R: Guten Morgen!
A: Guten Morgen, du bist endlich wach, es ist fast Mittag, ich nehme an, du hast gut ausgeschlafen!
R: Ja, kann ich einen Kaffee haben, bitte?
A: Ich habe schon daran gedacht, ich stelle die Kaffeekanne auf den Tisch.
R: Hast du die Waage gekauft?
A: Ja, ich habe eine digitale Waage gekauft. Der Verkäufer meinte, dass diese Waage genau wiegt. Du kannst dich auf die Waage stellen und erfahren, wie schwer du bist!
R: Also gut, ich stelle mich auf die Waage und bringe 80 kg auf die Waage.
A: Dank der Schwerkraft der Erde, nämlich der Gravitation wiegst du 80 kg. Wie schmeckt dir der Kaffee?
R: Der Kaffee schmeckt anders!
A: Ich habe den Kaffee mit dem Zimt gemischt.
R: Er gefällt mir, ich habe eine Frage?
A: Was ist deine Frage?
R: Was sind Gewicht und Masse?
A: Das sind doch zwei Fragen. Nun, die Masse eines Gegenstandes hängt fast vollständig davon ab, wie viele Protonen und Neutronen seine Atome insgesamt enthalten. Das Gewicht eines Körpers ist die Kraft, mit der diese Kraft zu einem anderen wie etwa der Erde hingezogen wird. Gewicht entsteht, weil die Schwerkraft an der Masse zieht. Die Masse ist ein Mass dafür, wie viel Materie in einem Gegenstand ist. Das Gewicht ist ein Mass dafür, wie stark die Schwerkraft an dem Gegenstand zieht. Deine Masse ist überall die Gleiche, ob du auf der Erde, oder auf dem Mond bist, oder im Weltall schwebst. Die Menge des „Stoffs“, aus dem du gemacht worden bist, ändert sich nicht. Dein Gewicht hingegen hängt davon ab, wie stark die Schwerkraft in jedem Moment auf dich wirkt. In einer Raumstation bist du schwerlos, dennoch bist du alles anders als von Masse los. Wenn man von der Masse eines Objekts spricht, spricht man immer von der gleichen Grösse. Wenn man von dem Gewicht eines Objektes spricht, spricht man davon, wo sich ihre Atome befinden. Das heisst; wenn du auf der Erde 100 kg schwer bist, dann bist du auf dem Mond 16.5 kg schwer, auf dem Mars 38 kg schwer und im Welltraum, in der Schwerlosigkeit spürst du kein Gewicht.
R: Ich habe den Kaffee ausgetrunken, er war gut. Ich werde nochmals Kaffee kochen, möchtest du auch?
A: Ja, gern!
R: Was ist die Gravitation?
A: Gravitation gehört zu den vier Naturkräften, die das Universum antreiben. Die Gravitation ist die schwächste der vier Naturkräfte. Sie sorgt für die Anziehung zwischen Objekten mit Masse. Im 17. Jahrhundert hatte Isaac Newton das Gravitationsgesetz gefunden sowie entdeckt. Nach dem Newtonschen Gravitationsgesetz zieht jedes Objekt im Universum jedes andere Objekt mit einer seiner Masse proportionalen Kraft, an. Dem Gesetz zufolge ergibt sich die Stärke der Gravitationsanziehung ausschliesslich aus der Masse eines Objektes. Je grösser die Masse, desto grösser ist auch die Anziehungskraft des Objekts. Dabei kann es sich um alles handeln: Die Erde und einen Ball, die Sonne und Jupiter, ein Basket- und Fussball. Auf der Erde nehmen wir die Gravitation als die Kraft, die unsere Füsse auf dem Boden hält, wahr. Die Gravitation sorgt für die Beschleunigung, die einen geworfenen Ball zur Erde zurückbringt. Je massiver ein Objekt ist, desto grösser ist seine Anziehungskraft. Newtons Bewegungsgesetze sind die klassischen physikalischen Gesetze, mit denen Wissenschaftler jahrhundertlang mechanische Bewegungen berechneten, auch die von der Gravitation verursachten. Newtons Gesetze sind grossartig, sie erlauben den Wissenschaftlern, Aussagen über Bewegungen zu machen, die spektakulär gut funktionieren – gut genug, um Menschen auf den Mond zu schicken und Satelliten in die Umlaufbahn, gut genug, um die schnellen Züge in den Gleisen zu halten, wenn sie durch Kurven fahren. Schliesslich kann wohl gesagt werden, dass die Gravitation zwischen allen Dingen wirkt. Sie herrscht auch zwischen dir und mir, ist aber in diesem Fall so schwach, dass wir sie nicht bemerken. Das ändert sich, wenn ein Körper sehr gross ist. Die Erde ist gross, deshalb spüren wir ihre Anziehung und wenn wir etwas fallen lassen, fällt es „nach unten“ – das heisst, in Richtung Erdmittelpunkt. Wenn du dein Fahrrad an einer roten Ampel abbremst, erkennst du schnell, dass die Gravitation destabilisierend wirken kann; du kippst unvermeidlich zur Seite und musst deinen Fuss auf den Asphalt setzen, um nicht herunterzufallen.
