Wie schnell ist Gravitation?

Wie schnell ist Gravitation? Manche Fragen möchte ich einfach mit einem Satz beantworten: Gravitation ist so schnell wie das Licht. Doch die Frage ist komplizierter. Sie wirft eine weitere auf: Wie entkommt die Gravitation einem Schwarzen Loch, wenn Licht diesem nicht entkommt?

Was Licht ist, habe ich schon beschrieben. Licht ist eine Welle im elektromagnetischen Feld und bewegt sich mit der Geschwindigkeit von genau 299.792.458 Metern pro Sekunde durch die Raumzeit. Und zwar immer. Nichts kann schneller als Licht sein und Licht kann im Vakuum nicht verlangsamt werden.

Aber Licht ist nicht dasselbe wie ein elektromagnetisches Feld. Wenn wir also unter Gravitation die Schwerkraft verstehen, ist Licht als Analogie unpassend. Wir müssen sagen: Gravitation ist so schnell wie ein elektrisches oder magnetisches Feld. Wie schnell ist das?

Magnetfeld

Magnetfeld eines Zylindermagneten. Bild vom Wikipedia-Autoren Geek3 unter Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license

Rechts sehen Sie ein Bild eines magnetischen Feldes aus der Wikipedia. Dieses Bild kann falsch gelesen werden: Es kann die Betrachter auf die Idee bringen, ein magnetisches Feld fließe vom Nordpol zum Südpol. So wie ein Elektron vom elektrischen Minuspol zum Pluspol fließt. Dasselbe falsche Bild vermittelt der Name magnetische Flussdichte, den wir einem der Magnetfelder geben.

Dieses falsche Bild hat mir als Schüler Rätsel aufgegeben: Wie kommt es, dass sich ein Magnet nicht verbraucht, wo doch ständig Magnetfluss von Nord nach Süd stattfindet? Was treibt den magnetischen Fluss an?

Tatsächlich fließt hier aber gar nichts. Das Magnetfeld ist eine statische Kraft, die Pfeile im Bild und die Richtung der Vektorgröße magnetische Flussdichte geben keine Bewegungsrichtung sondern eine Kraftrichtung an. Das gilt analog auch für das elektrische und für das Gravitationsfeld.

Gravitation muss ein Schwarzes Loch nicht verlassen. Das Schwarze Loch ist in der Näherung der Schwartzschild-Metrik von einem statischen Gravitationsfeld umgeben. Damit erübrigt sich die Frage, wie die Gravitation das Schwarze Loch verlassen kann, wenn doch Licht nicht dazu in der Lage ist. Ein Schwarzes Loch ist ein eingefrorenes Gravitationsfeld, das ein kollabierter Stern zurückgelassen hat.

Und wie schnell sind Gravitationswellen? Hier gibt es eine andere Schwierigkeit: Während Lichtwellen bei haushaltsüblichen Lichtstärken keinen Einfluss auf die Raumzeit selbst nehmen, sind Gravitationswellen Verwerfungen in der Raumzeit. Sie verändern die Längen und Zeitmaße auf die sich die Messung von Geschwindigkeiten bezieht. Für sehr kleine Wellen lässt sich jedoch eine Geschwindigkeit im umgebenen Raum berechnen. Sie entspricht der Lichtgeschwindigkeit.

Gravitation kann statisch sein. Gravitationswellen sind so schnell wie Licht.

Veröffentlicht von

www.quantenwelt.de/

Joachim Schulz ist Gruppenleiter für Probenumgebung an der European XFEL GmbH in Schenefeld bei Hamburg. Seine wissenschaftliche Laufbahn begann in der Quantenoptik, in der er die Wechselwirkung einzelner Atome mit Laserfeldern untersucht hat. Sie führte ihn unter anderem zur Atomphysik mit Synchrotronstrahlung und Clusterphysik mit Freie-Elektronen Lasern. Vier Jahre hat er am Centre for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg Experimente zur kohärenten Röntgenbeugung an Biomolekülen geplant, aufgebaut und durchgeführt. In seiner Freizeit schreibt er zum Beispiel hier im Blog oder an seiner Homepage "Joachims Quantenwelt".

14 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. „Ein Schwarzes Loch ist ein eingefrorenes Gravitationsfeld, das ein kollabierter Stern zurückgelassen hat.“
    > Den Satz versteh ich nicht, besonders das mit dem „eingefroren“. Ein Stern mit geg. Masse und Volumen kollabiert, daraus entsteht ein sog. Schwarzes Loch mit der gleichen (?) Masse, aber auf sehr viel kleinerem Raum. Der Schwerpunkt der Masse müsste auch unverändert bleiben. Das hieße doch, dass die Geometrie des Gravitatonsfeldes ebenso gleich bleibe?
    Anders ausgedrückt: das Gravitationsfeld bleibt gleich, weil Masse und Position des Schwerpunktes gleich bleiben.
    Oder? Wo ist mein Fehler?

