Wenn wir an Schwerkraft denken, stellen wir sie uns normalerweise als eine Kraft zwischen Massen vor. Wenn du zum Beispiel auf eine Waage trittst, steht die Zahl auf der Waage für die Anziehungskraft der Erdanziehung auf deine Masse, die dir Gewicht verleiht. Es ist leicht, sich die Anziehungskraft der Sonne vorzustellen, die die Planeten in ihren Bahnen hält, oder die Anziehungskraft eines Schwarzen Lochs. Kräfte sind leicht als Druck und Zug zu verstehen.
Aber wir verstehen jetzt, dass die Schwerkraft als eine Kraft nur Teil eines komplexeren Phänomens ist, das die allgemeine Relativitätstheorie beschreibt. Die allgemeine Relativitätstheorie ist zwar eine elegante Theorie, aber sie ist eine radikale Abkehr von der Idee der Schwerkraft als einer Kraft. Wie Carl Sagan einmal sagte: „Außergewöhnliche Behauptungen erfordern außergewöhnliche Beweise“, und Einsteins Theorie ist eine sehr außergewöhnliche Behauptung. Aber es gibt mehrere außergewöhnliche Experimente, die die Krümmung von Raum und Zeit bestätigen.
Der Schlüssel zur allgemeinen Relativitätstheorie liegt in der Tatsache, dass alles in einem Gravitationsfeld mit der gleichen Geschwindigkeit fällt. Stellen Sie sich auf den Mond und lassen Sie einen Hammer und eine Feder fallen, und sie werden zur gleichen Zeit auf der Oberfläche aufschlagen. Das Gleiche gilt für jedes Objekt, unabhängig von seiner Masse oder physikalischen Beschaffenheit, was als Äquivalenzprinzip bekannt ist.
Da alles unabhängig von seiner Masse auf die gleiche Weise fällt, bedeutet dies, dass ein frei schwebender Beobachter, der weit von Gravitationsquellen entfernt ist, und ein frei fallender Beobachter, der sich im Gravitationsfeld eines massiven Körpers befindet, ohne einen externen Bezugspunkt die gleiche Erfahrung machen. Die Astronauten in der Raumstation zum Beispiel sehen aus, als würden sie ohne Schwerkraft schweben. Tatsächlich ist die Anziehungskraft der Erde auf der Raumstation fast genauso stark wie auf der Oberfläche. Der Unterschied ist, dass die Raumstation (und alles in ihr) fällt. Die Raumstation befindet sich in einer Umlaufbahn, was bedeutet, dass sie buchstäblich um die Erde fällt.
Diese Gleichwertigkeit von Schweben und Fallen hat Einstein bei der Entwicklung seiner Theorie zugrunde gelegt. In der allgemeinen Relativitätstheorie ist die Schwerkraft keine Kraft zwischen Massen. Stattdessen ist die Schwerkraft eine Auswirkung der Verformung von Raum und Zeit in Gegenwart von Masse. Ohne eine Kraft, die auf ein Objekt einwirkt, bewegt sich dieses in einer geraden Linie. Wenn man eine Linie auf ein Blatt Papier zeichnet und dann das Papier verdreht oder krümmt, erscheint die Linie nicht mehr gerade. Genauso wird der gerade Weg eines Objekts gekrümmt, wenn Raum und Zeit gekrümmt werden. Dies erklärt, warum alle Objekte mit der gleichen Geschwindigkeit fallen. Die Schwerkraft krümmt die Raumzeit auf eine bestimmte Weise, so dass die geraden Bahnen aller Objekte in der Nähe der Erde auf die gleiche Weise gekrümmt werden.
Welches Experiment könnte nun beweisen, dass die Schwerkraft die Raumzeit krümmt? Eines ergibt sich aus der Tatsache, dass Licht durch eine nahe Masse abgelenkt werden kann. Es wird oft argumentiert, dass Licht, da es keine Masse hat, auch nicht durch die Gravitationskraft eines Körpers abgelenkt werden kann. Das ist nicht ganz richtig. Da Licht Energie hat und nach der speziellen Relativitätstheorie Masse und Energie gleichwertig sind, sagt die Newtonsche Gravitationstheorie voraus, dass Licht von einer nahen Masse leicht abgelenkt werden würde. Der Unterschied besteht darin, dass die allgemeine Relativitätstheorie eine doppelt so starke Ablenkung vorhersagt.
Der Effekt wurde erstmals von Arthur Eddington im Jahr 1919 beobachtet. Eddington reiste auf die Insel Principe vor der Küste Westafrikas, um eine totale Sonnenfinsternis zu fotografieren. Bereits einige Zeit zuvor hatte er Fotos von der gleichen Himmelsregion gemacht. Durch den Vergleich der Finsternisfotos mit den früheren Aufnahmen desselben Himmels konnte Eddington zeigen, dass sich die scheinbare Position der Sterne verschob, wenn die Sonne nahe war. Das Ausmaß der Ablenkung stimmte mit Einstein überein, nicht mit Newton. Seitdem haben wir einen ähnlichen Effekt beobachtet, bei dem das Licht von weit entfernten Quasaren und Galaxien durch nähere Massen abgelenkt wird. Dieser Effekt wird oft als Gravitationslinseneffekt bezeichnet und wurde verwendet, um die Massen von Galaxien zu messen und sogar die Auswirkungen der dunklen Materie zu erkennen.
