52° 12′ 26.22″ N, 0° 7′ 3.98″ E
Sir Isaac Newton, wohl einer der größten Wissenschaftler aller Zeiten, lebte und arbeitete den Großteil seines Lebens am Trinity College der Universität Cambridge. Direkt vor Newtons alten Räumen steht ein Apfelbaum, der ein direkter Ableger eines Baums in Newtons Domizil in Woolsthorpe, Lincolnshire, sein soll: Es ist der Baum, der Newtons Theorie der Gravitation inspiriert haben soll (Abbildung 69.1).
Abbildung 69.1 Newtons Apfelbaum am Trinity College, Cambridge; zur Verfügung gestellt von Fred Parkins
Newton ist nicht der einzige berühmte Zögling des Trinity Colleges. Trinity war die einstige Heimat von Lord Rayleigh, J. J. Thomson, Ernest Rutherford, Niels Bohr, Sir William Henry Bragg und 21 weiteren Nobelpreis-Gewinnern. Newton war Inhaber des Lukasischen Lehrstuhls für Mathematik der Universität Cambridge (ein Posten, den momentan Stephen Hawking innehat und vor ihm unter anderem Charles Babbage und Paul Dirac).
Newtons großer Beitrag, der 1687 in seiner Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica veröffentlicht wurde, ist das Gravitationsgesetz und die drei Grundgesetze der Bewegung. Sie zeigten, dass Keplers Gesetze über die Bewegung der Planeten – dass die Erde sich um die Sonne dreht – richtig waren, und lieferten auch eine Erklärung: die Gravitation.
Das universelle Gravitationsgesetz besagt, dass zwei Körper (wie Planeten oder Äpfel) eine Gravitationskraft aufeinander ausüben. Diese Kraft ist proportional zum Produkt der Massen dieser Körper (je größer der Körper, desto größer die wirkende Kraft) und umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung zwischen den Körpern.
Dieses Quadratabstandgesetz zeigt, dass die Kraft schwächer wird, je weiter die Körper voneinander entfernt sind, und dass die Verdoppelung der Entfernung zwischen zwei Körpern die Kraft auf 1/4 reduziert. Quadratabstandgesetze gelten für zahlreiche Bereiche: Elektromagnetische Strahlung (inklusive Licht und gewöhnliche Radioübertragungen) reduziert sich mit dem Quadrat des Abstands zwischen Quelle und Empfänger. Für die Anziehungskraft zwischen zwei elektrisch geladenen Teilchen gilt das Gleiche, und sogar die Stärke von Schallwellen verringert sich entsprechend zum Quadrat des Abstands.
Newtons drei Bewegungsgesetze beschreiben, wie Kräfte auf Körper wirken:
- Wirkt keine Kraft auf einen Körper, so bleibt dieser an Ort und Stelle oder bewegt sich mit einer konstanten Geschwindigkeit fort.
- Wirkt eine Kraft auf einen Körper, dann ist die Beschleunigung proportional zu dieser Kraft oder umgekehrt proportional zur Masse des Körpers. Die Beschleunigung erfolgt in Richtung der Kraft.
- Übt ein Körper A eine Kraft auf Körper B aus, dann gilt das auch umgekehrt, d.h., jede Aktion führt zu einer gleich großen und entgegengesetzten Reaktion.
Newtons eigene Ausgabe der Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica wird in der Bibliothek des Trinity Colleges aufbewahrt, ebenso wie viele andere Bücher, die er geschrieben hat oder besaß.
Gewicht, Masse und die Apollo 15
Die Masse und das Gewicht eines Objekts im physikalischen Sinne werden häufig verwechselt. Die Masse eines Apfels, gemessen in Kilogramm, ist ein Maß für dessen Trägheit, d.h., ein Maß dafür, wie schwer es ist, ihn zu bewegen. Sein Gewicht hängt hingegen völlig von der Schwerkraft ab: Sie ist ein Maß für die Gravitationskraft, die auf den Apfel einwirkt.
Auf der Erde könnte ein Apfel eine Masse von 100 Gramm haben. Auf dem Mond hätte der Apfel die gleiche Masse, aber ein wesentlich kleineres Gewicht. Der Mond besitzt nur 1/6 der Gravitation der Erde, d.h. der Apfel würde nur 1/6 so viel wiegen wie auf der Erde.
Wissenschaftlich ausgedrückt wird Masse in Kilogramm gemessen und Gewicht in Newton. Ein Newton ist die Kraft, die notwendig ist, um eine Masse von einem Kilogramm auf einen Meter pro Sekunde zu beschleunigen. Auf der Erde, wo die Gravitationskraft bei etwa 9,81 ms–2 liegt, hat ein Objekt bei einer Masse von etwa 102 Gramm ein Gewicht von einem Newton. Der berühmte Apfel, den Newton auf den Boden hat fallen sehen, könnte also durchaus ein Gewicht von einem Newton gehabt haben!
