WER HAT DIE SCHWERKRAFT ENTDECKT?

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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. Obwohl seit einiger Zeit bekannt ist, wie dieses Gesetz der Physik auf der Makroskala funktioniert - es regelt unser Sonnensystem, Galaxien und Supercluster -, bleibt es ein Rätsel, wie es mit den drei anderen fundamentalen Kräften interagiert.

Natürlich haben die Menschen seit jeher ein grundlegendes Verständnis dieser Kraft. Und wenn es um unser modernes Verständnis der Schwerkraft geht, ist ein Mann zu verdanken, der seine Eigenschaften entschlüsselt hat und wie er alle großen und kleinen Dinge regiert - Sir Isaac Newton. Dank dieses englischen Physikers und Mathematikers aus dem 17. Jahrhundert würde sich unser Verständnis des Universums und der Gesetze, die es regeln, für immer ändern.

Während wir alle mit dem ikonischen Bild eines Mannes vertraut sind, der unter einem Apfelbaum sitzt und einen Sturz auf den Kopf hat, waren Newtons Theorien über die Schwerkraft auch ein Höhepunkt jahrelanger Forschung, die wiederum auf Jahrhunderten gesammelten Wissens beruhte. Er würde diese Theorien in seinem Magnum Opus präsentieren, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica ("Mathematische Prinzipien der Naturphilosophie"), die erstmals 1687 veröffentlicht wurde.

In diesem Band legte Newton seine drei Bewegungsgesetze dar, die aus Johannes Keplers Gesetzen der Planetenbewegung und seiner eigenen mathematischen Beschreibung der Schwerkraft abgeleitet wurden. Diese Gesetze würden den Grundstein für die klassische Mechanik legen und jahrhundertelang unangefochten bleiben - bis zum 20. Jahrhundert und der Entstehung von Einsteins Relativitätstheorie.

Physik bis zum 17. Jahrhundert:

Das 17. Jahrhundert war eine sehr günstige Zeit für die Wissenschaften, mit großen Durchbrüchen in den Bereichen Mathematik, Physik, Astronomie, Biologie und Chemie. Zu den größten Entwicklungen dieser Zeit zählen die Entwicklung des heliozentrischen Modells des Sonnensystems durch Nicolaus Copernicus, die Pionierarbeit mit Teleskopen und der Beobachtungsastronomie von Galileo Galilei sowie die Entwicklung der modernen Optik.

In dieser Zeit entwickelte Johannes Kepler auch seine Gesetze der Planetenbewegung. Diese Gesetze, die zwischen 1609 und 1619 formuliert wurden, beschreiben die Bewegung der damals bekannten Planeten (Merkur, Venus, Erde, Mars, Jupiter und Saturn) um die Sonne. Sie erklärten, dass:

Planeten bewegen sich in Ellipsen um die Sonne, wobei die Sonne im Mittelpunkt steht
Die Linie, die die Sonne mit einem Planeten verbindet, fegt gleiche Flächen zu gleichen Zeiten.
Das Quadrat der Umlaufzeit eines Planeten ist proportional zum Würfel (3. Potenz) der mittleren Entfernung von der Sonne in (oder mit anderen Worten - der „Semi-Major-Achse“ der Ellipse, der halben Summe aus kleinstem und größte Entfernung von der Sonne).

Diese Gesetze lösten die verbleibenden mathematischen Probleme, die durch das heliozentrische Modell von Copernicus aufgeworfen wurden, und beseitigten so alle Zweifel, dass es das richtige Modell des Universums war. Aus diesen Gründen begann Sir Isaac Newton, die Gravitation und ihre Auswirkungen auf die Umlaufbahnen von Planeten zu untersuchen.

Newtons drei Gesetze:

Im Jahr 1678 erlitt Newton einen vollständigen Nervenzusammenbruch aufgrund von Überlastung und einer Fehde mit seinem Astronomen Robert Hooke. Für die nächsten Jahre zog er sich aus dem Briefwechsel mit anderen Wissenschaftlern zurück, außer dort, wo sie ihn initiierten, und erneuerte sein Interesse an Mechanik und Astronomie. Im Winter 1680-81 erneuerte auch das Erscheinen eines Kometen, über den er mit John Flamsteed (Englands Astronomer Royal) korrespondierte, sein Interesse an Astronomie.

Nach Überprüfung der Kepler-Bewegungsgesetze entwickelte Newton einen mathematischen Beweis dafür, dass die elliptische Form der Planetenbahnen aus einer Zentripetalkraft resultieren würde, die umgekehrt proportional zum Quadrat des Radiusvektors ist. Newton teilte diese Ergebnisse Edmond Halley (Entdecker von "Haleys Kometen") und der Royal Society in seinem mit De motu corporum in Gyrum.

