- Die frühen Anfänge der Gravitationsforschung gehen auf den griechischen Gelehrten Aristoteles (384 – 322 v. Chr.) zurück. Damals war das vorherrschende Weltbild das der ruhenden Erde im Zentrum, und um sie kreisten die Sonne, Mond und Planeten. Aristoteles versuchte damals schon die Bewegung fallender Körper zu beschreiben. Für ihn war der gerade Fallweg ein Beleg für die ruhende Erde [1]
- Einige Jahre später (100 – 160 n. Chr.) Erfolgte eine kleine Modifikation des Modells durch den alexandrinischen Gelehrten Clausius Ptolemäus. Sein Modell basiert ebenfalls auf der Geozentrizität und besagt, dass sich die Mittelpunkte der Kreisbahnen (z.B. Planeten oder Monde) ebenfalls auf Kreisen bewegen [1]
- Der erste, der systematisch und mathematisch Gravitation erforschte war Galileo Galilei (1564 – 1642). Er soll Fallexperimente am Schiefen Turm von Pisa durchgeführt haben, um seine Hypothesen zu überprüfen. Er konnte das kopernikanische, heliozentrische Weltbild bestätigen [1].
- Einen großen Durchbruch in der Gravitationsforschung erlangte Sir Isaac Newton (1643 – 1727). Er schrieb seine Theorie in „Philosophiae naturalis principia mathematica“ nieder [2].
- 1666 begann Newton mit dem Versuch, die (empirischen) Kepler‘schen Gesetze zu beweisen und physikalisch zu erklären. Das Ergebnis war schließlich 1687 seine Publikation „Principia“, indem unter Anderem zum ersten Mal die heute als Newtonsche Gesetze bekannten Gesetze erläutert werden: Das Trägheitsgesetz, das dynamische Grundgesetz und das Reaktionsprinzip. Weiter besagt Newtons Theorie, dass sich Gravitation instantan, also ohne Laufzeitverzögerung ausbreitet [1] [2].
- Albert Einstein (1879 – 1955) präsentierte im Jahr 1916 seine Allgemeine Relativitätstheorie, im Rahme dessen die Gravitation nicht als Kraft, sondern als geometrische Eigenschaft von Raum und Zeit beschrieben wird. Die ART wurde in zahlreichen Experimenten bestätigt [3].
- Eine alternative Gravitationstheorie sind solche mit Torsion, in denen der Torsions-Tensor, anders als bei der torsionsfreien Allgemeinen Relativitätstheorie, nicht verschwindet. Das Ergebnis ist eine deutlich kompliziertere Alternative zur Allgemeinen Relativitätstheorie mit einigen zusätzlichen Termen. Ein Beispiel ist zum Beispiel der sogenannte Fernparallelismus, der 1928 von Einstein als neue Gravitationstheorie mit ebendieser Torsion erfunden wurde. Schwerkraft ist nun keine Folge der Krümmung der Raumzeit mehr, sondern eine Folge der Verdrillung der Raumzeit. Gravitationsforscher konnten beweisen, dass der Fernparallelismus und die Allgemeine Relatitivätstheorie als gleichwertige Formulierungen angesehen werden können. Auch in der modernen Gravitationsforschung wird versucht, diese Theorien weiter zu entwickeln, um eventuell auf diesem Wege eine Theorie zu finden, die der Einsteinschen übergeordnet ist oder Querverbindungen zu z.B. Quantengravitationstheorien ergibt [1] [4].
- Die Skalar-Tensor-Theorien verfolgen den Ansatz, dass neben dem metrischen Tensor ein weiteres Skalares Feld vorliegt. Diesem Feld werden verschiedene Eigenschaften zugeschrieben, z.B. dass es in jedem Raumzeitpunkt konstant sein kann oder variieren kann. Außerdem koppelt es nur an den Krümmungsskalar (Ricci-Skalar), nicht an den metrischen Tensor. Es gibt unterschieldiche Varianten der Skalar-Tensor-Theorien, z.B. die Brans-Dicke-Theorie [1] [5] [6].
- Eine recht bekannte alternative Theorie ist die MOND-Theorie, die 1983 von dem Physiker Mordehai Milgrom aufgestellt wurde. Sie korrigiert das Newtonsche Gravitationsgesetz um einen weiteren Faktor, der von der Beschleunigung abhängt und ohne den Ansatz der Dunklen Materie unter Anderem das Rotationsverhalten von Spiralgalaxien erklären kann [7].
