Mythen der Physik 2: Gravitation ist viel schwächer als Elektromagnetismus

Diesen Mythos hört man in den Physikstunden und liest man in Physik-Lehrbüchern. Er scheint auch eine alltägliche Erfahrung zu sein. Die magnetische Abstoßungskraft zwischen gleichnamigen Polen von zwei Magneten ist viel größer als ihre gegenseitige Massenanziehungskraft.

Mythen der Physik 2: Gravitation ist viel schwächer als Elektromagnetismus

Aber sowohl Sonne als auch Erde haben auch magnetische Felder, und ihre gegenseitige Massenanziehung überwiegt bei Weitem ihre magnetische Wechselwirkung. Als Newton seine Theorie von Keplers Gesetzen der Planetenbewegung ableitete, benötigte er dazu nur seine Gravitationsgesetze und musste nicht magnetische und elektrische Felder der Sonne und der Planeten berücksichtigen.

Das ist also nicht so offensichtlich. Elektromagnetismus überwiegt im atomaren und subatomaren Bereich, aber im planetarischen Maßstab ist es genau anders herum.

Magnetische Felder werden von elektrischen Strömen verursacht. Elektrischer Strom ist nichts anderes als sich bewegende elektrische Ladungen. Das ist ein Teil des gleichen Phänomens wie statische Elektrizität und wird als Elektromagnetismus bezeichnet. Wenn sich eine Ladung im Bezugssystem des Beobachters nicht bewegt, misst er Elektrizität, wenn sie sich im Bezugssystem bewegt, misst er Magnetismus.

Die elektrostatische Anziehungskraft zwischen zwei geladenen Körpern folgt dem coulombschen Gesetz, das aussagt, dass die Anziehungskraft zwischen zwei Punktladungen direkt proportional des Produkts beider Ladungen und umgekehrt proportional zu dem Quadrat der Entfernung der Körper ist.

Die Massenanziehungskraft folgt dem newtonschen Gesetz, das aussagt, dass die Anziehungskraft zwischen zwei Massen direkt proportional dem Produkt der Massen und umgekehrt proportional zu dem Quadrat der Entfernung der Massen ist.

Die elektrostatische Anziehung und die Massenanziehung sinken beide mit dem Quadrat der Entfernung. Wenn man also das Verhältnis der beiden Kräfte berechnet, hebt sich die Abhängigkeit von der Entfernung auf. Für Elektron und Proton ist die Gravitationskraft um 39 Größenordnungen kleiner als die elektrostatische Anziehungskraft. Das ist der Grund für den Mythos, Massenanziehungskraft sei viel kleiner als die elektrostatische Anziehungskraft.

Wieso soll man die Abschätzung der relativen Stärke von Massen und elektrostatischer Anziehung speziell auf diese beiden Teilchen beziehen? Das Proton ist noch nicht einmal elementar, sondern es besteht aus kleineren Teilchen namens Quarks.

In Wirklichkeit gibt es keine allgemeingültige Methode, wie wir die absolute Stärke der Massenanziehung bestimmen können. Newtons Gravitationskonstante G ist nicht dimensionslos und deshalb kein guter Maßstab für die Stärke der Massenanziehungskraft, weil sie davon abhängt, welche physikalischen Einheiten zur Berechnung herangezogen werden.

Die absolute Stärke der elektromagnetischen Kraft wird spezifiziert durch einen dimensionslosen Parameter Alpha, der aus historischen Gründen als „Feinstrukturkonstante“ bezeichnet wird. Genau genommen ist er keine Konstante, sondern variiert mit der Energie. Diese Variabilität ist jedoch sehr gering, und man kann in den meisten praktischen Fällen den Wert 1/137 verwenden.

Herkömmlicherweise wird ein dimensionsloser Parameter Alfa-G definiert, um die Stärke der Gravitationskraft anzugeben. Er ist proportional zum Quadrat der Protonenmasse und hat einen um 23 Größenordnungen kleineren Wert als Alfa. Also ist „offiziell“ die Massenanziehungskraft viel kleiner als der Elektromagnetismus.

Wir haben jedoch bereits festgestellt, dass das Proton noch nicht einmal ein fundamentales Teilchen darstellt, also macht es auch keinen Sinn, mit ihm die Stärke der Massenanziehung zu definieren. Die einzige natürliche Masse, die aus grundlegenden Konstanten der Physik gebildet werden kann, ist die plancksche Masse, die makroskopisch groß ist. Sie beträgt etwa 22 Mikrogramm, während ein Staubteilchen eine Masse von 1 Mikrogramm hat. Wenn man die dimensionslose Stärke über die Plancksche Masse definiert, erhält man genau 1. In diesem Fall ist die Gravitation 137mal stärker als der Elektromagnetismus.

Die Gravitation ist im atomaren und subatomaren Bereich so klein, weil die Massen von atomaren und subatomaren Teilchen so klein sind. Sie ist im planetarischen Maßstab groß, weil die Massen der Planeten so groß sind.

Eine gute Frage ist jedoch: Wieso sind die Massen von Elementarteilchen so klein im Vergleich zur planckschen Masse? Das ein großes Rätsel und wird „Hierarchieproblem“ genannt, das bisher von den Physikern nicht gelöst wurde. Dazu ist anzumerken, dass im Standardmodell die Massen der Elementarteilchen praktisch die Masse Null haben und diese Massen eine kleine Korrektur durch das Higgs-Feld und andere Prozesse erfahren. Das Hierarchieproblem kann zu der Frage umformuliert werden, wieso diese Korrekturen nicht die Größenordnung der planckschen Masse haben.

Auch wenn eine Definition für die absolute Stärke der Gravitation fehlt, bedeutet das nicht, dass ihre Stärke im Vergleich zu anderen Kräften nicht wichtig ist. Wenn man die Definition der Stärke ändert, ändert das nichts am Verhältnis der Kräfte zwischen zwei Körpern in irgendeinem konkreten Fall.  Der Punkt ist aber, dass dieses Verhältnis der Kräfte nicht in allen Fällen dasselbe ist. Eigentlich kann das Verhältnis fast jeden beliebigen Wert annehmen, weil es von den Massen und der elektrostatischen Ladung der Körper abhängt, die miteinander verglichen werden. Kurz gesagt: Es macht keinen Sinn, überhaupt nach der relativen Stärke von Massenanziehung und elektromagnetischer Anziehung zu fragen.

 

Übersetzt von Erwin Nüßler, Günter Dantrimont

Hier geht's zum Originalartikel...

Kommentare

Neuer Kommentar

(Mögliche Formatierungen**dies** für fett; _dies_ für kursiv und [dies](http://de.richarddawkins.net) für einen Link)

Ich möchte bei Antworten zu meinen Kommentaren benachrichtigt werden.

* Eingabe erforderlich