Ein Vorteil von Newtons Konzept der Gravitation als Kraft – trotz der Tatsache, dass es sich dabei um eine als mysteriös geltende Fernwirkung handelte – war, dass es den Fall von Objekten auf die Erde und die Bewegung von Himmelskörpern auf einheitliche Weise erklärte. Im Gegensatz dazu war eine frühere Ansicht, dass Himmelsobjekte eine natürliche Tendenz haben, sich entlang kreisförmiger Bahnen zu bewegen, während Objekte auf die Erde fallen, weil die Erde das Zentrum des Universums ist, und Objekte, die beispielsweise aus dem Erdelement bestehen, eine natürliche Tendenz dazu haben Suche das Zentrum des Universums.
Frage: Hat Newton zuerst (a) das Konzept der Schwerkraft als Kraft und (b) das Gesetz des umgekehrten Quadrats entwickelt, um die Beschleunigung von Objekten auf die Erde zu erklären, oder hat er diese Ideen für Himmelsbewegungen ausgearbeitet und später angewendet? sie zu Gegenständen, die auf die Erde fallen? Oder gibt es eine andere Geschichte, die plausibler ist?
( Diese Frage bezieht sich auf die Apfelgeschichte, die, wenn sie wahr ist, darauf hindeuten könnte, dass Newton damit begann, dass Objekte auf die Erde fielen, aber ich bin an Antworten interessiert, die von sorgfältigerer wissenschaftlicher Forschung inspiriert sind.)
Es ist eine ziemlich lange Geschichte und keine "One-Shot"-Entdeckung, wie die "Apfelgeschichte" suggeriert.
Zwei kritische Quellen, die sinnvoll gelesen werden sollten, sind:
Alexandre Koyré, Newtonian Studies , Cambridge (Mass.) 1965: Harvard University Press;
I.Bernard Cohen, The Newtonian revolution: With illustrations of the transformation of scientific ideas , Cambridge 1980: Cambridge University Press.
Im letzten können wir Kapitel 5 sehen: Newton- und Kepler-Gesetze: Stadien der Transformation, die zur universellen Gravitation führen , Seite 222-ff.
Es gibt zwei weit verbreitete Meinungen über die Entwicklung von Newtons wissenschaftlichen Ideen: dass er das Gesetz der universellen "Gravitation" in den 1660er Jahren gefunden und dann zwanzig Jahre lang davon abgehalten hat, es zu veröffentlichen, und dass er dieses Gesetz gefunden hat, indem er es von Keplers "abgeleitet" hat "Gesetze" (oder möglicherweise nur aus einem von Keplers Gesetzen). Die in diesem Kapitel vorgestellte Analyse wird zeigen, dass Newton dieses Gesetz gemäß jeder vernünftigen Definition der universellen „Gravitation“ erst einige Zeit nach November 1684 und vor 1686 gefunden und dann unverzüglich veröffentlicht hat. [Seite 222]
In Newtons Memorandum [geschrieben 1718 im Entwurf eines Briefes an Des Maizeaux] und in seinem frühen Manuskript aus den 1660er Jahren gibt es noch keinen ausdrücklichen Hinweis darauf, dass auf die Planeten eine solare „Kraft“ ausgeübt wird, die mit der identisch ist auf den Mond ausgeübte terrestrische Kraft (von der er behauptet, dass sie gewöhnliche terrestrische Schwerkraft sei). Die "Bemühungen, sich zurückzuziehen", an die er in den 1660er Jahren glaubte, unterscheiden sich konzeptionell stark von den einfachen Zentripetalkräften, die Planeten und Monde kontinuierlich von ihren Trägheitsbahnen (geradlinigen) Bahnen ablenken, an die er einige Zeit später, 1679, glaubte. 1680 oder danach. Dementsprechend gibt es keinen legitimen Grund zu sagen, dass Newton 1665 das Gesetz (oder ein Gesetz) der universellen Gravitation "gewusst" und "gezögert" hatte Ankündigung für zwanzig Jahre. In der Tat, weit davon entfernt, an eine "universelle" Kraft zu glauben, hatte Newton damals nicht einmal ein Bewusstsein für die Möglichkeit einer Einwirkung eines Planeten auf die Sonne, einer Einwirkung des Mondes auf der Erde, geschweige denn einer Einwirkung eines Planeten auf einen anderen .
