Gravitation erklärt: Das steckt eigentlich hinter der Schwerkraft

Neue Erkenntnisse über die Schwerkraft auf der Sonne

Gravitation erklärt: Das ist Schwerkraft

• Gravitation ist einer der vier Kräfte, die das Universum zusammenhalten. Sie bestimmt nicht nur, wie schwer wir auf der Erde sind, sondern auch Ebbe und Flut, wie schnell und in welchem Abstand Planeten um Sterne rotieren – und wie schnell sich das Universum ausdehnt.
• Die Anziehungskraft ergibt sich rechnerisch aus der Masse von zwei Körpern, wobei sie mit steigendem Abstand stark nachlässt. Wenn sie nichts aufhält, beispielsweise im Weltraum, beschleunigen sie aufeinander zu - oder umkreisen sich, falls sie schnell genug sind.
• Im Vergleich mit anderen Grundkräften der Physik ist die Gravitation aber sehr schwach. Die Kraft, die zwei Protonen in einem Atomkern zusammenhält, ist beispielsweise um eine Zahl mit 30 Nullen stärker.
• Beispiel: Zwei jeweils 100 Kilogramm schwere Verliebte drängen im Abstand von einem Meter theoretisch mit weniger als einem Milliardstel ihrer Gewichtskraft zueinander – physikalisch gesehen. Problem: Schon ein Windhauch aus der falschen Richtung wäre stärker und würde sie auseinandertreiben.
• Ihre wahre Kraft entfaltet sich erst, wenn sich wirklich viel Masse zusammenballt. So können ausgebrannte Riesensterne am Ende ein schwarzes Loch bilden. Seine Anziehungskraft ist so groß, dass ihm nicht einmal mehr Licht entkommt.

Entdeckung der Gravitation: Vom Zentrum der Welt bis Einsteins Krümmung der Raumzeit

Messerscharf analysierte einst der antike Philosoph Aristoteles, dass alles auf die Erde fällt. Etwas übermütig - zumindest aus heutiger Sicht - folgerte er, die Erde müsse also der Mittelpunkt der Welt sein. Der Brite Isaak Newton erwiderte fast 2.000 Jahre später, Schwerkraft gäbe es auf jedem Himmelskörper und lieferte als erster gleich noch die richtige Formel als Gravitationsgesetz hinterher.

Doch liefen die Planeten nicht exakt so um die Sonne, wie Newton es voraussagte. Einstein setzte sich also hin und entwickelte die Relativitätstheorie, die das Universum viel genauer erklärte als Newton: Danach ist die Gravitation keine Kraft, die auf von einer Masse ausgeht, sondern einfach die Krümmung der Raumzeit (aha!).

Die Raumzeit bildet dabeo eine Einheit aus Raum und Zeit, die sich nicht trennen lässt. Sie . Ihre Oberfläche sieht aus wie eine Hochebene mit zahlreichen Tälern. Da Einstein die Gravitation als also geometrische Eigenschaft beschreibt, lässt sie sich grafisch sogar ganz gut darstellen: Masse und Energie dellen die Raumzeit ein wie dicke Kugeln. Der Haken: Die Raumzeit hat vier Dimensionen. Neben ihrem Entdecker haben wohl nur wenige Menschen Einsteins Theorie wirklich begriffen.

Auch nur so schell wie Licht: Gravitationswellen

Lange Zeit dachte man, Gravitation würde augenblicklich wirken, also überall gleichzeitig. Dann kam Einstein. Er lehrte, dass auch die Wirkung der Gravitation nicht schneller reist als das Licht. Es dauerte aber noch bis 2015, bis Wissenschaftler:innen Gravitationswellen von zwei Schwarzen Löchern auffingen, die in 1,3 Milliarden Lichtjahren Entfernung miteinander kollidiert waren. Insider für die Fans von "Zurück in die Zukunft": Das kosmische Megaevent hatte das Raumzeit-Kontinuum 0,2 Sekunden lang regelrecht erschüttert.

So fühlst du die Schwerkraft der Erde

Da die Erde so viel größer ist als du, presst dich ihre Schwerkraft entweder an sich - oder lässt dich aus der Höhe auf sich fallen. Besäße die Erde keine Lufthülle, würden du wie Felix Baumgartner nach seinem Rekord-Sprung aus knapp 40 Kilometer Höhe immer schneller auf die Erde zurasen. Da der Luftwiderstand normale Fallschirmspringer aber stark abbremst, liegen sie nach wenigen Sekunden auf einem Luftpolster und werden nicht schneller als etwa 200 Stundenkilometer.

Ob Blei oder Watte: Vor der Gravitation sind alle gleich

Diese Gravitationsbeschleunigung ist für Wissenschaftler gleichzeitig ein Maß, um die Schwerkraft eines Himmelskörpers anzugeben. Für die Erde mit ihrer Masse von sechs Milliarden Billionen Tonnen beträgt sie am Boden etwa 9,8 Meter pro Sekunde im Quadrat. Heißt: Ohne Luftwiderstand würde ein Gewicht in Oberflächennähe in jeder Sekunde etwa 9,8 Meter pro Sekunde schneller fallen - und das ganz unabhängig davon, ob Bleigewicht oder Wattbausch (hat der geniale Galileo Galilei mit seinen Versuchen vom schiefen Turm von Pisa rausgefunden).

