mini|hochkant|Ein schräg nach oben gerichteter Strahl eines Springbrunnens verformt sich auf der Erde unter dem Einfluss der Gravitation zu einer Parabel. mini|Zwei Spiralgalaxien, die sich unter dem Einfluss der Gravitation der jeweils anderen verformen mini|David Randolph Scott, Commander der Mondmission Apollo 15 (1971), demonstriert anhand einer Feder und eines Hammers, die er im luftleeren Raum auf dem Mond fallen lässt, Galileis Fallgesetz, dass alle Körper unabhängig von ihrer Masse gleich schnell fallen. Die Gravitation (von für „Schwere“),PONS Deutsch – Latein, Erstbedeutungen von gravitas auch Massenanziehung oder Gravitationskraft, ist eine der vier Grundkräfte der Physik. Sie äußert sich in der gegenseitigen Anziehung von Massen. Sie nimmt mit zunehmender Entfernung der Massen ab, besitzt aber unbegrenzte Reichweite. Im Gegensatz zu elektrischen oder magnetischen Kräften lässt sie sich nicht abschirmen.
Auf der Erde bewirkt die Gravitation (Erdanziehungskraft), dass alle Körper nach „unten“, d. h. in Richtung Erdmittelpunkt, fallen, sofern sie nicht durch andere Kräfte daran gehindert werden. Im Sonnensystem bestimmt die Gravitation die Bahnen der Planeten, Monde, Satelliten und Kometen und im Kosmos die Bildung von Sternen und Galaxien sowie dessen Entwicklung im Großen.
Der Begriff Schwerkraft wird oft synonym zu „Gravitation“ verwendet. In manchem Zusammenhang – insbesondere in den Geowissenschaften – kann „Schwerkraft“ bzw. „Schwerefeld“ jedoch auch die Kombination aus Gravitationsfeld („Erdanziehung“) und Zentrifugalkraft (als Trägheitskraft aufgrund der Erdrotation) bedeuten.
Im Rahmen der klassischen Physik wird die Gravitation mit dem Newtonschen Gravitationsgesetz beschrieben, d. h. als eine instantan, also unmittelbar und ohne Zeitverlust durch den leeren Raum wirkende Fernwirkungskraft. Ein grundlegend anderes Verständnis der Gravitation ergibt sich aus der allgemeinen Relativitätstheorie nach Albert Einstein. Hierbei wirkt die Gravitation nicht in Form einer Kraft auf die Körper, sondern entspricht einer Krümmung der vierdimensionalen Raumzeit, wobei die Bahnen der Körper, auf die keine weiteren Kräfte wirken, einer kürzesten Linie im gekrümmten Raum, d. h. einer Geodäte, entsprechen.
Geschichtlicher Überblick Antike Der griechische Philosoph Aristoteles beschrieb in der Antike im Rahmen seiner Kosmologie die Schwere als diejenige Eigenschaft der sublunaren Elemente (Erde, Wasser, Luft, Feuer), die alle aus diesen Elementen bestehenden Körper zum Mittelpunkt der Welt streben lässt. Diese Vorstellung war lange das physikalische Hauptargument für das geozentrische Weltbild.
Orient Altindische Autoren führten den freien Fall auf eine Kraft zurück, die proportional zur Masse eines Objektes ist und in Richtung des Erdmittelpunkts wirkt. Der persische Astronom Muhammad ibn Musa erklärte im 9. Jahrhundert die Bewegungen der Himmelskörper durch eine Anziehungskraft. Al-Bīrūnī übersetzte im 11. Jahrhundert die Werke der indischen Autoren ins Arabische und ins Persische. Sein Zeitgenosse Alhazen formulierte eine Theorie der Massenanziehung. Der Perser Al-Khazini stellte im 12. Jahrhundert die Vermutung auf, dass die Stärke der Erdanziehung abhängig vom Abstand zum Erdmittelpunkt ist, und unterschied zwischen Masse, Gewicht und Kraft.
