Trägheit

Trägheitsprinzip

Das Trägheitsprinzip besagt, dass ein gleichförmig bewegter Körper seine gleichförmige Bewegung beibehält, speziell also ein ruhender Körper in Ruhe verharrt, sofern keine Kraft auf ihn ausgeübt wird. Nach Newtons Auffassung ist die gleichförmige Bewegung bezüglich eines absoluten Raums gemeint,[1] bzw. aufgrund der Galilei-Invarianz der Newtonschen Axiomen bezüglich eines Inertialsystems. Ursprünglich wurde dieses Prinzip nur für Stoßprozesse formuliert, da der Begriff der Kraft, die eine Distanzwirkung haben konnte, nicht existierte. Newton formulierte das Prinzip erstmals in der heutigen Form und erklärte außerdem mit seinem zweiten Axiom, wie genau eine Kraft den Bewegungszustand eines Körpers ändert. Demnach bewirkt eine Kraft eine dazu proportionale Beschleunigung wobei der Proportionalitätsfaktor die träge Masse des Körpers ist.

In der Relativitätstheorie wird das Trägheitsprinzip darüber hinaus erweitert, indem nicht nur die Masse sondern jede Form von Energie sich träge verhält. So lässt sich ein Analogon des Trägheitsprinzips auch für die Energie eines elektromagnetischen Feldes formulieren. Ebenso wie Energie nach der Relativitätstheorie Trägheit besitzt, hat auch jede Form von Energie eine Gravitationswirkung. Zur vollständigen Beschreibung der Gravitation und indirekt auch der Trägheit wird der Energie-Impuls-Tensor verwendet, der Masse, Energie, Impuls, Druck und Spannung eines physikalischen Systems beschreibt.

Äquivalenzprinzip

Die träge Masse ist das Maß für die Trägheit eines Körpers, also ein Maß dafür, wie groß eine Kraft sein muss, um eine bestimmte Beschleunigung eines Körpers zu bewirken. Eine große träge Masse sorgt beispielsweise dafür, dass ein auf ebener Strecke rollendes Auto nur mit großem Kraftaufwand anzuhalten ist oder ein Astronaut einen Satelliten im Weltall nur mit großer Kraftanstrengung bewegen kann. Im Gegensatz dazu gibt die schwere Masse an, wie stark die Gravitationskraft ist, die ein Körper auf andere Körper auswirkt und durch diese erfährt. Inzwischen ist mit sehr hoher Genauigkeit gemessen worden, dass diese beiden Massen äquivalent sind, also als ein und dieselbe Größe aufgefasst werden können. Die Annahme, dass träge und schwere Masse exakt gleich sind, heißt Äquivalenzprinzip.

Es gibt in der klassischen Mechanik keine Erklärung für das experimentell sehr gut bestätigte Äquivalenzprinzip. Es war eine maßgebliche Grundlage für Einsteins Formulierung der allgemeinen Relativitätstheorie. Diese Theorie ist so formuliert, dass die Äquivalenz von schwerer und träger Masse direkt aus der Formulierung folgt, das Äquivalenzprinzip ist also ein grundlegender Bestandteil der Theorie. Nach der allgemeinen Relativitätstheorie bewirkt die Masse eines Körpers eine Raumzeitkrümmung und dem erweiterten Trägheitsprinzip zufolge bewegen sich andere Körper nun entlang der Geodäten der gekrümmten Raumzeit, so dass die passive Schwere dieser Körper mit ihrer Trägheit identisch ist.

Machsches Prinzip

Der Begriff „machsches Prinzip“ wurde von Albert Einstein für die philosophischen Überlegungen Ernst Machs zur Ursache der Trägheit geprägt. Mach nahm an, dass Trägheit und alle damit zusammenhängenden Eigenschaften eines Körpers durch die anderen Körper im Universum verursacht würde. Indem er ein Gedankenexperiment Newtons aufgriff, stellte er die Vermutung auf, dass ein rotierender Eimer Wasser in einem ansonsten leeren Universum keine Trägheit habe und daher auch keine Zentrifugalkraft auf das Wasser wirken könne, so dass die Wasseroberfläche kein Rotationsparaboloid bilden würde.

Einstein griff diesen Gedanken in allgemeinerer Form auf, indem er annahm, dass die Bewegungen von schweren Körpern einen Einfluss auf die Trägheit anderer Körper in der Nähe haben sollten. Er sah daher den Lense-Thirring-Effekt als Bestätigung der machschen Philosophie an. Dieser Effekt beinhaltet, dass die Rotation eines Körpers zu einer Präzession in Bezugssystemen naher Beobachter führt. Die heute (2009) übliche Interpretation dieses Effektes fasst dies als Modifikation des Gravitationsfeldes durch die Rotation auf und nicht als Modifikation der Trägheit naher Körper.

