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Galaxie, Galaxis

Sterne sind keine Einzelgänger, sondern sind im All in der Regel in Ansammlungen von Millionen, Milliarden oder noch mehr Sternen vertreten, eben den Galaxien. Auch unsere Sonne ist Teil einer Galaxie, der Milchstrasse. Die griechische Form Galaxis wird in der Regel nur für unsere Milchstrasse verwandt.

Junge Galaxien können ein sehr turbulentes Dasein führen. Beispiele für junge, aktive Galaxienkerne sind Radiogalaxien und Quasare.

Galaxienhaufen

Auch Galaxien sind keine Einzelgänger, sondern finden sich zu Haufen zusammen. Unsere eigene Galaxie, die Milchstraße, ist beispielsweise Teil der so genannten Lokalen Gruppe. Der uns nächste größere Galaxienhaufen ist der so genannte Virgo-Haufen.

Gamma-Ausbrüche, Gamma-Bursts

Astronomische Ereignisse, die sich durch extrem starke Energieblitze im Gammastrahlen-Bereich bemerkbar machen. Was sich dahinter verbirgt, ist noch ungeklärt; im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie sind diese Ereignisse interessant, weil einige davon auf verschmelzende Neutronensterne und/oder Schwarze Löcher zurückgehen könnten - und weil die Beobachtung von Gravitationswellen helfen müsste, zu entscheiden, ob dies tatsächlich der Fall ist.

Gammastrahlen, Gammastrahlung

Die höchstenergetische Form der elektromagnetischen Strahlung, mit Frequenzen von über 10 Trillionen Schwingungen pro Sekunde, entsprechend Wellenlängen von weniger als einem Hundertstel Milliardstel Meter.

Gas

Im engeren Sinne: Zustandsform (Aggregatzustand) der Materie, bei der die Atome oder Moleküle wild durcheinanderfliegen, ohne aneinander gebunden zu sein. Die Bewegung der Gasmoleküle führt zu einem inneren Druck, ihre mittlere Bewegungsenergie ist das Maß für die Temperatur des Gases.

Vergleiche auch die anderen Aggregatzustände: Flüssigkeit, Festkörper, Plasma.

Im weiteren Sinne wird Gas auch für andere Gemische ungeordnet durcheinanderfliegender Teilchen gebraucht, etwa beim Elektronengas, dessen Druck einen Weißen Zwerg vor dem Kollaps bewahrt.

gekrümmt

Siehe Krümmung.

GEO600

Deutsch-britischer Gravitationswellendetektor mit dem Standort Ruthe (nahe Hannover). GEO600 ist ein interferometrischer Gravitationswellendetektor mit 600 Metern Armlänge.

Webseiten von GEO600

Geodäte

Geradestmögliche Linie in einer Fläche oder einem allgemeineren Raum. In einer Ebene sind dies die Geraden, auf einer Kugelfläche die Großkreise

geodätische Präzession

Siehe Präzession, geodätische

Geoid

Eine gedachte "mittlere Oberfläche" der Ozeane, die die Erde bedecken; der übliche Bezugspunkt für Angaben der "Höhe über dem Meeresspiegel".

Aus relativistischer Sicht ist der Geoid interessant, da sich zeigen lässt, dass dieselbe Gleichgewichtsbedingung, welche die Lage des Wasserspiegels bestimmt (aus Sicht eines mit der Erde rotierenden Beobachters: Gravitations- und Zentrifugalkraft halten sich die Waage) dazu führt, dass die Summe der relativistischen Zeitdehnungseffekte (Zeitdehnung aufgrund der durch die Erdrotation bedingten Bewegung plus Zeitdehnung aufgrund des Gravitationsfeldes) für alle Uhren, die sich direkt auf dem Geoid befinden, denselben Wert hat. Der Geoid stellt daher eine natürliche Bezugsfläche für die Definition der internationalen Atomzeit TAI und der Weltzeit UTC (Coordinated Universal Time) dar; weitere Infformationen hierzu liefert das Vertiefungsthema Wie Zeit gemacht wird.

