Genau dasselbe gilt auch für Gravitationswellen. Auch bei denen ist die Energie gequantelt – wenn eine Welle zum Beispiel zwei Massen gegen eine Kraft bewegt (weil sie ja die Abstände ändert) und dabei Energie verliert, dann kann sie das auch nur in Form von Energiequanten tun – entweder die beiden Teilchen nehmen ein Quant auf (und haben dann eine höhere Energie) oder eben nicht.
In diesem Sinne lässt sich – genau wie bei der elektromagnetischen Welle – sagen, dass eine Gravitationswelle aus Teilchen besteht.
Gravitonen tragen aber nicht nur Energie, sondern auch Impuls mit sich.Für ein klassisches Teilchen mit einer Masse ist der Impuls gleich dem Produkt aus Geschwindigkeit und Masse, das habt ihr vermutlich mal in der Schule gelernt. In der newtonschen Mechanik ändert sich der Impuls dann, wenn eine Kraft wirkt. Das wichtige am Impuls ist, dass er eine Erhaltungsgröße ist – addiert ihr in einem abgeschlossenen System alle Impulse, so ändert sich der resultierende Gesamtimpuls nicht. Wenn zum Beispiel eine Billardkugel frontal auf eine andere stößt, dann bleibt die erste Kugel liegen und die zweite Kugel rollt mit derselben Geschwindigkeit weiter (naja, näherungsweise, wenn wir mal Dinge wie Reibung etc. vernachlässigen). Rein von der Energieerhaltung könnte man das nicht verstehen, danach könnten auch beide Kugel weiterrollen, solange die Gesamtenergie dieselbe ist, aber die Energie- und Impulserhaltung zusammen sorgend dafür, dass eine Kugel stehen bleibt und die zweite rollt. (Wenn ihr guten Physikunterricht hattet, dann habt ihr das vielleicht mal ausgerechnet.)
Auch hier können wir uns die Analogie zum Licht zu nutze machen, um den Impuls von Gravitonen zu verstehen. Betrachten wir ein Elektron, das zum Beispiel in einer Antenne sitzt und sich dort auf und ab bewegt, um eine elektromagnetische Welle zu erzeugen. Diese Welle bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit weiter und wird von einem anderen Elektron in einer anderen Antenne teilweise aufgenommen, worauf dieses Elektron beschleunigt wird. Offensichtlich wurde hier Impuls vom einen Elektron auf das andere übertragen, also muss die em-Welle den Impuls vom einen Elektron zum anderen getragen haben. Da die em-Welle aus Photonen besteht, tragen einzelne Photonen also auch einen Impuls.
Bei einer Gravitationswelle ist das ganz ähnlich. Wenn die die Teilchen unseres Rings oben gegeneinander bewegen kann, indem sie die Abstände zwischen den Teilchen beeinflusst, dann kann dabei auch ein Impuls übertragen werden. Also muss auch die Gravitationswelle einen Impuls besitzen.
Gravitationswellen transportieren also Energie und Impuls (und auch noch Drehimpuls, aber den spare ich mir erst mal) von einem Ort zum anderen. Ganz ähnlich wie die Energie ist in der Quantentheorie der Gravitationswelle auch der Impuls quantisiert – die Welle besteht also aus einzelnen “Paketen” mit einem bestimmten Impuls und einer bestimmten Energie. Und wenn Energie und Impuls in Paketen von einem Ort zum anderen gelangen, dann ist es einigermaßen sinnvoll, davon zu sprechen, dass diese Pakete eben “Teilchen” sind. In diesem Sinne sind Gravitonen also “Teilchen”.
Das Alternativbild: Gravitationsfelder
Falls ihr die Anschauung immer noch schwierig findet, könnt ihr das Problem auch ganz anders angehen: Ihr müsst nämlich den Einfluss der Gravitation gar nicht mit Hilfe der Raumzeitkrümmung beschreiben. Es ist stattdessen auch möglich, sich vorzustellen, dass die Gravitation die Materie beeinflusst und wie ein Feld wirkt. (Ausführlich habe ich das hier, hier und hier erklärt.) Statt beispielsweise den Raum zwischen zwei Objekten auszudehnen, kann man sich genau so gut vorstellen, dass die Objekte selbst (und alle Maßstäbe) schrumpfen, das kommt auf’s selbe raus.
In dieser Feld-Interpretation der Schwerkraft ist die Gravitation eine Kraft ganz ähnlich wie die elektromagnetische Kraft. Der wichtigste Unterschied ist der, dass elektromagnetische Felder nur auf elektrische Ladungen wirken und nur von diesen erzeugt werden. Das Gravitationsfeld wird dagegen von jeder Masse (und jeder Energie) erzeugt. Nur deswegen kann es auf alle Objekte “gleich” wirken, so dass sich eben in diesem Bild alle Maßstäbe passend verändern.
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