Autoren

∞

Werke

∞

Neu

∞

Information

∞

Shop

∞

Lesetips

∞

Textquelle

∞

3. Das Geheimnis der Schwerkraft

Die Frage nach dem Wesen der Gravitation – Die Äthertheorie – Die Erklärung der Relativitätstheorie – Der Fahrstuhl im Weltraum – Von träger und schwerer Masse – Das Äquivalenzprinzip – Vom gekrümmten Raum – Unvorstellbare Dinge – Gedankenspiel oder Wirklichkeit? – Ein ungelöstes Problem

Wir haben das Gesetz der Gravitation kennengelernt, jener Kraft, die die Lenkerin aller Bewegungen im Weltraum und dadurch die beherrschende Gewalt des gesamten Universums überhaupt ist. Isaak Newtons durchdringender Forscherblick hatte die Gesetzmäßigkeit im Wirken dieser Kraft erkannt und ihr gleichzeitig in der Formel den exakten Ausdruck gegeben, der es seitdem dem Menschengeiste gestattet, das kosmische Geschehen, soweit es durch die Gravitation bedingt ist, der Rechnung zu unterwerfen.

Aber was ist das Wesen dieser geheimnisvollen Kraft? Diese Frage ist in höchstem Maße berechtigt, denn das Gesetz, nach dem die Wirkung der Gravitation erfolgt, besagt ja noch nichts über die eigentliche Ursache und das Wesen dieser Naturerscheinung, ebensowenig wie die Regel, nach der der Uhrzeiger seine Umläufe macht, etwas über die Ursache dieser Drehbewegung besagt. Jene Frage beschäftigte daher die Naturforschung nahezu so lange, wie sie sich über den Begriff der Gravitation im Newtonschen Sinne klargeworden ist. Wie kommt es, daß die Sonne die Erde, die Erde den Mond an sich fesselt und die Erde den Apfel, der sich vom Zweige losgelöst hat, zu sich herabzieht? Wir bezeichnen diese Anziehung als eine »Kraft«, wobei uns der Vergleich mit der Muskelkraft und den Wirkungen, die wir durch diese ausüben, vorschwebt; wir stellen uns vor, daß die größeren Weltkörper die kleineren wie mit ungeheuer langen Armen zu sich heranziehen. Aber gerade dieser Vergleich enthüllt uns das Rätselhafte der Gravitation. Denn wo sind die Arme der Erde oder der Sonne oder der sonstigen Weltkörper? Wir sehen sie nirgends, die Wirkung der Gravitation erfolgt vielmehr unvermittelt, ohne Arme oder ein anderes sichtbares Medium, von einem Weltkörper zum anderen und über die unendlichen Entfernungen im Weltenraume.

Ferner drängte sich uns die Frage auf, ob die Wirkung der Gravitation mit momentaner Geschwindigkeit, etwa nach Art der Lichtgeschwindigkeit, erfolgt. Newton selbst hat sich an der Erkenntnis und formelmäßigen Bestimmung des Gravitationsgesetzes genügen lassen, die Frage nach dem Wesen dieser Kraft hat er nicht aufgeworfen. Nach der Galilei-Newtonschen Mechanik stellt sich die Gravitation dar als eine »Fernkraft«, die unvermittelt und mit unendlicher Geschwindigkeit durch das ganze Weltall wirkt. Die Gravitation ist in dieser als »klassische Mechanik« bezeichneten Auffassung eine unmittelbare physikalische Gegebenheit, die aber nichtsdestoweniger durch ihr Sein und die Art ihres gesetzmäßigen Wirkens ein Rätsel darstellt, dessen Lösung und Ergründung eine der reizvollsten Aufgaben der spekulativen Naturforschung ist.