Geometrie

Teilgebiet der Mathematik, das sich mit Flächen oder allgemeineren Räumen, darin definierbaren Objekten wie Punkten oder Linien und daraus konstruierbaren Gebilden wie Dreiecken beschäftigt.

Geometrie, globale

Ein Großteil der Forschung zur Allgemeinen Relativitätstheorie beschäftigt sich mit einfachen Modelluniversen - von den Urknallmodellen bis zu einfachen Modellen für Schwarze Löcher. Im Gegensatz dazu beschäftigt sich die globale Geometrie mit sehr allgemeinen Raumzeiteigenschaften, etwa damit, wie sich Licht ausbreitet und was dies für die Kausalität bedeutet. So lassen sich allgemein gültige Aussagen ableiten; die berühmtesten darunter sind die so genannten Singularitätentheoreme, die zeigen, dass Raumzeitsingularitäten in der Allgemeinen Relativitätstheorie unter recht allgemeinen Bedingungen (im Inneren Schwarzer Löcher, am Anfangspunkt eines Urknalluniversums) unvermeidbar sind.

Gerade

In einer Ebene, im dreidimensionalen Raum unserer Alltagserfahrung oder in allgemeineren flachen Räumen: Linie, die die kürzeste Verbindung zweier Punkte darstellt. Vergleiche Raumzeitgerade.

Geschwindigkeit

In der Physik hat Geschwindigkeit zwei Aspekte: Erstens, wie im Alltag: wie schnell ist ein Objekt? Zweitens, etwas ungewohnter: in welche Richtung bewegt es sich? Physiker fassen diese beiden Informationen in einer einzigen Größe zusammen, einer "gerichteten Größe" oder einem "Vektor", den sie die Geschwindigkeit des Objekts nennen. Im Alltag ist mit Geschwindigkeit oft nur die Schnelligkeit gemeint, und der physikalische Sprachgebrauch ist daher etwas gewöhnungsbedürftig: Ein Auto, das mit 100 Stundenkilometern um die Kurve fährt, ändert seine Bewegungsrichtung und damit im Sprachgebrauch der Physiker auch seine Geschwindigkeit - obwohl es während der Kurvenfahrt immer gleich schnell ist.

GeV

Siehe Elektronenvolt.

Gewicht

Allgemein: Die Stärke der Gravitationskraft, die auf einen Körper wirkt. Da wir es im Alltag auf der Erdoberfläche mit einer Situation zu tun haben, in der die Gravitationskraft von Ort zu Ort nicht sonderlich variiert, und da die auf einen Körper wirkende Gravitationskraft in solch einer Situation nur noch von seiner Masse abhängt, wird der Unterschied zwischen Gewicht und Masse oft vernachlässigt - wenn das Gewicht eines Körpers angegeben wird, dann meist in einer Masseneinheit wie Kilogramm, obwohl das Gewicht strenggenommen in einer Krafteinheit wie Newton gemessen wird. Wer (und sei es nur in Gedanken) auf andere Himmelskörper reist, muss sich des Unterschiedes bewusst sein: Wenn ich ein Objekt von der Erde auf den Mond transportiere, bleibt seine Masse unverändert; sein Gewicht ist dagegen auf dem Mond rund sechs Mal geringer als auf der Erde.

Gezeiteneffekte, Gezeitenkräfte

Die Gravitationswirkung, die ein Objekt von andere Körpern erfährt, hängt üblicherweise davon ab, wo sich das Objekt befindet. Ein Beispiel: Von zwei identischen Objekten unter dem Gravitationseinfluss eines massereichen Körpers wird dasjenige Objekt stärker angezogen, das dem massereichen Körper näher ist. Alle Auswirkungen, die darauf zurückgehen, dass der Gravitationseinfluss solchermaßen von Ort zu Ort variiert, heißen Gezeiteneffekte.

Überall dort, wo die Gravitation als Kraft aufgefasst wird (etwa in der Newtonschen Gravitationstheorie) stecken hinter den Gezeiteneffekten Kraftdifferenzen - Differenzen der Gravitationskraft an einem und an einem zweiten Ort. Diese Kraftunterschiede heißen ihrerseits Gezeitenkräfte.

