Faszination Universum: Die Schwerkraft

Warum bleiben die Planeten in der Nähe der Sonne, was hält sie auf ihren Bahnen? Ein uralter Streit unter den Gelehrten – bis Isaac Newton, der Legende nach unter einem Apfelbaum, vor rund 350 Jahren die entscheidende Frage stellte: Warum fällt der Apfel auf den Boden? Seine Antwort war die Geburt einer revolutionären Idee. Die Himmelskörper beeinflussen sich gegenseitig durch eine geheimnisvolle Fernwirkung. Je schwerer ein Körper, umso stärker ist seine Anziehungskraft. Auf Grundlage dieser Theorie konnte Newton den Lauf der Himmelskörper exakt berechnen. Seine Formeln haben bis heute Gültigkeit und erklären auch, warum die Planeten weder in die Sonne stürzen noch ins Weltall entschwinden. Die Schwerkraft der Sonne hält sie fest und zwingt sie auf eine Umlaufbahn. Fliehkraft der Planeten und Gravitation der Sonne sind im Gleichgewicht. Bei einer Runde Kettenkarussell kann man das am eigenen Leib spüren.

Alle Lebewesen bewegen sich nach den Gesetzen der Schwerkraft. Die Kraft der Gravitation bestimmt jeden Schritt. Da scheinen manche Erdbewohner vom Schicksal benachteiligt worden zu sein – zum Beispiel die bis zu drei Tonnen schweren Flusspferde. Aber die Kolosse werden im Wasser leichtfüßig. Flusspferde können bis zu sechs Minuten abtauchen und unter Wasser laufen oder einfach dahingleiten. Ihr Gewicht lässt sie zwar absinken. Der massige Körper profitiert aber gleichzeitig vom Auftrieb der verdrängten Wassermenge. Pure Masse bietet außerdem Schutz vor Angreifern wie Krokodilen und entscheidet bei den Revierkämpfen der Männchen über Leben und Tod. An Land, wenn die Flusspferde zu ihren Weidegründen unterwegs sind, sind sie bis zu 30 km/h schnell! Der Körper eines Flusspferdes ist also alles andere als eine Fehlkonstruktion der Evolution: Die Tiere sind optimal an ihre Lebensweise angepasst.

Die Schwerkraft gibt der gesamten Natur eine Richtung vor. Ohne sie würde selbst der Regen nicht auf die Erde fallen. Aber woher wissen Pflanzen, wo oben und unten ist? Wenn sich der Keimling im Boden entwickelt, ist es die Schwerkraft, die der Pflanze den Weg weist. Die Wurzeln wachsen zielsicher in die Erde, Richtung Erdmittelpunkt. Jede Pflanze hat dazu in der Wurzelhaube spezielle Stärkekörperchen. Sie werden von der Schwerkraft nach unten gelenkt und geben so das Signal für die richtige Wuchsrichtung. In den Sprossenzellen signalisiert der gleiche Mechanismus das Gegenteil. Sie wachsen entgegen der Schwerkraft nach oben. Erst an der Oberfläche gibt ihnen das Licht eine weitere Orientierung. Selbst wie hoch die Bäume in den Himmel wachsen können, wird durch die Schwerkraft bestimmt: Ab 130 Metern können die Bäume das Wasser nicht mehr entgegen der Schwerkraft nach oben transportieren. Der Sog, den sie durch Wurzeln, Kapillarkräfte und Transpiration der Blätter generieren, reicht dann nicht mehr aus.

In seismischen Messungen hat man ein ungefähres Bild vom inneren Aufbau der Erde gewonnen. Unter der dünnen Erdkruste, die weniger als ein halbes Prozent der Erdmasse ausmacht, befindet sich der bis zu 2.500 °C heiße Erdmantel. Er macht den größten Teil des Erdvolumens aus, aber „nur“ zwei Drittel der Masse. Druck und Temperatur steigen, je tiefer man vordringt. Nach fast 3.000 Kilometern, im äußeren Erdkern, würde man auf ein flüssiges, 4.000 °C heißes Gemisch aus Eisen und Nickel stoßen. Im inneren Erdkern, dem Mittelpunkt der Erde, ist der Druck so hoch, dass er bei mehr als 5.000 °C fest ist. Hier ist die Masse am stärksten verdichtet. Obwohl der Kern verhältnismäßig klein ist, macht er rund ein Drittel der Erdmasse von rund 5,97 Trilliarden Tonnen aus. Dank dieser gewaltigen Masse ist die Anziehungskraft der Erde stark genug, um etwas ganz Entscheidendes festzuhalten: die Luft zum Atmen. Die Atmosphäre liegt wie ein schützender Schleier um die Erde. Und sie hält sie warm, indem sie Wärmestrahlung, die von der Erde ins All gestrahlt wird, zurückhält. Die Atmosphäre ist einer der entscheidenden Punkte, der die Erde so lebenswert macht.