R: Kaffee ist bereit, ich stelle die Kaffeekanne auf den Tisch und schenke dir eine Tasse gefüllt mit dem frischen Kaffee ein. Milch und Zucker stehen auf dem Tisch. Erzähle weiter!
A: Danke für den Kaffee. Im 19. Jahrhundert präsentierte Einstein seine berühmte Formel. Er zeigte, dass Materie und Energie vereinigt sind und sich folglich ineinander verwandeln können. Wenn ein Objekt umso massereicher wird, je rascher es sich bewegt, dann folgt daraus, dass die Bewegungsenergie in Materie verwandelt wird. Auch umgekehrt wird ein Schuh daraus: Materie lässt sich in Energie umwandeln. Einstein berechnete, wie viel Energie in Materie verwandelt wird. Nach seiner Gleichung wird m und zwar eine winzige Materiemenge mit einer riesigen Zahl nämlich dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit multipliziert, wenn sie sich in Energie E verwandelt. Damit offenbarte sich die rätselhafte Energiequelle der Sterne als die Umwandlung von Materie in Energie gemäss dieser Gleichung, ein Prozess, der das Universum erhellt. Der Kaffee schmeckt mir.
R: Wunderbar, der Kaffee hat dir geschmeckt. Ich habe noch eine Frage!
A: Was ist deine Frage?
R: Was ist Raumzeit?
A: Raumzeit ist ein Konzept, das Raum und Zeit zu einem einzigen Bezugssystem vereinheitlicht. Einsteins Arbeit brachte die Physiker zu der Erkenntnis, dass sich die Zeit nicht mehr unabhängig von den drei Dimensionen des Raums behandeln lässt. Vielmehr sind Zeit und Raum miteinander verflochten. Zu den üblich Richtungen rechts/links, vorwärts/rückwärts und aufwärts/abwärts wird gewissermassen eine vierte – in die Zukunft/in die Vergangenheit – hinzugefügt. In der Physik bezeichnet man diese Vereinigung von Raum und Zeit als „Raumzeit“ und – da die Raumzeit eine vierte Richtung einführt – die Zeit als die vierte Dimension. In der Raumzeit ist die Zeit nicht mehr von den drei räumlichen Dimensionen getrennt. Einstein zufolge ist die Raumzeit wie ein Gewebe, das sich krümmen und dehnen lässt. Materie und Energie krümmen die Raumzeit und diese Krümmung führt zur Gravitation. Laut Einstein ist die Gravitation die Krümmung, die Verzerrung des Raumzeitgefüges. Das heisst: Jede Verteilung von Materie oder Energie krümmt und verzerrt die Raumzeit. Gekrümmte Bahnen in der Raumzeit bestimmen die gravitationsbedingte Bewegung, und Materie wie Energie des Universums bringen die Raumzeit dazu, sich auszudehnen, zu kräuseln oder zusammenzuziehen.
R: Ich kann dir nicht folgen, kannst du ein Beispiel zeigen?
