zum Inhalt.
zur Hauptnavigation.

Inhalt

Hintergrund: Newton und die Gravitation

Die Entdeckung der Gravitation

  • Das Porträt zeigt Newton mit langer Lockenperücke. Isaac Newton entdeckte die Gravitation 1665; Rechte: WDR
  • Äpfel hängen an einem Zweig, vor dem Hintergrund einer Kapelle. Alles fing mit einem Apfel an; Rechte: dpa

Im Jahr 1665 wütet in England die Pest. Die Universität Cambridge schließt ihre Türen. Der Mathematikstudent Isaac Newton flieht aufs Land, in sein Heimatdorf Woolsthorpe. Während die Seuche Zehntausende dahinrafft, entdeckt der 23-jährige eine universelle Kraft: die Gravitation.

Man erzählt, Newton habe zur Mittagszeit unter einem Apfelbaum geruht. Da sei ihm ein Apfel mitten auf den Kopf gefallen. Newton grübelt: Der Apfel fällt zu Boden, weil die Erde ihn anzieht. Wie weit reicht diese Anziehungskraft? Bis zum Mond? Newton rechnet. Ein Rätsel der Astronomie treibt ihn um: Vielleicht ist es ja die irdische Schwerkraft, die den Mond auf seiner Umlaufbahn hält. Dazu müsste diese Kraft nur genauso groß sein, wie die entgegengesetzt wirkende Fliehkraft. Seine Berechnungen bestätigen bald den Verdacht.

Newton verschweigt seine Entdeckung

1667 kehrt Newton an die Universität zurück. Dort schweigt er jedoch. Der Beweis, dass die Schwerkraft alle Himmelskörper lenkt, ist noch nicht vollendet. Erst 1684, als er bereits Professor für Mathematik ist, zeigt er seine Analysen dem Astronomen Edmont Halley. Dieser drängt auf Veröffentlichung. Newton verfasst "Die Mathematischen Prinzipien der Naturphilosophie".

Mit der Gravitation hat Newton eine Kraft entdeckt, die auf der Erde wie im Weltall wirkt. Newton erklärt mit der Gravitationskraft Galileis Experimente zum freien Fall und beweist Keplers Gesetze zur Planetenbewegung. Die Wirkung der Schwerkraft kann Newton mathematisch beschreiben. Ihr Ursprung bleibt jedoch rätselhaft.

Gravitation auf der Erde

  • Das Bild zeigt die Erdkugel aus dem Weltall betrachtet. Die Masse der Erde beschleunigt Körper im freien Fall; Rechte: dpa
  • Eine weiße Feder fällt vor schwarzem Hintergrund. Im Vakuum fällt eine Feder so schnell wie ein Stein; Rechte: mauritius

Isaac Newton erklärt mit seiner Gravitation die Gesetze des freien Falls. Der berühmte Astronom Galileo Galilei hat um 1590 in Pisa die Bewegung fallender Körper untersucht. Newton kennt die Experimente. Er weiß, dass ein Körper im freien Fall konstant Richtung Erde beschleunigt wird. Dabei spielt sein Gewicht keine Rolle.

Newton überlegt: Jede Beschleunigung braucht eine Kraft, hier die Erdanziehungskraft. Newton nennt diese Kraft "Schwerkraft" oder "Gravitation". Nicht nur die Erde besitze diese Kraft, so Newton. Er behauptet: Jede Masse besitzt Schwerkraft. Jedes winzige Atom übt diese Kraft aus und zieht damit jedes andere Atom an. Die Größe der Schwerkraft ist abhängig von der Masse. Atome und Alltagsobjekte besitzen zu wenig Masse, als dass wir ihre Anziehungskraft bemerken. Erst bei kosmischen Objekten wie der Erde ist die Schwerkraft zu spüren.

Schwere Körper brauchen mehr Kraft zum Fallen

Newton erklärt auch, warum alle Körper gleich schnell fallen. So ist zwar die irdische Anziehungskraft bei schweren Körpern größer als bei leichten, gleichzeitig benötigt man aber auch mehr Kraft, um sie zu bewegen. Diese Effekte heben sich auf, so dass alle Körper gleich schnell zu Boden fallen. Fällt im Alltag die Feder langsamer als der Stein, so ist daran der Luftwiderstand schuld.

Newton erklärt Galileis Fallexperimente durch eine Kraft, die universell wirkt. Die im Alltag beobachtete Schwerkraft der Erde ist nur ein Spezialfall der Gravitation, die überall im Universum wirkt.