Überaus zahlreich sind die Hypothesen, die aufgestellt wurden, um das Wesen der Gravitation zu erklären. Aber sie alle litten an dem Übelstand, daß sie das Wesen dieser Kraft mit Hilfe einer anderen Kraft zu erklären suchten, die dann wieder unerklärt blieb. So setzte man nur ein Rätsel an die Stelle eines anderen. Das gilt auch von der Äthertheorie, die ja lange Zeit hindurch die wissenschaftliche Spekulation zur Erklärung der Naturerscheinungen und der Naturkräfte beherrschte und zum Teil auch heute noch beherrscht. Der Äther, der als ein unendlich feiner und zugleich in höchstem Maße elastischer, das ganze Weltall erfüllender Stoff gedacht wird, sollte, obwohl selbst schwerelos, die Gravitationswirkung zwischen den Weltkörpern erzeugen und vermitteln, sei es durch den Druck, den er auf alle Körper ausübt, sei es durch eine Art Strahlung oder noch auf andere Weise. Letzte Klarheit und Wahrheit konnte auch diese Hypothese nicht geben, sie litt an ebensolchen Mängeln wie die vielen anderen Versuche zur Erklärung der Gravitation und ließ die Frage nach der Ursache der Kräfte, die den Äther zu solchen Wirkungen befähigen, ungelöst. Das Geheimnis der Gravitation schien unergründlich.

Aber in unseren Tagen ist ein hochbedeutsamer Schritt getan, der uns dem Wesen der Gravitation doch näher zu bringen scheint, und zwar durch die allgemeine Relativitätstheorie Albert Einsteins. Wir wollen versuchen, den Grundgedanken dieses Erklärungsversuches herauszuschälen, was bei dem komplizierten und abstrakten Gedankengebilde, als welches sich die Relativitätstheorie darstellt, allerdings seine Schwierigkeiten hat und auch nur zu einem andeutungsweisen Bilde führen kann.

Nach der Relativitätstheorie ist die Gravitation nur als ein Spezialfall der allgemeinen Relativität der Bewegung aufzufassen. Sie setzt die Gravitation in Beziehung zur Trägheit, jener Ureigenschaft aller stofflichen Dinge, die darin besteht, daß ein Körper den Bewegungszustand, in dem er sich befindet, nach Richtung und Geschwindigkeit beizubehalten sucht und ihn auch so lange beibehält, als nicht andere Kräfte auf ihn einwirken. Die Relativitätstheorie erklärt Gravitation und Trägheit für äquivalent, das heißt als für die Betrachtung gleichwertig, ja sogar im Grunde identisch, und es kommt nach ihr nur auf die Betrachtungsweise an, ob man Trägheitserscheinungen als Gravitation und ebenso Gravitationserscheinungen als Wirkungen der Trägheit auffassen will. Diese Wesensgleichheit von Gravitation und Trägheit kann durch das folgende Beispiel, das in den Darstellungen der Relativitätstheorie viel benutzt wird, veranschaulicht werden. Wir versetzen uns in Gedanken in den Weltraum, weitab von allen Weltkörpern, in einen geschlossenen Kasten, etwa nach Art eines Fahrstuhles. Da unser Kasten fern genug von allen anderen Weltkörpern ist, kann von diesen auch keine Gravitationswirkung auf ihn ausgeübt werden. In dem Kasten herrscht also keine Schwere. Daher würde ein Körper, den der Kastenbewohner aus der Hand läßt, nicht fallen, sondern unbewegt an derselben Stelle im Raume, unverändert in demselben Abstande vom Boden des Kastens, verharren. Wir wollen nunmehr annehmen, daß der Kasten durch irgendein Wesen nach oben gezogen werde, und zwar mit gleichmäßiger Beschleunigung. Was geschieht dann? Der Kasten und auch der auf dem Boden des Kastens stehende Experimentator werden gleichmäßig beschleunigt nach oben gezogen, der losgelassene Körper aber verharrt nach wie vor in derselben Stelle im Raume; daher nähert sich ihm der Boden des emporgehobenen Kastens mit gleichmäßiger Beschleunigung, das heißt die Entfernung zwischen jenem Körper und dem Boden des Kastens wird beschleunigt verringert. Der Kastenbewohner aber, der von dem Emporziehen des Kastens nichts weiß, wird den Eindruck haben: der losgelassene Körper fällt auf den Boden des Kastens. Denn der beobachtete Vorgang ist seiner Erscheinung nach tatsächlich genau derselbe wie beim freien Fall infolge der Gravitation. Derselbe Vorgang, nämlich beschleunigte Verringerung der Entfernung zwischen dem Körper und dem Kastenboden, würde auch eintreten, wenn der Kasten in Ruhe bliebe, statt dessen aber plötzlich unterhalb des Kastens eine große Masse hingezaubert würde, die eine Gravitationswirkung ausübt und daher jenen frei schwebenden Körper gemäß den Fallgesetzen zu sich heranzieht. Bleibt es dem Kastenbewohner im ungewissen, wodurch jene Bewegung verursacht wurde, ob durch Hochziehen des Kastens oder durch die Gravitationswirkung einer Masse unterhalb des Kastens, so kann er den beobachteten Vorgang sowohl als Trägheitswirkung des Körpers gegenüber der plötzlich erfolgten Beschleunigung des Kastens oder aber als Gravitationswirkung, also als Fall, auffassen. Die Relativitätstheorie schließt aus der Identität der Erscheinungen in den beiden Fällen auf die Identität der Vorgänge selbst und ebenso auf die Identität der Ursachen in beiden Fällen. Trägheit und Gravitation, die identische Erscheinungen bewirken, sind ihrem Wesen nach selbst identisch; die Gravitationserscheinungen werden als Trägheitswirkungen aufgefaßt.

