Gravitation

Fundamentale Wechselwirkungen

Ursprünglich waren die elektrische und die magnetische Wechselwirkung getrennt, doch mit den 4 Maxwell Gleichungen gelang es diese beiden Wechselwirkungen zur elektromagnetischen Wechselwirkung zusammen zu fassen.

Heute beschreiben die 4 fundamentalen Wechselwirkungen, wie physikalische Objekte einander beeinflussen können. Bei den 4 Wechselwirkungen handelt es sich um die Gravitation, die starke und die schwache Wechselwirkung sowie um die elektromagnetische Wechselwirkung.

Zwischenzeitlich ist es im Rahmen des Standardmodells der Elementarteichen gelungen, die schwache und die elektromagnetische Wechselwirkung zur elektroschwachen Wechselwirkung zusammen zu fassen, sodass man eigentlich aktuell nur mehr von 3 fundamentalen Wechselwirkungen sprechen müsste.

Eine Sonderstellung hat der Higgs Mechanismus. Er hat zwar so wie die 4 Wechselwirkungen auch ein eigenes Quant als Austauschteilchen, nämlich das Higgs Boson und er hat auch ein eigenes Feld, nämlich das Higgs-Feld, da er aber durch die elektroschwache Theorie beschrieben wird, spricht man hier von einem Mechanismus und nicht von einer 5. Wechselwirkung.

Heute arbeiten die Wissenschaftler an der Grand Unified Theory (GUT) welche die elektroschwache mit der starken Wechselwirkung vereinheitlichen soll. Der nächste und letzte Schritt müsste auch noch die Gravitation mit der GUT verbinden, das wäre dann die sogenannte Theory of Everything (ToE), eine Theorie der Quantengravitation. Kandidaten dafür sind die Stringtheorie und die M-Theorie.

Wichtig ist zu verstehen, dass die physikalische Vereinheitlichung dieser Wechselwirkungen an Temperaturen jenseits von 10²⁸ K bzw. an Energien jenseits von 10¹⁶ GeV gebunden sind. Zum Vergleich, der LHC vom Cern erreicht gerade mal 1,3.10⁴ GeV und müßte somit noch eine Billion Mal energiereicher werden, um diese Temperaturen von unmittelbar nach dem Urknall zu simulieren.

Die fundamentalen Wechselwirkungen und der Higgs-Mechanismus

Ein Feld ist eine Energieform, die den Raum erfüllt. Felder können sich mit endlicher Geschwindigkeit ausbreiten, wobei ihre Dynamik durch Feldgleichungen beschrieben wird.

Unterscheidung der 5 Felder nach ihrem Rang:

• Skalarfeld (Tensor vom Rang 0)
  • Higgs Feld
     
• Vektorfelder (Tensor vom Rang 1)
  • Elektromagnetisches Feld
  • Feld der schwachen Wechselwirkung
  • Feld der starken Wechselwirkung
     
• Tensorfeld (Tensor vom Rang >1)
  • Gravitationsfeld

Die Austauschteilchen (Quanten) der 4 fundamentalen Wechselwirkungen und vom Higgs-Mechanismus

Unterscheidung der 5 Felder nach ihrem Wirkungsradius

Makrokosmos

• • Gravitation - Graviton (postuliert, nicht experiementell nachgewiesen)
  • elektromagnetische Wechselwirkung - Photon

Mikrokosmos

• • schwache Wechselwirkung - W⁺, W^- und Z⁰ Bosonen
  • starke Wechselwirkung - Gluonen
  • Higgs Mechanismus - Higgs Boson

Relativitätstheorien

Newtonsche Theorien

Die Newtonsche Mechanik berücksichtigt die Gravitation als eine Kraft wie jede andere Kraft. Die Gravitationskraft hängt von der Masse der beteiligten Objekte, dem Quadrat ihres Abstands und von einer Gravitationskonstante ab. Die Newtonsche Gravitation gilt nur für Geschwindigkeiten die sehr viel kleiner sind als die Lichtgeschwindigkeit. Die Lichtgeschwindigkeit wird bei Newton als „unendlich“ angesehen.

Spezielle Relativitätstheorie (SRT - 1905)

Ausgehend vom Experiment von Michelson und Morley, welches zeigte, dass das Licht - anders als Schall - kein Medium (namentlich den Lichtäther als bevorzugtes Bezugssystem) zu seiner Ausbreitung und zum damit verbundenen Energietransport benötigt, basiert die SRT auf dem Prinzip der Konstanz der (endlichen) Lichtgeschwindigkeit. Aus der rein theoretischen Betrachtung von gegeneinander mit konstanter Geschwindigkeit bewegter Bezugssysteme, leiten sich Phänomene wie die Längenkontraktion und die Zeitdilation ab, die erst Jahrzehnte später experimentell bewiesen werden konnten. In der SRT sind Ort, Zeit und Geschwindigkeit relativ, nur die Beschleunigung und die Lichtgeschwindigkeit sind absolut. Auf Grund des späten experimentellen Nachweises hat Einstein auch nie einen Nobelpreis für die Relativitätstheorien erhalten! Weiters wurde im Rahmen der SRT die Äquivalenz von Energie und Masse gemäß \(E = m \cdot {c^2}\) hergeleitet.

