Newton beschreibt die Gravitation als eine universelle Kraft, die alle Massen im Universum anzieht. Er formuliert das Gravitationsgesetz, das besagt, dass die Anziehungskraft zwischen zwei Körpern direkt proportional zu den Massen der beiden Objekte und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen ist. Diese Kraft wirkt entlang der Linie, die die beiden Massen verbindet.

Newton zeigt, dass die Gravitation sowohl für die Bewegung von Himmelskörpern als auch für irdische Phänomene verantwortlich ist. Er verwendet dieses Gesetz, um die Bahnen der Planeten, die Bewegungen des Mondes, die Gezeiten und das Verhalten von Projektilen zu erklären. Newtons Gravitationstheorie verbindet die Physik des Himmels und der Erde unter einem einheitlichen Gesetz und revolutioniert das Verständnis der Naturkräfte. Er betont, dass die Gravitation eine Fernwirkung ist, deren genaue Ursache er jedoch nicht spezifiziert.

Newton, I. (1687). The Principia. University of California Press.

Albert Einstein erklärt die Gravitation in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie als die Krümmung der Raumzeit, die durch die Anwesenheit von Masse und Energie verursacht wird. Anstatt eine Kraft zwischen Massen zu sein, wie Newton es beschrieb, stellt Einstein die Gravitation als eine geometrische Eigenschaft des vierdimensionalen Raum-Zeit-Kontinuums dar. Massive Objekte wie Sterne und Planeten krümmen die Raumzeit um sich herum, und diese Krümmung beeinflusst die Bewegung anderer Objekte.

Einstein formulierte dies mathematisch in den Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie, die die Beziehung zwischen der Energie-Masse-Verteilung und der Krümmung der Raumzeit beschreiben. Freifallbewegungen von Objekten sind daher das Resultat der Bewegung entlang geodätischer Linien in der gekrümmten Raumzeit. Diese Theorie erklärt Phänomene wie die Perihelbewegung des Merkur, die Ablenkung des Lichts durch die Schwerkraft (Gravitationslinseneffekt) und die Zeitdilatation in starken Gravitationsfeldern. Einstein’s Theorie hat grundlegende Auswirkungen auf unser Verständnis des Universums und wurde durch zahlreiche Experimente bestätigt.

Einstein, A. (1916). Über die spezielle und die allgemeine Relativitätstheorie.

Carroll erläutert, dass Gravitation in der klassischen Physik als Krümmung der Raumzeit verstanden wird, während in der Quantenmechanik Kräfte durch Quantenfeldtheorien und den Austausch von Teilchen beschrieben werden. Er diskutiert das Konzept des hypothetischen Gravitons, ein Quantenteilchen, das die Gravitationskraft vermittelt, ähnlich wie Photonen die elektromagnetische Kraft übertragen. Er betont jedoch, dass eine vollständige und konsistente Quantenfeldtheorie der Gravitation noch nicht entwickelt ist. Carroll beschreibt auch die Schwierigkeiten, die auftreten, wenn man versucht, die Gravitation auf kleinste Skalen zu quantisieren, wo die Effekte der Raumzeitkrümmung und Quantenfluktuationen gleichzeitig berücksichtigt werden müssen.

Carroll macht deutlich, dass die Vereinigung von Quantenmechanik und Relativitätstheorie eines der größten ungelösten Probleme in der modernen Physik bleibt, und er verweist auf verschiedene Ansätze wie die Stringtheorie, die versuchen, diese Herausforderung zu meistern.

Carroll, S. (2019). Was ist die Welt und wenn ja wie viele? Klett-Cotta.

Quantengravitation
Quelle: Entropy
Youtube: 9:39