  2. Schöne Beschreibung und schöne Bilder wie „Ein Schwarzes Loch ist ein eingefrorenes Gravitationsfeld“. Aber: Würde ein eingefrorenes und statisches Graviationsfeld eines schwarzen Loches nicht bedeuten, dass sich das Gravitationsfeld eines schwarzen Loches nicht mehr ändern kann, selbst wenn es „kannibalistisch“ tätig ist, also Sterne und andere Materie aus seiner Umgebung verschluckt? Das gleiche Problem gilt auch für das Magnetfeld eines schwarzen Loches. Allerdings scheinen Magnetfelder um schwarze Löcher ihren Ursprung im Bereich des Ereignishorizonts zu haben und nicht im schwarzen Loch selbst. Doch bei der Gravitation hilft diese Erklärung nicht weiter.

    • Die Analoge zwischen elektromagnetischem Feld und Gravitationsfeld als „statische Elemente“ auf der einen Seite und Licht (als Lichtwellen/LichtTeilchen) und „Gravitationsstrahlung“ (als Gravitationswellen/GravitationsTeilchen) als „dynamische Elemente“ auf der anderen Seite lässt den Gedanken aufkommen, dass es kein Problem wäre, wenn Gravitationswellen/GravitationsTeilchen das Schwarze Loch nicht verlassen könnten, genauso wie Lichtteilchen das schwarze Loch nicht verlassen können. Vor allem der Satz von oben „Gravitation muss ein Schwarzes Loch nicht verlassen.“ lässt einen die Analogie zum Licht machen, zum Licht, das das Schwarze Loch nicht mehr verlassen kann.
      Doch meiner Ansicht nach müssen Gravitationswellen das Schwarze Loch verlassen können, denn ein Massenzuwachs des schwarzen Lochs muss irgendwie nach aussen kommuniziert werden: Dazu braucht es wahrscheinlich Gravitationswellen. Ein schwarzes Loch ist also nicht schwarz für Gravitationsteilchen.

      • Ein Schwarzes Loch kann, ebenso wie jedes andere Objekt, seine Masse nicht aus sich selbst heraus ändern. Die Masse wächst, wenn weitere Masse hineinfällt. diese Masse bringt dann ihr zusätzliches Feld praktisch mit. Die Masse eines Schwarzen Lochs kann durch Hawking-Strahlung abnehmen. Diese Strahlung besteht aus Teilchen, die am Ereignishorizont entstehen. Beim Verlassen nehmen sie ihren Anteil des Gravitationsfeldes sozusagen mit heraus.

        Die allgemeine Relativitätstheorie ist eine lokale Feldtheorie. Es braucht keine Kommunikation aus dem Zentrum. Das Feld ändert sich durch lokale Einflüsse.

        • Das könnte funktionieren. Das schwarze Loch wäre ausserhalb nur über Wirkungen erlebbar, die vom Ereignishorizont ausgehen. Alles was Felder ausserhalb des schwarzen Loches verändert würde letztlich auf Änderungen am Ereignishorizont zurückgehen. Auch die Emission von Hawking-Strahlung wäre dann ein Ereignishorizont-Ereigniss

  3. Lässt sich hier i.p. Energieverbrauch oder Energie-Transport erklären, kann ein „schwarzes Loch“ so entscheidend an Energie verlieren?

    Bonusfrage:
    Gibt es eine besondere physikalische Erklärung für das Vorhandensein der Gravitation?

    MFG
    Dr. W

  4. Verehrter Herr Schulz
    ein Gravitationsfeld als physikalische Entität ist – wie Sie schon sagen – modellhaft etwas ganz anderes als das Feld einer elektrischen Ladung: es ist nach der ART statisch verformter Raum: alles fällt runter, weil wir auf der Erdoberfläche tief in einem Raumtrichter sitzen, und jede Masse – kräftefrei gelassen – in diesen Trichter rein rast. Durch den Zwang des Raumes sozusagen.

    Insofern hat er Raum um uns herum ganz schön Power – sieht man ihm gar nicht an. Wir denken immer – es ist die Masse der Erde, die das anzieht, was da runterfällt. – Ne, ne, es rutscht nur den Raum runter.

    Und der wellt sich auch noch unmerklich, weil aus fernen Galaxien Raumwellen heraneilen, verursacht von beschleunigten Monstermassen.