Auf Grund des Äquivalenzprinzips, das also die Identität zwischen Trägheit und Gravitation oder, wie man sagt, zwischen träger und schwerer Masse postuliert, baut Einstein seine Gravitationstheorie auf. Nach dieser unterliegt ein Körper bei seiner Bewegung im Raume überhaupt keiner besonderen Kraft, sondern er befolgt dabei lediglich die Gesetze des Raumes. Die Bahn eines Körpers im Raume ist in allen Fällen eine sogenannte »geradeste« oder geodätische Linie, das heißt, allgemein gesagt, die Linie des geringsten Widerstandes im raumzeitlichen Kontinuum, das die Welt darstellt. Wenn ein Mensch auf dem Nordpol steht, und er will auf dem kürzesten Wege der Erdoberfläche nach irgendeinem Punkte des Äquators gelangen, so würde das der Viertelmeridian sein, der jenen Punkt des Äquators mit dem Nordpol verbindet; dieser Weg wäre für diesen Fall die geodätische Linie zwischen jenen beiden Punkten. Ähnlich verfolgen auch die Körper im »leeren« Welträume ihren Weg auf geodätischen Linien. Aber der Raum ist nach der Relativitätstheorie nicht ein unterschiedsloses Etwas, als das ihn die alte Physik und ebenso die eigentliche Wissenschaft vom Raume, die Geometrie, aufgefaßt hatten, sondern er ist »gekrümmt«, und zwar nach Maßgabe der den Raum erfüllenden trägen Massen. Jeder materielle Körper im Weltall, wie etwa die Sonne, erzeugt nach Maßgabe seiner trägen Masse eine Krümmung des Raumes um sich herum, und diese ist gleichbedeutend mit dem Gravitationsfeld des Körpers. Ein anderer Körper, der in dem Bereich der Sonne ist, also etwa die Erde, folgt der Raumkrümmung, die die Sonnenmasse bewirkt und die ihn um die Sonne herumführt. Die Erdbahn ist also die geodätische Linie der Erde im Krümmungsfelde der Sonne. Nur weitab von allen anderen Körpern und außerhalb der Krümmungssphäre solcher würde ein Körper sich geradlinig und mit gleichbleibender Geschwindigkeit fortbewegen, nur in einem solchen Falle erfolgen die Bewegungen der Körper nach dem Trägheitsgesetz der Galilei-Newtonschen Mechanik.