Spätscholastik Ein bedeutender Kritiker der peripatetischen (aristotelischen) Physik und Vorbereiter des kopernikanischen Weltbildes war der Spätscholastiker Nikolaus von Oresme. Er hielt im 14. Jahrhundert die Erdrotation für wahrscheinlich und beschrieb die Möglichkeit vieler Welten sowie vieler gravitativer ZentrenEdward Grant: The Nature of Natural Philosophy in the Late Middle Ages. Washington 2010, S. 63; Planets, Stars, and Orbs: The Medieval Cosmos, 1200–1687. 1994/96, S. 165; A Source Book in Medieval Science, Band 1. Zusammengestellt von Edward Grant, 1974, S. 551; Paul S. Agutter, Denys N. Wheatley: Thinking about Life: The history and philosophy of biology and other sciences. 2008, S. 59 – im Gegensatz zu einer ruhenden, im Mittelpunkt des Universums liegenden und alles Schwere anziehenden Erde.
Kopernikus Nikolaus Kopernikus ging 1543 in De revolutionibus orbium coelestium davon aus, dass außer der Erde auch alle anderen Himmelskörper Gravitation ausüben:
Kepler Johannes Kepler veröffentlichte 1609 in seiner Astronomia nova folgende Axiome:Astronomia nova. Neue ursächlich begründete Astronomie (Übersetzung von Max Caspar, 1929 und Fritz Krafft, Wiesbaden 2005.), S. 28–29; Original: Scan des Druckexemplars der ETH-Bibliothek Zürich (abgerufen am 24. März 2014); s. a. Johann Samuel Traugott Gehler: Physikalisches Wörterbuch. Band 2, Leipzig 1789, S. 519 und Florian Freistetter: Johannes Kepler: Astronomia Nova – Die Einleitung (3) In: scienceblogs.de, abgerufen am 24. März 2014) Jede körperliche Substanz ist, insofern sie körperlich ist, von Natur aus dazu geneigt, an jedem Ort zu ruhen, an dem sie sich allein befindet, außerhalb des Kraftbereichs eines verwandten Körpers. Die Schwere besteht in dem gegenseitigen körperlichen Bestreben zwischen verwandten Körpern nach Vereinigung oder Verbindung (von dieser Ordnung ist auch die magnetische Kraft), so dass die Erde viel mehr den Stein anzieht; als der Stein nach der Erde strebt. Das Schwere wird […] nicht zum Weltmittelpunkt als solchen hingetrieben, sondern als den Mittelpunkt eines verwandten runden Körpers … Wäre die Erde nicht rund, so würde das Schwere nicht überall geradlinig auf den Mittelpunkt der Erde zu, sondern von verschiedenen Seiten aus nach verschiedenen Punkten hingetrieben. Wenn man zwei Steine an einen beliebigen Ort der Welt versetzen würde, nahe beieinander außerhalb des Kraftbereichs eines dritten verwandten Körpers, dann würden sich jene Steine ähnlich wie zwei magnetische Körper an einem zwischenliegenden Ort vereinigen, wobei sich der eine dem andern um eine Strecke nähert, die der Masse des andern proportional ist. Der Bereich der Anziehungskraft des Mondes erstreckt sich bis zur Erde.
17. Jahrhundert Ebenfalls Anfang des 17. Jahrhunderts beschrieb Galileo Galilei den freien Fall eines Körpers als gleichmäßig beschleunigte Bewegung, die unabhängig von seiner Masse oder sonstigen Beschaffenheit ist.