In dem oben zitierten Memorandum sagt Newton, dass er „anfing zu denken, dass sich die Schwerkraft bis zum Mond ausdehnt“. Vermutlich hätte er - analog - vermutet, dass, wenn die planetarischen "Bemühungen", sich von der Sonne zurückzuziehen (in seiner Vorstellung waren sie damals keine "Kräfte"), sich umgekehrt wie das Quadrat der Entfernung ändern, dann muss es der sein dasselbe für den Mond. Wenn sich also die Schwerkraft bis zum Mond ausdehnt und sich umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung ändert, sollte die Intensität der Schwerkraft auf der Umlaufbahn des Mondes das 1/r*r-fache der Intensität hier auf der Erde betragen, wobei r der Erdradius ist. [Seite 232]
In einem MS-Dokument ohne Titel aus der Mitte oder Ende der 1660er Jahre (ULC MS Add. 3958, Abschnitt 5, Fol. 87) berechnet Newton das „Bestreben, sich vom Zentrum zurückzuziehen“ („conatus a centro“ oder „conatus recedendi a centro"), indem bestimmt wird, wie weit sich ein Körper in einer bestimmten Zeit entlang einer Tangente bewegen würde, wenn er dasselbe "Anstreben" in einer linearen Richtung entlang der Tangente hätte und es kein Hindernis gäbe. Kurz gesagt, Newton misst das „Bestreben des Zurückweichens“ (noch nicht „Zentrifugalkraft“) durch die Beschleunigung und die Beschleunigung durch die Strecke, über die sich ein Körper gemäß Galileis Regel für gleichmäßige Beschleunigung frei entlang einer geraden Linie bewegen würde in einer bestimmten Zeit, 'der Zeit einer Revolution'. Newton berechnet dann, wie weit ein Körper absinken würde, wenn er ' Streben, sich kraft seiner Schwerkraft dem Mittelpunkt zu nähern (conatus accedendi ad centrum virtute gravitatis) waren ebenso groß wie sein „Bestreben, sich vom Mittelpunkt zurückzuziehen“ am Äquator infolge der täglichen Rotation der Erde. [Seite 238]
In dem Manuskript, in dem die vorstehenden Berechnungen beschrieben sind, leitet Newton ein inverses quadratisches Gesetz für die Planeten ab, indem er Keplers drittes Gesetz für „die Primärplaneten“ mit ihren „Bemühungen, sich von der Sonne zurückzuziehen“ kombiniert. Dies geschieht in einigen kurzen oder zusammenfassenden Absätzen, die der ziemlich detaillierten Diskussion und Darstellung des „Bestrebens des Zurückweichens“ und des „Bestrebens des Zurückweichens“ an der Erdoberfläche hinzugefügt werden. Newton sagt in diesem Dokument weder ausdrücklich noch deutet er in irgendeiner Weise an, dass sich die Schwerkraft der Erde bis zur Umlaufbahn des Mondes erstrecken kann oder dass das „Bestreben des Mondes, sich zurückzuziehen“ mit einem umgekehrten quadratischen Abstandsgesetz übereinstimmt. Die einzige Anwendung, die er aus seinen Berechnungen zur Umlaufbahn des Mondes macht ' Bemühen um Zurückweichen“ ist ein Versuch, die Tatsache zu erklären, dass der Mond immer „der Erde dieselbe Seite zuwendet“. [Seite 240]
Newtons Interesse an der Astronomie besteht seit langem und lässt sich zumindest bis zu seiner Studienzeit in Cambridge in den 1660er Jahren leicht nachvollziehen. [Seite 241]
Newtons Aufmerksamkeit wurde drei Jahre später, 1679, zwangsweise auf astronomische Probleme gelenkt, als Robert Hooke (kürzlich zum Sekretär der Royal Society ernannt) an Newton schrieb und die Hoffnung zum Ausdruck brachte, dass Newton seinen früheren „philosophischen“ Austausch mit der Gesellschaft erneuern würde. Zu Beginn lud Hooke Newton ein, eine „Hypothese oder Meinung von mir“ zu kommentieren. . . die himmlischen Bewegungen der Planeten [aus] einer direkten Bewegung durch die Tangente und einer anziehenden Bewegung in Richtung des Zentralkörpers zu kombinieren. In seiner Antwort lehnte Newton es ab, Hookes „Hypothese“ zu diskutieren. Stattdessen brachte er ein eigenes „Fansy“ vor: die Auswirkungen der „täglichen Bewegung der Erde“ auf den Weg frei fallender Körper (Newton an Hooke, 28. November 1679). Newton hatte sich jedoch geirrt, wie Hooke schnell feststellen musste. Newton hatte einen spiralförmigen Weg vorgeschlagen, der normalerweise die Veröffentlichung von Newtons Brief an Hooke (28. November 1679) begleitete [...]. Hooke korrigierte Newton; er zeigte, dass die Kurve nicht (wie Newton dachte) „eine Art Spirale“ sein würde, die das fallende Objekt nach einigen Umdrehungen zum „Mittelpunkt der Erde“ bringen würde. Die Kurve wäre „eher eine Art Elleptueid“. [Seite 242]
