Frage von BerkholzMartin, 62

Was erklärt die Erdanziehungskraft einer Masse?

Man sagt ja Masse erzeugt Erderziehungskraft, aber wieso denn genau? Gibt es dafür eine genaue Erklärung? Für den Menschen wie mich ist das unerklärlich. Wieso weitet sich das Universum aus, wenn sich alles zusammenzieht?

Hilfreichste Antwort - ausgezeichnet vom Fragesteller
von sarahj, 20

Die Frage ist gar nicht so leicht zu beantworten. Und daher wird der Text sehr sehr lang... ;-D

Tatsächlich weiß man es letztendlich nicht. Man kennt die Kräfte, kann sie messen und vorrausberechnen, aber was genau der "Mechanismus" ist, bzw. wie es "funktioniert" weiß man letztendlich nicht.

Und auch eine Erklärung im Sinne von "es ist wie ähnlich wie bei Magneten" oder "es ist ähnlich wie bei elektrischen Ladungen, die sich anziehen" ist nicht wirklich hilfreich, da man da ja auch nicht wirklich "weiss", wie es funktioniert.

Es gibt aber Modelle; d.h. vereinfachte Vorstellungen, die einem zumindest erlauben, die Effekte vorrauszusagen.

Und ich versuche mal ein einfaches "Bild", um es anschaulich zu machen - wie gesagt: wie es funktioniert, kann ich Dir auch nicht sagen.

Ich nehm dazu das Bild aus dem lesenswerten Buch "Flatland" von Edwin Abbot (http://www.southwestern.edu/academics/bwp/pdf/2006bwp-buchele.pdf - findest Du vielleicht auch in deutsch - zumindest als Buch...)
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Stell Dir vor, Du wärst ein 2-dimensionales Wesen. Es gäbe für Dich nur vorne-hinten und rechts-links. Kein oben oder unten. Du bist unendlich flach, und bewegst Dich auf einer ebenen Fläche. Die Fläche wäre Deine Welt.
Wenn Dir ein anderer "Bewohner" entgegen kommt, kannst Du nur um ihn herum gehen - nicht über oder unter ihn. Es gibt kein Oben oder Unten.

Nun würdest Du als Physiker anfangen, die Welt zu erforschen, und einige Merkwürdigkeiten entdecken. Zum Beispiel, daß entferne Objekte sich von Dir weg bewegen. Und zwar umso schneller, je weiter sie von Dir entfernt sind.

Du könntest nun denken, daß deine Welt so etwas wie eine Gummifolie ist, die auseinander gezogen wird. Oder Du auf der Oberfläche eines Luftballons lebst, der aufgeblasen wird.

Wie könntest Du feststellen, welcher Art Deine Welt ist?

Du könntest zum Beispiel die Winkel eines 3-Ecks oder Quadrats messen. Auf einer Kugeloberfläche kommen andere Winkel heraus als auf einer ebenen Fläche. Oder auf einer Satteloberfläche. Im ebenen Fall ist die Winkelsumme des Quadrats 360°, auf einer Kugeloberfläche ist sie größer, auf einer Satteloberfläche kleiner (mal es Dir mal selbst auf...)

Du würdest nun feststellen, daß alles darauf hinweist, daß Du auf einer Kugeloberfläche lebst; das heißt, das die 2-dimensionale Fläche tatsächlich in einen 3-dimensionalen Raum eingebettet ist. Den Du natürlich weder sehen, noch fühlen, noch betreten, ja noch nicht einmal vorstellen kannst. Aber nachweisen und berechnen.

Außerdem stellst Du fest, daß Deine Oberfläche überall da leicht verformt ist, wo sich Massen befinden (also auch Du, aber insbesondere große Objekte).
In der Umgebung solcher Massen kann man durch Winkelmessungen feststellen, daß die Welt leicht verbogen ist. Der Weg ist ein bisschen länger. Das heisst, daß ein Quadrat, dessen eine Seite in der Nähe der Masse ist, leicht verbogen ist, und die Seite dort ein bisschen länger ist. So als wäre eine "Delle" in der Gummifläche, die ebenfalls in die 3. Dimension "hineinverbogen" ist.