Ein weiterer Beweis ist das sogenannte Zeitverzögerungsexperiment. Die Masse der Sonne verzerrt den Raum in ihrer Nähe, daher bewegt sich das Licht in der Nähe der Sonne nicht auf einer geraden Linie. Stattdessen bewegt es sich auf einer leicht gekrümmten Bahn, die ein wenig länger ist. Das bedeutet, dass Licht von einem Planeten, der sich auf der anderen Seite des Sonnensystems befindet, uns ein klein wenig später erreicht, als wir es sonst erwarten würden. Die erste Messung dieser Zeitverzögerung wurde in den späten 1960er Jahren von Irwin Shapiro durchgeführt. Funksignale wurden von der Venus von der Erde zurückgeworfen, als sich die beiden Planeten fast auf gegenüberliegenden Seiten der Sonne befanden. Die gemessene Zeitverzögerung bei der Hin- und Rückreise der Signale betrug etwa 200 Mikrosekunden, genau wie von der allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt. Dieser Effekt ist heute als Shapiro-Zeitverzögerung bekannt und bedeutet, dass die durchschnittliche Lichtgeschwindigkeit (bestimmt durch die Reisezeit) etwas langsamer ist als die (stets konstante) momentane Lichtgeschwindigkeit.
Ein dritter Effekt sind Gravitationswellen. Wenn Sterne den Raum um sich herum verzerren, dann sollte die Bewegung der Sterne in einem Doppelsternsystem Wellen in der Raumzeit erzeugen, ähnlich wie das Bewegen des Fingers im Wasser Wellen auf der Wasseroberfläche erzeugen kann. Da die Schwerkraftwellen von den Sternen wegstrahlen, entziehen sie dem Doppelsternsystem einen Teil der Energie. Das bedeutet, dass sich die beiden Sterne allmählich einander annähern, ein Effekt, der als Inspirieren bekannt ist. Wenn die beiden Sterne inspirieren, wird ihre Umlaufzeit kürzer, weil ihre Bahnen kleiner werden.
Bei normalen Doppelsternen ist dieser Effekt so gering, dass wir ihn nicht beobachten können. Im Jahr 1974 entdeckten jedoch zwei Astronomen (Hulse und Taylor) einen interessanten Pulsar. Pulsare sind schnell rotierende Neutronensterne, die zufällig Radiopulse in unsere Richtung ausstrahlen. Die Pulsrate von Pulsaren ist in der Regel sehr, sehr regelmäßig. Hulse und Taylor stellten fest, dass sich die Rate dieses Pulsars in regelmäßigen Abständen leicht beschleunigte und dann wieder leicht verlangsamte. Sie wiesen nach, dass diese Schwankungen auf die Bewegung des Pulsars auf seiner Umlaufbahn um einen Stern zurückzuführen sind. Sie waren in der Lage, die Umlaufbewegung des Pulsars sehr genau zu bestimmen und seine Umlaufzeit auf den Bruchteil einer Sekunde genau zu berechnen. Als sie ihren Pulsar über die Jahre hinweg beobachteten, stellten sie fest, dass seine Umlaufzeit immer kürzer wurde. Der Pulsar wird durch die Abstrahlung von Gravitationswellen inspiriert, genau wie vorhergesagt.
Schließlich gibt es einen Effekt, der als Frame Dragging bekannt ist. Wir haben diesen Effekt in der Nähe der Erde selbst beobachtet. Da die Erde rotiert, krümmt sie nicht nur die Raumzeit durch ihre Masse, sondern verdreht die Raumzeit durch ihre Rotation um sie herum. Diese Verdrehung der Raumzeit wird als „Frame Dragging“ bezeichnet. Der Effekt ist in Erdnähe nicht sehr groß, kann aber durch den Lense-Thirring-Effekt gemessen werden. Dazu bringt man ein kugelförmiges Gyroskop in eine Umlaufbahn und beobachtet, ob sich seine Drehachse ändert. Wenn es keinen Rahmenwiderstand gibt, sollte sich die Ausrichtung des Kreisels nicht ändern. Wenn es zu einem „frame dragging“ kommt, dann führt die spiralförmige Verdrehung von Raum und Zeit dazu, dass sich das Gyroskop präzessiert und sich seine Ausrichtung mit der Zeit langsam ändert.
Wir haben dieses Experiment mit einem Satelliten namens Gravity Probe B durchgeführt, und Sie können die Ergebnisse in der Abbildung hier sehen. Wie Sie sehen können, stimmen sie sehr gut überein.
Jedes dieser Experimente zeigt, dass die Schwerkraft nicht einfach eine Kraft zwischen Massen ist. Die Schwerkraft ist vielmehr ein Effekt von Raum und Zeit. Die Schwerkraft ist in die Form des Universums selbst eingebaut.
Denken Sie daran, wenn Sie das nächste Mal auf eine Waage steigen.