Dieser 1684 veröffentlichte Traktat enthielt den Keim dessen, was Newton erweitern würde, um sein Magnum-Opus zu bilden, das Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Diese Abhandlung, die im Juli 1687 veröffentlicht wurde, enthielt Newtons drei Bewegungsgesetze, in denen es heißt:

Bei Betrachtung in einem Trägheitsreferenzrahmen bleibt ein Objekt entweder in Ruhe oder bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit weiter, es sei denn, es wird von einer externen Kraft beaufschlagt.
Die Vektorsumme der äußeren Kräfte (F) auf ein Objekt ist gleich der Masse (m) dieses Objekts multipliziert mit dem Beschleunigungsvektor (a) des Objekts. In mathematischer Form wird dies ausgedrückt als: F =mein
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 auf es einwirkenden Kräften und der daraus resultierenden Bewegung und legen den Grundstein für die klassische Mechanik. Die Gesetze erlaubten 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 kalkülähnliche Methode der geometrischen Analyse unter Verwendung des ersten und letzten Verhältnisses vor, errechnete die Schallgeschwindigkeit in Luft (basierend auf dem Boyle'schen Gesetz) und berücksichtigte die Prozession der Äquinoktien (die er zeigte) ein Ergebnis der Anziehungskraft des Mondes auf die Erde), 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 Incident":

Die Geschichte von Newton, der seine Theorie der universellen Gravitation als Ergebnis eines auf den Kopf fallenden Apfels aufstellte, ist zu einem festen Bestandteil der Populärkultur geworden. Und während oft behauptet wurde, die Geschichte sei apokryphisch und Newton habe seine Theorie zu keinem Zeitpunkt entwickelt, erzählte Newton selbst die Geschichte viele Male und behauptete, 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 anstatt der komischen Darstellung des Apfels, der Newton auf den Kopf schlägt, beschrieb Stukeley in seinem Erinnerungen an Sir Isaac Newtons Leben (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 ich selbst. Inmitten eines anderen Diskurses, sagte er mir, befand er sich in der gleichen Situation wie früher, als ihm der Begriff der Gravitation in den Sinn kam. "Warum sollte dieser Apfel immer senkrecht zum Boden hinabsteigen", dachte er bei sich; Anlass war der Fall eines Apfels ... "

John Conduitt, Newtons Assistent bei der Royal Mint (der schließlich seine Nichte heiratete), beschrieb das Hören der Geschichte auch in seinem eigenen Bericht über Newtons Leben. Laut Conduitt ereignete sich der Vorfall 1666, als Newton zu seiner Mutter nach Lincolnshire reiste. Während er sich im Garten schlängelte, dachte er darüber nach, wie sich der Einfluss der Schwerkraft weit über die Erde hinaus erstreckte und sowohl für den Fall des Apfels als auch für die Umlaufbahn des Mondes verantwortlich war.

Ebenso schrieb Voltaire n sein Essay über epische Poesie (1727), dass Newton zuerst an das Gravitationssystem gedacht hatte, als er in seinem Garten spazierte und einen Apfel von einem Baum fallen sah. Dies steht im Einklang mit Newtons Notizen aus den 1660er Jahren, die zeigen, dass er sich mit der Idee auseinandersetzte, wie sich die Erdgravitation in einem umgekehrten quadratischen Verhältnis zum Mond erstreckt.

Er würde jedoch noch zwei Jahrzehnte brauchen, um seine Theorien vollständig zu entwickeln, bis er mathematische Beweise liefern konnte, wie in der Principia. Sobald dies abgeschlossen war, folgerte er, dass dieselbe Kraft, die ein Objekt auf den Boden fallen lässt, für andere Orbitalbewegungen verantwortlich ist. Daher nannte er es "universelle Gravitation".

Verschiedene Bäume sollen „der“ Apfelbaum sein, den Newton beschreibt. Die King's School, Grantham, behauptet, ihre Schule habe den ursprünglichen Baum gekauft, ihn entwurzelt und einige Jahre später in den Garten des Schulleiters gebracht. Der National Trust, der das Woolsthorpe Manor (in dem Newton aufgewachsen ist) vertrauenswürdig hält, behauptet jedoch, dass der Baum immer noch in ihrem Garten wohnt. Ein Nachkomme des ursprünglichen Baumes wächst vor dem Haupttor des Trinity College in Cambridge unter dem Raum, 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. Es informierte auch das Konzept der universellen Gravitation, das zur Hauptstütze der modernen Astronomie wurde und erst im 20. Jahrhundert überarbeitet werden sollte - mit der Entdeckung der Quantenmechanik und Einsteins Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Wir haben hier im Space Magazine 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 Episode 37: Gravitationslinse und Episode 102: Schwerkraft,

Quellen: