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WICHTIGSTEN WISSENSCHAFTLICHEN ENTDECKUNGEN
Das Gesetz der universellen Gravitation. Geschichte und Wesen der wissenschaftlichen Entdeckung
Verzeichnis / Die wichtigsten wissenschaftlichen Entdeckungen Die Vorstellung, dass Körper durch die Anziehungskraft der Erdkugel zu Boden fallen, war alles andere als neu: Schon die Alten, zum Beispiel Platon, wussten das. Aber wie misst man die Stärke dieser Anziehungskraft? Ist es überall auf der Welt gleich und wie weit reicht es? Hier sind die Fragen, die Newton - der Autor des Gesetzes der universellen Gravitation, verwirrte Wissenschaftler und Philosophen. Entdecken Sie Ihr drittes Gesetz Kepler geriet in einen so enthusiastischen Zustand, dass es ihm vorkam, als sei er im Delirium. Im Jahr 1619 veröffentlichte Kepler die berühmte „Harmonie des Universums“, in der er einen Schritt von Newtons Entdeckung entfernt war und es dennoch nicht schaffte. Kepler führte nicht nur die Bewegungen der Planeten auf eine gewisse gegenseitige Anziehung zurück, er war sogar bereit, das Gesetz der „quadratischen Proportion“ (das heißt einer Wirkung, die umgekehrt proportional zu den Quadraten der Entfernungen ist) zu akzeptieren. Leider gab er es bald auf und ging stattdessen davon aus, dass die Anziehung umgekehrt proportional sei, nicht zu den Quadraten der Entfernungen, sondern zu den Entfernungen selbst. Kepler gelang es nicht, die von ihm entdeckten mechanischen Prinzipien der Gesetze der Planetenbewegung zu begründen. Newtons unmittelbare Vorgänger auf diesem Gebiet waren seine Landsleute Gilbert und insbesondere Hooke. Im Jahr 1660 veröffentlichte Gilbert „On the Magnet“, in dem er die Wirkung der Erde auf den Mond mit der Wirkung eines Magneten auf Eisen verglich. In einem anderen Werk von Gilbert, das nach seinem Tod veröffentlicht wurde, heißt es, dass Erde und Mond sich gegenseitig wie zwei Magnete beeinflussen, und zwar proportional zu ihren Massen. Doch der Wahrheit am nächsten kam Robert Hooke, ein Zeitgenosse und Rivale Newtons. Am 21. März 1666, also kurz bevor Newton erstmals tief in die Geheimnisse der Himmelsmechanik eintauchte, las Hooke auf einem Treffen der Royal Society of London einen Bericht über seine Experimente zur Änderung der Schwerkraft in Abhängigkeit von der Entfernung vor ein fallender Körper relativ zum Erdmittelpunkt. Im Bewusstsein der Unbefriedigung seiner ersten Experimente kam Hooke auf die Idee, die Schwerkraft durch Schwingen eines Pendels zu messen – eine Idee von höchstem Witz und Fruchtbarkeit. Zwei Monate später berichtete Hooke in derselben Gesellschaft, dass die Kraft, die die Planeten auf ihren Umlaufbahnen hält, derjenigen ähneln muss, die die Kreisbewegung eines Pendels erzeugt. Viel später, als Newton sein großes Werk bereits für die Veröffentlichung vorbereitete, kam Hooke unabhängig von Newton auf die Idee, dass „die Kraft, die die Bewegung der Planeten steuert“, sich „in gewissem Maße abhängig von der Entfernung“ ändern sollte, und erklärte dies Er würde auf der Grundlage dieses Anfangs „ein ganzes System des Universums aufbauen“. Aber hier zeigte sich der Unterschied zwischen Talent und Genie. Hookes glückliche Gedanken blieben in den Kinderschuhen. Er hatte nicht die Kraft, mit seinen Hypothesen umzugehen, und die Priorität der Entdeckung liegt bei Newton. Isaac Newton (1642–1726) wurde in Woolsthorpe, Lincolnshire, geboren. Sein Vater starb vor der Geburt seines Sohnes. Newtons Mutter, geborene Aiskof, gebar kurz nach dem Tod ihres Mannes eine Frühgeburt, und der neugeborene Isaac war auffallend klein und gebrechlich. Sie dachten, dass das Baby nicht überleben würde. Newton jedoch erreichte ein hohes Alter und war, abgesehen von kurzfristigen