Kategorie: Weltraum Veröffentlicht am: May 22, 2013
Tatsächlich ist die Schwerkraft die schwächste der vier Grundkräfte. In der Reihenfolge von der stärksten zur schwächsten Kraft sind dies 1) die starke Kernkraft, 2) die elektromagnetische Kraft, 3) die schwache Kernkraft und 4) die Gravitation. Wenn man zwei Protonen sehr nahe aneinander hält, üben sie verschiedene Kräfte aufeinander aus. Da beide Protonen eine Masse haben, üben sie eine Anziehungskraft aufeinander aus. Da beide Protonen eine positive elektrische Ladung haben, üben sie eine elektromagnetische Abstoßung aufeinander aus. Außerdem haben beide Protonen eine innere „Farbladung“ und üben daher über die starke Kernkraft eine Anziehung aus. Da die starke Kernkraft bei kurzen Entfernungen am stärksten ist, dominiert sie gegenüber den anderen Kräften, und die beiden Protonen werden miteinander verbunden und bilden einen Heliumkern (normalerweise wird auch ein Neutron benötigt, um den Heliumkern stabil zu halten). Auf atomarer Ebene ist die Schwerkraft so schwach, dass Wissenschaftler sie in der Regel ignorieren können, ohne dass ihre Berechnungen signifikante Fehler aufweisen.
Auf astronomischer Ebene dominiert die Schwerkraft jedoch über die anderen Kräfte. Hierfür gibt es zwei Gründe: 1) Die Schwerkraft hat eine große Reichweite, und 2) es gibt keine negative Masse. Jede Kraft lässt in dem Maße nach, in dem die beiden Objekte, auf die die Kraft einwirkt, weiter voneinander entfernt sind. Die Geschwindigkeit, mit der die Kräfte abklingen, ist bei jeder Kraft unterschiedlich. Die starke und die schwache Kernkraft haben eine sehr kurze Reichweite, was bedeutet, dass diese Kräfte außerhalb der winzigen Atomkerne schnell auf Null sinken. Die winzige Größe der Atomkerne ist eine direkte Folge der extrem kurzen Reichweite der Kernkräfte. Zwei Teilchen, die nur wenige Nanometer voneinander entfernt sind, sind viel zu weit voneinander entfernt, um eine nennenswerte Kernkraft aufeinander auszuüben. Wenn die Kernkräfte bei zwei Teilchen, die nur Nanometer voneinander entfernt sind, so schwach sind, sollte es offensichtlich sein, dass die Kernkräfte in astronomischen Größenordnungen noch vernachlässigbarer sind. Die Erde und die Sonne sind beispielsweise viel zu weit voneinander entfernt (Milliarden von Metern), als dass sich ihre Kernkräfte gegenseitig erreichen könnten. Im Gegensatz zu den Kernkräften haben sowohl die elektromagnetische Kraft als auch die Schwerkraft eine praktisch unendliche Reichweite* und nehmen in ihrer Stärke mit 1/r2 ab.
Wenn sowohl der Elektromagnetismus als auch die Schwerkraft eine praktisch unendliche Reichweite haben, warum wird die Erde dann durch die Schwerkraft und nicht durch die elektromagnetische Kraft auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne gehalten? Der Grund ist, dass es so etwas wie negative Masse nicht gibt, wohl aber negative elektrische Ladung. Wenn man eine einzelne positive elektrische Ladung in der Nähe einer einzelnen negativen elektrischen Ladung anordnet und dann ihre kombinierte Kraft auf eine andere, weiter entfernte Ladung misst, stellt man fest, dass die negative Ladung dazu neigt, die positive Ladung etwas aufzuheben. Ein solches Objekt nennt man einen elektrischen Dipol. Die elektromagnetische Kraft, die von einem elektrischen Dipol ausgeht, nimmt aufgrund dieses Aufhebungseffekts mit 1/r3 und nicht mit 1/r2 ab. Ähnlich verhält es sich, wenn man zwei positive elektrische Ladungen und zwei negative Ladungen nimmt und sie dicht beieinander anordnet, dann hat man einen elektrischen Quadrupol geschaffen. Die elektromagnetische Kraft, die auf einen elektrischen Quadrupol zurückzuführen ist, nimmt noch schneller ab, nämlich mit 1/r4, weil die negativen Ladungen die positiven Ladungen so gut aufheben. Wenn man immer mehr positive Ladungen zu einer gleichen Anzahl negativer Ladungen hinzufügt, wird die Reichweite der elektromagnetischen Kraft des Systems immer kürzer. Interessant ist, dass die meisten Objekte aus Atomen bestehen, und die meisten Atome haben eine gleiche Anzahl positiver und negativer elektrischer Ladungen. Obwohl die elektromagnetische Kraft einer einzelnen Ladung eine unendliche Reichweite hat, ist die effektive Reichweite der elektromagnetischen Kraft für typische Objekte wie Sterne und Planeten viel geringer. Tatsächlich haben neutrale Atome eine effektive elektromagnetische Reichweite in der Größenordnung von Nanometern. In astronomischen Maßstäben bleibt also nur die Schwerkraft übrig. Wenn es so etwas wie negative Masse gäbe (Antimaterie hat positive Masse) und wenn Atome im Allgemeinen zu gleichen Teilen aus positiver und negativer Masse bestünden, dann würde die Schwerkraft das gleiche Schicksal erleiden wie der Elektromagnetismus und es gäbe keine nennenswerte Kraft im astronomischen Maßstab. Glücklicherweise gibt es keine negative Masse, so dass sich die Gravitationskraft mehrerer nahe beieinander liegender Körper stets addiert. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Schwerkraft die schwächste der Kräfte im Allgemeinen ist, aber im astronomischen Maßstab dominiert sie, weil sie die größte Reichweite hat und weil es keine negative Masse gibt.
*Anmerkung: In der obigen Beschreibung habe ich die ältere Newtonsche Formulierung der Schwerkraft verwendet. Die Schwerkraft wird genauer durch die Formulierung der Allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben, die besagt, dass die Schwerkraft keine reale Kraft ist, sondern eine Verformung der Raumzeit. Auf Skalen, die kleiner sind als Galaxiengruppen und abseits von superdichten Massen wie schwarzen Löchern, ist die Newtonsche Gravitation eine ausgezeichnete Annäherung an die Allgemeine Relativitätstheorie. Um jedoch alle Effekte richtig zu erklären, muss man die Allgemeine Relativitätstheorie verwenden. Nach der Allgemeinen Relativitätstheorie und den zahlreichen experimentellen Messungen, die sie bestätigen, hat die Schwerkraft keine unendliche Reichweite, sondern verschwindet auf einer Skala, die größer ist als Galaxiengruppen. Daher hat die Schwerkraft nur ein Verhalten von 1/r2 und eine „unbegrenzte“ Reichweite auf einer Skala, die kleiner als Galaxiengruppen ist. Deshalb habe ich gesagt, dass die Schwerkraft „effektiv“ eine unendliche Reichweite hat. Auf den größten Skalen dehnt sich unser Universum eher aus, als dass es durch die Anziehungskraft zusammengezogen wird. Dieses Verhalten wird von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt. Auf Skalen, die kleiner sind als Galaxiengruppen, verhält sich die Raumzeit überwiegend wie die anziehende Newtonsche Gravitation, während sie sich auf größeren Skalen wie etwas völlig anderes verhält, das sich ausdehnt.
Themen: Elektromagnetismus, Kraft, Gravitation, Kernkraft, Reichweite