Die Relativitätstheorie scheidet also die Annahme einer besonderen Kraft für die Erklärung der Gravitation aus. Eine besondere anziehende Kraft gibt es überhaupt nicht, sondern die Bewegungen der Körper, die in der alten Physik als unter dem Einfluß der Gravitation erfolgend betrachtet wurden, erfolgen lediglich als die Bahnen ihrer geodätischen Linien im gekrümmten Raume; die Krümmung des Raumes und damit die Bewegungsbahnen der Weltkörper aber werden bewirkt durch die trägen Massen im Welträume. Für die Relativitätstheorie ist somit die Gravitation nur noch ein Raum- und Bewegungsproblem, ein Spezialfall der Relativität aller Bewegungen. In der Auffassung der heutigen Physik ist der Gravitation auch der Charakter der Fernkraft genommen; sie ist, wenn man das Bild der »Kraft« überhaupt noch beibehalten will, ebenso wie alle anderen Kräfte nur noch als Nahkraft aufzufassen, deren Ausbreitungsgeschwindigkeit ebenso wie die des Lichtes 300 000 Kilometer in der Sekunde beträgt.

Der große Wert dieser Auffassung der Gravitation besteht darin, daß sie überhaupt zum ersten Male eine logisch geschlossene Erklärung der Gravitation darbietet, ohne den Zirkelschluß früherer Hypothesen zu begehen, die immer eine Kraft durch eine andere erklärten und dadurch überhaupt zu keiner befriedigenden Erklärung kamen. Der große Reiz dieser Auffassung für den Naturforscher aber besteht in der Einfachheit und Einheitlichkeit des Erklärungsprinzips, des Prinzips der Äquivalenz zwischen träger und schwerer Masse, aus dem die Gravitation folgt. Dafür arbeitet freilich die Relativitätstheorie in ihrer Erklärungsweise mit Annahmen und Begriffen, die nicht nur in höchstem Maße abstrakt, sondern auch mit jeder menschlichen Vorstellung überhaupt unvereinbar sind. Der Begriff der »Krümmung des Raumes« insbesondere ist keiner Vorstellung fähig. Eine Linie, eine Ebene, ein Körper kann gekrümmt sein, ob es aber einen Sinn hat, den Raum selbst als gekrümmt zu bezeichnen, muß vorderhand dahingestellt bleiben, eine Vorstellung können wir jedenfalls mit dieser Annahme nicht verbinden. Die Relativitätstheoretiker allerdings machen sich über die Nichtvorstellbarkeit ihrer Annahmen und Begriffe keine Bedenken, sondern lassen sich an der mathematischen Darstellbarkeit ihrer Theorie genügen; die Gegner aber, die diese Theorie ablehnen, kommen zu ihrem ablehnenden Standpunkt nicht zum wenigsten durch die völlige Unvorstellbarkeit der Gebilde und Begriffe, mit denen jene Theorie arbeitet, und sind geneigt, die begrifflichen Operationen und Folgerungen dieser Theorie nur als einen Wettlauf mit der Schildkröte zu bewerten. Auch die Erklärung der Gravitation auf dem Boden der Relativitätstheorie steht und fällt mit dieser, und die Zukunft muß erweisen, ob die neue Gravitationshypothese, ebenso wie die Relativitätstheorie überhaupt, nur ein scharfsinniges Spiel mit Begriffen ist, oder ob sie Anspruch darauf erheben kann, als Wirklichkeitserklärung zu gelten.

Jener Apfel, der einst zur Erde fiel und einem genialen Denker zum ersten Male die Rätselhaftigkeit des Fallvorganges auf dämmern ließ, ist seines Geheimnisses auch heute noch keinesfalls völlig und widerspruchsfrei enthüllt. Dieser Vorgang, so unendlich einfach und so ungezählte millionenmal vordem und nachdem beobachtet, rührt an das Innerste der Natur und gibt unseren Forschern und Denkern nach wie vor eins der tiefsten Probleme der Naturerklärung auf.