entstehen. Ein Beobachter auf der Erde, der annimmt, das Licht käme geradlinig auf ihn zu, muß zu dem Schluß kommen, daß er mehrere Objekte sieht.

Eine weitere faszinierende Folgerung aus Einsteins Arbeit betrifft die schwarzen Löcher. Was sind schwarze Löcher, und was haben sie mit der Gravitation zu tun? Ein einfaches Experiment kann uns weiterhelfen.

Wir werfen einen Gegenstand hoch. Wie wir beobachten werden, steigt er bis zu einer gewissen Höhe, hält einen Moment inne und fällt dann herunter. Beim Licht ist das anders. Da es schnell genug ist, kann es der Erdanziehungskraft entkommen.

Nehmen wir nun an, die Gravitationskraft sei viel stärker, so stark, daß nicht einmal Licht entkäme. Solch einem Objekt könnte nichts entfliehen. Es selbst wäre unsichtbar, da kein Licht seiner Schwerkraft entkommen und das Auge eines außenstehenden Beobachters erreichen könnte — daher der Name „schwarzes Loch“.

Der deutsche Astronom Karl Schwarzschild zeigte als erster, zumindest in der Theorie, daß schwarze Löcher existieren können. Obwohl es bis heute keinen eindeutigen Beweis für die Existenz schwarzer Löcher gibt, haben Astronomen eine Reihe möglicher Kandidaten entdeckt. Schwarze Löcher mögen auch die versteckten Kraftwerke von Quasaren sein.

Gravitationswellen

Auf der Basis von Einsteins Arbeit können wir uns die Gravitation auch als ein unsichtbares Netz vorstellen, das alles miteinander verbindet und das Universum zusammenhält. Was geschieht, wenn dieses Netz gestört wird?

Denken wir wieder an unser Gummituch und stellen uns vor, daß ein Gegenstand darauf plötzlich hin und her gestoßen wird. Die Schwingungen, die in dem Tuch hervorgerufen werden, bringen nahe gelegene Objekte in Unruhe. Ebenso mag ein Stern, der kräftig „angestoßen“ wird, Kräuselungen im Raum, Gravitationswellen, hervorrufen. Planeten, Sterne oder Galaxien, die sich im Weg der Wellen befinden, erlebten, wie sich der Raum zusammenzöge und ausdehnte — wie ein schwingendes Gummituch.

Doch welchen Beweis haben Wissenschaftler für die Richtigkeit der Einsteinschen Theorie, wenn man bis jetzt keine solchen Wellen entdeckt hat? Eines der besten Anzeichen liefert ein Sternsystem, das als ein Doppelsternpulsar bekannt ist. Er besteht aus zwei Neutronensternen, die um ein gemeinsames Zentrum kreisen, wobei die Umlaufperiode acht Stunden beträgt.a Einer davon ist zudem ein Pulsar — er rotiert und sendet dabei Radiopulse aus, ähnlich einem Leuchtturm mit rotierender Lichtquelle. Dank der präzisen Pulsperiode kann man die Umlaufbahn der beiden Sterne sehr genau rekonstruieren. Dabei hat man festgestellt, daß die Umlaufperiode langsam abnimmt, was genau mit der Einsteinschen Theorie der abgestrahlten Gravitationswellen übereinstimmt.

Auf der Erde sind die Auswirkungen dieser Wellen verschwindend gering. Ein Beispiel: Am 24. Februar 1987 entdeckten Astronomen eine Supernova — einen Stern, der eine spektakuläre Verwandlung durchläuft: Er schleudert seine äußeren Schalen weg und strahlt dabei mit einer Helligkeit von Millionen von Sonnen. Die durch die Supernova ausgelösten Gravitationswellen würden auf der Erde eine Erschütterung in der Größenordnung eines Millionstels des Durchmessers eines Wasserstoffatoms auslösen. Warum nicht mehr? Weil sich zu der Zeit, zu der die Wellen unsere Erde erreichen, die Energie schon sehr stark verteilt hat.