A: Stell dir vor, wir legen eine Bowlingkugel auf ein Bett. Leicht sinkt sie in die Matratze ein. Lassen wir jetzt eine Murmel über die verformte Oberfläche der Matratze rollen. Sie wird eine gekrümmte Bahn beschreiben und die Bowlingkugel umkreisen. Ein Jünger Newtons, der sieht, wie die Murmel die Bowlingkugel in einigem Abstand umkreist, könnte zu dem Schluss gelangen, dass die Bowlingkugel eine rätselhafte Kraft auf die Murmel ausübt. Von der Bowlingkugel gehe eine instantane Anziehungskraft aus, welche die Murmel zum Zentrum zieht. Für den Relativitätstheoretiker, der die Bewegung der Murmel auf dem Bett aus der Nähe betrachten kann, ist offenkundig, dass dort überhaupt keine Kraft wirkt. Es gibt nur die Verformung des Bettes, welche die Murmel zwingt, sich in gekrümmter Linie fortzubewegen. Für den Relativitätstheoretiker gibt es keine Anziehungskraft, sondern nur den Anstoss, den das gekrümmte Bett auf die Murmel ausübt. Wenn wir die Murmel durch die Erde, die Bowlingkugel durch die Sonne und das Bett durch die leere Raumzeit ersetzen, erkennen wir, dass die Erde sich nicht um die Sonne bewegt, weil diese eine Gravitationsanziehung ausübt, sondern weil die Sonne die Raumzeit um die Erde verformt und so eine Anstoss schafft, der die Erde zwingt, sich im Kreis zu bewegen. Und so gelangte Einstein zu der Überzeugung, dass die Gravitation eher ein Gewebe – eine Struktur – ist, als eine unsichtbare Kraft, die sich instantan im Universum ausbereitet. Wenn man dieses Gewebe schüttelt, bilden sich Wellen, die sich mit bestimmter Geschwindigkeit über die Oberfläche ausbereiten. Gravitation bedeutet, dass sich die Struktur der Raumzeit selbst verformt.
R: Würdest du bitte noch ein anderes Beispiel machen?
A: Stellst du dir vor, eine Ameise versucht, über ein verknülltes Stück Papier zu wandern. Sie wird sich wie ein betrunkener Matrose vorwärts bewegen, mal nach rechts und mal nach links taumeln, während sie versucht, das von Falten und Schluchten durchzogene Gelände zu bewältigen. Die Ameise würde behaupten, sie sei nicht betrunken, vielmehr wirkt eine rätselhafte Kraft auf sie ein, die sie mal nach links und mal nach rechts reisse. Für die Ameise ist der leere Raum voll geheimnisvoller Kräfte, die sie daran hindern, geradeaus zu gehen. Betrachten wir die Ameise hingegen aus kurzer Distanz, erkennen wir, dass wirklich keine Kräfte auf sie einwirken. Sie wird von den Falten in dem zerknüllten Stück Papier gestossen. Die Kräfte, die auf die Ameise einwirken, sind eine Täuschung, die durch die Verformung des Raums hervorgerufen wird. Die „Anziehungskraft“ ist in Wahrheit der „Anstoss“, der hervorgerufen wird, wenn sie über eine Falte im Papier geht. Mit anderen Worten, nicht die Gravitation zieht, sondern der Raum stösst. 1915 war Einstein endlich in der Lage, die allgemeine Relativitätstheorie, wie er sie nannte, abzuschliessen. In diesem verblüffenden neuen Weltbild ist die Gravitation keine unabhängige Kraft, die das Universum füllt, sondern die Auswirkung einer Verformung der Raumzeitstruktur. Nach seiner brillanten neuen Theorie wird die Krümmung vom Raum und Zeit durch die in ihr enthaltene Menge von Materie und Energie bestimmt. Stell dir vor, du wirfst einen Stein in einen Teich, und es bilden sich rund um den Einschlag eine Reihe kleiner Wellen. Je grösser der Stein, desto stärker auch die Verformung die Teichoberfläche. Entsprechend gilt: Je grösser der Stern, desto stärker die Krümmung der Raumzeit in der Umgebung des Sterns. Materie und Energie krümmen die Raumzeit, und diese Krümmung führt zu Gravitation. Dank der allgemeinen Relativitätstheorie wissen die Forscher, dass sich erst die Raumzeit deformieren muss, ehe die Gravitation wirken kann.
