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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