Hintergrund der Namensgebung ist der Umstand, dass auch die Gezeiten, Ebbe und Flut, auf die Ortsabhängigkeit der Gravitation zurückgehen - vereinfacht gesprochen werden die Ozeane auf der dem Mond zugewandten Erdseite stärker vom Mond angezogen als der Erdball, und der wiederum stärker als die Ozeane auf der abgewandten Erdseite.

Auch in Einsteins Beschreibung der Gravitation, in der Allgemeinen Relativitätstheorie, spielen Gezeitenkräfte eine wichtige Rolle - sie sind direkt mit einer geometrischen Eigenschaft der Raumzeit verknüpft, die Krümmung heisst. (Weitere Informationen hierzu bietet das Vertiefungsthema Gravitation: Vom Fahrstuhl zur Raumzeitkrümmung.) Besonders interesssant sind Gezeiteneffekte im Zusammenhang mit so genannten Singularitäten; siehe das Vertiefungsthema Singularitäten als Raumzeit-Knetmaschinen.

Gigaelektronenvolt

Siehe Elektronenvolt.

Gleichgewicht, thermodynamisches

Ein physikalisches System ist im thermodynamischen Gleichgewicht, wenn seine Energie gleichmäßig auf all die verschiedenen Möglichkeiten verteilt ist, wie die Systemkomponenten sich bewegen oder vibrieren können - Physiker nennen diese Möglichkeiten die "Freiheitsgrade" des Systems. Die Durchschnittsenergie pro Freiheitsgrad ist ein direktes Maß für die Temperatur des Systems.

Beispielsweise haben im thermodynamischen Gleichgewicht alle Teilchen eines Gases im Mittel die gleiche Bewegungsenergie.

Auch die Gesamtheit aller elektromagnetischen Felder ist ein physikalisches System. Befinden sich ein Körper und die umgebenden elektromagnetischen Felder im thermodynamischen Gleichgewicht, kommt es zu so genannter Wärmestrahlung (weitere Informationen hierzu bietet das Vertiefungsthema Warum man Wärme sehen kann).

Etwas komplizierter ist die Situation in Systemen, bei denen sich einzelne Komponenten umwandeln können - Beispielsweise eines Teilchengemisches, in dem Teilchen der Sorte A zu Teilchen der Sorte B zerfallen können, und umgekehrt. In solchen Systemen geht mit dem thermodynamischen Gleichgewicht ein bestimmter (freilich von der Temperatur abhängiger) Wert für die relativen Häufigkeiten der verschiedenen Teilchensorten einher. Diese Art von Gleichgewicht spielt eine wichtige Rolle im frühen Universum, wie es von den Urknallmodellen beschrieben wird; nähere Informationen liefert das Vertiefungsthema Gleichgewicht und Veränderung.

Gleichzeitigkeit

Ein wichtiger Schritt Einsteins auf dem Weg zur Speziellen Relativitätstheorie war die Erkenntnis, dass Gleichzeitigkeit nichts Naturgegebenes ist sondern einer Definition bedarf. Nach seiner Definition kann man Uhren synchronisieren (also gleichzeitig die gleiche Zeit anzeigen lassen), indem man Lichtsignale zwischen ihnen hin und herschickt. Mehr dazu steht im Vertiefungsthema Die Unselbstverständlichkeit des Jetzt.

Zur praktischen Anwendung dieses Gleichzeitigkeitsbegriffs siehe das Vertiefungsthema Zeitbestimmung mit Radiosignalen - von der Funkuhr zur Satellitennavigation.

globale Geometrie

Siehe Geometrie, globale

Global Positioning System, GPS

Beispiel für ein Satellitennavigationssystem, ein System aus Satellitensendern und mobilen Empfängern, das es ermöglicht, die Position im Raum mit großer Präzision festzustellen. Wichtig etwa für Navigationssysteme für Flugzeug und Autos, und gleichzeitig eine industrielle Anwendung von Einsteins Spezieller und Allgemeiner Relativitätstheorie: Würden die Effekte, die diese Theorien für den Lauf bewegter Uhren in Gravitationsfeldern vorhersagen, nicht berücksichtigt, wäre die Positionsbestimmung unakzeptabel ungenau.