In seinem 1636 erschienenen Werk Traité de mécanique des poids soutenus par des puissances sur des plans inclinés à l’horizontale entwickelte Gilles Personne de Roberval die Idee einer Gravitationskraft, also Jahre vor entsprechenden Veröffentlichungen von Robert Hooke und Isaac Newton.Heinz Klaus Strick: Gilles Personne Roberval (1602–1675): Entdecker der Schwerkraft. Spektrum.de-Artikel René Descartes erklärte die Schwerkraft als Folge seiner Wirbeltheorie. 1644 veröffentlichte er die Principia philosophiae, welche großen Einfluss hatten – auch auf die Kritik durch Isaac Newton – denn die Kometen konnten offensichtlich nicht mit Descartes’ Modell erklärt werden. Dass Kometen die Sphären bzw. die Bahnen der Planeten durchdringen bzw. kreuzen, war seit Tycho Brahe und dem Kometen von 1577 die vorherrschende Meinung.Harry Nussbaumer: Revolution am Himmel: wie die kopernikanische Wende die Astronomie veränderte. Zürich 2011, S. 237; Eberhard Knobloch: Das Weltbild in den Wissenschaften – Geschichte einer Konzeption. in: Christoph Markschies, Johannes Zachhuber (Hrsg.): Die Welt als Bild: Interdisziplinäre Beiträge zur Visualität von Weltbildern. Berlin 2008, S. 227–246, S. 242
Der englische Gelehrte Robert Hooke erklärte um 1670 die Wirkung der Gravitation mit „Gravitationstrichtern“. Er erklärte, dass die Gravitation eine Eigenschaft aller massebehafteten Körper sei und umso größer, je näher sich zwei Körper zueinander befänden. Die Theorie, dass die Schwerkraft umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands vom Massezentrum ist, taucht 1680 in einem Brief Hookes an seinen Landsmann Newton erstmals auf.
Newton Isaac Newton beschrieb in seinen Principia (1687) als erster die Gravitation mithilfe einer mathematischen Formel. Dieses von ihm formulierte Gravitationsgesetz ist eine der Grundgleichungen der klassischen Mechanik, der ersten physikalischen Theorie, die sich auch in der Astronomie anwenden ließ. Ihr zufolge ist die Gravitation eine Kraft zwischen zwei Körpern, die diese zu ihrem gemeinsamen Schwerpunkt hin beschleunigt, wobei ihre Stärke proportional zum Quadrat des Abstandes der Körper abnimmt. Die Newtonsche Theorie, vollendet um 1800 von Pierre-Simon Laplace, liefert ein grundlegendes Verständnis der Dynamik des Sonnensystems mit der Möglichkeit präziser Vorhersagen der Bewegung von Planeten, Monden und Kometen. Sie bestätigt die keplerschen Gesetze der Planetenbewegung für einzelne Planeten, lässt aber darüber hinaus den störenden Einfluss der anderen Planeten und Monde ermitteln. Die danach berechneten Werte stimmten lange Zeit mit den entsprechenden astronomischen und irdischen Beobachtungen und Experimenten vollkommen überein. Die erste so nicht erklärbare Diskrepanz wurde Mitte des 19. Jahrhunderts an der Periheldrehung der Bahn des Merkur entdeckt.
Alternative Theorien im 18. und 19. Jahrhundert Zur Erklärung der Gravitation im Sinne eines Prozessgeschehens wurden weiterhin bis zur Entwicklung der allgemeinen Relativitätstheorie im frühen 20. Jahrhundert eine Reihe mechanischer, kinetischer Erklärungen vorgeschlagen (siehe Mechanische Erklärungen der Gravitation). Eine der bekanntesten ist die von Fatio und Le Sage entwickelte Theorie der Le-Sage-Gravitation. Diese argumentiert, dass die Gravitationsanziehung zweier Körper auf der Abschirmung des aus Richtung des jeweils anderen wirkenden Drucks beruht. Im Zusammenhang hiermit stehen die Theorien eines Äthers als Vermittler von Wechselwirkungen (anstelle einer Fernwirkung) wie etwa der elektromagnetischen Wechselwirkung. Einige der letzten dieser Theorien waren die um 1900 entstandene Lorentzsche Äthertheorie, die schließlich von dem neuartigen Ansatz der einsteinschen Relativitätstheorie verdrängt wurde und die Gerbersche Gravitation, welche zwar in erster Näherung die Periheldrehung des Merkur richtig voraussagt, aber die Lichtablenkung an Massen nicht.
Einstein mini|„Newtons Apfel krümmt die Raumzeit“, anschaulich. William Stukeley berichtet, Newton sei auf die Gravitation durch einen herabfallenden Apfel gekommen, siehe Memoirs of Sir Isaac Newton's life mini|Video: Schwerkraft als Krümmung des Raumes