Trägheit

Aufgrund ihrer Trägheit verharren Körper in ihrem Bewegungszustand solange keine äußere Kraft auf sie einwirkt. Die Trägheit wird durch die träge Masse quantifiziert, bezüglich der Rotation durch das Trägheitsmoment. Je größer die träge Masse eines Körpers ist, um so weniger beeinflusst eine gegebene Kraft seine Bewegung.

Demzufolge wird Kraft benötigt um einen Körper zu beschleunigen, aber auch um ihn abzubremsen. In Abwesenheit äußerer Kräfte bewegt sich ein träger Körper mit konstanter Geschwindigkeit geradlinig fort falls er nicht in Ruhe ist (und bleibt). Den scheinbaren Widerspruch zur Alltagserfahrung, derzufolge es Kraft kostet eine Geschwindigkeit beizubehalten, erklärt die Physik durch bremsende Reibungskräfte.

Geschichte

Unser gegenwärtiger Begriff von Trägheit entspricht dem von Isaac Newton, der 1687 in seinem ersten Axiom postuliert:

„Ein Körper verharrt in seinem Zustand der Ruhe oder der gleichförmigen geradlinigen Bewegung, solange die Summe aller auf ihn einwirkenden Kräfte Null ist.“

Das Gesetz von der Trägheit der Masse löste die auf Aristoteles zurückgehende Vorstellung ab, nach der zur Aufrechterhaltung einer Bewegung eine ständige Kraft nötig sei.

Gedanken über die Ursache der Trägheit haben seit Newton viele Physiker beschäftigt. Er selbst hatte die Quelle in seinem Dreibund aus absoluter Masse, Zeit und Raum gesehen. Er machte dazu in Gedanken das Wassereimer-Experiment:

Im absolut leeren Raum rotiert ein Eimer Wasser. Da die Trägheitskraft am absoluten Raum "befestigt" ist wird sie auch hier, in Abwesenheit anderer Effekte dafür sorgen, dass sich das Wasser an den Rand des Eimers drängt und eine gewölbte Oberfläche entsteht.

Bemerkenswert ist hier, dass der absolute Raum die zentrale Rolle spielt. Ohne ihn könnte man keine Kreisbeschleunigung (vom Eimer aus betrachtet ist das ganze System ja in Ruhe) feststellen, gegen die sich die Teilchen mit ihrer Trägheit sträuben. Der Raum wirkt also, grob gesagt, wie die Schlupfriegelung eines Autogurts, bei gleichmäßiger Bewegung lässt er die Teilchen vorbei, doch bei Beschleunigung "hakt" er ein.

Einen anderen Ansatz sah Ernst Mach. Er vermutete, dass die Trägheit von allen Massen gegenseitig ausgeübt wird. Also viele Massen, dann viel Trägheit. Ein einzelnes Teilchen in einem leeren Universum hätte demnach keine Trägheit. Obwohl sich das Konzept trotz seines relativistischen Ansatzes nicht halten konnte, war die Motivation klar. Woran soll man denn Masse definieren, wenn man keine Vergleichsoptionen hat? Wir wiegen schließlich auch nur im Vergleich mit dem Urkilogramm.

Albert Einsteins Spezielle Relativitätstheorie bedeutete zwar das Ende der von Newton postulierten Absolutheit von Masse, Zeit und Raum, aber er schaffte etwas neues: Ein absolutes Raum-Zeit-Kontinuum, in dem die Abstände $ds^2 = dx^2 + dx^2 + dx^2 - c^2 dt^2$ konstant sind. Im Kontext dieses vierdimensionalen Raumes ist dann die Trägheit als eine Art "Haken" definiert.

Einstein vermutete Energie in Massen als Ursache der Trägheit. In der Newtonschen Theorie ist die Gleichheit von träger und schwerer Masse ein nicht weiter erklärbarer "Zufall", während sie in der allgemeinen Relativitätstheorie als Äquivalenzprinzip postuliert wird. Aus ihr folgt, dass jede Form von Energie Trägheit besitzt.

Ursache der Trägheit

Im Rahmen des Standardmodells der Elementarteilchenphysik sind alle Elementarteilchen zunächst masselos. Ihre Masse (und damit Trägheit) entsteht durch den sog. Higgs-Mechanismus über die Wechselwirkung mit einem allgegenwärtigen Higgs-Feld. Dies erfordert die Existenz eines bislang unentdeckten Elementarteilchens, des Higgs-Bosons. Da alle anderen Teilchen des Standardmodells zwischenzeitlich experimentell nachgewiesen werden konnten, stellt die Entdeckung des Higgs (bzw. der Beweis seiner Nicht-Existenz) eine der größten Herausforderungen der nahen Zukunft dar, die mit dem Bau des größten Teilchenbeschleunigers der Welt, dem LHC bei Genf, angenommen wurde.

Allerdings liefert die Masse, die durch den Higgs-Effekt entsteht, nur einen sehr kleinen Beitrag zur Gesamtmasse eines Atoms -- der weitaus größte Teil rührt von der Wechselwirkungsenergie der Quarks im Inneren der Nukleonen her. Insofern ist die von uns im Alltag beobachtete Trägheit zum dominierenden Teil ein Effekt der starken Wechselwirkung.

Siehe auch

= Literatur =

Walter Greiner, Theoretische Physik 1 - Mechanik Teil 1, ISBN 3-8171-1267-X
Brian Greene, The Fabric of the Cosmos - Space, Time, and the Texture of Reality, ISBN 0-375-41288-3

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