Vier fundamentale Kräfte bestimmen alle Wechselwirkungen innerhalb des Universums. Sie sind schwache Kernkräfte, starke Kernkräfte, Elektromagnetismus und Schwerkraft. Von diesen ist die Schwerkraft vielleicht die mysteriöseste. Während man seit einiger Zeit versteht, wie dieses physikalische Gesetz auf der Makroskala funktioniert – es regiert unser Sonnensystem, Galaxien und Superhaufen –, wie es mit den drei anderen fundamentalen Kräften interagiert, bleibt ein Rätsel.
Natürlich hat der Mensch seit jeher ein grundlegendes Verständnis dieser Kraft. Und wenn es um unser modernes Verständnis der Schwerkraft geht, ist es einem Mann zu verdanken, der ihre Eigenschaften entschlüsselt hat und wie sie alles Große und Kleine regiert – Herr Isaac Newton . Dank dieses englischen Physikers und Mathematikers aus dem 17. Jahrhundert würde sich unser Verständnis des Universums und der Gesetze, die es regieren, für immer ändern.
Während wir alle mit dem ikonischen Bild eines Mannes vertraut sind, der unter einem Apfelbaum sitzt und auf den Kopf fällt, stellten Newtons Theorien über die Schwerkraft auch einen Höhepunkt jahrelanger Forschung dar, die wiederum auf Jahrhunderten angesammeltem Wissen beruhte. Er würde diese Theorien in seinem Magnum Opus präsentieren, Mathematische Prinzipien der Naturphilosophie („Mathematische Prinzipien der Naturphilosophie“), die erstmals 1687 veröffentlicht wurde.
In diesem Band legte Newton dar, was später als sein bekannt werden sollte Drei Bewegungsgesetze , die abgeleitet wurden von Johannes Kepler 'S Gesetze der planetaren Bewegung und seine eigene mathematische Beschreibung der Schwerkraft. Diese Gesetze würden die Grundlage der klassischen Mechanik legen und würden über Jahrhunderte hinweg unangefochten bleiben – bis ins 20 Einsteins Relativitätstheorie .
Newtons eigenes Exemplar seiner Principia, mit handschriftlichen Korrekturen für die zweite Auflage. Bildnachweis: Trinity Cambridge/Andrew Dunn
Physik des 17. Jahrhunderts:
Das 17. Jahrhundert war eine sehr vielversprechende Zeit für die Wissenschaften mit großen Durchbrüchen in den Bereichen Mathematik, Physik, Astronomie, Biologie und Chemie. Zu den größten Entwicklungen in diesem Zeitraum gehört die Entwicklung der heliozentrisches Modell des Sonnensystems von Nikolaus Kopernikus , die Pionierarbeit mit Teleskopen und beobachtender Astronomie von Galileo Galilei , und die Entwicklung moderner Optik.
In dieser Zeit entwickelte Johannes Kepler auch seine Gesetze der Planetenbewegung. Diese zwischen 1609 und 1619 formulierten Gesetze beschreiben die Bewegung der damals bekannten Planeten ( Quecksilber , Venus , Erde , März , Jupiter , und Saturn ) um die Sonne. Sie stellten fest, dass:
- Planeten bewegen sich in Ellipsen um die Sonne, mit der Sonne in einem Brennpunkt
- Die Linie, die die Sonne mit einem Planeten verbindet, überstreicht gleiche Flächen zu gleichen Zeiten.
- Das Quadrat der Umlaufzeit eines Planeten ist proportional zur Kubik (3. Potenz) des mittleren Abstands von der Sonne in (oder anders ausgedrückt – der „großen Halbachse“ der Ellipse, die halbe Summe aus kleinstem und größte Entfernung von der Sonne).
Diese Gesetze lösten die verbleibenden mathematischen Probleme, die das heliozentrische Modell von Kopernikus aufwarf, und beseitigten somit alle Zweifel, dass es das richtige Modell des Universums war. Ausgehend von diesen begann Sir Isaac Newton, die Gravitation und ihre Auswirkungen auf die Umlaufbahnen von Planeten zu untersuchen.
