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Was ist Schwerkraft? Ein Leitfaden für die geheimnisvollste Kraft der Natur (und was wir immer noch nicht wissen)

by imleme
Was ist Schwerkraft

Ohne schwerkraft würden wir nicht existieren. Es gibt uns die Kraft, die Erde auf der Erdoberfläche zu halten und die Erde die Sonne zu umkreisen.

In erster Linie war es für die Entstehung des Sonnensystems verantwortlich, und die Anziehungskraft aller Materialien in der Sonne ermöglicht die Kernfusion, indem sie sie fest zusammenzieht und uns Wärme und Licht gibt.

Doch obwohl sie überall ist, ist die Schwerkraft eine der geheimnisvollsten Kräfte im Universum.

Was ist Schwerkraft?

Elektromagnetismus und starke und schwache Kernkräfte sowie die Schwerkraft, eine der vier Hauptkräfte der Natur, sind hochwirksame Naturphänomene.

Es ist das Zeug, das Zeug. Zusammenfassend: Der ganze Artikel wird auf alle anderen Themen gezogen. Je mehr Materie es gibt und je näher die Objekte aneinander sind, desto größer ist die Anziehungskraft.

Und im Gegensatz zu Elektrizität und Magnetismus kann es entweder drücken oder ziehen, die Schwerkraft zieht die Dinge immer zusammen.

Was war Newtons Theorie der Schwerkraft?

Newton erklärte bekanntlich, dass er keine Hypothese darüber hatte, wie die Schwerkraft funktioniert.

Stattdessen war der Ausgangspunkt, um es in Aktion zu beschreiben, die Idee, dass die Schwerkraft universell ist – die Idee, dass das, was einen Apfel von einem Baum fallen lässt, den Mond in der Umlaufbahn hält.

Mit diesem Konzept, einer Sammlung astronomischer Daten und einigen cleveren Gedankenexperimenten konnte Newton zeigen, dass nur drei Dinge die Anziehungskraft zwischen zwei Objekten beeinflussen: die Masse jedes Objekts und die Entfernung zwischen ihnen.

Obwohl er noch nie in dieser Form geschrieben hat, wird seine Theorie zeigen, dass die Anziehungskraft der Schwerkraft einem umgekehrten quadratischen Gesetz folgt. Die Anziehungskraft kann berechnet werden, indem die Massen der beiden Objekte kombiniert und dann durch das Quadrat des Abstands zwischen ihnen geteilt werden. Das heißt, die anziehungsvolle Gravitationskraft steigt an, wenn eine der Massen von Objekten zunimmt oder sich einander nähert.

Diese einfache Beziehung reichte aus, um fast alle Bewegungen des Mondes und der Planeten zu erklären, und wäre alles, was die NASA brauchte, um eine sichere Umlaufbahn zum Mond für die Apollo-Mission zu berechnen.

Was ist das Prinzip der Anerkennung?

Das Äquivalenzprinzip basiert auf dem, was Albert Einstein als seinen “glücklichsten Gedanken” bezeichnete.

Dies war, dass “wenn eine Person frei fällt, er sein eigenes Gewicht nicht spürt”. Mit anderen Worten, Beschleunigung und Schwerkraft sind genau gleichwertig und nicht unterscheidbar.

Wir sehen dies auf der Internationalen Raumstation. Die Anziehungskraft der Station in einer Umlaufbahn von der Erde beträgt etwa 90 Prozent dessen, was auf der Oberfläche ist, und dennoch schwimmen Astronauten.

Der Grund, warum Menschen dort schwimmen, ist, dass sie immer wieder auf unseren Planeten fallen. Wir können erwarten, dass sie auf die Erdoberfläche treffen, aber sie bewegen sich auch mit der richtigen Geschwindigkeit seitwärts, um sie am Rutschen zu halten – das ist es, was es bedeutet, im Orbit zu sein.

Das Prinzip der Anerkennung zeigt, dass das Beschleunigen, wie wenn eine Person fällt, ihr Gewicht aufhebt. Einstein machte einen Sprung von seinem glücklichen Denken, um zu suggerieren, dass Beschleunigung und Schwerkraft eigentlich dasselbe sind.

Und das inspirierte die Allgemeine Relativitätstheorie, die sowohl die Schwerkraft vorhersagte als auch erklärte, wie sie funktioniert.

Was ist Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie?

Einstein konnte zeigen, dass Körper mit Masse – von Atomen bis zu Sternen – Raum und Zeit verzerren, vom Äquivalenzprinzip aus.

Es war diese Verzerrung, die etwas erklärte, was Newton nie gezeigt hat: warum die Schwerkraft aus der Ferne arbeiten kann.

Wie ein Basketball auf einem marmorumschlossenen Trampolin produzieren größere Objekte größere Lösungsmittel im Gewebe der Raumzeit, zeichnen nahe gelegene Objekte, wodurch sie sich in gekrümmten Umlaufbahnen bewegen. Aber auch kleinere Körper haben eine Wirkung – jeder von uns übt eine kleine Gravitationskraft auf die Objekte um uns herum aus.

