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Gezeitenkräfte tragen die mathematische Signatur von Gravitationswellen
Gravitationswellen Getty
Im Februar 2016 gab ein internationales Physikerteam die erste direkte Beobachtung von Gravitationswellen bekannt. Die Wellen waren durch die gigantische Kollision zweier Schwarzer Löcher entstanden, die jeweils etwa 30-mal so schwer waren wie die Sonne – ein Aufprall, der so katastrophal war, dass er Wellen durch das Gewebe der Raumzeit schickte.
Die Entdeckung war ein Triumph für die Physik-Community. Sie wussten schon lange, dass Einsteins allgemeine Relativitätstheorie nahelegt, dass Wellen in der Raumzeit möglich sind. Diese Wellen quetschen und dehnen den Raum um Distanzen, die kleiner sind als die Breite eines Protons. Um sie zu entdecken, bauten Physiker ein Netzwerk aus äußerst empfindlichen Detektoren, das weit über eine Milliarde Dollar kostete. Daher war die Entdeckung der ersten Wellen im Jahr 2016 sowohl eine Erleichterung als auch ein bedeutender Erfolg.
Jetzt sagen zwei Physiker, dass sich Gravitationswellen die ganze Zeit vor aller Augen versteckt haben. Rituparno Goswami von der University of KwaZulu-Natal und George Ellis von der University of Cape Town, beide in Südafrika, verwenden heute mathematische Zauberei, um zu zeigen, dass Gezeitenkräfte Gravitationswellen sind. Dies sind die gleichen Kräfte, die den Meeresspiegel steigen und fallen lassen, wenn sich der Mond um die Erde bewegt. Gezeitenkräfte seien eigentlich eine versteckte Form von Gravitationswellen, sagen sie.
Zuerst etwas Hintergrund. Newtons Gravitationstheorie basiert auf der Idee, dass alle Massen eine anziehende Gravitationskraft erzeugen, die eine Vielzahl von Phänomenen erklärt: die Flugbahn eines fallenden Apfels, die Bewegung der Planeten um die Sonne und so weiter.
Newtons Theorie erklärt auch die Gezeiten. Diese resultieren aus der entfernungsabhängigen Gravitationskraft: Die dem Mond zugewandte Seite der Erde erfährt eine etwas stärkere Anziehungskraft als die abgewandte Seite. Das Ergebnis ist eine Art Dehnung, die die Ozeane hin und her zieht, wenn sich die Erde dreht.
Goswami und Ellis weisen zunächst darauf hin, dass Newtons Theorie ein wichtiges Gesetz der Physik nicht berücksichtigt – dass nichts schneller als Lichtgeschwindigkeit sein kann, nicht einmal Gravitationskräfte. Es dauert also eine Weile, bis die Gravitationskräfte des Mondes die Erde erreichen. Kein Einfluss kann sich schneller als Lichtgeschwindigkeit fortbewegen: Der Einfluss der Gezeiten kann nicht augenblicklich sein, sagen die Physiker.
Einstein formulierte diese kosmische Geschwindigkeitsbegrenzung zuerst in seiner speziellen Relativitätstheorie und nahm sie später in seine allgemeine Theorie auf, die die Schwerkraft bekanntermaßen als eine Art Verzerrung im Gewebe der Raumzeit beschreibt. Dies führte sofort zu der Idee, dass dieser Stoff wellenförmige Wellen tragen könnte.
Goswami und Ellis sagen, dass Gezeitenkräfte eine Form von Gravitationsstrahlung sind. Aber um Wellen zu sein, müssen sie zeitlich auf eine besondere Weise variieren, die von der allgemeinen Relativitätstheorie vorgeschrieben wird. Die Physiker zeigen weiter mathematisch, dass die Gezeitenkräfte genau diese Eigenschaften haben, wenn auch in viel kleinerem Maßstab als die Wellen, die durch Kollisionen von Schwarzen Löchern erzeugt werden. Das Ergebnis ist eher technisch, aber dennoch interessant.
Im Wesentlichen sagen Goswami und Ellis, dass Gezeitenkräfte niederfrequente Gravitationswellen sind. Diese Theorie macht einige Vorhersagen, die sich von Newtons Geschmack der Schwerkraft unterscheiden. Zum Beispiel weisen Goswami und Ellis darauf hin, dass es 1,3 Sekunden dauern sollte, bis die Gezeitenkräfte vom Mond zur Erde gelangen. Und wenn der Ozean ohne Kontinente überall gleich tief wäre, würden die Gezeiten der Position des Mondes am Himmel um 0,66 Bogensekunden nacheilen, sagen sie. Das ist etwa die Breite eines Pennys aus zwei Kilometern Entfernung.
Ein solcher Effekt kann messbar sein, obwohl Goswami und Ellis ihre Analyse nicht erweitern, um vorzuschlagen, wie. Aber es bedeutet, dass die Auswirkungen von Gravitationswellen viel einfacher zu erkennen sind, als sich irgendjemand vorgestellt hat. Ein Tag am Meer, irgendjemand?
Ref: arxiv.org/abs/1912.00591 : Gezeitenkräfte sind Gravitationswellen