Auf dem Mond wiegt der Apfel etwa 1/6 Newton, hat aber immer noch die gleiche Masse. Ein Astronaut, der den Apfel auf der Erde oder dem Mond werfen will, verbraucht dabei die gleiche Menge an Energie.
1971 führte der Astronaut David Scott ein Experiment auf dem Mond durch, das zeigte, dass Objekte mit unterschiedlichen Massen die gleiche Beschleunigung erfahren. Live im Fernsehen ließ Scott einen 1,3 Kilogramm schweren Geologenhammer und eine 30 Gramm leichte Feder eines Falken aus der gleichen Höhe fallen. Sie trafen im gleichen Moment auf der Mondoberfläche auf (siehe Abbildung 69.2).
Dadurch wurde veranschaulicht, dass Galileo Galileis Theorie richtig war, wonach Objekte im Vakuum alle der gleichen Beschleunigung unterliegen (und das die auf der Erde vorhandene Luft die Feder abbremst). Newton zeigte später, dass diese Beschleunigung durch die universelle Gravitation verursacht wird.
Zwar sind die Feder und der Hammer auf dem Mond geblieben, doch Besucher des Science Museum in London (siehe Kapitel 77) können sich den Apparat ansehen, der 1761 verwendet wurde, um King George III zu zeigen, dass Galileo recht hatte. Bei diesem Apparat befanden sich eine Feder und ein Guinee (eine englische Goldmünze) in einer luftleeren Röhre. Ließ man sie fallen, bewegten sie sich mit der gleichen Geschwindigkeit.
Ein Besuch am Trinity beginnt mit Newtons Apfelbaum direkt vor dem großen Tor. Drinnen stehen Sie direkt im Great Court, dem größten Hof aller Oxford- oder Cambridge-Colleges. Viele Universitäts-Colleges sind um Höfe herum angelegt. Der Great Court aber dürfte Filmfreunden gut bekannt sein, nämlich als Kulisse für das Rennen in Die Stunde des Siegers. Die College-Uhr, die im Film (und im richtigen Leben) zur Zeitnahme bei Rennen rund um den Hof verwendet wurde, ist seit dem 18. Jahrhundert in Gebrauch.
Um den Hof herum angeordnet sehen Sie die Kapelle, die Lodge des Masters und die Hall (in der die Studenten essen). In der Mitte befindet sich ein Brunnen, der unlängst noch aus einer Quelle gespeist wurde. Man vermutet, dass dieser Brunnen früher von den Studenten zum Waschen genutzt wurde. Wenn man in diesem berühmten Hof steht, fällt es einem nicht schwer, sich Newton hier bei der Arbeit vorzustellen. Nur wenig scheint sich seither verändert zu haben.
Im zweiten Hof finden Sie die Wren-Bibliothek, entworfen von Sir Christopher Wren. Die Bibliothek ist öffentlich zugänglich und beherbergt auch eine Büste Newtons. Hinter der Bibliothek fließt der Cam, auf dem Studenten und Besucher sich im Umgang mit Stechkähnen üben können: Ein plattbodiger Kahn wird mit einer 5 Meter langen Stange gelenkt. Die Person, die das Boot steuert, steht am hinteren Ende, steckt die Stange senkrecht ins Wasser, stößt sich dann mit dieser vom Grund ab und schiebt so das Boot nach vorne. Zwischen den Stößen kann die Stange als Ruder verwendet werden. Die größte Gefahr besteht darin, zu fest zu schieben, sodass die Stange im schlammigen Boden hängen bleibt. Außerdem können Sie beim Versuch, die Stange herauszuziehen, ins Wasser fallen oder die Stange verlieren. (Für diejenigen, die auf keinen Fall ins Wasser fallen möchten, stehen üblicherweise Ruder bereit.)
Wenn Sie dem Fluss folgen, gelangen Sie zum Queens College und können eine schöne hölzerne Brücke sehen, die den Cam überquert. Glauben Sie die Geschichten nicht, nach denen dies eine von Newton gebaute »mathematische Brücke« sei. Sie wurde nach seinem Tod erbaut, seitdem zweimal erneuert und wird einfach »Wooden Bridge« (also Holzbrücke) genannt.
Das Trinity College ist öffentlich zugänglich. Informationen zur Anfahrt und einen empfohlenen Rundgang um das Gelände finden Sie auf der Website unter http://www.trin.cam.ac.uk/.