Gravitationsfelds

Ein Gravitationsfeld bezeichnet in der Physik die Region des Raums, in der eine Masse eine Gravitationswirkung erfährt. In der klassischen Mechanik wird es als Vektorfeld beschrieben, das die auf eine Testmasse wirkende Beschleunigung angibt. In der Allgemeinrelativitätstheorie wird Gravitation jedoch als Krümmung der Raumzeit verstanden, die Bewegungspfade von Teilchen beeinflusst.

In der Newtonschen Sicht lässt sich das Gravitationsfeld durch den Vektor g(x) charakterisieren, der die Richtung der Anziehung und die Stärke der Beschleunigung angibt. Für eine punktförmige Masse M am Ursprung gilt g(r) = -GM r / r^3, wobei r der Ortsvektor und r = |r| der Abstand ist. Das Gravitationspotenzial ist Φ(r) = -GM/r, und es erfüllt die Poisson-Gleichung ∇^2Φ = 4πGρ. Gauss’ Gesetz liefert ∮ g · dA = -4πG M_enclosed.

In der Relativitätstheorie wird die Gravitation durch die Krümmung der Raumzeit beschrieben. Testmassen folgen geodätischen Bahnen, und Phänomene wie Rotverschiebung, Zeitdilatation, Gezeitenkräfte und Gravitationslinsen ergeben sich aus der Metrik. Die klassische Gravitationskraft bleibt als Näherung in weit einfacheren Situationen erhalten.

Gravitationsfelder lassen sich messen oder abschätzen durch Experimente und Beobachtungen, zum Beispiel die Erdoberflächenbeschleunigung g ≈ 9,81 m/s², Abhängigkeiten von Höhe und Breitenlage, Satellitenbahnen, Linseneffekte und Gezeiten. In der Kosmologie beeinflussen Felder die Strukturentstehung und die Dynamik des Universums.

Das Gravitationsfeld ist grundlegend für Astronomie, Raumfahrt, Geodäsie und die theoretische Physik. In der Quantengravitation wird versucht, das Feld als Quant mit Graviton auszudrücken, während die Allgemeine Relativitätstheorie klassische Felder in starken Feldern zuverlässig beschreibt.