Du findest sogar sehr starke Verbiegungen in der nähe von sehr großen Massen. Schwarze Löcher verbiegen die Fläche so sehr, daß sie wie in einen unendlich tiefen Trichter bilden.

Auch ist es so, daß die Flatland Bewohner zu solchen Löchern hingezogen werden. Das heisst, daß ein ruhender Bewohner sich auf so eine Delle hinbewegt - er wird von der Delle "angezogen" (tatsächlich bewegt er sich hinunter in die ihm unsichtbare 3.Dimension).

Und jetzt kommt der Punkt: auch in Deiner flachen Welt, gibt es Licht und bewegte Objekten. Und sie nehmen den kürzesten direkten Weg innerhab Deiner Welt (also auf der Fläche).
Was passiert nun wenn man einen Bewohner knapp an so einer Delle oder sogar einem Schwarze-Loch-Trichter vorbei schickt (oder einen Lichtstrahl knapp vorbei schickt).

Da der Körper oder das Licht den direkten geraden Weg nehmen, die Welt dort aber gekrümmt ist, wird er/es abgelenkt. Wenn man es geschickt anstellt, und im richtigen Winkel und der richtigen Entfernung hinschickt, könnte es sogar eine Runde machen und zurück kommen. (stell Dir vor, Du schubst eine Murmel in Richtung einer Delle - sie könnte abgelengt werden und vielleicht sogar wieder in Deine Richtung zurück kommen, Wer schonmal Minigolf gespielt hat, kennt den Effekt vielleicht).

Auch wird klar, warum Planeten um Sonnen kreisen: sie bewegen sich ganz einfach geradlinig innerhalb der Delle in konstanter Geschwindigkeit im Kreis (es gibt ja im Weltraum keine Reibung - also wird eine Murmel immer und ewig im Trichter im Kreis auf gleicher Höhe bleiben.
Falls Reibung vorhanden ist, wird sich die Murmel mit der Zeit immer weiter zum Zentrum bewegen.

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Wenn Du das alles nachvollziehen kannst (was einfach war - oder?), kommt jetzt die bizarre Realität: genau so verhält sich unsere Welt.
Aber nicht in 2 Dimensionen, sondern in 3. Unsere 3-Dimensionale Welt mit vorne-hinten, links-rechts und oben-unten ist ihrerseits in einer höheren 4. Dimension eingebettet, und darin gekrümmt.
Es gibt also eine 4.Richtung, die wir nicht sehen, spüren oder betreten können, in die unser Raum eingebettet ist.
Und er expandiert. Aber der Raum expandiert - so wie oben die Fläche. Es ist nicht so, daß der Raum in einen anderen hineinexpadiert - er expandiert in die 4.Dimension hinein.
Und er ist gekrümmt.
Das Licht, welches an einem Stern vorbei fliegt, wird (genau wie oben) von diesem abgelenkt. Der Raum um eine Masse herum ist gekrümmt. Daher fliegen Planeten um Sterne - wie Murmeln um Dellen im Minigolfparcour.

Damit hätten wir die Anziehungskraft als etwas ganz anderes erkannt:
sie bewirken ein "Verbiegen" des Raums.
Und weil alles im Raum den direkten Weg nimmt, und entlang der "Verbiegung" in diese unbekannte Richtung hin "gezogen wird" spüren wir dies als "Anziehungskraft".

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Was habe ich jetzt erklärt? Nichts wirklich. Weil man nicht weiß, was es ist, was uns in diese Dellen hineinzieht.
Man nicht weiß, wie die 4-dimensionale Welt aussieht, in die unsere 3-dimensionale eingebettet ist.
Wir wissen nicht, was dieses "Verbiegen" verursacht.
Wir wissen nur, daß es so ist.

Was also klar ist, ist daß Masse, Raum (und tatsächlich auch Zeit) ineinander verwoben sind und sich gegenseitig beeinflussen. Daß Massen vielleicht sogar den Raum selbst bilden. Und, daß der Raum weit komplexer ist, und das Vakuum selbst schon etwas hochkomplexes.

