Physik Journal, März 2016

G E S C H I C H T E

Physik Journal 15 (2016) Nr. 3

Newton setzte für die ersten bei

den seiner Axiome einen „absolu

ten Raum“ voraus. Das erste Axiom

stellt das Phänomen der Trägheit

fest, während das zweite Kräfte als

Ursachen von Impulsänderungen

identifiziert. Bei Verzicht auf den

absoluten Raum muss man an

seiner Stelle bevorzugte Bezugs

systeme einführen, die Inertial

systeme. Ihre Definition erfordert

große Sorgfalt, um experimentell

belegbar, dabei aber nicht zyklisch

zu werden. Erst die Allgemeine

Relativitätstheorie lieferte eine

befriedigende Alternative.

as Trägheitsgesetz, das so

grundlegend in die klassische

Mechanik eingeht, ist erstaunlich

schwer auf eine logisch befriedigen-

de Weise zu fassen und wird auch

in Lehrbüchern häufig unzurei-

chend dargestellt. Schon die Entde-

ckung des Trägheitsgesetzes war ein

mühsamer und langwieriger Pro-

zess. Im alten Griechenland stellte

man sich die Frage, ob es in der

Natur besonders ausgezeichnete,

„natürliche“ Bewegungsformen von

materiellen Körpern gebe. Man ver-

mutete diese meist in Kreisbahnen,

angelehnt an die scheinbaren Be-

wegungen der Himmelskörper. Ab

dem 16. Jahrhundert analysierten

vor allem italienische Philosophen

und Physiker auch geradlinig-

gleichförmige Bewegungen im

Hinblick auf diese Frage. Dabei

waren natürlich die unausweich-

lichen Gravitations- und Reibungs-

effekte in irdischen Laboren die

wesentlichen Hindernisse. Galileo

Galilei hat sich nach 1610 immer

wieder und anhand verschiedenster

Beispiele intensiv mit dieser Frage

befasst und im 1632 veröffent-

lichten „Dialog über die beiden

hauptsächlichsten Weltsysteme“

Formulierungen gefunden, die als

erster Schritt zur Erkenntnis eines

allgemeinen Trägheitsgesetzes gel-

ten können. So lässt er sein

alter

ego

, Salviati, am 2. Tag des Dialogs

sagen, ein Schiff sei „daher bestrebt,

nach Entfernung aller zufälligen

und äußerlichen Hindernisse, mit

der ihm einmal mitgeteilten An-

fangsgeschwindigkeit unablässig

und gleichförmig sich fortzube-

wegen.“ (

[1]

, S. 155)

In der Folgezeit haben vor allem

Descartes und Huygens das Träg-

heitsgesetz konkretisiert und die

Vermutung geäußert, dass es sich

um ein universelles Prinzip der

Physik handele. Die explizite For-

mulierung des Trägheitsgesetzes als

ein allgemeines und fundamentales

Prinzip der Physik verdanken wir

Isaac Newton, der 1687 in den

Prin-

cipia

als Gesetz I feststellte: „Jeder

Körper verharrt in seinem Zustand

des Ruhens oder des Sich-geradli-

nig-gleichförmig Bewegens, außer

insoweit wie jener von eingeprägten

Kräften gezwungen wird, seinen

Zustand zu verändern.“ (

[2]

, S. 33)

Dieses Gesetz ist fast zwei Jahr-

hunderte lang imWesentlichen

unverändert überliefert worden.

Zusammen mit den beiden ande-

ren Newtonschen Axiomen hat es

sich in unzähligen Anwendungen

mit beispiellosem Erfolg bewährt.

Trotzdem weist Newtons Formu-

lierung wesentliche Mängel auf: Sie

verrät nicht, bezüglich welcher Be-

zugssysteme das Gesetz gelte – so-

fern man nicht stillschweigend den

im Scholion (

[2]

, S. 28) eingeführten

absoluten Raum zugrunde legt. So

bleibt unklar, dass die eigentliche

Aufgabe von Gesetz I die Einfüh-

rung der Inertialsysteme ist, und

was dabei Definition, was nichttri-

viales Faktum, wenn nicht sogar ein

Wunder der Natur ist. Schließlich

ist in Gesetz I von „eingeprägten

Kräften“ die Rede, die aber erst

in Gesetz II definiert sind, das

schließlich nur in Inertialsystemen

(gemäß Gesetz I) gültig ist. Newton

selbst war sich zumindest pauschal

dieser Mängel bewusst, wenn er

im Vorwort zur

Principia

schreibt:

„Ich möchte dringend darum bit-

ten, daß alles unvoreingenommen

gelesen wird und die Mängel bei

Prof. Dr. Herbert

Pfister

, Institut für

Theoretische Physik,

Universität Tübingen

– Dieser Artikel kann

dank der Mithilfe

von

Prof. Dr. Mat

thias Bartelmann

(Universität Heidel-

berg) und

Prof. Dr.

Markus King

(Hoch-

schule Albstadt-

Sigmaringen) nach

Herbert Pfisters Tod

erscheinen (Nachruf

siehe Physik Journal,

Januar 2016, S. 49).

Diese beiden Sei-

ten aus Newtons

Principia Mathe-

matica

von 1687

enthalten die drei

fundamentalen

Axiome der Bewe-

gung.

Lange nach Newton

Das schwer fassbare, aber außerordentlich reichhaltige Trägheitsgesetz

Herbert Pfister

Newton, Isaac, Samuel Pepys, and Joseph Streater. 1687. Philosophiae naturalis principia mathemati-

ca. Londini: Jussu Societatis Regiae ac Typis Josephi Streater. John J. Burns Library, Boston College