Allgemeine Relativitätstheorie (ART - 1915)

Beinhaltet vollständig die SRT und geht weit darüber hinaus und zwar durch die Betrachtung von gegeneinander beschleunigten Bezugssysteme und der Einbeziehung der Gravitation unter relativistischen Gesichtspunkten. Betrachtet wird die 4-dimensionale Raumzeit (x,y,z und t). Masse krümmt alle 4 Dimensionen der Raumzeit. Körper sowie Lichtstrahlen bewegen sich entlang von Geodäten, die den kürzesten Weg in dieser gekrümmten Raumzeit darstellen. Die Formeln der ART basieren mathematisch auf Tensoren. In der ART sind Ort, Zeit, Geschwindigkeit und Beschleunigung relativ, nur die Lichtgeschwindigkeit ist endlich und absolut. Die Gültigkeit der ART wurde durch die Lichtablenkung von Sternenlicht durch die Sonne nachgewiesen, durch die Laufzeitverzögerung von Radarsignalen, durch die Frequenzänderung von Licht zufolge des Gravitationsfeldes der Erde, durch den Nachweis von Gravitationswellen, die durch den Zusammenprall von schwarzen Löchern entstanden sind und die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten.

Grundidee der Allgemeinen Relativitätstheorie

Körper und Lichtstrahlen bewegen sich entlang von Geodäten in einer gekrümmten Raumzeit.  Einstein beschreibt die Gravitation nicht mehr als Kraft (wie bei Newton), sondern als geometrische Eigenschaft von Raum und Zeit. Materie, die keiner Kraft ausgesetzt ist, bewegt sich durch die Raumzeit entlang von Geodäten. Die Bewegung entlang der Geodäten nehmen wir als Gravitation wahr.

Die Beschreibung der Raumzeitkrümmung baut auf folgenden Prinzipien auf

• Starkes Äquivalenzprinzip, demzufolge „träge Masse“ und „schwere Masse“ äquivalent sind bzw. es keinen Unterschied zwischen Schwerkraft und Kräften zufolge von Beschleunigung gibt
• Kovarianzprinzip, demzufolge in allen Bezugssystemen dieselben physikalischen Gesetze gelten. Die Anwesenheit von Materie oder Energie verursacht eine Krümmung der Raumzeit. Raum, Zeit und Materie sind untrennbar mit einander verbunden.

Die ART gilt als grundsätzlich richtige aber unvollständige Theorie, ähnlich wie man Newtons Theorien als grundsätzlich richtig aber doch nur ein Spezialfall der SRT bzw. ART verstehen kann.

Unvollständigkeit der ART

Sosehr sich die Allgemeine Relativitätstheorie ART auch bewährt, so versagt sie doch an zwei wichtigen Stellen.

Einerseits an den beiden Krümmungssingularitäten der Astronomie, weil sie dort keine Verknüpfung zwischen Energie bzw. Masse und der Krümmung der Raumzeit machen kann:

1. Raumzeit-Singularität: Im Zentrum eines schwarzen Lochs
2. Urknall-Singularität: Im unendlich kleinen Universum zum Zeitpunkt des Urknalls

Hier treten mathematisch nicht definierte Zustände (Division durch Null) auf und führen zu den beiden genannten Singularitäten. 

Andererseits ist es bis heute noch nicht gelungen, die ART in Einklang mit der Quantenphysik zu bringen und eine Theorie der Quantengravitation zu schaffen.

1960 wurde Stephen Hawking berühmt für den Beweis der notwendigen Existenz von Singularitäten in der ART, und dass die ART daher unvollständig ist und in irgend einer Weise nachgebessert werden muss. Seit 1970 beschäftigte sich Stephen Hawking damit, diese Unzulänglichkeiten der ART durch eine Quantentheorie der Gravitation, also einer Quantisierung der Gravitation, die ohne Singularitäten auskommt, zu beheben.

Gravitation

Die Gravitation wird in der Allgemeinen Relativitätstheorie erfolgreich beschrieben. Um auch die Quantentheorie einzubetten müsste man zunächst noch das Graviton als postuliertes Quant der Gravitation nachweisen und eine Theorie der Quantengravitation entwickeln. 

