Grenzen des Newtonschen Gravitationsgesetzes
Das Newtonsche Gravitationsgesetz kann präzise voraussagen, was wir in unserem Sonnensystem beobachten können. Trotzdem gibt es viele Phänomene, die von dem, was das Newtonsche Gravitationsgesetz voraussagt, abweichen. Hierzu gehören die Umlaufbahn des Planeten Merkurs und der Einfluss, den die Schwerkraft auf das Licht ausübt.
Die „Geschwindigkeit“ der Schwerkraft
Newton nahm grundsätzlich an, dass Schwerkraft eine Kraft aus der Ferne ausübt. Das heißt, dass jede Veränderung der Position einer Masse, ohne direkten Kontakt, sofort alle anderen Massen beeinflussen wird. Diese Annahme basiert jedoch nicht auf einer seiner Theorien, da Newtons Theorien diese Frage ganz einfach nicht berücksichtigen.
Mit Einsteins Relativitätstheorie wurde diese Wirkung-aus-der-Ferne-Theorie verworfen (die Geschwindigkeitsgrenze im Universum ist die Lichtgeschwindigkeit) und im Jahr 1915 publizierte er seine Relativitätstheorie.
Allgemeine Relativität
Die Allgemeine Relativität ist eine Theorie des Raum-Zeit-Kontinuums und erklärt, wie Masse (und Beschleunigung) mit dem Raum-Zeit-Kontinuum interagiert und es beeinflusst (siehe Abbildung 1).
Abbildung 1: Eine kleinere Masse kreist um eine größere Masse und beeinflusst das Raum-Zeit-Kontinuum. Tatsächlich hat jegliche Masse, oder Energie, Einfluss auf das Raum-Zeit-Kontinuum.
Die Relativitätstheorie ist keine Theorie der Schwerkräfte. Für schwache Gravitationsfelder weichen die Ergebnisse der Relativitätstheorie nicht signifikant von Newtons Gravitationsgesetz ab. Für starke Gravitationsfelder weichen die Ergebnisse jedoch ab und die allgemeine Relativität kann, im Gegensatz zu Newtons Gravitationsgesetz, die richtigen Ergebnisse voraussagen. Selbst im relativ schwachen Gravitationsfeld unserer Sonne können wir den Einfluss auf Merkurs Umlaufbahn beobachten. Beginnend in der Mitte des 18. Jahrhunderts wurde Merkurs elliptische Umlaufbahn gemessen. Obwohl sie elliptisch ist, ist die Planetenbewegung kompliziert. Die allgemeine Relativität kann die Messungen jedoch richtig voraussagen. Seit dem haben viele Messungen, wie beispielsweise die Ablenkung des Lichts von entfernten Objekten durch die Sonne, bestätigt, dass die allgemeine Relativitätstheorie die Beobachtungen richtig voraussagen kann.