Störungen und einer schweren Krankheit, immer bei guter Gesundheit. Die Familie Newton gehörte besitzmäßig zur Reihe der Bauern der Mittelhand. Als Isaac aufwuchs, kam er in eine Grundschule. Im Alter von zwölf Jahren begann der Junge, eine öffentliche Schule in Grantham zu besuchen. Er wurde in einer Wohnung mit dem Apotheker Clark untergebracht, wo er mit Unterbrechungen etwa sechs Jahre lang lebte. Das Leben beim Apotheker weckte in ihm zunächst den Wunsch, Chemie zu studieren. Am 5. Juni 1660, als Newton noch keine achtzehn Jahre alt war, wurde er am Trinity College aufgenommen. Die University of Cambridge war damals eine der besten in Europa: Philologische und mathematische Wissenschaften blühten hier gleichermaßen auf. Newton wandte sein Hauptaugenmerk der Mathematik zu. Aber gleichzeitig erhielt er 1665 einen Bachelor of Fine Arts (Wortwissenschaften). Seine ersten wissenschaftlichen Experimente beziehen sich auf das Studium des Lichts. Der Wissenschaftler bewies, dass mit Hilfe eines Prismas weiße Farbe in ihre einzelnen Farben zerlegt werden kann. Bei der Untersuchung der Lichtbrechung in dünnen Filmen beobachtete Newton ein Beugungsmuster, das "Newtonsche Ringe" genannt wurde. Im Jahr 1666 brach in Cambridge eine Epidemie aus, die nach damaligem Brauch als Pest galt, und Newton zog sich in sein Woolsthorpe zurück. Hier, in der Stille des Dorfes, ohne Bücher oder Instrumente zur Hand, führte der XNUMX-jährige Newton ein fast einsiedlerisches Leben und gab sich tiefen philosophischen Überlegungen hin. Ihre Frucht war die genialste seiner Entdeckungen – die Lehre von der universellen Gravitation. Es war ein Sommertag. Newton meditierte gerne im Garten im Freien. Die Überlieferung berichtet, dass Newtons Gedanken durch den Fall eines überquellenden Apfels unterbrochen wurden. Der berühmte Apfelbaum wurde lange als Mahnmal für die Nachwelt aufbewahrt. Und nachdem es ausgetrocknet war, wurde es abgeholzt und in Form einer Bank in ein historisches Denkmal umgewandelt. Newton hatte lange über die Gesetze des Fallens von Körpern nachgedacht, und es ist gut möglich, dass ihn insbesondere der Fall eines Apfels wieder zu diesen Gedanken führte, von denen er zu der Frage überging: Tut der Fall von Körper überall auf der Welt in gleicher Weise vorkommen? Kann man also zum Beispiel behaupten, dass im Hochgebirge Körper mit der gleichen Geschwindigkeit fallen wie in tiefen Minen? Doch wie hat Newton dieses Gesetz entdeckt, für das die Analogie mit dem Fall eines Apfels keine Bedeutung mehr haben konnte? Newton selbst schrieb viele Jahre später, dass er die mathematische Formel, die das Gesetz der universellen Gravitation ausdrückt, aus dem Studium der berühmten Gesetze von Kepler abgeleitet habe. Es ist jedoch möglich, dass seine Arbeit in dieser Richtung durch seine Forschungen auf dem Gebiet der Optik erheblich beschleunigt wurde. Das Gesetz, das die „Lichtintensität“ oder den „Beleuchtungsgrad“ einer bestimmten Oberfläche bestimmt, ist der mathematischen Formel sehr ähnlich für die Schwerkraft. Einfache geometrische Überlegungen und direkte Erfahrungen zeigen, dass, wenn beispielsweise ein Blatt Papier im doppelten Abstand von einer Kerze entfernt wird, der Beleuchtungsgrad der Papieroberfläche abnimmt, und zwar nicht um die Hälfte, sondern um das Vierfache eine dreifache Distanz - um das Neunfache und so weiter. Dies ist das Gesetz, das zu Newtons Zeiten kurz das Gesetz der „quadratischen Proportion“ genannt wurde. Genauer gesagt: „Die Intensität des Lichts ist umgekehrt proportional zu den Quadraten der Entfernungen.