Auf das Funktionsprinzip von Satellitennavigationssystemen und ihren Bezug zur Relativitätstheorie wird in den Vertiefungsthemen Relativität und Satellitennavigation und Zeitbestimmung mit Radiosignalen - von der Funkuhr zur Satellitennavigation eingegangen.

Gluon

Gluonen sind die Botenteilchen der Starken Kernkraft. Es gibt acht verschiedene Sorten von Gluonen.

Wie der Gluonenaustausch vor sich geht, beschreibt die so genannte Quantenchromodynamik, eine der relativistischen Quantenfeldtheorien des Standardmodells der Elementarteilchenphysik.

GPA, GPB

Siehe Gravity Probe A, Gravity Probe B.

Gravitation, Gravitationskraft

In der klassischen Physik äußert sich die Gravitation als Gravitationskraft, als Fernkraft, aufgrund derer sich alle Körper, die eine Masse besitzen, gegenseitig anziehen (siehe Newtonsche Gravitation), Synonym: Schwerkraft. Das zugehörige Feld ist das Gravitationsfeld (wie Kraft und Feld zusammenhängen, beschreibt das Vertiefungsthema Von der Kraft zum Feld).

In Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie: Der Umstand, dass Materie, die Masse, Energie oder Druck besitzt die Raumzeit verzerrt und das diese Verzerrung umgekehrt auf die in der Raumzeit enthaltene Materie zurückwirkt.

Eine Einführung in die Grundideen der allgemeinen Relativitätstheorie liefert der Abschnitt Allgemeine Relativitätstheorie von Einstein für Einsteiger. Speziell dem Thema, was Gravitation in Einsteins Theorie denn nun eigentlich ist, widmet sich das Vertiefungsthema Gravitation: Vom Fahrstuhl zur Raumzeitkrümmung. Näheres dazu, welche Eigenschaften der Materie für ihre Gravitationswirkung entscheidend sind, bietet das Vertiefungsthema Masse und mehr.

Gravitationsfeld

Die Gesamtheit aller Gravitationseinflüsse, die ein oder mehrere Massekörper auf Objekte in ihrer Umgebung ausüben.

Genauer: An jedem Ort im Raum ist das Gravitationsfeld definiert über die Beschleunigung, die ein kleiner Testkörper, der sich an diesem Ort befände, aufgrund der Gravitationskräfte der ihn umgebenden Massen erfahren würde. Nähere Informationen dazu, wie Kraft und Feld zusammenhängen, gibt das Vertiefungsthema Von der Kraft zum Feld.

Das Gravitationsfeld ist außerdem ein direktes Maß dafür, wie stark das so genannte Gravitationspotential von einem Ort zum anderen variiert.

Gravitationskonstante

Naturkonstante, die im Newtonschen Gravitationsgesetze als Proportionalitätsfaktor auftritt und damit so etwas wie die natürliche Stärke der Gravitation beschreibt. In den Einstein-Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie tritt sie analog als Proportionalitätsfaktor auf, der festlegt, wie stark Masse, Energie und ähnliche Materieeigenschaften Raum und Zeit verzerren. Symbol in Formeln: G.

Gravitationskraft

Siehe Gravitation, Gravitationskraft

Gravitationsladung

Eine Ladung ist eine physikalische Größe, die angibt, wie stark ein bestimmtes Objekt an einer gegebenen Wechselwirkung teilnimmt. Für die Newtonsche Gravitation spielt die Masse die Rolle der Gravitationsladung (mehr zu den verschiedenen Massendefinitionen im Vertiefungsthema Träge und Schwere Masse), in der Allgemeinen Relativitätstheorie kommen Größen wie Energie und Druck hinzu (siehe das Vertiefungsthema Masse und mehr).