Ein Vergleich der geozentrischen und heliozentrischen Modelle des Universums. Bildnachweis: history.ucsb.edu
Newtons drei Gesetze:
Im Jahr 1678 erlitt Newton einen kompletten Nervenzusammenbruch aufgrund von Überarbeitung und einer Fehde mit dem Astronomenkollegen Robert Hooke. In den nächsten Jahren zog er sich von der Korrespondenz mit anderen Wissenschaftlern zurück, sofern sie nicht von ihnen initiiert wurde, und erneuerte sein Interesse an Mechanik und Astronomie. Im Winter 1680/81 erneuerte das Erscheinen eines Kometen, über den er mit John Flamsteed (Englands Astronomer Royal) korrespondierte, auch sein Interesse an der Astronomie.
Nach der Überprüfung der Keplerschen Bewegungsgesetze entwickelte Newton einen mathematischen Beweis dafür, dass die elliptische Form von Planetenbahnen aus einer Zentripetalkraft resultieren würde, die umgekehrt proportional zum Quadrat des Radiusvektors ist. Newton teilte diese Ergebnisse Edmond Halley (Entdecker des „Haley’s Comet“) und der Royal Society in seinemÜber die Bewegung von Körpern im Kreis.
Dieser 1684 veröffentlichte Traktat enthielt die Saat dessen, was Newton zu seinem Opus Magnum, demMathematische Prinzipien der Naturphilosophie. Diese Abhandlung, die im Juli 1687 veröffentlicht wurde, enthielt die drei Bewegungsgesetze von Newton, die besagten:
- Bei Betrachtung in einem Trägheitsbezugssystem bleibt ein Objekt entweder in Ruhe oder bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit weiter, es sei denn, es wird von einer externen Kraft beeinflusst.
- Die Vektorsumme der äußeren Kräfte (F) auf einen Gegenstand ist gleich der Masse (m)dieses Objekts multipliziert mit dem Beschleunigungsvektor (a) des Objekts. In mathematischer Form wird dies ausgedrückt als: F=mzu
- Wenn ein Körper eine Kraft auf einen zweiten Körper ausübt, übt der zweite Körper gleichzeitig eine Kraft gleicher Größe und entgegengesetzter Richtung auf den ersten Körper aus.
Zusammen beschreiben diese Gesetze die Beziehung zwischen jedem Objekt, den darauf einwirkenden Kräften und der resultierenden Bewegung und legen die Grundlage für die klassische Mechanik. Die Gesetze ermöglichten es Newton auch, die Masse jedes Planeten, die Abflachung der Erde an den Polen und die Ausbuchtung am Äquator zu berechnen und wie die Anziehungskraft von Sonne und Mond die Gezeiten der Erde erzeugt.
In derselben Arbeit stellte Newton eine rechnungsrechnungsähnliche Methode der geometrischen Analyse unter Verwendung von „ersten und letzten Verhältnissen“ vor, berechnete die Schallgeschwindigkeit in Luft (basierend auf Boyles Gesetz ), erklärte die Prozession der Tagundnachtgleichen (von denen er zeigte, dass sie ein Ergebnis der Anziehungskraft des Mondes auf die Erde waren), initiierte die Gravitationsstudie der Unregelmäßigkeiten in der Bewegung des Mondes, lieferte eine Theorie zur Bestimmung der Umlaufbahnen von Kometen und vieles mehr.
Newton und der „Apple-Vorfall“:
Die Geschichte von Newton, der seine Theorie der universellen Gravitation als Ergebnis eines auf seinen Kopf fallenden Apfels aufstellte, ist zu einem festen Bestandteil der Populärkultur geworden. Und während oft argumentiert wurde, dass die Geschichte apokryph ist und Newton seine Theorie zu keinem Zeitpunkt entwickelt hat, hat Newton selbst die Geschichte viele Male erzählt und behauptet, der Vorfall habe ihn inspiriert.