Das Gödel-Universum wird als Lösung der einsteinschen Feldgleichungen mit kosmologischer Konstante aufgefasst, die nicht mit Machs Vorstellungen in Einklang zu bringen ist. Es existiert jedoch eine Vielzahl verschieden spezifischer Formulierungen des machschen Prinzips, die teilweise auch mit dem Gödel-Universum vereinbar sind.

Durch das der allgemeinen Relativitätstheorie zugrundeliegende Äquivalenzprinzip sind Trägheit und Schwere im Rahmen dieser Theorie nicht eindeutig begrifflich zu trennen, so dass das Verständnis der Trägheit eng mit dem Verständnis der Gravitation verflochten ist.

Trägheitskräfte

In Nicht-Inertialsystemen treten Trägheitskräfte auf. Ein Sitz an einem Kettenkarussell wird zum Beispiel durch die Kette daran gehindert, sich gleichförmig zu bewegen und auf eine Kreisbahn gezwungen. Eine Person auf dem Sitz, hat das Gefühl, eine Kraft, die Zentrifugalkraft, von der Drehachse des Karussells weg zu verspüren. Ein Beobachter, der neben dem Karussell steht, sieht, dass die Ketten, an denen der Sitz befestigt ist, die Person von einer geradlinigen Flugbahn ablenken, der Sitz also eine Zentripetalkraft in Richtung der Drehachse auf die Person ausübt. Beides sind unterschiedliche Sichtweisen auf denselben Sachverhalt.

In rotierenden Bezugssystemen treten die Zentrifugalkraft und die Corioliskraft als Trägheitskräfte auf, während in anderen beschleunigten Bezugssystemen abhängig von der Beschleunigung Trägheitskräfte auftreten, die meist keine besonderen Namen haben.

Antike Theorien zur Bewegung

Vor der Renaissance im 15. Jahrhundert war im europäischen Raum die Theorie der Bewegung von Aristoteles, die dieser im 3. Jahrhundert v.u.Z. formuliert hatte, allgemein anerkannt. Dieser Theorie zufolge wird ein bewegtes Objekt ohne Krafteinwirkung sich verlangsamen und schließlich zur Ruhe kommen, so dass eine fortwährende Krafteinwirkung nötig ist, um ein Objekt in Bewegung zu halten. Aristoteles erklärte die Fortbewegung eines geworfenen Gegenstandes durch eine Kraft, die das umgebende Medium auf ihn ausübe.[2] Daher kam Aristoteles zu dem Schluss, dass eine solche gewaltsame Fortbewegung im Vakuum unmöglich sei, da kein Medium vorhanden sei, das den Körper gegen den Widerstand seiner Schwere in Bewegung halte.[3] Ein Körper der sich in nicht-gewaltsamer Bewegung im Vakuum befinde müsse sich dagegen für immer unbeeinflusst fortbewegen.[4]

Trotz ihres Erfolges und der allgemeinen Akzeptanz wurde Aristoteles’ Lehre der Bewegung wiederholt von Philosophen infrage gestellt. Lukrez behauptete beispielsweise der Grundzustand eines Körpers sei die Bewegung, nicht die Ruhe.[5] Im 6. Jahrhundert n. Chr. vertrat Johannes Philoponos die Ansicht, Aristoteles’ Erklärung der nicht-gewaltsamen Bewegung im Vakuum habe zur Folge, dass ein Medium einen solchen Körper abbremse, was im Widerspruch zur These stehe, dass das Medium die Bewegung eines Körpers aufrecht erhalte. Er schlug daher vor, dass die Bewegung nicht durch das Medium aufrechterhalten werde, sondern durch eine Eigenschaft des Körpers, die erzeugt werde, wenn er in Bewegung versetzt wird.[6] Averroës und viele scholastische Philosophen wandten sich gegen diese Sicht und unterstützten die Sichtweise Aristoteles’. In der islamischen Welt fand Philoponus’ Ansicht jedoch zahlreiche Unterstützer, die seine Thesen weiterentwickelten.

Impetustheorie

Im 14. Jahrhundert postulierte Johannes Buridan eine bewegungsverursachende Eigenschaft die er Impetus nannte und nahm an, dass der Impetus nicht von allein verringert werde. Stattdessen vermutete er, dass der Luftwiderstand und das Gewicht eines Körpers seinem Impetus entgegenwirke.[7] Buridan postulierte weiter, dass der Impetus mit der Geschwindigkeit zunehme; seine Vorstellung vom Impetus war also dem modernen Begriff des Impulses ähnlich. Er sah seine Theorie allerdings nur als Modifikation von Aristoteles’ Philosophie und hielt an anderen Lehren der Peripatos fest. So ging er weiterhin davon aus, dass ein fundamentaler Unterschied zwischen einem ruhenden und einem bewegten Körper existiere. Neben einem gewöhnlichen geradlinigen Impetus postulierte er auch einen Kreisimpetus, der bewirke, dass sich Himmelskörper auf Kreisbahnen bewegen.

