Paul M. Sutter ist Astrophysiker an der SUNY Stony Brook und dem Flatiron Institute, Moderator von Ask a Spaceman und Space Radio und Autor von How to Die in Space.

Es gibt einen Grund – eigentlich mehrere – warum Sir Isaac Newton oft als der Wissenschaftler Nr. 1 aller Zeiten angesehen wird. Und während wir alle gezwungen sind, in der Schule etwas über seine Bewegungsgesetze und Konzepte der Schwerkraft zu lernen, bekommen wir nur selten einen Einblick, warum sein bahnbrechendes Werk „Philosophiae Naturalis Principia Mathematica“ (oder, auf Englisch, „Mathematical Principles of Natural Philosophy“) so verdammt wichtig ist. Tauchen wir also ein wenig in die Gedankenwelt eines Genies ein:

Stay put

Philosophen haben zu allen Zeiten nach grundlegenden Gesetzen gesucht, nach einfachen Regeln des Universums, die die große und wilde Vielfalt der Phänomene, die wir in der Welt um uns herum sehen, erklären könnten. Sie haben einige Jahrtausende lang an dieser Aufgabe gearbeitet und sind dabei weitgehend gescheitert, bis Newton im späten 16. Jahrhundert auftauchte und ihnen zeigte, wie es geht.

In „Principia“ stellte Newton drei einfache Regeln des Universums auf. Auf den ersten Blick, über dreihundert Jahre später, scheinen sie einfach, intuitiv und offensichtlich zu sein, aber das liegt nur daran, dass wir über dreihundert Jahre Zeit hatten, sie zu verinnerlichen. Damals waren sie eine völlige Umwälzung des Denkens.

Video: Newtons drei Bewegungsgesetze erklärt
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Sein erstes Gesetz besagt, dass ruhende Objekte dazu neigen, in Ruhe zu bleiben, und bewegte Objekte dazu, in Bewegung zu bleiben. Mit anderen Worten, es gibt etwas, das man „Trägheit“ nennt und das ein Maß für den Widerstand eines Objekts gegen Bewegung ist.

Diese Idee war … neu. Zuvor dachten die meisten Denker, dass einzelne Objekte eine natürliche Neigung haben, sich entweder zu bewegen oder nicht zu bewegen (z. B. um zu erklären, warum der Wind dazu neigt, zu wehen, während Felsen lieber an Ort und Stelle bleiben). Ebenso zogen es einige Objekte vor zu schweben (wie Wolken), während andere dies nicht taten (wie Menschen). Doch Newton stellte dies auf den Kopf: Alle Objekte hatten einen angeborenen Widerstand gegen eine neue Bewegung, und es bedurfte einer Kraft, um sie dazu zu bringen, sich zu verändern.

Ein kleiner Schubs

Apropos Kräfte, das war Newtons zweites Gesetz: Kräfte, die auf ein Objekt ausgeübt werden, bewirken eine Beschleunigung, wobei der Betrag der Beschleunigung von der Masse des Objekts abhängt. Auch dies widersprach der vorherrschenden Meinung, wonach Kräfte, die auf ein Objekt einwirken, dessen Geschwindigkeit bestimmen. Das ist zwar teilweise richtig, denn die Beschleunigung ist eine Änderung der Geschwindigkeit, aber es geht am größeren Bild vorbei, das Newton anstrebte. Ein Objekt, das einmal auf eine bestimmte Geschwindigkeit beschleunigt wurde, behält diese Geschwindigkeit bei, bis eine neue Kraft einwirkt, um es zu beschleunigen oder zu verlangsamen.

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Newtons zweites Gesetz ist in Wirklichkeit das Gesetz der Impulserhaltung in einer anderen Form. Objekte behalten ihren Impuls bei, bis eine Kraft auf sie einwirkt, und diese Kraft verändert ihren Impuls. Alle Wechselwirkungen zwischen Objekten (z.B. Kollisionen, Stöße, Schläge, Zusammenstöße usw.) erhalten die Gesamtmenge des Impulses zwischen ihnen.

