Lexikon: Gravitation

 

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Die Gravitation bezeichnet das Phänomen der gegenseitigen Anziehung von Masse (Physik)|Massen. Sie ist die Ursache der irdischen Schwerkraft oder Erdanziehung, die die Erde auf massive Objekte ausübt. Sie bewirkt damit beispielsweise, dass Gegenstände zu Boden Freier Fall|fallen. Auch die Bahn der Erde und der anderen Planeten um die wird durch die Gravitation bestimmt, die die Ursache der Schwerkräfte der beteiligten Himmelskörper darstellt.

Einführung

Die Gravitation wurde erstmals von dem britischen und Mathematiker Isaac Newton Mathematik|mathematisch beschrieben. Das von ihm formulierte newtonsche Gravitationsgesetz war die erste Physik|physikalische Theorie, die sich in der anwenden ließ. Es bestätigt die bereits zuvor entdeckten Keplersche Gesetze|Keplerschen Gesetze der Planetenbewegung und damit ein grundlegendes Verständnis der Dynamik des Sonnensystems mit der Möglichkeit präziser Vorhersagen bezüglich der Bewegung von Planeten, Monden und en.

In der 1916 von Albert Einstein aufgestellten Allgemeine Relativitätstheorie|allgemeinen Relativitätstheorie wird die Gravitation auf eine Krümmung der Raumzeit zurück geführt, die unter anderem durch die beteiligten Massen provoziert wird. Das newtonsche Gravitationsgesetz ergibt sich dabei als nichtrelativistischer Grenzfall für die Situation hinreichend schwacher Raumzeitkrümmung, wie sie beispielsweise in unserem Planetensystem herrscht. Die korrekte Beschreibung von Neutronensternen und Schwarzes Loch|Schwarzen Löchern oder die Erklärung der Periheldrehung des Merkur (Planet)|Merkur sind aber der allgemeinen Relativitätstheorie vorbehalten.

Die Gravitation ist die schwächste der vier bekannten Grundkräfte der Physik. Aufgrund ihrer unbegrenzten Reichweite und des Umstandes, dass sie sich nicht abschirmen lässt, ist sie dennoch die Kraft, die die großräumigen Strukturen des Kosmos prägt. Sie spielt daher in der eine entscheidende Rolle.

Das newtonsche Gravitationsgesetz

Das newtonsche Gravitationsgesetz besagt, dass die Gravitationskraft F, mit der sich zwei Massen m_1 und m_2 anziehen, proportional zu den Massen beider Körper, der Gravitationskonstanten G und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes r der Massenschwerpunkte ist:

F = G\,\frac{m_1 m_2}{r^2}

wobei

G = (6,6742\pm 0,0010) \cdot 10^{-11}\;\mathrm{\frac{m^3}{kg\,s^2}}.

Danach ist die Gravitationskraft eine Wechselwirkung, die auch wie im Falle der Anziehung zwischen Erde und durch das wirkt. Man bezeichnet sie als Fernwirkungskraft, die sich mittels Kraftfeldern beschreiben lässt. Im Rahmen der newtonschen Physik wird dabei angenommen, dass sich Veränderungen des Feldes durch Bewegungen der Massen instantan im Raum ausbreiten.

Aus dem newtonschen Gravitationsgesetz folgt, dass die Gravitation an einem Punkt einer sphärisch symmetrischen (kugelförmigen) Massenverteilung im Abstand r von ihrem Schwerpunkt stets so groß wie die Gravitation einer Punktmasse in diesem Schwerpunkt ist, deren Masse gerade der Teil der Gesamtmasse entspricht, der sich innerhalb der Kugel mit dem Radius r befindet. Innerhalb einer homogenen Kugel bedeutet das, dass die Gravitationskraft proportional zum Abstand vom Mittelpunkt ist. Die Gravitation einer homogenen Kugel im Vakuum ist daher an ihrer Oberfläche am größten. Das gilt auch für die Erde.

Allgemeine Relativitätstheorie

In der Allgemeine Relativitätstheorie|Relativitätstheorie werden Raum und Zeit als Einheit beschrieben, die als Raumzeit bezeichnet wird. Diese Raumzeit wird lokal durch die Anwesenheit von Massen gekrümmt. Ein Gegenstand, auf den keinerlei Kraft ausgeübt wird, bewegt sich zwischen zwei Punkten der Raumzeit stets entlang des geradlinigsten Weges, einer so genannten Geodäte. Die Gravitation lässt sich auf diese Weise auf ein geometrisches Phänomen in einer gekrümmten Raumzeit zurückführen. In diesem Sinne reduziert die allgemeine Relativitätstheorie die Gravitationskraft auf den Status einer Scheinkraft.

In der Relativitätstheorie wird die Gravitation zwischen zwei Massen damit über die lokale Krümmung der Raumzeit vermittelt, wobei sich Änderungen nur mit ausbreiten können. Die Gravitation hat daher den Status einer Nahwirkungskraft.

Gravitation und Quantentheorie

Falls die Gravitation durch eine Quantenfeldtheorie beschreibbar ist (Quantengravitation), sollte das Graviton, ein bislang noch nicht nachgewiesenes, hypothetisches Teilchen, existieren. Das Graviton hätte dann eine dem Photon der Elektromagnetische Wechselwirkung|elektromagnetischen Wechselwirkung analoge Rolle.

Literatur

  • Charles W. Misner, Kip S. Thorne, John Archibald Wheeler, Gravitation, Freeman, 23rd Printing 2000, ISBN 0-7167-0344-0 (englisches Standardwerk für Physiker)
  • Claus Kiefer:Gravitation, Fischer kompakt, 2002; ISBN 3-596-15357-3

Siehe auch

  • Gewicht
  • Träge Masse
  • Wurfparabel
  • Gravitationsfeld
  • Schwerelosigkeit
  • Gravitationswelle
  • Einsteinsche Feldgleichungen
  • Fallbeschleunigung
  • Erdbeschleunigung
  • Ortsfaktor
  • Erdmessung
  • Physikalische Konstanten
  • Beschleunigung
  • Oberflächenbeschleunigung

Weblinks

Kategorie:Gravitation Kategorie:Himmelsmechanik Kategorie:Allgemeine Relativitätstheorie

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