Gravitationslinse

In Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie wirkt die Gravitation auch auf Licht, und Licht, das beispielsweise an einem massiven Körper vorbeistreicht, wird dabei etwas abgelenkt (siehe auch Lichtablenkung). Dabei kann es dazu kommen, dass Licht ein und desselben kosmischen Objekts auf mehreren verschiedenen Wegen zu einem Beobachter gelangt, der dann entsprechend mehrere Bilder des Objekts am Himmel sieht. Massen, die in dieser Weise als optische Linse wirken, heißen Gravitationslinsen.

Weitere Informationen bietet das Vertiefungsthema Zur Geschichte der Gravitationslinsen.

Gravitationspotential, Gravitationspotenzial

Im Rahmen der klassischen, Newtonschen Gravitationstheorie: Eine an jedem Ort definierte Größe, mit der sich der Gravitationseinfluss einer Masse oder einer Gruppe von Massen beschreiben lässt.

Das Gravitationspotential ist ein direktes Maß dafür, wieviel Energie ein Körper im freien Fall aufgrund des Gravitationseinflusses der anwesenden Massen gewinnen kann, konkret: Wenn ein Körper der Masse m im freien Fall von A nach B fliegt, dann ist die Bewegungsenergie, die er dabei gewinnt, gleich seiner Masse mal der Differenz der Gravitationspotentiale in A und in B.

Wie stark das Gravitationspotential von einem Ort zum anderen variiert, zeigt das Gravitationsfeld an - eine weitere Beschreibungsgröße für den Gravitationseinfluss einer Massenanordnung.

Im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie ist das Gravitationspotential ein direktes Maß für die gravitative Zeitdehnung, also dafür, wie die Gravitation den Gang von Uhren (allgemeiner: das "Vergehen der Zeit") beeinflusst.

Gravitationstheorien

Siehe Allgemeine Relativitätstheorie (Einsteins Gravitationstheorie) oder Newtonsche Gravitation.

Gravitationswellen

Störungen der Raumgeometrie, die sich mit Lichtgeschwindigkeit durch den Raum ausbreiten.

Nähere Informationen liefert der Abschnitt Gravitationswellen von Einstein für Einsteiger.

Informationen zu einer Reihe weiterer Aspekte der Gravitationswellenphysik finden sich in den Vertiefungsthemen in der Kategorie Gravitationswellen.

Gravitationswellenastronomie

Teilgebiet der Astronomie, in dem es darum geht, durch den Nachweis von Gravitationswellen Daten über Himmelskörper oder das Weltall als Ganzes zu erhalten - etwa über die Ereignisse im Inneren von Supernovae, über Neutronensterne oder über die heiße Frühzeit des Kosmos.

Bislang ist das freilich Zukunftsmusik - zur Zeit besteht die Herausforderung darin, diese Wellen mit Hilfe von Gravitationswellendetektoren überhaupt erst einmal nachzuweisen.

Gravitationswellendetektor

Derzeit laufen weltweit Versuche, die Gravitationswellen, die uns aus dem fernen All erreichen, direkt nachzuweisen. Im wesentlichen sind dabei zwei Arten von Detektor im Einsatz, so genannte interferometrische Detektoren wie GEO600 oder die LIGO-Detektoren, und so genannte Resonanzdetektoren.

Nähere Informationen zu Gravitationswellen liefert der Abschnitt Gravitationswellen von Einstein für Einsteiger.

Einen Überblick über die derzeit in Betrieb befindlichen Gravitationswellendetektoren liefert das Vertiefungsthema Ohren in aller Welt.

gravitative Zeitdehnung

Siehe Zeitdehnung.

Gravitomagnetismus

In Situationen mit vergleichsweise schwacher Gravitation können die im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie auftretenden Gravitationswirkungen näherungsweise (erste post-Newtonsche Näherung) in Analogie zum Elektromagnetismus beschrieben werden: Diejenige Wirkung, die bereits durch die Newtonschen Gravitationskraft erfasst wird, ist dabei analog zur elektrischen Kraft. Darüber hinaus gibt es eine Kraftwirkung, die zur Magnetkraft analog ist und immer dann auftritt, wenn Gravitationsquellen rotieren. Sie wird als Gravitomagnetismus bezeichnet. Der gravitomagnetische Einfluss einer rotierenden Masse auf ihre Umgebung heißt auch Lense-Thirring-Effekt.

