Vier Grundkräfte regeln alle Wechselwirkungen innerhalb des Universums. Sie sind schwache Kernkräfte, starke Kernkräfte, Elektromagnetismus und Schwerkraft. Von diesen ist die Schwerkraft vielleicht die mysteriöseste. Während es seit einiger Zeit verstanden wurde, wie dieses Gesetz der Physik auf der Makroskala wirkt-es regiert 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 es einem Mann zu verdanken, der seine Eigenschaften entschlüsselt hat und wie er alle großen und kleinen Dinge regiert – Sir Isaac Newton. Jahrhundert englischen Physikers und Mathematikers würde unser Verständnis des Universums und der Gesetze, die es regieren, für immer verändert werden.,
Während wir alle mit dem ikonischen Bild eines Mannes vertraut sind, der unter einem Apfelbaum sitzt und einen Sturz auf den Kopf hat, stellten Newtons Theorien über die Schwerkraft auch einen Höhepunkt jahrelanger Forschung dar, die wiederum auf jahrhundertelangem Wissen beruhte. Er stellte diese Theorien in seinem Werk“Philosophiae Naturalis Principia Mathematica“ („Mathematische Prinzipien der Naturphilosophie“) vor, das erstmals 1687 veröffentlicht wurde.,
In diesem Band legte Newton dar, was als seine drei Bewegungsgesetze bekannt werden würde, die von Johannes Keplers Gesetzen der Planetenbewegung und seiner eigenen mathematischen Beschreibung der Schwerkraft abgeleitet waren. Diese Gesetze würden die Grundlage der klassischen Mechanik legen und jahrhundertelang unangefochten bleiben – bis zum 20.
Physik von 17th Century:
Das 17th century war eine sehr günstige Zeit für die Wissenschaften, mit großen Durchbrüchen in den Bereichen Mathematik, Physik, Astronomie, Biologie und Chemie. Einige der größten Entwicklungen in dieser Zeit sind die Entwicklung des heliozentrischen Modells des Sonnensystems von Nicolaus Kopernikus, die Pionierarbeit mit Teleskopen und Beobachtungsastronomie von Galileo Galilei und die Entwicklung der modernen Optik.,
Auch in dieser Zeit entwickelte Johannes Kepler seine Gesetze der Planetenbewegung. Zwischen 1609 und 1619 formuliert, beschrieben diese Gesetze die Bewegung der damals bekannten Planeten (Merkur, Venus, Erde, Mars, Jupiter und Saturn) um die Sonne. Sie gaben an, dass:
- Planeten bewegen sich in Ellipsen um die Sonne, wobei die Sonne in einem Fokus
- Die Linie, die die Sonne mit einem Planeten verbindet, fegt gleiche Bereiche in gleichen Zeiten.,
- Das Quadrat der Orbitalperiode 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, die Hälfte der Summe der kleinste und größte Abstand von der Sonne).
Diese Gesetze lösten die verbleibenden mathematischen Probleme, die durch das heliozentrische Modell von Copernicus aufgeworfen wurden, und beseitigten somit alle Zweifel, dass es das richtige Modell des Universums war. Ausgehend von diesen begann Sir Isaac Newton, die Gravitation und ihre Wirkung auf die Umlaufbahnen von Planeten zu betrachten.,
Newtons drei Gesetze:
1678 erlitt Newton einen vollständigen Nervenzusammenbruch aufgrund von Überarbeitung und einer Fehde mit seinem Astronomen Robert Hooke. In den nächsten Jahren zog er sich aus der Korrespondenz mit anderen Wissenschaftlern zurück, außer wo sie es 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 Astronom Royal) korrespondierte, sein Interesse an der Astronomie.