Masse (gemäß Newton und Einstein)

Masse ist eine inhärente Eigenschaft eines Teilchens, wobei es aber auch masselose Teilchen gibt, die sich dann aber mit Lichtgeschwindigkeit bewegen müssen. Beschrieben wird sie in der Allgemeinen Relativitätstheorie

Masse (gemäß Higgs)

Masse ist keine Eigenschaft eines Teilchens, sonder das Resultat der elektroschwachen Wechselwirkung zwischen dem Teilchen über ein Higgs-Boson mit dem Higgs-Feld. Beschrieben wird sie im Standardmodell der Elementarteilchen, welches eine Quantentheorie ist.

Theorie der Quantengravitation

Obwohl das Graviton als Quant der Gravitation noch nicht nachgewiesen werden konnte, kann man sagen, dass es die Ruhemasse Null und den Spin = 2 haben muss. Versuche die Gravitation in die Quantentheorie einzubinden bedienen sich einer Supersymmetrie und erweitern die 4-dimensionale Raumzeit Einsteins auf 10 Dimensionen, wobei die 6 zusätzlichen Dimensionen klein und spiralförmig aufgewickelt und somit nicht experimentell erfassbar sind. Eventuell können mit Hilfe der Theorie der Quantengravitation so auch die rätselhafte Dunkle Energie und die Dunkle Materie erklärt werden.

Gravitation

Anziehungskraft gemäß Newton

Die Anziehungskraft zwischen 2 Körpern ist direkt proportional zu ihren Massen m1 und m2 und indirekt proportional zum Quadrat ihres Abstands. Die Gravitationskraft wirkt immer so, dass sich die beiden Massen anziehen. D.h. Massen können sich nicht abstossen, was elektrische Ladungen, mittels der Coulomb‘schen Kraft, sehr wohl können.

\(\overrightarrow F = \overrightarrow G \dfrac{{{m_1} \cdot {m_2}}}{{{r^2}}}\)

\({\text{Einheit}} = kg \cdot \dfrac{m}{{{s^2}}}\)

Gravitationskonstante

Die – sehr kleine – Gravitationskonstante bestimmt, wie groß die Kräfte sind, mit der sich Massen gegenseitig anziehen. Sie ist eine Naturkonstante.

\(G = 6,67 \cdot {10^{ - 11}}\dfrac{{N{m^2}}}{{k{g^2}}}\)

Gravitation gemäß Einstein

Die allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass Masse und Energie den Raum krümmen und über diese Raumkrümmung die Bewegung anderer Massen beeinflussen. Zufolge starker Beschleunigung zweier Massen, wie sie beim Zusammenstoß zweier Schwarzer Löcher auftreten, beginnt die Raumkrümmung zu vibrieren und sogenannte Gravitationswellen entstehen.

Die Gravitationskraft entzieht sich bis heute einer Beschreibung in der Quantenfeldtheorie. Ein Austauschteilchen, das postulierte (!) Graviton, das die Schwerkraft vermitteln würde, ist noch nicht gefunden worden. Es scheint auch kein Anti-Teilchen zum Graviton zu geben. Auch scheint es möglich, dass die Gravitation keinen (!) „kleinsten“ Wert annehmen, also beliebig klein werden kann und daher nicht quantisierbar ist. Gravitationen addieren sich grundsätzlich immer, umgekehrt ausgedrückt: Sie kompensieren sich nie gegenseitig.

Neue Erkenntnisse zur dunklen Energie stellen obige Grundsätze durchaus in Frage.

Gravitationswellen

Die Allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass Massen und Energien den Raum krümmen und über diese Raumkrümmung die Bewegung anderer Massen beeinflussen. Alle beschleunigten Massen sind Quellen von Gravitationswellen indem sie die Raumzeit stauchen und strecken. Sie sind eine Verzerrung der Geometrie des Raumes mit einer Amplitude kleiner als der Durchmesser eines Atomkerns.

Vor der Allgemeinen Relativitätstheorie ging man davon aus, dass die Anziehungskraft zwischen 2 Massen ohne jedem Zeitverzug, also unendlich schnell, wirkt, gleichgültig wie weit die Massen von einander entfernt sind. Die von der ART vorausgesagten Gravitationswellen krümmen, bzw. bringen die Raumzeit hingegen lediglich mit Lichtgeschwindigkeit zum Schwingen.

Zufolge der starken Beschleunigung zweier extremer Massen, wie sie beim Zusammenstoß zweier Schwarzer Löcher auftreten, beginnt die Raumzeitkrümmung für Sekunden so stark zu vibrieren, dass man die entstehenden und sich mit Lichtgeschwindigkeit im Universum ausbreitenden Gravitationswellen noch auf der Erde nachweisen kann.

Im Februar 2016 wurde der Nachweis der Gravitationswellen am LIGO durch die Lasermessungen von im rechten Winkel angeordneten Strecken nachgewiesen. Davor konnte die Existenz von Gravitationswellen durch den Energieverlust zufolge der Wellenabstrahlung und die damit verbundene Verkürzung der Umlaufzeit rotierender Neutronensterne nachgewiesen werden.