Merkurs Umlaufbahn schwingt langsam um die Sonne, und wenn Astronomen den Zug aller anderen Planeten des Sonnensystems abziehen, fallen Newtons eigene Gleichungen immer noch um 43 Bogensekunden pro Jahrhundert hinter der beobachteten Schwingung zurück. Es klingt wie ein Rundungsfehler. Es ist tatsächlich der Riss, der die Physiker schließlich zwang, die Gravitation von Grund auf neu zu schreiben.
Gravitation hält Monde in der Umlaufbahn, lässt Flüsse bergab fließen und drückt jeden Leser in seinen Stuhl, doch es brauchte mehr als tausend Jahre Rätselraten, eine Newtonsche Gleichung und einen Tagtraum eines Patentbeamten in Bern, um eine funktionsfähige Beschreibung davon zu bekommen. Auch dann zeigte sich die Gravitation als seltsam genug, dass ihre Anziehung zwischen zwei Elektronen nur 1 Teil von 4,17×10⁴² der elektrischen Abstoßung zwischen ihnen ist — eine Kraft so schwach auf der Atomskala, dass ihre Dominanz über Planeten und Galaxien wie ein Widerspruch wirken kann.
Hier zeigt sich, was die historische Überlieferung tatsächlich offenbart: wer Gravitation Jahrhunderte vor Newton erratete, wie sein Gesetz getestet wurde und wo es versagte, und was es ersetzte.
Gravitatios lange Vorgeschichte
Die Idee, dass Dinge zur Erde fallen, ist alt, aber die Idee, dass Gravitation überall gleich wirken könnte, ist viel älter als Newton. Der indische Mathematiker und Astronom Brahmagupta schrieb 628 n. Chr. über Gravitation als eine Kraft, die Objekte zur Erde zieht — er nannte sie gurutvakarshan, ein Begriff, der Newtons Principia um mehr als tausend Jahre vorausgeht.
Lange bevor jemand Gravitation genau messen konnte, musste jemand zeigen, dass ihre Anziehung nicht davon abhängt, wie schwer ein Objekt ist. 1586 ließen der flämische Physiker Simon Stevin zwei Kanonenkugeln sehr unterschiedlicher Größe und Gewicht von einem Turm in Delft fallen und fanden heraus, dass sie den Boden fast zur gleichen Zeit erreichten — eine direkt beobachtete Demonstration, dass allein das Gewicht nicht entscheidet, wie schnell etwas fällt.
Newtons Gleichung, im Keller getestet
Isaac Newton fasste Beobachtungen wie die von Stevin in ein einziges Gesetz in Philosophiae Naturalis Principia Mathematica zusammen, das Buch, das er am 5. Juli 1687 veröffentlichte. Es reduzierte Gravitation auf eine ordentliche Formel, F = Gm1m2/r², wobei G eine Konstante ist, die auf 6,674×10⁻¹¹ festgelegt ist — eine Zahl so klein, dass ihre Wirkung zwischen zwei alltäglichen Objekten kaum zu spüren ist.
Newton maß G selbst nie. Es dauerte über ein Jahrhundert, bis Henry Cavendish, ein britischer Wissenschaftler, den ersten Labortest von Newtons Gravitationsgesetz durchführte: 1798 wog er Bleikugeln gegeneinander ab, um zu zeigen, dass die gleiche Kraft, die Planeten zusammenzieht, auch zwischen Objekten auf einem Tisch wirkt.
Von einem vorhergesagten Planeten zu einem unerklärten Wackeln
Newtons Gesetz war genau genug, um etwas Bemerkensweres zu tun: einen Planeten zu finden, den noch niemand gesehen hatte. 1846 arbeiteten John Couch Adams und Urbain Le Verrier unabhängig als Astronomen heraus, wo ein unsichtbarer Körper an der Umlaufbahn eines benachbarten Planeten ziehen musste, und ein Teleskop, das auf diesen Himmelspatch gerichtet wurde, entdeckte Neptun fast an einem Tag.
Aber das gleiche Gesetz führte zu einem kleinen, hartnäckigen Widerspruch viel näher bei Zuhause. Nachdem die Gravitationskraft aller anderen Planeten von Merkurs Umlaufbahn abgezogen wurde, verfehlen Newtons Gleichungen immer noch die beobachtete Schwingung um 43 Bogensekunden pro Jahrhundert — zu klein, um für die meisten Zwecke wichtig zu sein, aber zu groß, damit Physiker einfach achselzuckend hätten reagieren können.
Einsteins neues Bild des Fallens
Die Lösung kam schließlich von einem Patentbeamten in Bern. 1905 veröffentlichte Albert Einstein das Papier, das die spezielle Relativitätstheorie einführte und revolutionierte, wie Physiker über Raum und Zeit dachten.
Zwei Jahre später hatte er, was er später als die glücklichste Erkenntnis seines Lebens bezeichnen würde: jemand im freien Fall fühlt sich schwerelos, als hätte die Gravitation einfach für ihn abgeschaltet. Diese Idee durch die Mathematik zu arbeiten dauerte weitere acht Jahre, und Einstein veröffentlichte seine fertige allgemeine Relativitätstheorie erst 1915.
Die neue Theorie verdiente ihren Platz fast sofort. Ihre Vorhersagen stimmten mit Merkurs seltsamer Umlaufbahnschwingung überein, und sie erklärten auch, warum Sternenlicht verbogen wird, wenn es nahe an der Sonne vorbeigeht — die genaue Lücke schließend, die Newtons Gleichungen nie berücksichtigen konnten.
Auf Wellen in der Raumzeit lauschen
Die allgemeine Relativitätstheorie sagte auch voraus, dass massive, beschleunigte Objekte die Raumzeit selbst erschüttern sollten und Gravitationswellen aussenden. Der erste Beweis dafür kam indirekt: Astronomen Hulse und Taylor verfolgten den Doppelpulsar PSR1913+16, den sie 1974 gefunden hatten, und beobachteten, wie sich seine Umlaufbahn genau in dem Tempo verkleinerte, das die Aussendung von Gravitationswellen vorhersagen würde. Die Entdeckung brachte ihnen 1993 den Nobelpreis für Physik.
Der direkte Beweis wartete eine weitere Generation. Die LIGO- und Virgo-Kollaborationen kündigten am 11. Februar 2016 an, dass sie tatsächlich eine Gravitationswelle aufgegriffen hatten: ein Signal namens GW150914, das am 14. September 2015 um genau 09:50:45 GMT eintraf. Es war von zwei schwarzen Löchern erzeugt worden, die 29 und 36 mal die Sonnenmasse wogen, die zusammenspiralen und sich ungefähr 1,3 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt vereinigten.
Gravitation hängt davon ab, wo Sie stehen
Auch ohne den Planeten zu verlassen, ist Gravitation keine feste Zahl. Earths Anziehung variiert um etwa 0,7 Prozent über seine Oberfläche, von einem Minimum von 9,7639 m/s² auf der Spitze des Nevado Huascarán in Peru bis zu einem Maximum von 9,8337 m/s² an der Oberfläche des Arktischen Ozeans.
Diese Unebenheiten und Vertiefungen erscheinen deutlich auf Satellitengravitationskarten, die den CHAMP- und GRACE-Missionen zusammen mit den GFZ-, NASA- und DLR-Agenturen zugeschrieben werden, welche offenbaren, warum einige Flecken der Erde etwas stärker ziehen als andere. Die Karte zirkulierte weit nach ihrer Erstellung 2005, und eine noch empfindlichere Version folgte 2011, als sich die Instrumente verbesserten.