Experiment in Wien: Die kleinste Schwerkraft, die je gemessen wurde

Wie verhält sich Gravitation, wenn die Massen und die Abstände klein werden? Quantenphysiker in der Wiener Boltzmanngasse erforschen das mit der Mini-Version eines historischen Versuchs.

Ziehen Menschen einander an? Ja gewiss, bisweilen. Aber ziehen sie einander auch via Schwerkraft an? Ja, aber das spüren sie sicher nicht. Wer gern rechnet, kann es gleich ausrechnen (wer nicht, liest beim nächsten Absatz weiter): Die Kraft zwischen zwei Körpern ist laut Newton gleich dem Produkt ihrer Massen, dividiert durch das Quadrat der Abstandes. Das Ergebnis muss man noch mit der Gravitationskonstante multiplizieren – und das macht's aus, denn die ist sehr klein, ungefähr 7✕10^-11m³kg^-1s^-2. So ergibt sich, wenn man die Menschen mit je 100 Kilo und den Abstand mit einem Meter veranschlagt, eine Kraft von ca. 7✕10^-7 Newton, und das ist sehr wenig. Das spürt kein Mensch.

Die vier Kräfte

Die Gravitation vulgo Schwerkraft ist nämlich eine äußerst schwache Kraft, die schwächste der vier fundamentalen Wechselwirkungen (siehe Kasten). Sie ist um unglaubliche 36 Größenordnungen – um den Faktor 10³⁶ – kleiner als die elektromagnetische Wechselwirkung. Dass uns das nicht so vorkommt, liegt daran, dass wir meist von der Schwerkraft reden, die die Erde auf einen anderen Körper ausübt. Und die Erde hat eine sehr große Masse, ungefähr 6✕10²⁴ Kilogramm.Die elektromagnetische Kraft äußert sich in Licht, Elektrizität und Magnetismus. Man kann sie im Rahmen einer Quantenfeldtheorie durch den Austausch von Photonen erklären.
Die starke Kraft hält die Bestandteile der Atomkerne zusammen. Sie wirkt nur in nächster Nähe. Verkörpert wird sie durch Gluonen.
Die schwache Kraft wirkt auch nur über sehr kurze Distanzen. Sie regiert z.B. den radioaktiven Betazerfall.
Die Gravitation ist die schwächste Kraft, aber ihre Reichweite ist unbegrenzt. Sie lässt sich (bisher?) nicht als Quantenfeldtheorie formulieren.

Besonders stark ist die Gravitation natürlich zwischen Himmelskörpern. Das Gravitationsgesetz beschreibt die Bewegung der Planeten um ihren Stern, aber auch der Sterne in Galaxien und der Galaxien selbst. Wobei die Astronomen hier an Grenzen stoßen: Schon für die Bahn des Merkur braucht man, wenn man genau sein will, jene Theorie, die Albert Einstein an die Stelle der Newtonschen Gravitationstheorie gesetzt hat: die allgemeine Relativitätstheorie (ART).