Graviton

Hypothetisches Botenteilchen einer als Quantentheorie beschriebenen Gravitationskraft. Allerdings wissen die Physiker heutzutage noch nicht, wie eine solche Theorie der Quantengravitation letztendlich aussehen wird.

Gravity Probe A

Synonym: Vessot-Levine-Experiment. Experiment zum präzisen Nachweis der gravitativen und der speziell-relativistischen Zeitdehnung, durchgeführt im Jahre 1976. Dazu wurde eine Atomuhr an Bord einer Rakete auf eine Flughöhe von rund 10.000 Kilometern geschossen. Mit Hilfe von Radarsignalen wurden sowohl Flughöhe und -geschwindigkeit der Rakete als auch der Gang der an Bord befindlichen Uhr überwacht. Die Genauigkeit der Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie über den Gang dieser einerseits in Bewegung, andererseits in einem schwächeren Gravitationsfeld als auf der Erde befindlichen Uhr wurde in diesem Experiment mit einer Messungenauigkeit von weniger als 0,02 Prozent bestätigt.

Gravity Probe B

Satellitengestütztes Experiment zum Nachweis des Lense-Thirring-Effektes ("frame-dragging"). Dabei wird die Richtung der Drehachse von hochpräzise gefertigten kugelförmigen Kreiseln überwacht, die an Bord eines Satelliten um die Erde kreisen. Gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie sollten zwei Effekte dafür sorgen, dass sich die Achsenrichtung der Kreisel mit der Zeit leicht verändert: Die geodätische Präzession, ein Nebeneffekt der Krümmung der Raumzeit in Erdnähe sollte zu einer Verschiebung von knapp sieben Bogensekunden pro Jahr führen. Der Lense-Thirring-Effekt kommt zustande, da die Erde rotiert und die sie umgebende Raumzeit dabei grob gesprochen ein wenig mitzieht. Das sollte zu einer weiteren Achsenrichtungsänderung von rund 0,04 Bogensekunden führen.

Start der Mission war April 2004; Messungen wurden von August 2004 bis August 2005 vorgenommen; die Bekanntgabe erster Ergebnisse erfolgte im April 2007 (Bestätigung der geodätischen Präzession mit einer Genauigkeit von 1 Prozent; noch keine Ergebnisse zum Lense-Thirring-Effekt). Die Bekanntgabe des Gesamtergebnisses ist für Dezember 2007 angekündigt.

Webseiten der Mission Gravity Probe B

Größenordnung

Im Sprachgebrauch der Physik: Der Wert einer Größe, gerundet bis auf die nächste Zehnerpotenz. Die Höhe eines Menschen ist beispielsweise von der Größenordnung her ein Meter, die Höhe eines zweistöckigen Hauses 10 Meter. Über Größenordnungen zu reden, ist beispielsweise für grobe Vergleiche sinnvoll, die der Orientierung dienen - dass ein zweistöckiges Haus rund 10 Mal größer ist als ein Mensch, ist ein nützlicher ungefährer Wert; jede genauere Angabe wäre angesichts der Tatsache, dass sowohl Menschen wie Häuser in ihrer genauen Größe variieren, unangemessen oder sogar irreführend. In der Physik wird man von stark vereinfachten Modellen nicht verlangen, dass ihre Vorhersagen exakt zutreffen, allerdings sollten sie ungefähr in der richtigen Größenordnung liegen.

Großkreis

Kreis auf einer Kugeloberfläche, dessen Mittelpunkt gleichzeitig der Mittelpunkt der Kugel ist. Der Äquator ist ein Großkreis auf der Erdkugel, die Meridiane sind Großkreishälften.

Die geradestmögliche Weise, auf einer Kugeloberfläche entlangzulaufen, führt entlang von Großkreisen; in der Sprache der Mathematiker: Großkreise sind Geodäten der Kugeloberfläche.