Verwirrend

Trotz der gewaltigen Fortschritte verwirren immer noch einige Aspekte der Gravitation die Wissenschaftler. Lange Zeit ist man von vier Grundkräften ausgegangen — der elektromagnetischen Kraft, die für die Elektrizität und den Magnetismus verantwortlich ist; der starken und der schwachen Kraft, die im Atomkern wirken, und der Gravitation. Doch warum sind es vier? Könnte es sein, daß alle vier nur verschiedene Ausprägungen einer einzigen, fundamentalen Kraft sind?

Kürzlich gelang der Nachweis, daß die elektromagnetische und die schwache Kraft Manifestationen einer ihnen zugrunde liegenden Erscheinung sind — der elektroschwachen Wechselwirkung. Jetzt versucht man, die starke Kraft mit diesen beiden zu vereinen. Die Gravitation ist dabei jedoch nicht unterzubringen; sie scheint mit den anderen nicht zusammenzupassen.

Die Wissenschaftler erhoffen sich Hinweise von kürzlich im grönländischen Inlandeis durchgeführten Experimenten. Messungen in einem 2 000 Meter tiefen Bohrloch scheinen anzuzeigen, daß die Gravitation sich anders verhält als erwartet. Frühere Experimente in Bergwerksschächten und Fernsehtürmen wiesen ebenfalls darauf hin, daß irgend etwas Geheimnisvolles eine Abweichung von den Vorhersagen verursacht, die auf der Newtonschen Beschreibung der Gravitation beruhen. Unterdessen versuchen einige Theoretiker, ein neues mathematisches Verfahren, die „Superstringtheorie“, zu entwickeln, um die Kräfte zu vereinheitlichen.

Gravitation — lebensnotwendig

Sowohl die Entdeckungen Newtons wie auch Einsteins zeigen, daß die Bewegung von Himmelskörpern durch Gesetze gelenkt wird und daß die Gravitation das Universum zusammenhält. Ein Professor für Physik lenkte in einem Artikel der Zeitschrift New Scientist die Aufmerksamkeit auf die offensichtliche Planung, die hinter diesen Gesetzen steckt, wenn er schreibt: „Die winzigste Veränderung in der relativen Stärke der Gravitation und der elektromagnetischen Kraft würde Sterne wie unsere Sonne in blaue Riesen oder rote Zwerge verwandeln. Überall um uns herum scheinen wir Beweise dafür zu sehen, daß es die Natur genau richtig gemacht hat.“

Ohne Gravitation könnten wir ganz einfach nicht existieren. Bedenken wir nur: Die Gravitation hält unsere Sonne zusammen und bewirkt, daß die Kernreaktionen in ihr in Gang bleiben, wodurch wir mit dem Licht und der Wärme versorgt werden, die wir benötigen. Die Gravitation hält unsere rotierende Erde in ihrer Umlaufbahn um die Sonne und sorgt so für Tag und Nacht sowie für die Jahreszeiten. Sie bewahrt uns davor, wie Schlamm von einem rotierenden Rad weggeschleudert zu werden. Die Atmosphäre der Erde bleibt durch Gravitation an ihrem Platz, während die Anziehungskraft von Sonne und Mond die regelmäßigen Gezeiten hervorrufen, die zur Zirkulation des Meerwassers beitragen.

Mit einem winzigen Organ in unserem Innenohr (Vestibularapparat) können wir die Gravitation wahrnehmen. Von Kindheit an lernen wir, sie mit einzuberechnen, wenn wir gehen, rennen oder springen. Wieviel schwieriger es doch für Astronauten ist, wenn sie während des Aufenthalts im Raum mit der Schwerelosigkeit fertig werden müssen.

Ja, die Gravitation trägt dazu bei, daß wir auf der Erde ein normales Leben führen können. Sie ist wahrlich ein faszinierendes Beispiel für die „wunderbaren Werke“ unseres Schöpfers (Hiob 37:14, 16).

[Fußnote]

[Bild auf Seite 16]

Newtons Gravitationsgesetz besagt, daß im Vakuum eine Feder genauso schnell fällt wie ein Apfel

[Bild auf Seite 17]

Licht wird im Raum gebeugt, wenn es das Gravitationsfeld von Körpern passiert

[Bild auf Seite 18]

Von Kindheit an hilft uns ein winziges Organ im Ohr, die Gravitation mit einzuberechnen und unser Gleichgewicht zu bewahren