Wenn Sie die Impulserhaltung noch nie kennengelernt haben, sollten Sie wissen, dass dieses Konzept ein Eckpfeiler jedes einzelnen Zweigs der Physik ist. Wirklich alle: Allgemeine und spezielle Relativitätstheorie, Quantenmechanik, Thermodynamik, Teilchenphysik und so weiter. Sie alle beruhen auf der Impulserhaltung und stützen sich auf diese. Die gesamte moderne Physik läuft auf den tiefsten Ebenen darauf hinaus, die Impulserhaltung in verschiedenen Szenarien auszudrücken.

Von den Elektronen in einem Atom bis zur Ausdehnung des Universums ist alles mit demselben Konzept verbunden, das seine Wurzeln in Newtons zweitem Gesetz hat.

Gleich und entgegengesetzt

Newtons letztes Gesetz, das besagt, dass jeder Kraft eine gleich große und entgegengesetzte Kraft gegenübersteht, erscheint wie eine kleine Ergänzung. Aber auch das war eine große Revolution im Denken.

Wenn du auf etwas drückst, übst du eine Kraft auf es aus und beschleunigst es. Kinderleicht, oder? Aber wusstest du, dass das Objekt gleichzeitig auf dich zurückstößt?

Wie kann das sein, wenn du dich nicht bewegst und das Objekt schon?

Der Schlüssel ist, dass die Kräfte zwar gleich sind, die Beschleunigungen aber nicht. Wenn du massiver bist als ein Fußball, dann ist deine Beschleunigung gering, wenn du ihn trittst, während der Fußball fliegt. Aber diese Kraft, die auf dich zurückwirkt, ist es, die dir das Gefühl von Widerstand gibt. Ein anderes Beispiel: Wenn du auf einem Stuhl sitzt, übst du eine Kraft auf ihn aus, aber der Stuhl übt auch eine Kraft auf dich aus – das ist es, was du spürst, wie es dich nach oben drückt.

Diese letzte Erkenntnis hat Newton den gesamten Kosmos erschlossen. Als er beobachtete, wie ein Apfel vom Baum fiel, erkannte er, dass, da die Erde eine Kraft auf den Apfel ausübt, auch der Apfel eine Kraft auf die Erde ausüben muss. Aber wir sehen nicht, wie sich die Erde bewegt, weil sie so massiv ist.

Video: Universelle Gravitation erklärt im Grunde alles

Mit dieser Argumentation konnte Newton darlegen, dass die Gravitationskraft nicht nur in der Nähe der Erdoberfläche spürbar ist, sondern dass sie wirklich universell ist: Alle Objekte im Kosmos sind durch unsichtbare Gravitationsketten mit allen anderen Objekten verbunden. Mit dieser Einsicht und seinen neu gefundenen Gesetzen konnte Newton alles erklären, von den Umlaufbahnen der Planeten bis zu den Zyklen der Gezeiten.

Das ist die Kraft, die man erhält, wenn man die grundlegenden Naturgesetze richtig versteht, Gesetze, die über 200 Jahre lang (bis zur Entwicklung der Relativitätstheorie und der Quantenmechanik) das einzige Paradigma waren und weiterhin eine zentrale Rolle in unserem Alltag spielen.

Erfahren Sie mehr, indem Sie sich die Episode „Was war Newtons große Sache?“ im Podcast „Ask A Spaceman“ anhören, der auf iTunes und im Internet unter http://www.askaspaceman.com verfügbar ist. Vielen Dank an Chris C. für die Fragen, die zu diesem Beitrag geführt haben! Stellen Sie Ihre eigene Frage auf Twitter unter #AskASpaceman oder folgen Sie Paul @PaulMattSutter und facebook.com/PaulMattSutter.