Die Venus, unser Nachbarplanet, hat eine mit der Erde vergleichbare Masse. Ihre Atmosphäre ist jedoch sehr dicht und besteht zu circa 96 Prozent aus Kohlendioxid. Zwar gab es auf der Venus vor langer Zeit einmal Wasser, doch der Sonnenwind – ein Strom geladener Teilchen, den die Sonne ständig ins All schickt – hat es ihrer Atmosphäre im Lauf der Zeit entrissen und einen lebensfeindlichen Planeten hinterlassen. Dass die Erde nicht das gleiche Schicksal erlitten hat, ist einer Besonderheit zu verdanken. Sie hat ein Magnetfeld, das sie wie ein Schutzschild umhüllt. Und auch dafür ist die Gravitation verantwortlich, denn sie treibt im Erdinneren ein riesiges Kreislaufsystem an. Warmes, leichteres Material steigt nach oben. Abgekühltes, schwereres Material sinkt nach unten. Die fließenden Metalle im Erdkern folgen einem komplizierten Strömungsmuster. Sie fließen nicht nur von oben nach unten, durch die Erdrotation sind Metallströme zusätzlich noch in sich verdrillt. Genau dieses Strömungsmuster macht es möglich, dass ein stabiles elektromagnetisches Feld entsteht, das die Erde umspannt.

Wie Newton hat Albert Einstein ein völlig neues Bild von der Welt geschaffen. Im Zentrum steht auch bei ihm eine neue Theorie von der rätselhaften Schwerkraft. Einstein entwickelt das Konzept der Raumzeit – eine Art vierte Dimension. Massen wie Sterne oder Planeten krümmen diese Raumzeit. Die Wirkung der Gravitation ist nichts anderes als die Folge der Raumverkrümmungen. Schwarze Löcher sind die Objekte im Universum mit der stärksten Gravitation, sie haben so viel Masse, dass sie den Raum extrem verzerren und sogar Licht verschlucken. Verschmelzen zwei schwarze Löcher miteinander, können regelrechte Wellen entstehen und sich ausbreiten. Wenn Einsteins Theorie stimmt, rasen diese sogenannten Gravitationswellen mit Lichtgeschwindigkeit durch das Universum und verzerren ihrerseits den Raum.

Gravitationswellen müssten auch die Erde erfassen, so die These der Forscher. Könnte man ihren Effekt messen, würde das Einsteins Theorie bestätigen. Dafür braucht es allerdings hochempfindliche Anlagen. Der LIGO-Detektor im nordwestlichen US-Bundesstaat Washington hat zwei je vier Kilometer lange, im rechten Winkel angeordnete Röhren, in denen das Licht von Lasern läuft. Spiegel teilen und lenken die Strahlen in die Röhren und wieder zurück. Solange sich nichts verändert, löschen sich die Lichtwellen der Laser gegenseitig aus und der Detektor empfängt kein Signal. Verzerrt eine Gravitationswelle minimal den Raum, ändert sich die Wegstrecke der Laser. Die Lichtwellen verschieben sich dadurch gegeneinander und erzeugen ein Signal. Um auszuschließen, dass man nicht nur lokale Erschütterungen gemessen hat, existiert die gleiche Anlage ein zweites Mal in Louisiana, im Südosten der USA. Beide Stationen müssen im Abstand der Lichtlauflänge von sieben Millisekunden das gleiche Signal messen. Und tatsächlich hat sich das Unvorstellbare ereignet. Eine Gravitationswelle, entstanden vor 1,3 Milliarden Jahren bei der Kollision zweier schwarzer Löcher, erreichte 2015 die Erde. Die Forscher konnten eine Längenveränderung von einem Tausendstel Protonenradius messen und wurden 2017 mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet. Inzwischen haben sie sogar weitere Gravitationswellen messen können. Damit ist es belegt: Einstein hatte recht.

Faszination Universum: Die Schwerkraft – Dirigentin der Welt
Erstausstrahlung ZDF: 30. September 2018, 19.30 Uhr

Buch und Realisation Nora Bergenthal, Tobias Schultes
Sprecher Gert Heidenreich

Redaktion TV Christiane Götz-Sobel
Redaktion Online Katja Treu

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Erstausstrahlung ZDF: 7. Oktober 2018, 19.30 Uhr