13. Huygens und die übrigen Zeitgenossen Newtons.

Aus der Schar der zeitgenössischen Forscher ragte wohl niemand so

weit an *Newton* heran wie der schon wiederholt erwähnte Niederländer

*Huygens*, den *Newton* selbst *Summus Hugenius* nannte. Auch *Huygens*

stand auf den Schultern *Galileis*. Seine Tätigkeit erstreckte

sich auf dieselben Wissensgebiete, auf denen *Newton* bahnbrechend

wirkte, auf die Optik und die Mechanik; und wo zwischen beiden

Forschern Meinungsverschiedenheiten entstanden, hat deren Klärung nur

Fortschritte gezeitigt.

[Illustration: Abb. 80. *Christiaan Huygens.*]

*Christiaan Huygens* wurde am 14. April des Jahres 1629 im Haag

geboren. Ausgestattet mit einer mathematischen Begabung, die frühzeitig

Bewunderung erregte, zeichnete ihn außerdem ein hervorragendes Geschick

für die praktische Bewältigung mechanischer Probleme aus. Wie auf

*Galilei* und auf *Newton*, so ist auch auf ihn die Mitwelt zuerst

durch seine astronomischen Entdeckungen aufmerksam geworden. Die von

*Galilei* am Saturn beobachtete, rätselhafte Erscheinung, die *Galilei*

für eine Verdreifachung dieses Gestirns angesehen hatte[496], erfuhr

nämlich durch *Huygens* die richtige Deutung. Vor ihm hatten sich

*Grimaldi* und besonders *Hevel* mit der Deutung des rätselhaften

Aussehens dieses Planeten beschäftigt. *Grimaldi* hatte den Eindruck,

als ob Saturn mit zwei Henkeln versehen sei, während *Hevel* für

das veränderliche Aussehen des Planeten einen periodischen Wechsel

innerhalb eines bestimmten Zeitraums nachwies.

*Huygens* dagegen erkannte vermittelst der vorzüglichen, von ihm

verfertigten Refraktoren, daß es sich hier weder um eine Verdreifachung

handeln könne, noch um zwei Henkel, die spätere Beobachter zu sehen

glaubten; sondern er erblickte den Saturn von einem freischwebenden

Ringe umgeben, wie es uns die dem Werke über das System des Saturn[497]

entnommene Abbildung 81 erkennen läßt.

[Illustration: Abb. 81. Huygens' Darstellung des Saturnringes.]

*Huygens* machte diese Entdeckung im Jahre 1655. Er veröffentlichte sie

zunächst nach damaliger Sitte in Form eines Änigmas. Es lautete:

a^7 c^5 d^1 e^5 g^1 h^1 i^7 l^1 m^2 n^9 o^4 p^2 q^1 r^2 s^1 t^5 u^5.

In diesem Ausdruck bedeuten die Ziffern, wie oft der betreffende

Buchstabe in der Lösung vorkommt. Letztere war: Saturnus cingitur

annulo tenui, plano, nusquam cohaerente et ad eclipticam inclinato[498].

*Huygens* durfte mit Recht von einem System des Saturn reden, da er

auch den sechsten und größten der ihn umkreisenden Monde gefunden

hatte[499]. Er verfolgte diesen neuen Weltkörper lange Zeit und fand,

daß er in 16 Tagen seinen Umlauf um den Saturn vollendet.

Der von *Huygens* entdeckte Mond des Saturn war der erste[500] der

vielen kleinen Begleiter dieses Planeten, den ein menschliches

Auge erblickte; deshalb war auch diese Entdeckung *Huygens'* eine

wesentliche Bereicherung unserer Kenntnis des Planetensystems.

Fast zur selben Zeit, als die Entdeckung des Saturnringes erfolgte,

wurde *Huygens* auf die später zu besprechende Erfindung der Pendeluhr

geleitet[501]. Durch diese Leistungen war er schon, bevor er das 30.

Lebensjahr erreicht und noch ehe er seine für die Mechanik und die

Optik grundlegenden Werke veröffentlicht hatte, zu einer Berühmtheit

von europäischem Rufe geworden.

Als daher *Colbert* die französische Akademie der Wissenschaften

errichtete, war es das Erste, daß er den niederländischen Forscher

an sie berief. *Huygens* leistete der Ernennung Folge und blieb von

1666 bis 1681 eine Zierde des neubegründeten Instituts. Da jedoch

in Frankreich die Verfolgungen der Protestanten einen bedrohlichen

Charakter annahmen, kehrte er noch vor der Aufhebung des Ediktes

von Nantes in die Vaterstadt zurück, obgleich man ihm selbst volle

Religionsfreiheit zugesichert hatte. Er starb am 8. Juni 1695.

Der Ausbau der Wellentheorie des Lichtes.

*Huygens'* Hauptverdienst um die Optik besteht in dem Ausbau der

Wellentheorie des Lichtes. Angeregt wurden seine Betrachtungen

einerseits durch die Spekulationen *Descartes'* und *Hookes*[502],

von denen der letztere das Licht gleichfalls als eine Wellenbewegung

ansprach, ohne jedoch seine Ansichten ausführlicher zu begründen;

andererseits durch die Entdeckung der Doppelbrechung, sowie der

Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Lichtes[503]. Mit dem Problem, diese

Geschwindigkeit gleich derjenigen des Schalles zu messen, hatte sich

schon *Galilei* befaßt. Er war indes, wie man es bei der Anwendung

einfacher Lichtsignale nicht anders erwarten konnte, zu keinem Ergebnis

gelangt. *Descartes'* Meinung ging dahin, daß zwar nichts Stoffliches

von den leuchtenden Körpern in unser Auge gelange; indessen sei das

Licht keine Bewegung, sondern vielmehr ein Streben nach Bewegung.

Und dieses Streben beanspruche, als etwas gänzlich Unkörperliches,

zu seiner Fortpflanzung keine Zeit. *Descartes* war der Erste, der

die Frage durch astronomische Gründe zu entscheiden suchte. Braucht

das Licht, so schloß er, zu seiner Ausbreitung Zeit, dann kann die

Verfinsterung des Mondes durch die Erde nicht in demselben Augenblicke

eintreten, in dem sich die Erdkugel zwischen Mond und Sonne schiebt.

Nun zeigen aber die Beobachtungen, daß die Mondfinsternis in eben

diesem Augenblicke beginnt. Die Fortpflanzung des Lichtes kann also

keine Zeit beanspruchen. Demgegenüber bemerkte *Huygens*, daß die

Betrachtungen, die *Descartes* anstellte, wohl eine sehr schnelle,

keineswegs aber eine augenblickliche Fortpflanzung des Lichtes

beweisen. Wenn letzteres z. B. den Weg von der Erde zum Monde innerhalb

zehn Sekunden zurücklege, so würde dies bei der astronomischen

Beobachtung nicht leicht wahrzunehmen sein.

*Descartes* war es auch, der zuerst die alte pseudo-aristotelische

Ansicht von der Entstehung der Farben aus einer Mischung von Hell und

Dunkel durch eine auf mechanischen Prinzipien beruhende Erklärung zu

ersetzen suchte, während *Huygens* von einer Erklärung der Farben

gänzlich absah.

*Huygens'* Voraussetzung, daß das Licht zu seinem Wege Zeit gebrauche,

hatte erst wenige Jahre vor der Veröffentlichung seiner Wellentheorie

ihre Bestätigung gefunden[504]. Dies geschah durch die Beobachtungen,

die der dänische Mathematiker *Olaf Römer*[505] an dem innersten

Jupitertrabanten anstellte. Letzterer bewegt sich in etwa 42½[506]

Stunden um den Zentralkörper und tritt nach jedesmaligem Ablauf dieses

Zeitraums aus dem Schatten des Jupiter heraus. *Huygens* gibt in

seiner Abhandlung folgenden Bericht über die von *Römer* angestellten

Beobachtungen und Folgerungen: A (Abb. 82) sei die Sonne, BCDE die

jährliche Bahn der Erde, F der Jupiter und GN die Bahn des nächsten

seiner Begleiter. Bei H möge dieser aus dem Schatten des Jupiter

treten. Setzt man nun voraus, daß dies geschah, während die Erde

sich im Punkte B befand, so müßte man, wenn die Erde an derselben

Stelle bliebe, nach Ablauf von 42½ Stunden einen ebensolchen

Austritt beobachten. Wenn die Erde beispielsweise während 30 Umläufe

des Mondes immer in B verharrte, so würde man ihn gerade nach 30 ·

42½ Stunden wieder aus dem Schatten hervorkommen sehen. Während

dieser Zeit hat sich indes die Erde nach C bewegt, indem sie sich

mehr und mehr von dem Jupiter entfernt, der infolge seiner langen

Umlaufszeit seine Stellung wenig verändert. Daraus folgt, daß, wenn

das Licht für seine Fortpflanzung Zeit gebraucht, das Auftauchen

des kleinen Mondes in C später bemerkt werden wird, als dies in B

geschehen wäre. Man muß nämlich zu der Zeit von 30 · 42½ Stunden

noch diejenige hinzufügen, die das Licht gebraucht, um den Weg MC,

nämlich den Unterschied der Strecken CH und BH zu durcheilen.

Ebenso wird man, wenn die Erde von D nach E gelangt und sich somit

dem Jupiter nähert, das Eintreten des Mondes G in den Schatten bei E

früher beobachten müssen, als dies geschehen würde, wenn die Erde in D

geblieben wäre. *Römers* Beobachtungen und Berechnungen ergaben, daß

das Licht ungefähr 11 Minuten gebraucht, um den Halbmesser der Erdbahn

zu durchlaufen. Spätere Messungen haben diesen, in Anbetracht der

großen Strecke sehr geringen Wert sogar auf 8 Minuten herabgesetzt. Die

Lichtgeschwindigkeit ist demnach nicht das 600000fache derjenigen des

Schalles, wie *Huygens* angab, sondern nahezu das 900000fache.

[Illustration: Abb. 82. Römer berechnet die Geschwindigkeit des

Lichtes[507].]

Wenn das Licht zu seinem Wege Zeit gebraucht, so folgt daraus nach

*Huygens*, daß es sich wie der Schall in kugelförmigen Flächen oder

Wellen ausbreitet. Indessen hebt er einen wichtigen Unterschied

hervor. Während nämlich der Schall durch die plötzliche Erschütterung

des ganzen Körpers oder eines beträchtlichen Teiles eines solchen

hervorgebracht wird, muß die Lichtbewegung von jedem Punkte des

leuchtenden Gegenstandes ausgehen, damit man alle seine Teile

wahrnehmen kann.