Nachdem Newton Hookes Korrektur anerkannt hatte, fühlte sich Hooke ermutigt, Newton über „meine Vermutung“ bezüglich der Anziehungskraft zu schreiben, die die Planeten in ihren Umlaufbahnen hält; es war '... dass die Anziehung immer in einem doppelten Verhältnis zur Entfernung von der Mitte reziprok ist und folglich die Geschwindigkeit in einem subduplizierten Verhältnis zur Anziehung steht und folglich, wie Kepler annimmt, die Reziprok zur Entfernung ist' (Hooke an Newton, 6. Januar 1679/80). Newton äußerte sich nicht direkt zu dieser Aussage. Seine endgültige Meinung lässt sich leicht aus der Tatsache ableiten, dass er bewies, dass die Geschwindigkeit eines Körpers (wie eines Planeten oder eines planetarischen Satelliten), der sich unter der Wirkung einer Kraft mit umgekehrtem Quadrat auf einer elliptischen Umlaufbahn bewegt, nicht „wie Kepler [und wie Hooke] Angenommen, Reziprok zur Distanz', sondern ist eher reziprok wie (oder umgekehrt proportional zu) dem senkrechten Abstand vom Kraftzentrum zur Tangente an die Planetenbahn. [Seite 243]
In verschiedenen unveröffentlichten Dokumenten gab Newton zu, dass Hooke in den Jahren 1679-1680 die Gelegenheit für sein Studium der Planetendynamik geboten hatte, obwohl er nicht zugeben wollte, dass Hooke einen wesentlichen Beitrag zu seinem Denken geleistet hatte. [Seite 248]
es ist eine einfache Tatsache, dass er [Newton] eine Analyse der Planetenbewegung gemäß der Hookeschen Methode durchgeführt hat, um sich vorzustellen, dass eine zentral gerichtete Kraft auf einen Planeten wirkt, der eine Komponente einer linearen Trägheitsbewegung hat, und er war dazu in der Lage obwohl er sein Festhalten an der Vorstellung von ätherischen Wirbeln immer noch nicht ganz aufgegeben hatte und obwohl er offenbar nicht wirklich an fernwirkende zentripetale Kräfte glaubte. Was auch immer seine Überzeugungen waren, der Newtonsche Stil ermöglichte es ihm, die Eigenschaften dieser Art von Kraft zu erforschen und schließlich zu entdecken, [...] dass die universelle Schwerkraft nützlich und sogar notwendig ist und dass sie "wirklich existiert" (wie er später in der Abschluss des Generalscholiums der Principia im Jahre 1713) und handelt nach den von ihm aufgestellten Gesetzen. [Seite 254]
Lassen Sie mich eine kürzere Antwort geben. Die Idee der "Anziehung proportional zum umgekehrten Quadrat der Entfernung" gab es schon seit einiger Zeit. Newtons entscheidende Idee war es, die Schwerkraftbeschleunigung der Erdoberfläche und die Beschleunigung des Mondes zu vergleichen. Seine erste Berechnung ergab nicht die gute Übereinstimmung mit der Beobachtung, weil er einen falschen Wert für den Erdradius verwendete. Als er später genauere Werte einfügte, kam es zu einer Einigung.
Dies war ein entscheidendes Argument für die „universelle Gravitation“. Newton hat diese Beobachtung nicht veröffentlicht und erst viel später jemandem davon erzählt.
Viele Jahre später Ch. Wren fragte, ob das Gesetz der Anziehung Kepler-Umlaufbahnen impliziere. Die Frage wurde von Halley an Newton weitergegeben. Eine ähnliche Frage wurde zuvor von Hooke in einem Brief an Newton gestellt. Newtons erste Antwort an Hooke war falsch. Aber als Wrens Frage ihn erreichte, erkannte er schnell, dass die Antwort "Ja" lautet, und schrieb seine Principia.