Da er einen ganz anderen Ansatz als Newton verfolgte, musste Einstein eine andere Art von Mathematik verwenden, über die er anfangs sehr wenig wusste: die Mathematik des gekrümmten Raumes.

Und er musste verschiedene Sekundäreffekte berücksichtigen, die keinen Grund zu der Annahme hatten, dass Newton existierte, wie zum Beispiel überraschend die Entdeckung, dass die Schwerkraft einen Einfluss auf ihn hatte.

Einsteins Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie tun alles, was Newtons Gleichung tut, und schätzen die Größe der Anziehungskraft zwischen den beiden Körpern, aber weil sie beschreiben, wie der Massenverzerrungsraum und alles, was Zeit hat, viel mehr tun kann.

Hat Einstein Newton das Gegenteil bewiesen?

Auf keinen Fall. Newtons Arbeit war beschreibend: Er gab den Beobachteten eine einfache mathematische Gleichung.

Seine Mathematik sagt uns nichts darüber, wie die Schwerkraft funktioniert, aber als Erklärung für das Verhalten alltäglicher Dinge hat es sehr gut funktioniert – und es funktioniert immer noch.

Einstein hat uns geholfen zu verstehen, was das verursacht, was wir als Schwerkraft definieren.

Newton konnte zeigen, dass es einige Situationen gab, in denen die Gleichung nicht gut genug war und typischerweise die Schwerkraft sehr stark war.

In solchen Fällen müssen wir Einstein mitbringen, um eine genauere Zahl zu erhalten. Und Einstein ist auch nützlich, um unvorhersehbare Vorhersagen zu treffen, selbst unter den grundlegenden Studien der Newtonschen Physik.

Welche Beweise haben wir für die Allgemeine Relativitätstheorie?

Es gibt viele Beweise für die allgemeine Relativitätstheorie.

Bevor Einstein seine Theorie entwickelte, kämpften Astronomen darum, eine Richtung der Merkurbahn namens Presession zu erklären, in der sich der nächste Annäherungspunkt an die Sonne allmählich verschob. Newtons Gleichungen konnten nicht die volle Wirkung erklären, aber Einsteins Arbeit tat es.

Darüber hinaus konnte auch die Idee getestet werden, dass die Schwerkraft aus einer Verkrümmung in Raum und Zeit stammt, da sie (zum Beispiel) bedeutete, dass Licht, das in der Nähe eines sehr großen Objekts vorbeiging, in einer gekrümmten Linie durch den vom Körper erzeugten verzerrten Raum wandern musste.

Dies wurde erstmals während der totalen Sonnenfinsternis im Jahr 1919 beobachtet, als es durch ein Licht in der Nähe der Sonne ging, und wurde seitdem beobachtet, wenn sich entfernte Galaxien wie Linsen bewegen und den Weg des Lichts hinter ihnen biegen.

Eine weitere Vorhersage von Einsteins Gleichungen ist, dass die Nähe zu einem großen Objekt die Zeit verlangsamt: Also müssen wir das Signal von GPS-Satelliten korrigieren, die uns ein Navi geben.

Ebenso hat ein Experiment namens Gravity Probe B gezeigt, dass ein gigantischer rotierender Körper die Raumzeit wie ein rotierender Löffel in Honig zieht, genau wie Einstein es vorhergesagt hat.

Was hat die Schwerkraft mit Schwarzen Löchern zu tun?

Vorhersagen von Einsteins Theorie sind oft das Ergebnis der Lösung vereinfachter Versionen seiner Gleichungen. Einer der ältesten beschrieb eine komprimierte Masse, in der sich alle Materie an einem Ort befindet – eine “gravitative Singularität”.

Später wurde festgestellt, dass einige alternde Sterne der Anziehungskraft der Schwerkraft nicht widerstehen konnten, und um einen solchen Punkt zu erzeugen, mussten sie auf sich selbst kollabieren und ein Schwarzes Loch bilden. Die Schwerkraft eines Schwarzen Lochs ist so stark, dass nicht einmal Licht entweichen kann.

In ähnlicher Weise sagte die Allgemeine Relativitätstheorie voraus, dass sich das Gewebe des Universums ausdehnen und verengen könnte. Mit Beobachtungen ist dies zur Grundlage unserer besten Theorie über die Entwicklung des Universums geworden: das Urknallmodell.

Es ist die Allgemeine Relativitätstheorie, die auch Licht auf die dunkle Energie werfen kann – das mysteriöse Phänomen, das die Expansion des Universums zu beschleunigen scheint.

Was sind Gravitationswellen?

Seine Masse ist ein Körper, der Raum und Zeit verzerrt, wenn sich dieser Körper also im Raum beschleunigt, sollte er Schwankungen in der Raumzeit um ihn herum verursachen.

Diese Fluktuationen werden als Gravitationswellen bezeichnet und bewegen sich nach außen, eher wie das Beschleunigen von Elektronen aus einer Luft auf und ab, wodurch elektromagnetische Wellen von Radio und Fernsehen erzeugt werden.