Darüber hinaus haben die Schriften von William Stukeley – einem englischen Geistlichen, Antiquar und Mitglied der Royal Society – die Geschichte bestätigt. Aber statt der komischen Darstellung des Apfels, der Newton auf den Kopf schlägt, beschrieb Stukeley in seinemErinnerungen an das Leben von Sir Isaac Newton(1752) ein Gespräch, in dem Newton beschrieb, wie er über die Natur der Schwerkraft nachdachte, während er einen Apfel fallen sah.
„… wir gingen in den Garten und tranken Thea im Schatten einiger Apfelbäume; nur er und mein Selbst. er sagte mir, er befinde sich inmitten anderer Diskurse in der gleichen Situation wie damals, als ihm der Gedanke der Gravitation in den Sinn kam. 'warum sollte dieser Apfel immer senkrecht auf den Boden fallen', dachte er bei sich; Anlass für den Fall eines Apfels…“
John Conduitt, Newtons Assistent bei der Royal Mint (der schließlich seine Nichte heiratete), beschrieb auch, wie er die Geschichte in seinem eigenen Bericht über Newtons Leben hörte. Laut Conduitt ereignete sich der Vorfall 1666, als Newton auf Reisen war, um seine Mutter in Lincolnshire zu treffen. Während er durch den Garten schlenderte, dachte er darüber nach, wie sich der Einfluss der Schwerkraft weit über die Erde hinaus erstreckte und für den Fall des Apfels sowie für die Umlaufbahn des Mondes verantwortlich war.
Ähnlich schrieb Voltaire in seinemEssay über epische Poesie(1727), dass Newton zum ersten Mal an das System der Gravitation gedacht hatte, als er in seinem Garten spazieren ging und zusah, wie ein Apfel von einem Baum fiel. Dies stimmt mit Newtons Aufzeichnungen aus den 1660er Jahren überein, die zeigen, dass er sich mit der Idee auseinandersetzte, wie sich die Erdgravitation im umgekehrten Quadrat zum Mond erstreckt.
Schössling des angeblichen Originalbaums, der Sir Isaac Newton dazu inspirierte, über die Gravitation nachzudenken. Bildnachweis: Wikipedia Commons/Loodog
Es würde jedoch noch zwei Jahrzehnte dauern, bis er seine Theorien so weit entwickelt hatte, dass er mathematische Beweise erbringen konnte, wie in derPrinzipien. Als dies abgeschlossen war, folgerte er, dass dieselbe Kraft, die ein Objekt zu Boden fallen lässt, für andere Orbitalbewegungen verantwortlich war. Daher nannte er es „universelle Gravitation“.
Verschiedene Bäume sollen „der“ Apfelbaum sein, den Newton beschreibt. Die Königsschule, Grantham , behauptet, ihre Schule habe den ursprünglichen Baum gekauft, entwurzelt und einige Jahre später in den Garten des Schulleiters transportiert. Der National Trust, der die Woolsthorpe Manor (wo Newton aufgewachsen ist) treuhänderisch behauptet, dass der Baum immer noch in ihrem Garten steht. Ein Nachkomme des ursprünglichen Baumes wächst vor dem Haupttor des Trinity College in Cambridge, unter dem Zimmer, in dem Newton lebte, als er dort studierte.
Newtons Arbeit würde tiefgreifende Auswirkungen auf die Wissenschaften haben, deren Prinzipien für die folgenden 200 Jahre kanonisch bleiben. Sie prägte auch das Konzept der universellen Gravitation, das zum Grundpfeiler der modernen Astronomie wurde und erst im 20 Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie .
Wir haben hier bei Universe Today viele interessante Artikel über die Schwerkraft geschrieben. Hier ist Wer war Sir Isaac Newton? , Wer war Galileo Galilei? , Was ist die Schwerkraft? , und Was ist die Gravitationskonstante?
Astronomy Cast hat zwei gute Folgen zu diesem Thema. Hier ist Folge 37: Gravitationslinsen , und Folge 102: Schwerkraft ,
Quellen:
