Äquivalenzprinzip (Physik)

Das Äquivalenzprinzip besagt, dass träge und schwere Masse eines Körpers äquivalent (gleichwertig) sind.

Die träge Masse gibt an, wie stark ein Körper durch eine an ihm angreifende Kraft beschleunigt wird. Je größer die Masse, desto größer ist die für eine bestimmte Beschleunigung des Körpers benötigte Kraft.

Die schwere Masse bestimmt, welche Kraft ein Körper im Gravitationsfeld eines anderen Körpers erfährt, sowie die Stärke des vom Körper selbst ausgehenden Gravitationsfeldes. Auf einen Körper mit doppelter Masse wirkt im Gravitationsfeld eine doppelt so große Kraft, und er selbst zieht andere Körper auch doppelt so stark an.

Das Äquivalenzprinzip besagt nun, dass die träge Masse und die schwere Masse eines Körpers stets gleich sind, so dass man beide Effekte mit nur einer Masse beschreiben kann.

Eine Folge des Äquivalenzprinzips ist, dass die Bewegung eines Körpers im Gravitationsfeld unabhängig von seiner Masse ist: Ein doppelt so schwerer Körper erfährt zwar im Gravitationsfeld eine doppelt so große Kraft, andererseits aber braucht es gerade diese doppelt so große Kraft, um dieselbe Beschleunigung zu erreichen. Das bedeutet insbesondere, dass man eine Bewegung im freien Fall lokal nicht von einer Bewegung in der Schwerelosigkeit unterscheiden kann. Ein typisches Beispiel hierfür sind Aufenthalte in der Raumstation ISS: In der Höhe der Raumstation ist das Erdgravitationsfeld noch fast genausostark wie am Erdboden, dennoch erleben die Astronauten in ihr Schwerelosigkeit, da sie sich im freien Fall um die Erde befindet.

In der Tat lässt sich das Äquivalenzprinzip auch über diese Ununterscheidbarkeit von Schwerelosigkeit und freiem Fall definieren. Diese Betrachtungsweise ist eine der Grundlagen von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie. In dieser wird das Konzept eines Gravitationsfeldes, das Körper im Raum ablenkt, ersetzt durch das Konzept einer gekrümmten Raumzeit, in der sich der Körper frei bewegt, die jedoch durch Energie und Impuls der in ihr vorhandenen Materie gekrümmt wird. Dadurch erscheint die kräftefreie Bahn ebenfalls gekrümmt, so als ob der Körper eine Kraft erführe. Die beobachteten Kräfte (z.B. beim Tragen eines schweren Objekts) sind dabei Trägheitskräfte, die aufgrund der (zum Beispiel durch die Erdoberfläche) erzwungenen Abweichung vom freien Fall auftreten, ganz analog zu den Kräften, die in einem beschleunigten Objekt auftreten (beispielsweise wird man im Auto beim Beschleunigen in den Sitz gedrückt).

Ein früher Test des (schwachen) Äquivalenzprinzips war das Eötvös-Experiment.