Die Gravitationswellen, die Einstein kurz nach der Entwicklung der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt hat, sollten immer aus einer Vielzahl von Quellen erzeugt werden. Die Schwerkraft ist jedoch eine extrem schwache Kraft, was bedeutet, dass diese Wellen extrem schwer zu erkennen sind.

Als das LIGO-Experiment im September 2015 zum ersten Mal Gravitationswellen beobachtete, war dies das Ergebnis einer großen Störung, die durch zwei Schwarze Löcher verursacht wurde, die in der Raumzeit verschmolzen.

Die Detektoren von LIGO sind so empfindlich, dass alle Vibrationen eliminiert werden müssen, von vorbeifahrenden Autos bis hin zu entfernten Wellen, die auf den Strand treffen.

Gravitationswellen sind nicht wichtig, weil sie Einsteins Theorie “beweisen” – wir haben bereits viele Beweise dafür – sondern weil sie uns eine neue Möglichkeit geben, das Universum zu studieren, weil sie auf ihre frühen Jahre zurückblicken, als selbst Licht nicht erreichen konnte.

Erklärt die Allgemeine Relativitätstheorie alles?
Mit ziemlicher Sicherheit nicht.

Die Allgemeine Relativitätstheorie ist sehr effektiv und macht keinen falschen Schritt, wenn es darum geht, Vorhersagen über das Verhalten von Alltagsgegenständen zu treffen, aber es gibt mehrere Situationen – insbesondere im Herzen eines Schwarzen Lochs oder bei der Definition des Universums vor dem Urknall – in denen die Theorie gebrochen wird.

Die Physik der ganz Kleinen wird durch die Quantenphysik mit beeindruckender Genauigkeit definiert, aber die Allgemeine Relativitätstheorie und die Quantentheorie sind unvereinbar. Alle anderen Naturkräfte werden “gemessen” – sie kommen in Stücken statt in stufenlos variablen Mengen.

Die Annahme ist, dass es möglich sein sollte, eine Quantengravitationstheorie zu entwickeln, die sie mit anderen Kräften in Einklang bringt und dennoch die gleichen Ergebnisse wie Einsteins Theorie für größere Objekte liefert.

Die besten Versuche sind jedoch die Stringtheorie / M-Theorie und die Schleifenquantengravitation, aber beide haben bisher keine verfügbaren Vorhersagen hervorgebracht.

Könnte die Schwerkraft

durch ein subatomares Teilchen verursacht werden? Eine Möglichkeit, wie die Quantentheorie die Übertragung einer Kraft wie des Elektromagnetismus darstellt, ist der Fluss von transportierenden Teilchen, die als “Bosonen” bezeichnet werden.

Im Falle des Elektromagnetismus ist das Teilchen Photon. Jedes Teilchen ist ein “Quantum” – ein Haufen quantitativer Phänomene.

Wenn die Schwerkraft ein Quanteneffekt ist, gehen wir davon aus, dass sie ein Graviton als Träger sein wird. Erwarten Sie jedoch nicht, dass dem Large Hadron Collider in absehbarer Zeit etwas passieren wird. Es ist so unwahrscheinlich, dass ein Graviton mit einem anderen Teilchen nachweisbar interagiert, dass es derzeit kein realistisch vorstellbares Experiment gibt, das eines nachweisen kann.

Gibt es so etwas wie eine Anziehungskraft?

Nicht so viel, wie wir wissen. Im Gegensatz zum Elektromagnetismus ist die Schwerkraft ein Einwegeffekt – sie zieht nur. Wir können die Schwerkraft mit anderen Kräften ausgleichen; Sie tun es jedes Mal, wenn etwas entdeckt wird.

Die gegenläufige Kraft sieht besonders beeindruckend aus, wenn es um unsichtbaren Elektromagnetismus geht – zum Beispiel, wenn etwas auf einem Magneten schwebt – aber es ist keine Anti-Schwerkraft.

Wir kennen auch keinen Weg, um uns vor der Schwerkraft zu schützen: Es geht durch alles. Wenn wir die Schwerkraft stoppen können, können wir eine kontinuierliche Bewegungsmaschine bauen und freie Energie erzeugen. Malen Sie die gleiche Seite jedes Schlägers eines Wasserrades mit dem Barrieremittel.

Die nackten Seiten der Paddel auf einer Seite des Rades werden der Erde zugewandt, so dass sie die Anziehungskraft spüren wird, während die Ruder auf der anderen Seite von der Schwerkraft gescannt werden. So wird nur eine Seite des Rades heruntergezogen und für immer gedreht.

Die einzige kleine Chance, Antigravitation zu entdecken, ist, dass die Antimaterie von gewöhnlicher Materie gravitativ besprüht werden kann.

Wissenschaftler am CERN werden bald genug Antimaterie haben, um es zu testen, aber die meisten Physiker denken, dass es sich wie normale Dinge verhalten wird.

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