Um das Licht zu erklären, nimmt *Huygens* ferner an, die leuchtenden

Körper seien aus sehr kleinen Teilchen zusammengesetzt, die sich

heftig bewegen und gegen die umgebenden, noch viel kleineren den Raum

erfüllenden Teilchen stoßen. »Die Bewegung dieser Teilchen, die das

Licht verursachen«, fügt er hinzu, »muß viel schneller und heftiger

sein als diejenige der Körper, die den Schall bewirken, denn wir sehen,

daß die zitternde Bewegung eines tönenden Körpers ebenso wenig imstande

ist, Licht zu erzeugen, wie die Bewegung der Hand in der Luft Schall

hervorzubringen vermag.«

Die Materie, in der die von den leuchtenden Körpern ausgehende Bewegung

sich ausbreitet, nennt *Huygens* »Äther«. Sie könne nicht dieselbe

sein, wie diejenige, die zur Ausbreitung des Schalles diene. Denn

man finde, daß letztere nichts anderes ist, als die Luft, und daß,

wenn man die Luft wegnimmt, die andere, dem Lichte dienende Substanz

zurückbleibt. Es muß also, schließt *Huygens*, ein von der Luft

verschiedener Stoff, eben der Äther, vorhanden sein. Dieser erfüllt den

unendlichen Himmelsraum und den Raum zwischen den wägbaren Teilchen der

Körper. Er ist nicht schwer und somit nicht dem Gesetz der Gravitation

unterworfen.

Aus seiner Äthertheorie erklärte *Huygens* auch die Adhäsion sowie die

Kapillarität. Er war anfangs geneigt, beide auf den Druck der Luft

zurückzuführen. Versuche mit der Luftpumpe ergaben ihm jedoch, daß

die Erscheinungen im Vakuum dieselben bleiben. Darauf erklärte er die

Adhäsion, die Kapillarität und verwandte Erscheinungen aus dem Druck

einer materia subtilis, auf die er auch das Licht zurückführte.

Um die so außerordentlich rasche Fortpflanzung des Lichtes zu

verstehen, legt *Huygens* den Ätherteilchen drei Eigenschaften bei. Sie

sind äußerst klein, weit kleiner als die Luftteilchen; sie sind ferner

sehr hart, gleichzeitig aber äußerst elastisch. Nimmt man nämlich eine

Anzahl gleich großer Kugeln aus sehr hartem und gleichzeitig sehr

elastischem Stoff, etwa Stahl, und ordnet sie in gerader Linie so an,

daß sie sich berühren, so wird, wenn eine gleiche Kugel gegen die

erste Kugel dieser Reihe stößt, die Bewegung wie in einem Augenblicke

bis zur letzten gelangen. Diese trennt sich darauf von der Reihe,

ohne daß man bemerkt, daß die übrigen sich bewegt hätten. Die Kugel,

die den Stoß ausgeübt hat, bleibt sogar unbeweglich mit den übrigen

vereint[508]. Es offenbare sich hierin ein Bewegungsübergang von

außerordentlicher Geschwindigkeit, die umso größer sei, je größere

Härte und Elastizität die Substanz der Kugeln besitze. Darin, daß der

Äther als flüssiger Körper sich in beständiger Bewegung befinden muß,

weil die Bewegung der übrigen Materie in ihm vor sich geht, erblickt

Huygens keine Schwierigkeit. Die Fortpflanzung der Ätherwellen besteht

nämlich nach ihm nicht in der Fortbewegung der Ätherteilchen, sondern

in einer geringen Erschütterung, die sich trotz der ihre gegenseitige

Lage verändernden Bewegung auf die umgebenden Teilchen übertragen

müsse. Was den Ursprung dieser Wellen und die Art ihrer Fortpflanzung

anbetrifft, fährt *Huygens* fort, so folgt aus dem Vorausgeschickten,

daß jede kleine Stelle eines leuchtenden Körpers, wie der Sonne, einer

Kerze oder einer glühenden Kohle, Wellen erzeugt, deren Mittelpunkt

diese Stelle ist. Sind z. B. in einer Kerzenflamme A, B, C (Abb.

83) verschiedene Punkte, dann stellen die um jeden dieser Punkte

beschriebenen konzentrischen Kreise die Wellen dar, die von den Punkten

ausgehen.

[Illustration: Abb. 83. Die Fortpflanzung des Lichtes.]

Auch darin, daß eine Menge von Wellen sich durchkreuzen, ohne sich

gegenseitig aufzuheben, liegt für *Huygens* nichts Unbegreifliches.

Könne doch dasselbe Stoffteilchen mehrere Wellen fortpflanzen, die

von verschiedenen oder sogar von entgegengesetzten Seiten kommen.

Und zwar geschehe dies nicht nur, wenn das Teilchen durch rasch

aufeinanderfolgende Stöße, sondern auch, wenn es durch Stöße getroffen

werde, die in demselben Augenblicke darauf wirken. Als Beweismittel

führt *Huygens* den schon oben erwähnten, aus elastischen Kugeln

bestehenden Apparat ins Feld. Wenn man nämlich gegen die ruhenden

Kugeln von entgegengesetzten Seiten in demselben Augenblicke gleich

große Kugeln A und D stoße (Abb. 84), so werde man jede Kugel mit

derselben Geschwindigkeit, die sie beim Aufprall hatte, zurückschnellen

und die ganze Reihe an ihrer Stelle verharren sehen, obgleich die

Bewegung vollständig und zwar zweimal durch sie hindurchgegangen sei.

