Wurde Newton jemals von einem Apfel am Kopf getroffen?

Vor dem 17. Jahrhundert war die vorherrschende Ansicht in Europa, dass sich alle Himmelskörper um die Erde drehen. Nach Kopernikus und Galilei änderten fast alle Astronomen ihre Meinung: Der Mond dreht sich um die Erde und die Planeten um die Sonne.

Doch die ursprüngliche Frage ist noch immer nicht geklärt: Welcher dreht sich um die Erde oder um die Sonne? Die populäre modifizierte geozentrische Theorie besagt, dass sich die Planeten um die Sonne drehen, während sich die Sonne um die Erde dreht.

Astronomische Beobachtungen konnten dieses Problem damals nicht lösen, da Bewegung selbst relativ ist. Wenn wir nur das Innere des Sonnensystems betrachten, sind die Bewegungen völlig gleichwertig, unabhängig davon, ob sich die Erde um die Sonne oder die Sonne um die Erde dreht, und wir müssen lediglich eine Koordinatensystemtransformation durchführen.

Wenn das gesamte Universum in Betracht gezogen wird, gibt es einen Unterschied zwischen beiden: Wenn sich die Erde bewegt, dann sollte der sichtbare Sternenhimmel etwas anders sein, wenn sich die Erde in unterschiedlichen Positionen befindet. Dies ist die sogenannte „Parallaxe“. Wenn sich die Sonne bewegen würde, gäbe es keinen Unterschied. Bei astronomischen Beobachtungen konnte zu dieser Zeit keine Parallaxe festgestellt werden, was die Annahme zu stützen schien, dass sich die Sonne bewegt. Die Anhänger der Theorie, dass sich die Erde bewegt, glauben, dass dies daran liegt, dass die Sterne so weit entfernt sind, dass die Parallaxe zu klein ist, um beobachtet zu werden. Obwohl diese Aussage möglich ist, gibt es letztlich keine Beweise dafür.

Und wenn die Sterne wirklich so weit entfernt waren, bedeutete das, dass einige von ihnen sehr groß sein mussten. Damals schätzte man, dass der Radius einiger Sterne größer war als die Entfernung zwischen Erde und Sonne. Heute wissen wir, dass dies möglich ist, aber die Astronomen des 17. Jahrhunderts hielten es für lächerlich.

Diese grundsätzliche Meinungsverschiedenheit darüber, was sich bewegt, die Sonne oder die Erde, konnte im 17. Jahrhundert durch Beobachtungen nicht gelöst werden, aber es gibt neben der Beobachtung noch andere Möglichkeiten. So lässt sich beispielsweise der zugrundeliegende Mechanismus erforschen: Warum drehen sich Himmelskörper umeinander?

Die alten Griechen glaubten, dass die Kreisbewegung das Naturgesetz der Himmelskörper sei und es dafür keinen Grund gäbe. Die Fortschritte der modernen Physik haben diese Ansicht widerlegt, insbesondere das erste der drei Newtonschen Gesetze, das besagt, dass sich Objekte ohne äußere Kräfte in einer gleichmäßigen geraden Linie bewegen sollten. Mit anderen Worten: Auf einen Himmelskörper in Kreisbewegung muss eine Kraft einwirken.

Was ist das für eine Kraft? Newton glaubte, dass es sich um die universelle Gravitation zwischen Objekten handelte.

Es gibt eine berühmte Geschichte, wonach Newton in jungen Jahren die Schwerkraft entdeckte, weil er von einem Apfel am Kopf getroffen wurde und sich fragte, warum dieser herunterfiel, anstatt in den Himmel zu fliegen. Diese Geschichte enthält viele Ungenauigkeiten. Beispielsweise wurde es erstmals von Newton in seinen späteren Jahren erzählt. Historiker vermuten, dass dies möglicherweise überhaupt nicht geschah und ihm lediglich Priorität eingeräumt wurde. Ein weiteres Beispiel: In der Originalgeschichte sah Newton den Apfel nur fallen und wurde nicht am Kopf getroffen. Obwohl ein Apfel, der auf den Kopf trifft, nicht so schmerzhaft ist wie eine Durian, ist es dennoch ziemlich schmerzhaft. Das Wichtigste jedoch ist, dass Physiker bereits zuvor versucht haben zu erklären, warum der Apfel heruntergefallen ist. Newtons Durchbruch kam nicht dadurch zustande, dass er über den Fall eines Apfels nachdachte, sondern durch die Erkenntnis, dass Äpfel und der Mond denselben physikalischen Gesetzen gehorchen.

Warum fällt der Mond nicht auf die Erde? Newton sagte, wenn man sich vorstelle, eine Kanone würde eine Kanonenkugel mit zunehmender Geschwindigkeit abfeuern, würde die Kanonenkugel immer weiter entfernt landen. Was wird passieren, wenn wir immer weiter gehen? Die Erde ist rund und die Entfernung um den Kreis ist begrenzt. Daher wird die Kanonenkugel unweigerlich ein-, zwei-, drei- oder sogar noch öfter die Erde umkreisen, bevor sie herunterfällt und schließlich in eine stabile Kreisbewegung um die Erde übergeht. Man kann sich vorstellen, dass die Granaten zwar auf die Erde fallen, die Erdoberfläche aber aufgrund ihrer Rundheit ebenfalls absinkt und sich beides gegenseitig aufhebt.

Diese Idee war möglicherweise nicht die erste, die Newton kam. Hooke, ein anderer Physiker dieser Zeit, glaubte ebenfalls, dass die Anziehung zwischen Himmelskörpern die treibende Kraft hinter ihrer Bewegung sei, und die beiden stritten jahrelang über die Priorität. Hooke konnte jedoch nur Kreisbewegungen berechnen, nicht aber elliptische Bewegungen. Zu dieser Zeit war in der astronomischen Gemeinschaft allgemein anerkannt, dass die Umlaufbahnen der Planeten elliptisch seien. Es war Newton, der mathematisch bewies, dass die Schwerkraft tatsächlich zu den von uns beobachteten elliptischen Umlaufbahnen führen kann.

Nachdem die Energiequelle für die Bewegung der Himmelskörper ermittelt worden war, wurde die Debatte zwischen Heliozentrismus und Geozentrismus auf natürliche Weise gelöst. Die Kräfte wirken gegenseitig, wobei Sonne und Erde eine gleiche Gravitationskraft aufeinander ausüben. Das zweite Newtonsche Gesetz besagt jedoch, dass bei gleicher Krafteinwirkung die Beschleunigung umso geringer ist, je größer die Masse ist. Die Sonne ist so massereich, dass sie in ihrem Zentrum nahezu bewegungslos sein sollte. Die Erde ist im Vergleich dazu klein, also müsste sie außen umkreisen. Dieses Argument verurteilte die modifizierte geozentrische Theorie im Grunde zum Scheitern, und spätere Fortschritte in der Astronomie enthüllten die Existenz der Parallaxe, was der geozentrischen Theorie endgültig den Garaus machte.

Beobachtung ist der Ausgangspunkt aller Wissenschaft, doch viele Probleme lassen sich nicht allein durch Beobachtung lösen. Um den Ursprung der Welt zu erforschen, müssen wir uns mit der Erklärung der zugrunde liegenden Mechanismen befassen. Tatsächlich haben viele alte Wissenssysteme eine Fülle von Beobachtungen angesammelt. Der Unterschied zwischen ihnen und der Wissenschaft besteht darin, ob sie die Mechanismen hinter den beobachteten Phänomenen richtig erforschen können.