Nach Überprüfung von Keplers Bewegungsgesetzen 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 kommuniziert diese Ergebnisse Edmond Halley (Entdecker des „Haley‘ s Comet“) und der Royal Society in seinem De motu corporum in gyrum.,
Dieser 1684 veröffentlichte Trakt enthielt den Samen dessen, was Newton zu seinem Magnum opus, der Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, ausdehnen würde. Diese Abhandlung, die im Juli von 1687 veröffentlicht wurde, enthielt Newtons drei Bewegungsgesetze, die besagten, dass:
- In einem Trägheitsreferenzrahmen bleibt ein Objekt entweder in Ruhe oder bewegt sich weiter mit konstanter Geschwindigkeit, es sei denn, es wird von einer äußeren Kraft beeinflusst.,
- 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=ma
- Wenn ein Körper eine Kraft auf einen zweiten Körper ausübt, übt der zweite Körper gleichzeitig eine Kraft aus, deren Größe und Richtung dem ersten Körper entgegengesetzt ist.
Zusammen beschrieben diese Gesetze die Beziehung zwischen jedem Objekt, den darauf wirkenden Kräften und der resultierenden Bewegung und legten 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 Gravitationskraft von Sonne und Mond die Gezeiten der Erde erzeugt.,
In derselben Arbeit präsentierte Newton eine kalkülartige Methode der geometrischen Analyse unter Verwendung des „ersten und letzten Verhältnisses“, erarbeitete die Schallgeschwindigkeit in der Luft (basierend auf Boyles Gesetz), bilanzierte die Prozession der Tagundnachtgleiche (die er als Ergebnis der Anziehungskraft des Mondes auf die Erde aufwies), initiierte die Gravitationsuntersuchung 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 Folge eines Apfels auf den Kopf stellt, ist zu einem Grundnahrungsmittel der Populärkultur geworden. Und obwohl oft argumentiert wurde, dass die Geschichte apokryph ist und Newton seine Theorie zu keinem Zeitpunkt entwickelt hat, 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 die komische Darstellung des Apfels, der Newton auf den Kopf schlägt, beschrieb Stukeley in seinen Memoiren von 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, & tranken thea im Schatten einiger Apfelbäume; nur er, & mein selbst. inmitten anderer Diskurse sagte er mir, er sei gerade in der gleichen Situation wie früher, als ihm der Begriff der Gravitation in den Sinn kam., „warum sollte dieser Apfel immer senkrecht zu Boden fallen“, dachte er zu sich selbst; er würde durch 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 fand der Vorfall 1666 statt, als Newton reiste, um seine Mutter in Lincolnshire zu treffen., Während er sich im Garten schlängelte, überlegte er, wie sich der Einfluss der Schwerkraft weit über die Erde hinaus erstreckte, verantwortlich für das Fallen von Äpfeln sowie die Umlaufbahn des Mondes.
In ähnlicher Weise schrieb Voltaire in seinem Essay über epische Poesie (1727), dass Newton zuerst an das Gravitationssystem gedacht hatte, als er in seinem Garten spazieren ging 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 Erdanziehung in einem umgekehrten quadratischen Verhältnis zum Mond erstreckt.,
Es würde jedoch noch zwei Jahrzehnte dauern, bis er seine Theorien so weit entwickelt hätte, dass er mathematische Beweise anbieten konnte, wie in der Principia gezeigt. Sobald das abgeschlossen war, folgerte er, dass die gleiche Kraft, die ein Objekt auf den Boden fallen lässt, für andere Orbitalbewegungen verantwortlich war. Daher nannte er es „Universelle gravitation“.,
Verschiedene Bäume werden behauptet,“ der “ Apfelbaum zu 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 das Woolsthorpe Manor (wo Newton aufgewachsen ist) im Vertrauen hält, behauptet jedoch, dass der Baum immer noch in ihrem Garten wohnt. Ein Nachkomme des ursprünglichen Baumes wächst vor dem Haupttor des Trinity College, Cambridge, unter dem Raum, in dem Newton lebte, als er dort studierte.,
Newtons Arbeit hätte tiefgreifende Auswirkungen auf die Wissenschaften, 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.
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?,
Astronomie Cast hat einige zwei gute Episoden zu diesem Thema. Hier ist Episode 37: Gravitationslinsen und Episode 102: Schwerkraft,