Zwar könne es unglaublich erscheinen, daß die durch die Bewegung so

kleiner Körperchen hervorgebrachten Wellen sich auf so ungeheure

Entfernungen fortzupflanzen vermögen, wie von der Sonne oder den

Fixsternen bis zur Erde. Doch auch dies Bedenken weiß *Huygens* zu

beseitigen. Wenn sich nämlich auch die Kraft dieser Wellen in dem Maße

abschwäche, in dem sich die Wellen von ihrem Ursprünge entfernen, so

müsse man doch erwägen, daß in einer großen Entfernung vom leuchtenden

Körper eine Unzahl von Wellen sich vereinigen. »Die unendliche Zahl

von Wellen, die in demselben Augenblicke von allen Punkten eines

Fixsternes, etwa eines so großen wie die Sonne, herkommen, bilden nur

eine einzige Welle, die auch genügend Kraft besitzen wird, um auf

unsere Augen Eindruck zu machen.«

[Illustration: Abb. 84. Huygens erklärt die Fortpflanzung des Lichtes.]

Hinsichtlich der Fortpflanzung dieser Wellen sei ferner zu bedenken,

daß jedes Teilchen des Stoffes, in dem eine Welle sich ausbreitet,

nicht nur dem nächsten Teilchen, das in der von dem leuchtenden

Punkte aus gezogenen geraden Linie liegt, seine Bewegung mitteilen

muß, sondern auch allen übrigen, die es berühren und die sich seiner

Bewegung widersetzen. Daher muß sich um jedes Teilchen eine Welle

bilden, deren Mittelpunkt dieses Teilchen ist. Wenn also DCF (s.

Abb. 85) eine Welle sei, die von dem leuchtenden Punkte A als Zentrum

ausgegangen ist, so werde das Teilchen B, das zu den von der Kugel

DCF umschlossenen gehört, seine die Welle DCF in C berührende

besondere Welle KCL in demselben Augenblicke gebildet haben, in

dem die von A ausgesandte Hauptwelle in DCF angelangt sei. Ferner

sei klar, daß die Welle KCL die Welle *DCF* eben nur in dem Punkt C

berühre, d. h. in demjenigen, der auf der durch AB gezogenen Graden

liegt. Auf dieselbe Weise bilde jedes andere Teilchen innerhalb der

Kugel DCEF wie *bbdd* usw. seine eigene Welle. Jede dieser Wellen

sei indessen nur unendlich klein im Vergleich zur Welle DCEF, zu

deren Bildung alle übrigen mit demjenigen Teile ihrer Oberfläche

beitragen, der von dem Mittelpunkte A am weitesten entfernt sei. Ferner

könne der Wellenteil BG (Abb. 85), der den leuchtenden Punkt A zum

Mittelpunkt hat, sich nur bis zu dem von den Geraden ABC und AGE

begrenzten Bogen CE ausbreiten. Obgleich nämlich die Einzelwellen,

welche durch die im Raume CAE enthaltenen Teilchen erzeugt werden,

auch außerhalb dieses Raumes sich ausbreiten müßten, so träfen sie

doch nirgends sonst, als eben nur in dem Bogen CE, im nämlichen

Augenblicke zusammen, um eine die Bewegung abgrenzende Welle zu bilden.

Hierin liegt für *Huygens* auch der Grund, weshalb sich das Licht,

sofern seine Strahlen nicht zurückgeworfen oder gebrochen werden, nur

in geraden Linien fortpflanzt, so daß es einen Gegenstand nur dann

beleuchtet, wenn der Weg von seiner Quelle bis zu diesem Gegenstande

längs solcher Linien offen steht. Wenn beispielsweise eine durch

undurchsichtige Körper begrenzte Öffnung BG vorhanden wäre, so würden

die von dem Punkte A kommenden Wellen immer durch die Geraden BC und

GE begrenzt sein, da diejenigen Teile der Einzelwellen, die sich über

BC und GE hinaus ausbreiten, zu schwach seien, um daselbst Licht

hervorzubringen.

[Illustration: Abb. 85. Erläuterung des Huygens'schen Prinzips.]

Die Erscheinungen der Reflexion und der Brechung vermag *Huygens* aus

seinem soeben entwickelten Prinzip ohne Schwierigkeiten abzuleiten.

AB sei eine ebene Fläche (Abb. 86), AC ein Teil einer Lichtwelle,

deren Mittelpunkt soweit entfernt sei, daß AC als gerade Linie

betrachtet werden kann. Die Einzelwellen, die von den Punkten KKK

ausgehen, werden dann in einem bestimmten Augenblicke durch die

gemeinschaftliche Tangente BN begrenzt. Aus der Figur (Abb. 86)

ersieht man, daß die Winkel CBA und NAB gleich sind, somit das

Reflexionsgesetz bewiesen ist[509].