Ist Gravitation gefährlich?

Gravitation im Sonnensystem: Andere Planeten,  andere Schwerkraft

Das Sonnensystem gibt es nur deswegen, weil die Schwerkraft vor Milliarden Jahren dafür sorgte, dass sich Gase zu Sonne und Planeten zusammenballten. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Massen, üben sie sehr unterschiedliche Anziehungskräfte aus.

Auf Jupiter bist du beispielsweise 2,5-mal so schwer wie auf der Erde - wobei du das vermutlich gar nicht bemerken würdest, da dem Gasriesen eine harte Oberfläche fehlt, (hier kannst du nachlesen, was passiert, wenn du auf Jupiter fällt). Durch die enorme Masse der Sonne wiegst du auf ihrer Oberfläche sogar gleich das 274fache deines Gewichts auf der Erde - eventuelles Übergewicht dürftest du dort also - theoretisch - nie loswerden.

Aus diesem Grund konnten die Apollo-Astronauten auf dem Erdmond so lustig herumhüpfen - obwohl ihre Ausrüstung auf der Erde über 80 Kilogramm wog. Seine Anziehungskraft beträgt nur ein Sechstel der Erde. Die Moonwalker mussten also nur etwa gefühlte 14 Kilo schleppen.

Warum die Astronaut:innen auf der ISS ununterbrochen abstürzen

• Astronaut:innen schweben nicht etwa schwerelos durch die Internationale Raumstation weil sie so weit von der Erde entfernt sind. Die Gravitation in 400 Kilometer Höhe beträgt immer noch 90 Prozent der auf der Erdoberfläche.
• Vielmehr stürzen die ISS und ihre Crew physikalisch gesehen auf die Erde, ohne jemals aufzuprallen. Der Trick: Weil sie so schnell ist, etwa 28.500 Kilometer in der Stunde, fallen sie exakt entlang der Erdkrümmung. Die Schwerelosigkeit der Raumfahrenden ist also wie ein nie endender Fallschirmsprung durchs Vakuum auf Speed.
• Kurios: Gravitation ist abhängig von der Entfernung zweier Körper - das ist schon im Meterbereich messbar. Daher ist die Anziehungskraft auf der erdzugewandten Seite der ISS größer als an der erdabgewandten.
• Vorausgesetzt sie "ständen auf dem Boden", zieht es die Füße ISS-Astronaut:innen daher ein ganz klein wenig zur Erde, ihren Kopf hinaus ins All.
• Praktisch: Diese Differenz wirkt als Staubfänger. Alles in der Station landet langfristig entweder am Boden oder an der Decke.

Einfach schwerelos: So lässt sich die Gravitation auf der Erde austricksen

• Die Schwerkraft lässt sich aber gut austricksen. Um schwerelos zu werden, musst du einfach dort hingegen, wo sich die Gravitation von zwei großen Massen aufhebt.
• Einfacher ist es allerdings, dich irgendwo runterfallen zu lassen. Nichts anderes machen die Touristen-Raumschiffe SpaceshipTwo und NewShepard. Während sie aus dem luftleeren Weltraum zurück in die Atmosphäre fallen, empfinden die Hobbyastronauten darin Schwerelosigkeit.
• In Bremen betreiben Wissenschaftler:innen daher einen 146 Meter großen Turm, aus dem sie die Luft herauspumpen können. Lassen sie einen Behälter dann durch das Vakuum auf den Turmboden fallen, können sie darin bis zu etwa neun Sekunden Experimente in der Schwerelosigkeit ausführen.
• Wenn du es simpler willst, springst du einfach eine Runde Trampolin. Erreichst du die maximale Sprunghöhe, bist du etwa für eine Sekunde schwerelos. Kenner und Fans von Achterbahnen nennen das "Airtime".

Künstliche Gravitation: nur ein Jahrmarkttrick

Echte Gravitation lässt sich nicht künstlich erzeugen, aber vortäuschen. Du kennst das Prinzip vielleicht von Rotor-Karussellen, in denen die Zentrifugalkraft dich an die Wand klebt.

Pilot:innen hingegen testen auf ähnliche Weise ihre Fitness in Zentrifugen. Je nach Umdrehungsgeschwindigkeit sprechen sie dann auch von "g", also dem Maß für die Stärke der irdische Gravitation.

Orte des Gleichgewichts: die Lagrange-Punkte

Der Gravitation kannst du nicht entkommen, denn sie wirkt unendlich weit. Allerdings lässt sie sich austricksen. Im Sonnensystem gibt es fünf "LaGrange-Punkte", an denen sich die Schwerkraft von Erde, Sonne und Mond gegenseitig aufheben. 

Wissenschaftler:innen platzieren an diesen Punkten gerne Weltraumteleskope wie das James Webb und Euclid von NASA und ESA. Dort können sie im Einklang mit der Erde die Sonne umrunden, ohne dass einer der Himmelskörper sie einseitig zu sich zieht.

Häufige Fragen zum Thema Gravitation