Wie weit wirkt Gravitation?

Nach der Newtonschen Vorstellung und auch nach Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie (ART) ist die Reichweite der Gravitation unendlich groß. Natürlich wird die Stärke der Wirkung schnell kleiner, sie nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab (nach Newton). Da das Gravitationsfeld selbst Schwerkraft erzeugt, gibt es geringfügige Abweichungen bei kleineren Abständen (ART).

Alle anderen Felder (elektromagnetische Felder, starke und schwache Kraft) werden durch Feldquanten beschriebenen, d.h. sie lassen sich quantisieren.

Bei der Gravitation ist das noch nicht gelungen.

Es gibt aber verschiedene Ansätze. Auch hat das Feldquant schon einen Namen: Graviton. Was nicht heißt, dass es existiert!

Es wird nach Stephan Hawking durch einen Doppelpfeil veranschaulicht, der nach einer Drehung von 180° in sich übergeht.

Aus diesen Symmetrieüberlegungen ergibt sich ein Spin von 2 für das Graviton.

Photonen haben Spin 1, sie werden durch einen Pfeil veranschaulicht, der  erst nach 360° in sich übergeht.

Graviton und Photon sind dann Bosonen, so wie es sich für ein Quant, das Kräfte vermittelt, gehört.

Wie weit wirkt nun Gravitation?

Da hilft uns die Heisenbergsche Unbestimmtheitsbeziehung UBR weiter:

Wechselwirkungsquanten sind virtuell, d.h. sie existieren mit für eine Zeit t geborgten Energie E. Die UBR erfordert: E*t = h.

Je länger das Quant existiert, desto weniger Energie darf es haben.

Für ein Quant, dass unendlich weit fliegt, also beliebig lang existieren kann, muss die Energie auch 0 sein können. Ein solches Quant darf also keine Ruhemasse haben 

Das ist bei Photonen bekannt, bei Gravitonen nicht.

Es gibt Ansätze für Quanten-Gravitation mit Ruhemasse m=0, aber auch solche mit m>0.

Forschende um Benrus haben nun Daten von Ploneten, Monden und großen Asteroiden von 1913 bis 2017 ausgewertet und Abweichungen zu den Vorhersagen der ART untersucht.

Ihr Ergebnis (2019): Gravitation hat mindestens eine Reichweite von 2 Lichtjahren und somit muss das Graviton eine Ruhemasse unter 7*10^(-23) eV haben.

Zum Vergleich: Die Masse eines Elektrons liegt bei 500 000 eV, die von Neutrinos unter 1 eV.

credit: Y Gominet IMCCE/Observatoire de Paris/NASA

Mehr zu diesem Thema heute abend um 17.00 Uhr in meinem Vortrag:

"Warum sind Gravitationswellen so schnell wie Licht?" im FutureSpace oder auch online.