R: Möchtest du noch einen frischen Kaffee?
A: Sehr gerne, nun, stellst du dir eine Murmel vor, die über einen langen Metalltisch rollt. Da die Oberfläche des Tisches glatt ist, rollt die Murmel entlang einer gerade Linie. Wenn der Tisch anschliessend aber von Flammen ergriffen wird, so dass die Tischplatte sich ausbeult und wölbt, nimmt die rollende Murmel danach einen anderen Weg, denn sie wird von der verborgenen Oberfläche abgelenkt. Ein ähnlicher Gedanke gilt auch für die Struktur des Raumes. Ein völlig leerer Raum ähnelt einem flachen Tisch, auf dem Gegenstände ungehindert entlang gerader Linien rollen können. Grosse Körper jedoch haben Einfluss auf die Form des Raumes, ähnlich wie die Hitze, die sich auf die Form der Tischplatte auswirkt. Die Sonne beispielweise lässt in ihrer Nachbarschaft eine Beule entstehen, ähnlich einer Metallblase, die sich auf dem heissen Tisch aufwölbt. Und wie die verbogene Tischoberfläche eine Murmel auf einen gebogenen Weg lenkt, lenkt so auch der Raum, der in der Umgebung der Sonne gekrümmt ist, die Erde und andere Planeten in ihre Umlaufbahnen.
R: Der Kaffee ist bereit, ich stelle die Kaffeekanne auf den Tisch, bediene dich!
A: Danke, diese kurze Beschreibung geht über wichtige Einzelheiten hinweg. Nicht nur der Raum ist verzerrt, sondern auch die Zeit – daher redet man auch von Rauzeitkrümmung; die Gravitation der Erde selbst verschafft der Tischfläche erst ihren Einfluss, weil sie die Murmel an die Oberfläche drückt (Einstein behauptet, die Krümmung von Raum und Zeit brachte keine derartige Hilfestellung, weil sie selbst die Gravitation ist); der Raum ist dreidimensional und krümmt sich demnach ganz um einen Gegenstand herum und nicht nur „unter“ ihm, wie man aufgrund des Vergleichs mit dem Tisch vermuten könnte. Dennoch fängt das Bild vom verbeulten Tisch einen wesentlichen Aspekt von Einstein Gedanken ein. Zuvor hielt man die Gravitation für eine rätselhafte Kraft, die ein Körper auf irgendeine Weise durch den leeren Raum auf einen anderen Körper ausübt. Nach Einstein erkannte man, dass Gravitation eine Verzerrung der Umgebung ist, die von einem Objekt verursacht wird und die Bewegung anderer Objekte beeinflusst. Gerade jetzt bist du diesen Ideen zufolge fest auf dem Fussboden verankert, weil dein Körper in eine Einbuchtung des Raumes (eigentlich: der Raumzeit) hinuntergleiten will, die von der Erde verursacht wird.
R: Einen gekrümmten Raum kann ich mir leichter vorstellen als die gekrümmte Zeit!
A: Du hast recht, die Vorstellung einer gekrümmten Zeit ist dornig. Für den Löwenanteil der Gravitation, die von bekannten Objekten wie Erde und Sonne ausgeübt wird, ist aber nicht die Krümmung des Raumes, sondern die Verzerrung der Zeit verantwortlich. Zur Verdeutlichung kann man sich zwei Uhren vorstellen, von denen eine auf dem Erdboden steht, die andere auf dem höchsten Berg der Erde, nämlich dem Mount Everest. Da die Uhr am Boden dem Erdmittelpunkt näher ist, ist sie einer geringfügig stärkeren Gravitation ausgesetzt als die Uhr hoch über Everest. Wie man mithilfe der Allgemeinen Relativitätstheorie zeigen kann, vergeht die Zeit deshalb für beide mit geringfügig unterschiedlicher Geschwindigkeit: Die Uhr am Erdboden läuft im Vergleich zu der hoch obenstehenden ein winziges Bisschen langsamer (Milliardstel Sekunden im Jahr). Diese zeitliche Diskrepanz ist ein Beispiel dafür, was hier mit der Verzerrung der Zeit gemeint ist.
