Gravitation – Urkraft des Universums
„Alles ist Geometrie“
Max Camenzind Akademie HD
September 2016
Motivation zu diesem Zyklus:
100 Jahre Einstein-Gravitation
Die Doku zu den Vorträgen: Ca. 230 S. A4 sw gebunden Nur im Eigen- verlag erhältlich
Video: Urkraft des Universums
Im Zusammenhang mit dem Problem der Bewegung von Körpern betrachtete der griechische Philosoph Aristoteles im 4. Jahrhundert v. Chr. Körper in einem Medium wie Wasser: Schwere Körper bewegen sich wegen „ihrer Schwere“ nach unten,
leichte wegen „ihrer Leichtigkeit“ nach oben („schwer“ und „leicht“ bedeuten hier: größeres bzw. kleineres spezifisches Gewicht als Wasser), und dies offenbar mit konstanter Geschwindigkeit.
Im gleichen Medium sinken daher schwerere Körper schneller zu Boden als weniger schwere, und in verschiedenen Medien ist die Geschwindigkeit umgekehrt proportional zum Widerstand des Mediums. In einem leeren Raum ohne Medium müsste die Sinkgeschwindigkeit dann unendlich groß sein, also könne es so ein „Vakuum“ nicht geben. Diese Auffassungen wurden von den spätantiken, arabischen und scholastischen Gelehrten auf Bewegungen aller Art ausgedehnt, obwohl sie nicht den Erfahrungen beim Werfen und Fallen in Luft entsprechen und daher als allgemeine Eigenschaft des freien Falles auch bezweifelt wurden.
Aristoteles führt das Abendland in die Irre
Aristoteles (384-322 v.Chr.) setzte aufs falsche Weltbild
Aristoteles
Alles fällt
zum
Zentrum
der Erde
Also ist die
Erde das
Zentrum
des Kosmos !
• Doch warum fallen Steine zur Erde, während
eine Flamme in die Höhe lodert? Warum stehen
der Mond und die Sonne am Himmel und stürzen
nicht auf die Erde herab? Diese Fragen beantworte
Aristoteles mit seiner Lehre von den vier (oder
fünf, unter Hinzurechnung des Äther)
Elementen: Ihre gesonderten Eigenschaften
bestehen vor allem in ihrem unterschiedlichen
gravitativen Verhalten. Zwei davon, Wasser und
Erde, sind schwer, sie fallen herab. Die beiden
anderen, Luft und Feuer, sind leicht, sie steigen
auf, bewegen sich vom Weltmittelpunkt weg.
Zuletzt geht es dabei also um die Gravitation.
Galileo Galilei experimentiert um 1610 zum ersten Mal mit Gravitation. Er fand: Parabelwurf setzt sich aus
2 Bewegungen zusammen: Die Herleitung der
Wurfparabel gelang Galilei in seinen berühmten Discorsi (1638).
Diese Untersuchungen ergaben, dass die Bewegung im freien Fall gleichmäßig beschleunigt ist und darüber hinaus unabhängig von Material, Masse und Form des Körpers. Letzteres ist Inhalt des schwachen Äquivalenzprinzips.
Galileo Galilei
Schwaches Äquivalenzprinzip
“Träge und schwere Masse sind gleich”
alle Körper fallen unabhängig von ihren anderen
Eigenschaften, wie chemische
Zusammensetzung, Größe, Form und Masse im
Vakuum
Masse fällt aus Bewegungsgleichung heraus
Rein geometrische Gleichung
Wurde bereits von Newton 1687 formuliert
Isaac Newton entwickelte 1687 die erste Theorie der Gravitation: Gravitation ist universell, Hier auf Erden, wie im Sonnensystem.
Albert Einstein überholte 1915 Newton`s Theorie der Gravitation: Gravitation ist Geometrie, Raum und Zeit bilden eine Einheit, Raum wird durch Materie gekrümmt.
DerApfel und Newton: Der Apfel traf sein geniales Haupt - und brachte ihn auf die Idee mit dem Gravitationsgesetz. Jedes Schulkind lernt diese berühmte Anekdote über den Physiker Isaac Newton. Sie geht zurück auf eine 250 Jahre alte Biografie Memoirs of Sir Isaac Newtons Life des Forschers.
Änderungen des Gravitationsfeldes mit c
Information wird durch Wellen transportiert
• Die Physik des Aristoteles: Erde ist Zentrum. • 2. Jh.: Himmelsmechanik von Ptolemäus geozentrisch – rein geometrisch, keine Kraft.
• 1543: Kopernikanische Revolution • 1609: Kepler ersetzt Kreise durch Ellipsen. • 1635: Galilei Relativität. • 1687: Newton erklärt Kepler – 3 Axiome
Newtons + Gravitationskraft. • 1905: SRT - Ätherwind, Maxwell und Einstein. • 1915: Einstein Raum und Zeit bilden eine
Einheit – Gravitation ist Geometrie. • 1916: Es gibt Gravitationswellen, prop. mit c. • 2016 zum ersten Mal mit AdvLIGO gemessen.
Zeitgeschichte zur Gravitation
…“das ist die natürliche Bewegung der Erde ….ist in Richtung des
Zentrums des Universums; deshalb muss die Erde das Zentrum sein.”