- Eine Ableitung der MOND Theorie ist TeVeS, die Tensor-Vektor-Skalar-Gravitationstheorie, die 2004 von Jacob D. Bekenstein aufgestellt wurde. Im Gegensatz zu den Skalar-Tensor-Theorien ist hier ein zusätzliches Vektorfeld vorhanden. Untersuchungen der letzten Jahre zeigen, dass diese Theorie gleichermaßen wie Einsteins Theorie Beobachtungen der modernen Kosmologie erklären kann [8] [1].
- Pseudo-Newtonsche Gravitation: Der Ansatz der Pseudo-Newtonschen Gravitation besteht aus einem 1980 von B. Paczynski und P. Wiita aufgestellten Modell, welches das Schwerefeld einer Punktmasse relativistisch mit der Schwarzschild-Lösung beschreibt. Es wird die Potentialformulierung statt der typischen Tensorschreibweise. Statt dem üblichen Newtonschen Potential wird das Paczynski-Wiita-Potential verwendet, welches mit dem Schwarzschildradius skaliert wird. Bis zu einem gewissen Grad können Gravitationseffekte um eine Punktmasse und nahe eines beispielhaften Schwarzen Loches beschrieben werden. Die Genauigkeit, mit der andere relativistische Effekte berechnet werden können, beträgt circa 10-20 % (wenn Radien außerhalb der sogenannten marginal stabilen Bahn, in diesem Fall sechs Gravitationsradien, betrachtet werden [9] [1].
- Gravitation mit Extradimensionen: Eine weitere Gruppe von Gravitationstheorien sind die Feldtheorien mit Extradimensionen, in welchen eine weitere Raum-, aber keine weitere Zeitdimension zugelassen wird. Allein die Gravitation wirkt auch in höheren Raumdimensionen, nicht aber die weiteren Naturkräfte. Ein Vorteil dieser Theorien ist es, dass das Hierarchieproblem der Physik erklärt werden kann. Der erste Vorschlag geht auf die Kaluza-Klein-Theorie zurück, die als fünfdimensionale Feldtheorie den Elektromagnetismus und die Allgemeine Relativitätstheorie vereinheitlichen sollte. Weitere bekannte Modelle sind zum Beispiel das ADD-Szenario, das DGP-Szenario, das Zyklische Universum und die Randall-Sundrum_Modelle [1]
- Die f(R)-Gravitation beschreibt eine Modifikation von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie, allerdings werden hier nichtlineare Zusatzterme berücksichtigt, welche wiederum eine beliebige Abhängigkeit von dem Ricci-Skalar R besitzen können. Die Beschreibung der Gravitation in dieser Theorie wird über eine Feldgleichung bestimmt, die aus dem Wirkungsfunktional resultiert. Interessant sind diese f(R)-Theorien, da diese die Rolle der Dunklen Energie übernehmen könnte. Erfolgreiche Resultate zur Verifizierung dieser Theorien sind bisher noch nicht ausreichend vorhanden [10] [1].
Weiterführende Literatur
[11] Misner, C. W.; Thorne, K. S.; Wheeler, J. A.: Gravitation, Freeman San Francisco 1973 [12] Hawking, Stephen: Die Klassiker der Physik; Hamburg; 2004 [13] Stiefel, E.: Richtungsfelder und Fernparallelismus in n-dimensionalen Mannigfaltigkeiten; Commentarii Mathematici Helvetici 8, 305-353; 1935 [14] Bergmann, Peter G.: Comments on the Scalar-Tensor Theory; International Journal of Theoretical Physics, Vol. 1, 1968 [15] Fujii, Yasunori; Maeda, Kei-Ichi: The Scalar-Tensor Theory of Gravitation; Cambridge Monographs on Mathematical Physics; 2003 [16] Milgrom, Mordehai: New Physics at Low Accelerations (MOND): an Alternative to Dark Matter [17] Milgrom, Mordehai: Dynamics with a non-standard inertia acceleration relation: an alternative to dark matter; Ann. Phys. 229, 1994 (Link: doi:10.1006/aphy.1994.1012), aufgerufen am 20.08.2020 [18] Skordis, Constantinos: The tensor-vector-scalar theory and its cosmology; Classical and Quantum Gravity, Volume 26, Number 14; 29.06.2009 [19] Abramowicz, M. A.: The Paczynski-Wiita potential. A step-by-step “derivation” – Commentary on: Paczynski B. and Wiita P. J.; 1980, A&A; 88, 23; (Link: https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2009/22/aa12155-09/aa12155-09.html) [20] Hoyle, Fred; Narlikar, J. V.: A new theory of gravitation; Royal Society; 03.11.1964