“ Für einen Geist wie Newton war es ganz natürlich, dieses Gesetz auf die Gravitationstheorie anzuwenden. Nachdem er zu dem Schluss gekommen war, dass die Anziehungskraft des Mondes durch die Erde die Bewegung des Erdtrabanten bestimmt, kam Newton unweigerlich zu einer ähnlichen Hypothese bezüglich der Bewegung der Planeten um die Sonne. Aber sein Verstand begnügte sich nicht mit ungeprüften Hypothesen. Er begann zu rechnen, und es dauerte Jahrzehnte, bis aus seinen Annahmen das großartigste System des Universums wurde. Gleichzeitig hätte Newton seine brillante Idee nie entwickeln und beweisen können, wenn er nicht die mächtige mathematische Methode gemeistert hätte, die heute unter dem Namen Differential- und Integralrechnung bekannt ist. Gerechtigkeit muss den Beitrag von Robert Hooke zur Kenntnis nehmen. So korrigierte der scharfsinnige Hooke Newtons Schlussfolgerung und schrieb an letzteren, dass fallende Körper nicht genau nach Osten, sondern nach Südosten abweichen sollten. Er stimmte den Argumenten von Hooke zu, und die von letzterem durchgeführten Experimente bestätigten die Theorie vollständig. Hooke korrigierte einen weiteren Newton-Fehler. Isaac glaubte, dass ein fallender Körper aufgrund der Verbindung seiner Bewegung mit der Bewegung der Erde eine Schraubenlinie beschreiben würde. Hooke zeigte, dass eine Schraubenlinie nur unter Berücksichtigung des Luftwiderstands entsteht und dass die Bewegung im Vakuum elliptisch sein muss – es handelt sich also um eine echte Bewegung, also eine Bewegung, die wir beobachten könnten, wenn wir selbst nicht an der Bewegung teilnehmen würden . der Globus. Nachdem er Hookes Schlussfolgerungen überprüft hatte, war Newton überzeugt, dass ein Körper, der mit ausreichender Geschwindigkeit geworfen wird und gleichzeitig unter dem Einfluss der Erdanziehungskraft steht, tatsächlich eine elliptische Bahn beschreiben kann. Als er über dieses Thema nachdachte, entdeckte Newton den berühmten Satz, wonach ein Körper unter dem Einfluss einer Anziehungskraft, ähnlich der Schwerkraft, immer einen Kegelschnitt beschreibt, dh eine der Kurven, die man erhält, wenn man einen Kegel schneidet durch eine Ebene (Ellipse, Hyperbel, Parabel und in Sonderfällen Kreis und Gerade). Außerdem stellte Newton fest, dass das Anziehungszentrum, also der Punkt, an dem sich die Wirkung aller auf einen bewegten Punkt wirkenden Anziehungskräfte konzentriert, im Brennpunkt der beschriebenen Kurve liegt. Somit liegt der Mittelpunkt der Sonne (ungefähr) im allgemeinen Brennpunkt der von den Planeten beschriebenen Ellipsen. Solche Ergebnisse erzielt zu haben. Newton sah sofort, dass er theoretisch, also auf der Grundlage der Prinzipien der rationalen Mechanik, eines von Keplers Gesetzen hergeleitet hatte, das besagt, dass die Mittelpunkte der Planeten Ellipsen beschreiben und dass der Mittelpunkt der Sonne im Mittelpunkt ihrer Umlaufbahnen steht. Aber Newton war mit dieser grundlegenden Übereinstimmung zwischen Theorie und Beobachtung nicht zufrieden. Er wollte sehen, ob es mit Hilfe der Theorie möglich ist, die Elemente von Planetenbahnen tatsächlich zu berechnen, dh alle Details der Planetenbewegungen vorherzusagen? Anfangs hatte er kein Glück. John Conduitt schreibt darüber so: „1666 verließ er Cambridge erneut … um zu seiner Mutter in Lincolnshire zu gehen, und während er im Garten meditierte, kam ihm in den Sinn, dass die Schwerkraft (die einen Apfel dazu bringt, auf die Erde fallen) ist nicht auf eine bestimmte Entfernung von der Erde beschränkt, sondern dass die Kraft viel weiter reichen muss, als man gemeinhin denkt.Warum nicht bis zum Mond, sagte er sich, und wenn ja, sollte dieser seine Bewegung beeinflussen und vielleicht es im Orbit zu halten, woraufhin er beschloss, zu berechnen, was die Wirkung einer solchen Annahme sein könnte; aber da er zu dieser Zeit keine Bücher hatte, benutzte er den allgemein verwendeten Satz, der