Gravitation im Himmel

  • Die Grafik zeigt Gestirne im Weltraum. Die Gravitation lenkt alle Himmelskörper auf ihren Bahnen; Rechte: mauritius
  • Tafelbild mit Kurven und Formeln. Das Tafelbild zeigt Newtons Gravitationsgesetz; Rechte: WDR/Eva Prost

Als Newtons Gedanken vom Apfel zum Mond schweifen, will der Wissenschaftler die Bewegung der Himmelskörper erklären. Er kennt die Gesetze der Planetenbahnen. Bereits 1609 hat Johannes Kepler entdeckt, dass Planeten auf Ellipsen um die Sonne kreisen. Nahe der Sonne bewegen sie sich dabei schneller als weit davon entfernt. Kepler konnte aus der Umlaufzeit eines Planeten dessen mittleren Abstand zur Sonne berechnen. Die Ursache für die Planetenbewegung fand er jedoch nicht.

Newton will beweisen, dass die Gravitation Keplers Gesetze erklärt. Seine Idee: Einmal angestoßen, bewegen sich die Planeten ungebremst weiter. Ohne Gravitation würden sie dabei geradeaus an der Sonne vorbeifliegen. Die Sonne aber zieht die Planeten an, wie die Erde den Apfel. Dabei wird die Planetenbahn zur Kurve. Wie uns vom Auto fahren bekannt, wirkt in einer Kurve eine Fliehkraft nach außen. Diese hebt die Gravitationskraft auf, so dass der Planet nicht auf die Sonne stürzt.

Das Gravitationsgesetz sagt Planetenbahnen voraus

Der Beweis dieser Idee ist mathematische Knobelei. Man ahnt, dass die Gravitationskraft der Sonne mit zunehmendem Abstand nachlässt. Doch nach welcher Formel? Newton rätselt, findet die Formel und nennt sie "Gravitationsgesetz". Es sagt die elliptischen Bahnen der Planeten ebenso vorher wie ihre schwankende Geschwindigkeit. Das Geheimnis der Formel ist, dass die Gravitation quadratisch abnimmt, bei doppeltem Abstand also auf ein Viertel schrumpft.

Obwohl Newtons Formel die Planetenbewegung vorhersagt, bleibt die Kraft ein Rätsel. Es gibt sie – aber wieso?

Das rätselhafte Wesen der Gravitation

  • Das Bild des Malers Michelangelo zeigt Gott bei der Erschaffung der Welt. Newton glaubte an eine göttliche Kraft; Rechte: AKG
  • Im dunklen Weltraum leuchten Sterne unterschiedlich hell. Die Gravitation wirkt als Kraftfeld auch im Weltraum; Rechte: mauritius

Newton genügt zunächst, dass die Schwerkraft mathematisch beschreibbar ist. Ihre Ursache müsse man nicht erforschen. Seine Zeitgenossen sind gespalten. Das mathematische Gravitationsgesetz verheißt einen Fortschritt in die Moderne. Eine Kraft, deren Ursache unklar ist, erscheint als Rückfall ins Mittelalter.

Irgendwie beschäftigt Newton das Wesen der Gravitation doch: Wie entsteht die Schwerkraft? Wie wirkt sie durch die Leere? Die Physik versagt, Newton wendet sich der Religion zu. Eine göttliche Kraft könne den Dingen Schwerkraft einhauchen, schreibt er in einem Brief. Die Vorstellung, Gravitation könne durch leeren Raum wirken, hält er für absurd. Er glaubt an ein Medium, sei es materiell oder immateriell. Das Wesen der Schwerkraft gilt Newtons Zeitgenossen deshalb nicht selten als Gottesbeweis.

Die Gravitation ist eine fundamentale Kraft

Noch heute rätselt man, wie die Schwerkraft entsteht. Physiker beschreiben sie als eine von vier fundamentalen Kräften, die auf keine anderen bekannten Kräfte zurückzuführen sind. Neben der Gravitation sind dies die elektromagnetische Kraft sowie die starken und schwachen Wechselwirkungen zwischen den Teilchen eines Atoms. Die Ausbreitung wird mit der Feldtheorie beschrieben. Die Gravitation ist demnach ein Kraftfeld, ähnlich einem Magnetfeld, das auch durch Vakuum hindurchwirken kann.

Newtons Analysen der Schwerkraft läuten ein neues Kapitel der Physik ein. Mit mathematischen Wirkungsgesetzen ist es nun möglich, Phänomene zu untersuchen, deren Wesen man nicht versteht.

Weitere Informationen zur Sendung