Aristoteles, “De Caelo”
Geozentrisches Weltbild
Claudius Ptolemäus, 100 - 170 AD 6 Planeten
Fixstern-
Sphäre
ist noch
heute in
Gebrauch
Geozentrisches Weltbild – Kristallsphären Die Erde steht still und das Universum rotiert
Mond Erde Venus Sonne Mars Jupiter Saturn
Kepler und Galilei um 1610
Johannes Kepler (1571 - 1630) Galileo Galilei (1564 - 1642)
Galileo Galilei – der Experimentator
Erforschte Natur mittels
Experimenten (Fallgesetze) und
nicht durch Studium der
Schriften des Aristoteles.
Wesentliche Publikationen:
• Sidereus Nuntius (1610)
• Dialog über die zwei
Weltsysteme (1632).
Aufgrund dieser Diskussion
“Kopernikus vs Ptolemäus”
Bann durch die Kirche (1633).
(1564–1642)
Als Galilei seine Kugeln
die schiefe Ebene
herunterrollen ließ
So ging allen Naturforschern
ein Licht auf:
Die Natur, das Experiment
ist der Richter über seine
Entwürfe der Vernunft Immanuel Kant
Sidereus Nuntius (1610) Dialogo (1632)
* 27. Dez. 1571
Weil der Stadt
1594-1600: Lehrer für Astronomie & Mathematik
an der Protestantischen Schule in Graz
1600: Trifft Tycho Brahe;
1601: Kaiserlicher
Hof-Mathematiker
in Prag
Kepler publiziert Tycho Brahes Daten 1627 in den „Rudolphinischen Tafeln“
Die 3 Keplerschen Gesetze der Planetenbewegung 1609
hergeleitet von Newton 1687 Keplers Universum war jedoch mystisch
Kepler’s Revision 1609 Planeten bewegen sich auf Ellipsen;
Sie bewegen sich im Perihel F schneller
Keplersche Gesetze im Sonnen-System
Johannes Kepler (1571-1601) erbte die
Beobachtungen von Tycho Brahe (1546-1601)
über die Planetenbahnen um die Sonne.
Daraus folgerte er die Keplerschen Gesetze:
1. Jeder Planet läuft auf einer elliptischen Bahn
mit der Sonne im Brennpunkt der Ellipse.
2. In gleichenZeitintervallen überstreicht der Radius
gleiche Flächen V unterschiedlich!
2 33. P a
Isaac Newton (1686) leitete Kepler Gesetze her.
(Yerkes Obs.)
Kepler
Newton
P1²/P2² = a1³/a2³ P: Umlaufzeit
Kepler 3 P1² / P2² = a1³ / a2³
4 innere Planeten
4 äußere Planeten
(P/Jahren)² = (a/AE)³
Isaac Newton
Gravitation 1687 Alle Körper ziehen sich an
Sonnensystem Newton erklärt die Ordnung im Sonnensystem
Newton ist Einstein des 17. Jh. Isaac Newton vereint 1687 alle Daten und
Vorstellungen / erfindet auch Spiegelteleskop
Isaac Newton
brachte die damals
bekannte Physik
in ein System von Gleichungen,
aus denen sich alle Einzelphänomene
(deduktiv) ableiten ließen.
• Newtons Welt ist eine Welt der Kräfte. Kräfte sind das dynamische Element im Universum, für jegliche Veränderung in der Welt ist eine Kraft sowohl verantwortlich als auch nötig. Für alle diese Kräfte gilt das Grundpostulat: Kraft ist Masse mal Beschleunigung. Angewendet auf die Gravitation sollte auch sie eine Kraft von dieser Art sein. Damit war die "Schwerkraft" geboren.
Newtons Welt
Isaac Newton
1687
Messung
der
Gravitations-
konstanten G mittels
Torsionswaage
Cavendish Experiment 1798
Gravitationskonstante G = 6,67 x 10-11 m³/kg/s²
Wie bestimme ich die Erd-Masse?
Schwaches
Äquivalenz-
Prinzip
Test
Torsionswaage
a: Beschleunigung
= (a1 – a2)
/(a1 + a2)
Zukunft 10-16
Vergleich der Kräfte um 1900
James Clerk
Maxwell
formuliert
1861-1865 die
Gesetze der
Elektrodynamik
sog.
Maxwell-
Gleichungen
Mag
netf
eld
er
ein
es
Rin
gs
tro
me
s
Elektromagnetische Wellen
breiten sich mit Lichtgeschw. aus
Maxwell-Gleichungen sind nicht Galilei-invariant!
Lichtgeschwindigkeit hängt vom Bezugssystem ab!
Maxwell-Gleichungen sind Lorentz-invariant (1886)
Elektromagnetische Wellen
existieren im Kosmos
Radiowellen - Gammastrahlen
4 Grundkräfte
im Universum stark
schwach
Sta
nd
ard
mo
de
ll d
er
Teilch
en
ph
ysik
2012
is
t u
nv
oll
stä
nd
ig
Was ist Teilchen? Wellenpakete
• Der Kraftbegriff fehlte lange Zeit in der Beschreibung der Dynamik von Körpern.
• Erst Galilei kam diesem Begriff langsam auf die Spur, konnte aber das g nicht erklären.
• Eine konsistente Formulierung gelang aber erst Isaac Newton Himmel und Erde vereinigt.
• Heute sind 4 fundamentale Kräfte bekannt, wovon Gravitation bei weitem die schwächste ist, die Kernkraft die stärkste.
• Am Ende des 19. Jh. zeigten sich mehrere Ungereimtheiten in der Beschreibung der Kräfte mehr dazu am 19. Oktober, zur gleichen Zeit.
Zusammenfassung
Nächster Vortrag:
Mittwoch,
19. Oktober