Gravitation 1 EINLEITUNG
Gravitation, physikalischer Begriff für die gegenseitige Anziehung von Massen. Die Bezeichnung Schwerkraft wird manchmal gleichbedeutend verwendet, bezieht sich aber eigentlich nur auf die Gravitationskraft zwischen der Erde und Körpern auf ihr oder in ihrer Nähe. Die Gravitation ist eine der vier Grundkräfte, die die Wechselwirkungen von Materie bestimmen; die anderen drei Grundkräfte sind die starke Wechselwirkung, die die Kräfte zwischen den Bausteinen des Atomkernes beschreibt, die schwache Wechselwirkung, die beispielsweise für den Betazerfall verantwortlich ist, und die elektromagnetische Wechselwirkung, der alle elektrisch geladenen Teilchen und Photonen unterliegen (siehe Physik). Versuche, diese Kräfte in einer Einheitstheorie zusammenzufassen, sind bisher noch nicht in vollem Umfang gelungen (siehe einheitliche Feldtheorie). Ähnliches gilt für die Versuche, Gravitationswellen nachzuweisen. Diese sollten sich nach der Relativitätstheorie beobachten lassen, wenn das Gravitationsfeld eines sehr schweren Objekts im Universum gestört wird. Die möglichen Effekte scheinen jedoch unterhalb der derzeitigen Messgrenze zu liegen, oder mit anderen Worten ausgedrückt: diese Effekte lassen sich selbst mit modernsten Messgeräten noch nicht erfassen (um diese Effekte zu messen bräuchte man noch empfindlichere Apparaturen). Auch bei der Gravitation ließen sich experimentell Quanteneffekte nachweisen. 2 NEWTON'SCHES GRAVITATIONSGESETZ Das Newton'sche Gravitationsgesetz, benannt nach dem englischen Physiker Sir Isaac Newton, besagt, dass die gravitationsbedingte Anziehung zwischen zwei Körpern direkt proportional (verhältnisgleich) ist zum Produkt der Massen der beiden Körper und indirekt proportional zum Quadrat ihrer Entfernung. Als algebraische Formel lautet das Gesetz
wobei F die Gravitationskraft ist, m1 und m2 die Massen der beiden Körper, d die Entfernung zwischen den Körpern und G die Gravitationskonstante. Der Wert dieser Konstante wurde erstmals von dem britischen Physiker Henry Cavendish 1798 mit Hilfe einer Drehwaage gemessen. Der zurzeit genaueste Wert dieser Konstante liegt bei 0,0000000000667 Newton Quadratmeter pro Kilogramm zum Quadrat (6,67×10-11 Nm2 kg-2). Die Gravitationskraft zwischen zwei kugelförmigen Körpern von je 1 Kilogramm Masse, deren Mittelpunkte 1 Meter voneinander entfernt sind, beträgt 0,0000000000667 Newton. Es handelt sich also um eine sehr kleine Kraft, die dem Gewicht eines Objekts mit der Masse von ungefähr 1/150 000 000 000 Kilogramm auf der Erde entspricht. Das Newton'sche Gravitationsgesetz ist vor allem für die Himmelsmechanik sehr wichtig geworden.
3 ROTATIONSEFFEKT
Die gemessene Schwerkraft, die auf einen Körper einwirkt, ist nicht an allen Stellen der Erdoberfläche gleich. Der Grund hierfür ist hauptsächlich die Rotation der Erde. Die gemessene Schwerkraft ist die Resultierende aus der Gravitationskraft, die aufgrund der Erdanziehung auf den Körper einwirkt, und aus der ihr entgegengesetzten Zentrifugalkraft, die aufgrund der Erdrotation auf den Körper einwirkt (siehe Zentrifugalkraft). Am Äquator ist die Zentrifugalkraft relativ groß, wodurch die gemessene Gravitationskraft relativ klein ist; an den Polen ist die gemessene Zentrifugalkraft gleich Null, wodurch die gemessene Gravitationskraft relativ groß ist.
4 BESCHLEUNIGUNG
Schwerkraft wird gewöhnlich in Form der Beschleunigung gemessen, die die Kraft einem Körper auf der Erde verleiht. Am Äquator beträgt die Erdbeschleunigung 977,99 Zentimeter pro Sekunde zum Quadrat, an den Polen ist sie über 983 Zentimeter pro Sekunde zum Quadrat groß. Der internationale Einheitswert für die Erdbeschleunigung beträgt 980,665 Zentimeter pro Sekunde zum Quadrat. So erhöht bei Nichtbeachtung des Luftwiderstands ein frei fallender Körper mit jeder Sekunde des Falles, seine Geschwindigkeit um 980,665 Zentimeter pro Sekunde. Die offensichtliche Abwesenheit von gravitationsbedingter Anziehung auf Raumflügen wird als Schwerelosigkeit oder Mikroschwerkraft bezeichnet. Siehe Weltraumforschung; Mechanik; Umlaufbahn.
5 RELATIVISTISCHE BETRACHTUNGSWEISE An dieser Stelle sei angemerkt, dass das Newton'sche Gravitationsgesetz ein Sonderfall der relativistischen Vorstellung nach Einstein (siehe Relativitätstheorie: Allgemeine Relativitätstheorie) ist. Newtons Gesetz gilt demnach nur im Fall von schwachen Gravitationsfeldern und im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit kleinen Relativgeschwindigkeiten zwischen den betrachteten Körpern.
Unter zu Hilfenahme des Begriffes "physikalisches Feld" ist Gravitation praktisch die Auswirkung von Gravitationsfeldern. Jeder Körper ist von einem Gravitationsfeld umgeben, wobei jedes Feld auf einen anderen Körper einwirken kann. Nach der klassischen Vorstellung ist das Gravitationsfeld also eine Erscheinung des Raumes (nach Newton sogar des so genannten absoluten Raumes).
Gerade dies ist nach der Einstein'schen Vorstellung nicht der Fall. Nach der allgemeinen Relativitätstheorie sind Gravitationskräfte die Ursache für eine durch Masseverteilung bestimmte Krümmung des Raumes. Folglich ist ein Gravitationsfeld nicht eine Erscheinung, sondern eine Veränderung des Raumes selbst. Den experimentellen Beleg für diese Theorie fand man durch die Lichtablenkung in starken Gravitationsfeldern (siehe Gravitationslinse).