Ebenso leicht erklärt *Huygens* aus seinem Prinzip die einfache

Brechung, unter der Voraussetzung, daß das Licht in den durchsichtigen

Körpern eine Verminderung seiner Geschwindigkeit erleidet. Daß die

Körper keine kontinuierliche Masse bilden, sondern aus nebeneinander

gelagerten Teilchen bestehen, schließt *Huygens* daraus, daß der

Magnetismus und die Schwerkraft, die für ihn materieller Natur sind,

durch feste Körper hindurch wirken. Die verbleibenden Zwischenräume

sollen durch die Teilchen des Äthers ausgefüllt sein. Beim Durchgang

des Lichtes durch Körper seien aber nicht nur die Äther-, sondern auch

die Körperteilchen in Bewegung und aus der geringeren Elastizität

der letzteren erkläre sich die Verlangsamung der Lichtwellen[510].

Es erhebt sich nun die Frage, weshalb nicht alle Körper durchsichtig

sind, da doch der Äther ihre Poren erfüllt. *Huygens* begegnet dieser

Schwierigkeit durch die Annahme, daß gewisse Körperteilchen dem Äther

gegenüber nachgiebig seien, ihre Gestalt unter dem Druck des Äthers

verändern und so die Bewegung des Äthers vernichten.

Wir sehen, wie *Huygens* die von der neueren Philosophie, insbesondere

von *Descartes* begründete Korpuskulartheorie auszubauen und den

Zwecken der Naturerklärung dienstbar zu machen suchte. *Huygens* nahm

in der Entwicklung dieser Theorie eine abschließende Stellung ein,

indem er ihr den Wert einer wissenschaftlichen, die Grundsätze der

Kinetik benutzenden Betrachtungsweise zu verleihen wußte. Sehen wir

nun, wie *Huygens* das Verhalten des Lichtstrahls beim Eindringen in

durchsichtige Körper aus seinen Prinzipien erklärt.

[Illustration: Abb. 86. Huygens erklärt die Reflexion des Lichtes.]

AB (Abb. 87) sei die Grenze des durchsichtigen Körpers, AC ein

Wellenteil einer Lichtquelle, die soweit entfernt ist, daß AC

als gerade Linie angenommen werden kann. Es mögen sich ferner die

Geschwindigkeiten außerhalb und innerhalb des Körpers wie 3 : 2

verhalten. Dann wird sich in der Zeit, die das Licht gebraucht, um von

C nach B zu gelangen, um A in dem Körper eine Welle gebildet haben,

die durch BN begrenzt wird, und zwar wird das Stück AN nach der

Voraussetzung zwei Drittel von AG sein. Indessen auch um die Punkte

KKK bilden sich Einzelwellen, die durch Kreise dargestellt werden,

deren Halbmesser zwei Drittel der entsprechenden Verlängerungen

KM, *KM*, KM betragen. Alle diese Kreise haben nun BN als

gemeinschaftliche Tangente. Letztere begrenzt die Bewegung und ist

somit die Fortsetzung der Welle AC für den Augenblick, in dem sie von

C nach B gelangt ist. Die Lichtgeschwindigkeiten CB und AN, die

für diesen Fall = 3 : 2 angenommen wurden, verhalten sich auch wie der

Sinus von EAD zum Sinus von FAN, so daß die Konstruktion mit dem

Brechungsgesetz in vollkommenem Einklang steht.

[Illustration: Abb. 87. Huygens leitet aus seinem Prinzip das

Brechungsgesetz ab.]

Doppelbrechung und Polarisation.

Weit größere Schwierigkeiten machte es, aus dem Prinzip der

Elementarwellen die um die Mitte des 17. Jahrhunderts am isländischen

Spat entdeckte Doppelbrechung abzuleiten. Die betreffende Untersuchung

von *Huygens* bildet, wie sein Herausgeber sich ausdrückt, den Glanz-

und Mittelpunkt des ganzen Werkes und ist ein unübertroffenes Muster

des Zusammenwirkens experimenteller Forschung und scharfsinniger

Analyse.

*Huygens* war bei dem Aufsehen, das *Bartholins* Schrift über den

Doppelspat[511] erregt hatte, zu seiner Untersuchung geradezu

gezwungen, weil die neuentdeckte, wunderbare Erscheinung seine

Erklärung der gewöhnlichen Brechung umzustürzen schien. Das Ergebnis

war, daß sich die Doppelbrechung auf das gleiche Grundgesetz

zurückführen und somit zur Bestätigung desselben verwerten ließ.

*Huygens* begab sich zunächst an eine Nachprüfung der von *Bartholin*

gefundenen Ergebnisse. Die Winkel C, D (Abb. 88) des Rhomboeders fand

er gleich 101° 52ʹ, die Winkel A, B dagegen gleich 78° 8ʹ.

[Illustration: Abb. 88. Huygens untersucht den Doppelspat.]

[Illustration: Abb. 89. Huygens erläutert den Aufbau des Doppelspats.]