All das hat Albert Einstein in seiner Relativitätstheorie vorrausgesagt und berechnet. Und einige Vorraussagen (z.B. die mit der Lichtablenkung an großen Massen) gemacht, die man sich anderweitig nicht erklären könnte.
(weil nämlich Licht keine Masse hat, und damit eigentlich nicht von der Sonne angezogen werden dürfte...)

Alle Vorraussagen - seien sie noch so unglaublich wurden bisher bestätigt. Die Physiker gehen also mit großer Überzeugung davon aus, daß es tatsächlich so ist. Übrigens erst vor wenigen Tagen wirden Gravitatonswellen (das sind wellenartige Verbiegungen im Raum, die sich wie Wellen auf dem Wasser fortbewegen) nachgewiesen. Diese Wellen stammen noch aus der Zeit des Urknalls, und sind quasi die gestrandeten Ausläufer der damaligen Vorgänge.

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Zur Expansion:

man weiß nicht wirklich, wie es enden wird.
Die Anziehung sollte eigentlich der Expansion entgegenwirken; d.h. man sollte davon ausgehen, daß die Geschwindigkeit mit der der "Luftballon" aufgeblasen wird, mit der Zeit geringer wird, wenn die Massen sich gegenseitig anziehen.

Da die Anziehungskraft im Quadrat mit der Entfernung abnimmt, gibt es  eine "kritische Masse", unter der die Expansion nicht gestoppt würde.
Und sich das Universum ewig ausdehnen würde.
Falls es mehr Masse gibt, würde die Expansion irgendwann gestoppt, und das Universum sich wieder zusammenziehen.

Man war und ist daher auf der Suche nach Masse im All, um auszurechnen wieviel es davon im All gibt (man nennt sie "dunkle Materie", weil man nicht weiß, was es ist).

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Aber!

Vor kurzem allerdings (so gegen Ende der 90er) hat man gemessen, daß sich das Universum anscheinend schneller als früher ausdehnt.
Sich die Expansionsgeschwindigkeit also erhöht hat!
Das hat natürlich für einigen Wirbel in der Physikergemeinde gesorgt (tatsächlich war es einen Nobelpreis wert: http://www.scientificamerican.com/article/the-2011-nobel-prize-in-prize-physics/)

Es sieht also momentan danach aus als gäbe es eine Kraft, die - um im 2-dimensionalen Luftballonbild zu bleiben - den Ballon aufbläst.
Und da man die Kraft nicht kennt, und danach sucht, nennt man sie vorerst mal "Dunke Energie". Was nichts anderes heisst als: "nichts genaues weiß man nicht". Aktuell sieht es so aus, daß sich das Universum immer schneller und immer weiter ausdehnt (es gibt aber auch Überlegungen, wie dieser Prozess irgendwann aufhören könnte...)

Spannende Zeiten für Physiker - es könnte zu einem ganz neuen Weltbild in der nächsten Zeit kommen.

PS: immer daran denken: der Luftballon ist nur ein vereinfachtes Bild, bei dem eine Dimension weggelassen wird. In diesem einfachen Modell leben wir auf dem Ballon - nicht in ihm.

Kommentar von Ottavio ,

Hallo sarahj, danke für Deinen ausführlichen Erklärungsversuch. Ganz verstanden habe ich es noch nicht - die Spezielle Relativitätstheorie ja, die Allgemeine noch nicht ganz. Ich bin aber auch nicht ganz sicher, ob Einstein selbst sie jemals ganz verstanden hat. 

Die Schwerkraft war mir immer ein Beispiel, meinen Schüler_inne_n zu erklären , woran ich glaube: Ich weiß nicht wirklich, was das ist, ich habe es nicht ganz verstanden, aber ich vertraue darauf, dass da etwas ist. Guck, da ist es schon wieder! An irgendwas muss man ja glauben. 

Als ich einmal die Ehre hatte, mit einem Professor für Quantenoptik zu sprechen, empfing er mich mit den Worten, "Ich weiß auch nicht, was Energie ist."