Buridans Schüler Albert von Rickmersdorf (1316–1390) und eine philosophische Schule in Oxford verfolgten die Impetustheorie weiter und führten einige Experimente durch, deren Ergebnisse im Widerspruch zu Aristoteles’ Lehre standen. Nikolaus von Oresme arbeitete die Impetustheorie weiter aus und stellte erstmals die Bewegungsgesetze und Zusammenhänge anderer Größen in grafischer Form dar.

Kurz bevor Galilei seine Theorie der Trägheit aufstellte, modifizierte Giovanni Battista Benedetti die Impetustheorie derart, dass sie nur geradlinige Bewegung beinhaltete.[8] Er nennt die Bewegung eines Steins an einer Schnur als Beispiel für eine geradlinige Bewegung, die durch äußeren Zwang in eine Kreisbewegung umgewandelt wird. Außerdem widersprach Benedetti erstmals der Lehre Aristoteles’, dass Körper umso schneller fallen, je schwerer sie sind, mit einem Gedankenexperiment: Werden zwei fallende Kugeln mit einer (masselosen) Stange verbunden, ändert sich nichts an der Fallgeschwindigkeit, obwohl die Masse des Gesamtkörpers sich vergrößert.

Europäische Renaissance

Das Gesetz von der Trägheit der Masse löste die auf Aristoteles zurückgehende Vorstellung ab, nach der zur Aufrechterhaltung einer Bewegung eine ständige Kraft nötig sei. Das Konzept der Trägheit wurde während des 17. Jahrhunderts von vielen Physikern entwickelt.

So findet sich in den Schriften Galileo Galileis eine erste Formulierung des verwandten Relativitätsprinzips. Galileis Experimente waren jedoch ungeeignet die träge Masse von Körpern festzustellen, da diese bei Fallexperimenten durch die schwere Masse kompensiert wird, die dazu proportional ist. Diese erst später festgestellte Äquivalenz wird als Äquivalenzprinzip bezeichnet. Ein Zeitgenosse und Briefpartner Galileis, Giovanni Batista Baliani, mutmaßte allerdings bereits, dass die Massenunabhängigkeit der Fallzeiten daher rühre, dass die Masse sowohl als „agens“, als auch als „passum“ wirke, was den später eingeführten Konzepten von träger und schwerer Masse entspricht.

Eine der ersten Formulierungen des Trägheitsprinzips findet sich in den Principia philosophiae von René Descartes. Christiaan Huygens erhob das Trägheitsprinzip ebenso wie eine klare Formulierung des Relativitätsprinzips zu Axiomen, die insbesondere seiner Behandlung von Stoßprozessen zugrunde liegen.

Die erstmalige Formulierung des Trägheitsgesetzes in der heutigen Form geht auf Isaac Newton zurück, der 1687 in seinem ersten Axiom postuliert:

Newton sah die Quelle der Trägheit in einem Dreibund aus absoluter Masse, Zeit und Raum und entwarf das Wassereimer-Gedankenexperiment:

Im absolut leeren Raum rotiert ein Eimer Wasser. Die Trägheitskräfte sorgen nun dafür, dass sich das Wasser an den Rand des Eimers drängt und eine parabolisch gewölbte Oberfläche entsteht.

Nach Newtons Interpretation spielt hier also der absolute Raum eine zentrale Rolle. Ohne ihn könnte man keine Kreisbeschleunigung (vom Eimer aus betrachtet ist das ganze System ja in Ruhe) feststellen, gegen die sich die Teilchen mit ihrer Trägheit sträuben. Der Raum wird unabhängig vom rotierenden Eimer als real existierendes, absolutes Bezugsystem angenommen.

Einen anderen Ansatz verfolgte Ernst Mach. Er vermutete, dass die Trägheit von allen Massen gegenseitig ausgeübt wird. Ein einzelnes Teilchen in einem leeren Universum hätte demnach keine Trägheit. Diese Sichtweise wurde unter anderem von Albert Einstein als machsches Prinzip bezeichnet.

Einsteins spezielle Relativitätstheorie bedeutete das Ende der von Newton postulierten Absolutheit von Masse, Zeit und Raum. Im Raum-Zeit-Kontinuum der speziellen Relativitätstheorie sind nur die Raumzeit-Abstände ${\displaystyle ds^{2}=dx^{2}+dy^{2}+dz^{2}-c^{2}dt^{2}}$ absolut. Räumliche und zeitliche Abstände sowie die Trägheit sind vom Bewegungszustand abhängig. Insbesondere wächst die Trägheit bei Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit so schnell an, dass diese nicht überschritten werden kann.

In der newtonschen Theorie ist die Gleichheit von träger und schwerer Masse ein nicht weiter erklärbarer „Zufall“, während sie in der allgemeinen Relativitätstheorie als Äquivalenzprinzip postuliert wird. Aus der Äquivalenz von Masse und Energie folgt, dass jede Form von Energie Trägheit besitzt.