    Das beschriebene Bild – ist wohl nicht falsch – läßt sofort die Frage aufkommen: könnte es – neben den großen Dellen durch Monstermassen – nicht auch irgendein Gekräusel geben, so fein, daß das nicht meßbar ist ? Damit könnte man dann endlich einem Feld irgendeine physikalische Bestimmung geben.

    Was aber wirklich bemerkenswert ist: eine Masse, die ein Gravitationsfeld erzeugt, macht sich gleichzeitig auch träge. Als ob zwei Geschwister auftreten – das Gravitationsfeld und die Trägheit, das eine zum Preis des anderen. Das gibt es bei der Elektrizität nicht – oder doch: Ladung zum Preis des Spins ? Immerhin eine gewisse Symmetrie (oder –bruch?) ist vorhanden – ist die schon mal näher beleuchtet worden

    Jede beschleunigte Masse erzeugt eine Raumwelle. Selbst ein im Kristallgitter oder Molekülverbund schwingendes Atom müßte auch eine Raumwelle erzeugen – im Prinzip. Der englische Mathematiker Penrose hat vorgeschlagen zu überlegen, ob solche kleine Wellen nicht verschränkte Quantensysteme zum Einsturz bringen – also diese Wellen, falls hier überhaupt physikalisch noch sinnvolle Größenordnungen vorliegen, für Dekohärenz und die klassische Ausformung unserer materiellen Welt verantwortlich wären. Lohnt es sich über sowas nachzudenken? Oder war das nur eine Schnapsidee ?

    Es grüßt Sie herzlich
    Fossilium

  5. 1920 proklamierte Einstein in seiner Rede zu Leiden einen Gravitationsäther welcher nicht im Widerspruch zur SRT steht und welchen man sich nicht aus „durch die Zeit verfolgbare Teilchen zusammengesetzt“ vorstellen solle.
    Dieser sei im Gegensatz zur Materie von primär (und auch ohne Materie vorstellbar), jedoch mit dieser verbunden und möglicherweise „ein Feld von skalarer Natur“
    Eine deutliche Abweichung von der Vorstellung „Massen umgeben von Nichts“
    Erinnert wohl mehr an die String Theorie (Weltfäden) oder sogar Quantengravitation (?)
    Ich habe mir diese Rede mindestens 15 Mal durchgelesen und finde immer wieder neue Aspekte des Einstein`schen Denkens nach der Entwicklung von ART und SRT.
    Ein skalares Feld kann keine Geschwindigkeit haben, es ist ja sozusagen ausgebreitet – in Analogie dazu hat ja ein Meer auch keine Geschwindigkeit.
    Es sei darauf hingewiesen, dass nicht nur die Natur der Gravitation unbekannt ist, sondern bis heute Wellen- und Teilcheneigenschaften des Lichts (wie schon damals von Einstein gefordert) nicht in einer Theorie vereinigt wurden.
    Es gibt einen Ansatz von Prof. Wolfram Stanek (Konstanz) die Maxwellgleichungen theoretisch zu erweitern, da diese ja lediglich die Welleneigenschaften beschreiben.
    Bei Kleinstmagneten haben japanische Forscher die dynamische Natur des Magnetflusses in einem speziellen Verfahren sichtbar gemacht (river like motion of magnetic vortices).
    Es scheint so als flössen diese „Teilchen“ von Innen (schwarzer Punkt) nach Außen und nicht von Norden nach Süden. Hat der Magnet also so etwas wie einen „Null-Punkt“ ? 1865 gab es ja noch keine speziellen Mikroskope und hochauflösende Bildgebungsverfahren.
    In der Quantenelektrodynamik sind die virtuellen Photonen die Wechselwirkungsteilchen der EM-Kraft. Anscheinend kommen diese Teilchen aus dem “Nichts“ und verschwinden auch wieder genauso schnell. Wer sagt denn, dass es keinen „Kreislauf“ zwischen dem Quantenvakuum und der „Raumzeit“ gibt?
    Die verschiedenen physikalischen Modelle laufen nebeneinander her, jedoch sagte Einstein: die Welt ist eins.
    Die Gravitation widersetzt sich nicht der Vereinheitlichung, man hat sie bisher nur nicht verstanden, ihre Natur nicht erkannt.
    Viele Grüße

  6. ich finde im artikel nichts, was die zu beginn gestellte frage schlüssig beantwortet. „wie schnell ist gravitation“ wird mit „Für sehr kleine Wellen lässt sich jedoch eine Geschwindigkeit im umgebenen Raum berechnen. Sie entspricht der Lichtgeschwindigkeit.“ beantwortet. wie oder nach welchem model wird verschwiegen … und meines wissens ist das noch nicht mal erwiesen. solche artikel brauche ich nicht.

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