Aber trotzdem danke für Deine umfänglichen Ausführungen !

Expertenantwort
von Hamburger02, Community-Experte für Physik, 31

Dann tröste dich, die Entstehung der Gravitation (Massenanziehung) ist bislang auch für alle Forscher unerklärlich. Das ist eines der ganz großen ungelösten Fragen der Physik. Man kann zwar hervorragend die Auswirkungen von Gravitation beschreiben, aber die Suche nach der Ursache ist nach wie vor ein Stochern im Nebel.

Solltest du es rauskriegen, ist dir der Nobelpreis sicher.

Der wäre dir auch sicher, wenn du die Ursache für die Expansion nachweisen könntest. Auch da wird noch eher rumvermutet. Die dunkle Energie ist ein heißer Kandidat.

Kommentar von UlrichNagel ,

Ich habe eine einfache plausible Erklärung, aber die nimmt mir eh keiner ab, weil die "Massenanziehung" (unbewegliche Massen würden sich niemals anziehen!) als Axiom gilt!

Kommentar von Hamburger02 ,

Meine Spekulation geht in die Richtung, dass Gravitation eine emergente Erscheinung von Masse ist.

Antwort
von Ahzmandius, 9

Stell dir das vor:

Du hast ein aufgespanntes Tuch. Du legst in die Mitte des Tuchs eine Kugel K1.

K1 macht eine Delle in das Tuch. Legst du jetzt eine weitere Kugel K2 auf das Tuch und ist K2 nahe genug an K1, so wird K2 durch die Delle im Tuch zur K1 runterrollen.

Das war eine Analogie zu dem was tatsächlich passiert. Die Kugeln sind irgendwelche Massen und das Tuch ist die sog. Raumzeit.

Jede Masse krümmt die Raumzeit.

Antwort
von ThomasAral, 34

weil der Impuls vom Urknall noch da ist ... irgendwann hast du recht, dann ist die Kraft zur Ausweitung am Ende und es zieht sich wieder alles zusammen,

Hast du also z.B. einen Haufen Magnete und hast dort mal kräftig rein, dann fliegt auch erstmal alles auseinander bevor es dann evtl später sich wieder zusammenfindet.

Erderziehungskraft ist aber zu lustig ;-) ... wobei Anziehungskraft ja auch zweideutig sein kann.

Kommentar von BerkholzMartin ,

Okay, hätte Anziehungskraft sagen sollen :) Danke für die Antowort.

Kommentar von ThomasJNewton ,

Ich weiß immer noch nicht, wie deutlich man hier werden darf.

So bin ich ganz vorsichtig:
Einfach ...

Kommentar von ThomasAral ,

ist klar theorie dass sich das universum nach dem ausbreiten nicht für immer ausbreitet sondern irgend wann wieder zusammenzieht .... aber das ist es was für mich logischer klingt als ein unendliches auseinanderfliegen.

aber dann lass doch auch mal deine theorie hier los ....  wenn du meinst du hast es besser drauf. und bevor wieder einer auf die idee kommt die theorie wäre von mir ... ne --- da sind schon tausende andere drauf gekommen ... hab ich auch nur gelesen.

Kommentar von UlrichNagel ,

Jeder Vorgang ist ein Energievorgang, denn Energie ist die Zustandsbeschreibung einer Masse! Gravitation ist einfach gesagt die dem Drall einer Masse innewohnende Energie!

Kommentar von Hamburger02 ,

Dass das letztlich auf ein Energiephänomen zurückzuführen ist, vermute ich allerdings auch. Und Entropie hat höchstwahrscheinlich auch was damit zu tun.

Kommentar von UlrichNagel ,

Für mich ist Energie kein "Phänomen". Es gibt ja nur die 2 Grundformen Ruhe- und Bewegungsenergie, die in allen Materieanteilen wie (faßbare) Masse, Atome, Moleküle, Elektronen und auch allen anderen Nukleonen steckt bzw. eben ihren Zustand beschreibt!

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