unter Geographen und unseren Seeleuten üblich war, bevor Norwood die Erde vermaß, der ist, dass in einem Breitengrad auf der Erdoberfläche 60 englische Meilen liegen. Die Berechnung stimmte nicht mit seiner Theorie überein und zwang ihn, sich mit der Annahme zu begnügen, dass es neben der Schwerkraft auch eine Beimischung geben müsse der Kraft, zu der und der Mond, wenn sie in ihrer Bewegung von einem Wirbelsturm transportiert würde ... " Das Studium der Gesetze der elliptischen Bewegung brachte Newtons Forschung erheblich voran. Aber solange die Berechnungen nicht mit den Beobachtungen übereinstimmten, muss Newton die Existenz einer Fehlerquelle oder Unvollständigkeit der Theorie vermutet haben, die sich ihm immer noch entzog. Erst 1682 konnte Newton die genaueren Meridiandaten des französischen Wissenschaftlers Picard verwenden. Da Newton die Länge des Meridians kannte, berechnete er den Durchmesser der Erdkugel und gab die neuen Daten sofort in seine vorherigen Berechnungen ein. Zu seiner größten Freude war der Wissenschaftler davon überzeugt, dass seine alten Ansichten vollständig bestätigt wurden. Es stellte sich heraus, dass die Kraft, die Körper auf die Erde fallen lässt, genau gleich der Kraft ist, die die Bewegung des Mondes steuert. Diese Schlussfolgerung war für Newton der höchste Triumph seines wissenschaftlichen Genies. Nun waren seine Worte völlig berechtigt: "Genie ist die Geduld des auf eine bestimmte Richtung konzentrierten Denkens." All seine tiefen Hypothesen, langfristigen Berechnungen erwiesen sich als richtig. Jetzt war er endgültig von der Möglichkeit überzeugt, ein ganzes System des Universums zu erschaffen, das auf einem einfachen und großartigen Prinzip basiert. All die kompliziertesten Bewegungen des Mondes, der Planeten und sogar Kometen, die den Himmel durchstreifen, wurden ihm klar. Es wurde möglich, die Bewegungen aller Körper des Sonnensystems und vielleicht der Sonne selbst und sogar von Sternen und Sternensystemen wissenschaftlich vorherzusagen. Ende 1683 teilte Newton der Royal Society schließlich die Hauptprinzipien seines Systems in Form einer Reihe von Sätzen über die Bewegung der Planeten mit. Die Theorie war jedoch zu brillant, als dass es Neider geben könnte, die versuchten, sich zumindest einen Teil des Ruhms dieser Entdeckung zuzuschreiben. Zweifellos kamen einige der damaligen britischen Wissenschaftler Newtons Entdeckungen ziemlich nahe, aber die Schwierigkeit der Frage zu verstehen, bedeutet nicht, sie zu lösen. Der berühmte Architekt und Mathematiker Christopher Wren versuchte, die Bewegung der Planeten durch "den Fall von Körpern auf die Sonne, verbunden mit der ursprünglichen Bewegung" zu erklären. Der Astronom Halley nahm an, dass die Keplerschen Gesetze durch die Wirkung einer Kraft erklärt werden könnten, die umgekehrt proportional zu den Quadraten der Entfernungen ist, aber er konnte dies nicht beweisen. Hooke versicherte den Mitgliedern der Royal Society, dass ihnen alle in den Elementen enthaltenen Ideen bereits hundertmal vorgeschlagen worden seien; diejenigen, die nicht vorher von ihm erklärt wurden, sind falsch. Huygens lehnte die Idee der gegenseitigen Gravitation von Partikeln vollständig und kategorisch ab und erlaubte das Vorhandensein von Gravitation nur innerhalb von Körpern. Leibniz beharrten weiterhin darauf, dass die Bewegung der Planeten nur durch eine ätherische wirbelnde Flüssigkeit erklärt werden könne, die die Planeten aus ihrer geradlinigen Bahn reißt Bernoulli und Cassini sprachen ebenfalls hartnäckig über Wirbel. Der Lärm ließ jedoch allmählich nach, und der Ruhm der Entdeckung der universellen Gravitation ging zu Recht an Isaac Newton. Autor: Samin D. K.
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