Um die Form, die Spaltbarkeit und weiterhin auch die optischen

Eigenschaften des Doppelspats zu erklären, unternahm *Huygens* einen

für die weitere Entwicklung der mineralogischen Wissenschaft sehr

wichtigen Schritt. Er stellte sich nämlich vor, daß der Kristall aus

kleinsten Teilchen zusammengesetzt sei. Indem er dann weiter über

die Form und die Lagerung dieser Teilchen gewisse Annahmen machte,

gelang es ihm, aus diesen Annahmen die beobachteten Erscheinungen

abzuleiten. *Huygens* nahm an, die Teilchen des Kristalles seien

Sphäroide, wie sie aus der Umdrehung einer Ellipse um ihre kleinere

Achse hervorgehen. Stehen die Achsen dieser Sphäroide in einem

bestimmten Verhältnis und setzt man eine größere Zahl solcher Sphäroide

in der in Abb. 89 angegebenen Weise zusammen, so ergibt sich die aus

der Beobachtung gefundene Form mit den an ihr gefundenen Winkel-

und Spaltungsverhältnissen. Wären nämlich die Sphäroide durch ein

Bindemittel (im Modell könnte man die in der Natur zwischen den

Sphäroiden wirkenden Anziehungen durch Zusammenleimen ersetzen)

verbunden, so würde sich der aus ihnen aufgebaute Körper nach Flächen

spalten, welche den die Ecken bildenden Flächen parallel sein

müßten. Jedes Sphäroid würde sich nämlich von nur drei Sphäroiden

der benachbarten Schicht losreißen, während es sich doch von sechs

Sphäroiden trennen müßte, um die Schicht zu verlassen, der es selbst

angehört.

Da *Huygens* die Entdeckung machte, daß auch der Bergkristall das Licht

doppelt bricht, nahm er für dieses Mineral einen ähnlichen Aufbau an.

Derartige Betrachtungen über den regelmäßigen Bau der Kristalle aus

gleichartigen Teilchen von bestimmter Form sind, wie wir sehen werden,

im 19. Jahrhundert durch *Hauy* wieder aufgenommen und auf sämtliche

Kristallformen ausgedehnt worden.

Über die Entdeckung der viel weniger auffallenden Doppelbrechung des

Bergkristalls teilt *Huygens* mit, er habe aus dem Material nach

verschiedenen Richtungen Prismen schneiden und diese gut polieren

lassen. Als er durch solche Prismen nach einer Kerzenflamme blickte,

erschien sie ihm doppelt. Jetzt war auch die Tatsache aufgeklärt, daß

sich Linsen aus dem so durchsichtigen Bergkristall für Fernrohre von

einiger Länge als unbrauchbar erwiesen hatten.

Wie die Form und die Spaltbarkeit des Doppelspats durch die Annahme

kleiner Sphäroide verständlich wird, so lassen sich die optischen

Eigenschaften nach *Huygens* aus sphäroidischen Lichtwellen erklären,

die in ihrer Lage mit den Körperteilchen übereinstimmen, so daß der

Aufbau des Kristalls als die Ursache sämtlicher geometrischen und

physikalischen Eigenschaften erscheint[512]. Es würde indessen zu weit

führen, wenn wir den Gang dieser Untersuchung eingehender verfolgen

wollten. Es genügt hier, die Fortpflanzung in sphäroidischen Wellen für

das Licht zu betrachten, das senkrecht auf die Fläche des Kristalles

trifft und trotzdem abgelenkt wird. Solche Wellen werden sich bilden,

wenn sich das Licht »in der einen Richtung etwas schneller als in

der anderen ausbreitet.« AB (Abb. 90) sei die Grenze zwischen dem

Kristall und der Luft, RC sei ein Wellenteil des Lichtes. Der

Strahl treffe den Kristall in *AKkkB*. Von diesen Punkten gehen

aber nicht, wie es sonst die Regel ist, halbkugelförmige, sondern

halbsphäroidische Einzelwellen aus, deren große Achsen, wie VAX,

gegen die Ebene AB geneigt sind. Um Punkt A wird sich nach Ablauf

eines gewissen Zeitteilchens ein halbes Sphäroid SVNT gebildet haben,

das die vom Punkte A ausgehende Einzelwelle darstellt. Um die Punkte

K, k, k, B bilden sich in derselben Zeit gleiche und ähnlich wie

SVNT liegende Einzelwellen, deren gemeinsame Tangente NQ analog

der früheren Betrachtungsweise wieder die in dem Kristall befindliche

Fortsetzung der Welle RC ist, denn diese Linie begrenzt in demselben

Augenblicke die Bewegung, die von der auf AB treffenden Welle RC

herrührt. Diese gemeinsame Tangente NQ ist zwar AB parallel und

an Länge gleich, sie liegt aber nicht AB genau gegenüber. »Jetzt

verstand ich«, sagt *Huygens*, »daß die an der Öffnung AB anlangende

Welle RC fortfährt, sich von dort zwischen den Parallelen AN und

BQ fortzupflanzen.«

[Illustration: Abb. 90. Huygens erklärt die Doppelbrechung.]

Wie *Huygens* dann die Lage und das Achsenverhältnis der Sphäroide

ergründet und unter der Annahme halbsphäroidischer Einzelwellen durch

eine Tangentenkonstruktion ähnlich derjenigen, die wir in Abb. 87

kennen gelernt haben, den Gang des außergewöhnlichen Strahles für

schräg einfallendes Licht findet, muß in seiner Abhandlung selbst

nachgesehen werden[513].

Aus der Konstruktion ergibt sich außer der zuerst betrachteten

Anomalie, daß senkrecht auffallendes Licht gebrochen wird, auch die

Notwendigkeit, daß es schräg einfallende Strahlen geben muß, welche

durch den Doppelspat hindurchgehen, ohne eine Brechung zu erleiden.