R: Letzthin habe ich etwas über den Gravitationslinseneffekt gelesen und nicht richtig verstanden. Was ist das?
A: Gemäss diesem Effekt wird auch das Licht in einem Gravitationsfeld abgelenkt, und aus diesem Grund registriert man bei der Beobachtung bestimmter Galaxien Lichtbögen, die sich aus der Projektion der gekrümmten Lichtstrahlen ergeben, wobei das Zentrum, an dem er zur Lichtstrahlenkrümmung kommt, enthält in der Regel kaum sichtbare Materie. Der Grund, weshalb es dennoch zur Lichtstrahlenkrümmung kommt, überrascht die Forscher nicht mehr, denn sie ahnen bereits, dass es dunkle Materie ist, die durch ihr Gravitationsfeld für eine heftigere Krümmung der Lichtstrahlen sorgt.
R: Was sind Gravitationswellen?
A: Bislang ist den Forschern alles, was sie über das Universum wissen, durch elektromagnetische Strahlen zugetragen worden – egal, ob durch Sternenlicht, durch Radiowellen oder durch Mikrowellensignale aus dem fernen All. Zum ersten Mal macht man sich heute ein neues Medium für die Weltraumforschung zunutze, die Gravitation selbst. Gravitationswellen sind die Wellen, die sich mit der Struktur der Raumzeit fortbewegen. Die Gravitationswellen sind extrem schwach. Stelle dir vor, was geschähe, wenn die Sonne verschwände. Erinnerst du dich an den Vergleich mit der Bowlingkugel, die in einer Matratze versinkt? Oder besser noch, in einem Trampolin? Wird die Kugel plötzlich entfernt, schnellt das Trampolin augenblicklich in deine ursprüngliche Stellung zurück und ruft eine Schockwelle hervor, die sich auf dem Trampolin nach aussen fortpflanzt. Wenn wir die Bowlingkugel durch die Sonne ersetzen, sehen wir, dass sich die Schockwellen der Gravitation mit einer bestimmten Geschwindigkeit ausbereiten. Eine weitere Möglichkeit zu verstehen, warum es Gravitationswellen geben muss, ist die bildhafte Vorstellung eines grossen Bettlakens. Laut Einstein ist die Raumzeit eine Struktur, die gekrümmt oder gedehnt werden kann wie ein verzogenes Bettlaken. Wenn wir ein Bettlaken nehmen und es zügig schütteln, sehen wir, wie sich Wellen entlang der Laken Oberfläche kräuseln und mit einer bestimmten Geschwindigkeit unterwegs sind. Auf gleiche Weise lassen sich Gravitationswellen als Wellen interpretieren, die sich entlang der Raumzeitstruktur bewegen. Letztendlich konnten die Forscher im August 2017 die Gravitationswellen, die von zwei verschmelzenden Neutronen Sternen abgestrahlt worden waren, registrieren sowie beobachten.
Quellen:
Dawkins, Richard. Der Zauber der Wirklichkeit. Berlin: Ullstein, 2011.
Hawking, Stehen. Der geheime Schlüssel zum Universum. München: Wilhelm Goldmann, 2010
Hawking, Stehen. Die kürzeste Geschichte der Zeit. Reinbek bei Hamburg: Rowohlt, 2010.
Hawking, Stephen. Der grosse Entwurf. Reinbek bei Hamburg: Rowohlt, 2010.
Kaku, Michio. Im Paralleluniversum. Reinbek bei Hamburg: Rowohlt, 2007.
Kaku, Michio. Die Physik des Unmöglichen. Reinbek bei Hamburg: Rowohlt, 2011.
Randall, Lisa. Verborgene Universen. Frankfurt am Main: Fischer, 2013.
Tegmark, Max. Unser mathematisches Universum. Berlin: Ullstein, 2014.