In Übereinstimmung mit der Rechnung zeigte die Erfahrung, daß sich so

der Strahl verhält, der die Fläche des Kristalls unter einem Winkel

von 73° 20ʹ trifft[514]. Kurz, *Huygens* fand, daß jede Erscheinung,

die er aus seiner Hypothese abzuleiten vermochte, mit der Beobachtung

übereinstimmte, ein »nicht gering zu veranschlagender Beweis« für die

Richtigkeit seiner Voraussetzungen.

Nachdem *Huygens* seine Untersuchungen der optischen Eigenschaften

des Doppelspats bis zu diesem Punkte gefördert hatte, entdeckte er

noch »eine wunderbare Erscheinung«, die er aus seiner Theorie nicht

abzuleiten vermochte, nämlich die Polarisation des Lichtes durch

Doppelbrechung. Er beschreibt diese Entdeckung in folgender Weise:

»Nimmt man zwei Stücke des Kristalls und legt sie (Abb. 91) so

aufeinander, daß alle Seiten des einen denjenigen des anderen parallel

sind, so wird der Strahl AB, der in dem ersten Stück in die beiden

Strahlen BD und BC zerlegt wird, beim Eintritt in das zweite

Stück sich nicht noch einmal spalten. Es wird vielmehr der von der

regelmäßigen Brechung herrührende Strahl DG noch eine regelmäßige

Brechung, der außergewöhnliche Strahl CE eine unregelmäßige Brechung

erleiden (Abb. 91). Dies geschieht immer, wenn die Hauptschnitte

beider Rhomboeder in ein und derselben Ebene liegen, auch wenn die

Seitenflächen der Rhomboeder gleichzeitig gegeneinander geneigt sind.«

[Illustration: Abb. 91.]

[Illustration: Abb. 92.]

Huygens entdeckt die Polarisation durch Doppelbrechung.

Ordnete *Huygens* die beiden Kristalle dann in der Weise an, daß ihre

Hauptschnitte sich rechtwinklig schnitten (Abb. 92), so erlitt der

gewöhnliche Strahl ABDG in dem zweiten Kristall nur die eine, aber

außergewöhnliche Brechung GH, der außergewöhnliche Strahl aber nur

die eine, und zwar gewöhnliche Brechung EF.

In allen Zwischenstellungen endlich teilten sich die Strahlen beim

Eintritt in den unteren Kristall von neuem in je zwei, so daß aus dem

ursprünglich einzigen Strahl AB vier Strahlen entstanden. Diese vier

Strahlen sind, wie *Huygens* fand, je nach der Stellung der Kristalle

bald von gleicher, bald von verschiedener Helligkeit, jedoch so, daß

sie »alle zusammen anscheinend nicht mehr Licht enthalten, als der eine

Strahl AB.«

Wenn *Huygens* sich auch nicht an eine Erklärung dieser von ihm

herrührenden, höchst wichtigen Entdeckung heranwagt, so macht er

doch darüber eine sehr zutreffende Bemerkung, welche denen, die sich

später mit dem Problem beschäftigten, einen wertvollen Fingerzeig bot.

*Huygens* meint nämlich, die Lichtwellen erhielten offenbar bei ihrem

Durchgang durch den ersten Kristall eine gewisse Anordnung, durch die

ihr Verhalten in dem zweiten Kristall bestimmt werde. Welcher Art aber

die Anordnung sei, dafür habe er keine befriedigende Erklärung finden

können. Die von *Huygens* als Polarisation bezeichnete Erscheinung

blieb als vereinzelte Sonderbarkeit fast unbeachtet, bis *Malus* nach

mehr als einem Jahrhundert fand, daß das Licht auch durch Reflexion

polarisiert werden kann[515]. Die Polarisation mußte solange jedem

Erklärungsversuche widerstreben, als man mit *Huygens* annahm, daß

die Lichtschwingungen gleich denjenigen des Schalles longitudinal

seien. Erst nachdem man diese Annahme aufgegeben, gelang der

Undulationstheorie, wie uns die weitere Entwicklung lehren wird, die

Erklärung sämtlicher optischen Erscheinungen.

Auch auf eine Erklärung der Farben hat *Huygens* verzichtet. Ihre

Entstehung wird in seiner Abhandlung nirgends gestreift. Dieser

Umstand hat viel dazu beigetragen, daß die Wellentheorie zunächst der

Emissionstheorie ihre Herrschaft nicht streitig zu machen vermochte.

Die, wenige Jahre vor der Entstehung seiner Abhandlung von *Grimaldi*

(1665) entdeckte, Beugung des Lichtes scheint *Huygens* damals noch

nicht gekannt zu haben, da er sie nirgends erwähnt.

*Descartes* war der erste Physiker, der eine Farbenlehre schuf, die

von der bisher gültigen Meinung des *Aristoteles*[516], nach der die

Farben durch Mischung von Licht und Dunkelheit entstehen sollten,

abwich. Für ihn enthält der kosmische Raum eine außerordentlich feine

Materie, die auch die Zwischenräume der aus gröberem Stoff gebildeten,

unseren Sinnen sich offenbarenden Materie ausfüllt. Dieser feine

Stoff befindet sich nach *Descartes* als Ganzes und auch in seinen

einzelnen Teilchen in einer rotierenden Bewegung. Die großen Wirbel

sind die Ursache der Planetenbewegung, während die verschieden großen

Teilrotationen die Verschiedenartigkeit der Farben bedingen. Der

Lichtstrahl selbst besteht nur in einem Druck auf die den kosmischen

Raum erfüllenden Elementarteilchen, und ein solcher Druck braucht, weil

er ja nur Tendenz zur Bewegung und nicht Bewegung selbst ist, zu seiner

Fortpflanzung keine Zeit. Das Auge empfindet diesen Druck als Licht,

und als Farben die Rotationsbewegung der Elementarteilchen, die unter

dem Einfluß dichter optischer Medien überdies Änderungen erleidet,

welche zum Zustandekommen des Spektrums führen. Der stärksten Rotation

der kugelförmigen Teilchen entspricht das Rot, der schwächsten das

Violett.

*Descartes'* Theorie fand zwar keine Annahme. Sie erregte aber als

der erste Versuch, das Licht und die Farben mechanisch zu erklären

die Aufmerksamkeit aller zeitgenössischen Physiker. Auch *Boyle* und

*Newton* haben sich mit ihr auseinander gesetzt.

Die Erfindung der Pendeluhr.

Von gleicher Bedeutung wie seine Leistungen auf dem Gebiete der Optik

waren *Huygens'* Arbeiten auf dem Felde der Mechanik, wenn es sich auch

hier nur um ein Fortbauen auf den von *Galilei* herrührenden Grundlagen

handeln konnte. Knüpfte *Newton* an *Galileis* Untersuchungen über den

Wurf an, so entwickelte *Huygens* die Theorie des Pendels, für das

der große Meister nur die fundamentalen Gesetze aufgefunden hatte,

bis in alle Einzelheiten. Dabei wandte er in seinem 1673 erschienenen

Werke über die Pendeluhr[517], das den »Prinzipien« *Newtons* als

ebenbürtig an die Seite gestellt werden kann, die Geometrie in solch

bewunderungswürdiger Weise auf mechanische Probleme an, daß *Newton*

sehr wahrscheinlich durch die Mustergültigkeit der *Huygens*'schen

Darstellung bewogen wurde, sich in dem genannten Hauptwerk gleichfalls

geometrischer Beweise zu bedienen, anstatt der höheren Analysis, in

deren Besitz er sich damals schon befand, den Vorzug einzuräumen[518].

Die Frage der Einführung eines genauen Zeitmaßes war im Verlauf des 17.

Jahrhunderts, in dem so große Dinge auf den Gebieten der Astronomie

und der Physik geschahen, zu einer brennenden geworden. Der weitere

Fortschritt dieser Wissenschaften mußte wesentlich von der Einführung

eines solchen abhängen. Wir sahen, daß noch *Galilei* sich bei seinen

Fallversuchen einer Art Wasseruhr bediente[519]. Da *Galilei* mit Hilfe

dieser Vorrichtung die Schwingungsdauer eines und desselben Pendels

als konstant erwies, so mußte er auf den Gedanken kommen, sich dieses

so viel einfacheren Mittels als Zeitmaß zu bedienen. *Galilei* hatte

sogar die Idee, das Pendel mit einem Zählwerk zu verbinden[520]. Es kam

nur noch darauf an, den wiederholten Anstoß seitens der Hand, den die

von *Galilei* ersonnene Vorrichtung erforderte, durch eine automatisch

wirkende Einrichtung zu ersetzen. Hierin besteht die Erfindung des

großen *Huygens*, auf die er 1667, im 28. Jahre seines Lebens, ein

Patent nahm[521].

Während man sich im Altertum, sowie im früheren Mittelalter nur

der Sonnen- und der Wasseruhren bedient hatte, kamen seit dem 11.

Jahrhundert Räderuhren mit Gewichten auf. Später wurden diese Uhren

mit einem Schlagwerk in Verbindung gesetzt. In der zweiten Hälfte des

14. Jahrhunderts gab es derartige Turmuhren schon in vielen Städten.

Ihre Regulierung erfolgte durch Windflügel, wie sie noch heute bei

den Spielwerken gebräuchlich sind, oder durch eine horizontale, mit

Gewichten beschwerte Stange. Ihr Gang war jedoch so ungenau, daß ein

Wärter ihn überwachen und nach der Sonne und den Sternen regeln mußte.

Die nachstehende Abbildung zeigt uns die älteste der noch vorhandenen

Turmuhren. Sie hat von 1348-1872 in Dover die Stunden angegeben. Das

nicht mit abgebildete Gewicht hängt am Seile a und dreht zunächst

das Zahnrad b. Dieses setzt vermittelst des Zahngetriebes das

Sperrad c in Bewegung, das seinerseits mit der senkrechten Achse d

eines Horizontalpendels in Verbindung steht. Letzteres wird durch

Laufgewichte zu schnellerem oder langsamerem Schwingen veranlaßt und

erhält seinen Antrieb durch zwei an seiner Achse d befindliche Platten,

die um den Durchmesser des Sperrades von einander entfernt sind und

abwechselnd in dessen Zähne eingreifen.

[Illustration: Abb. 93. Im South-Kensington-Museum (London) aufbewahrte

Turmuhr aus dem 14. Jahrhundert.]

Deutschlands berühmteste Uhr war die im Jahre 1574 eingeweihte

astronomische Uhr im Straßburger Münster[522]. Sie war mit einem

Himmelsglobus verbunden (er befindet sich noch in Straßburg). Dahinter

befand sich ein immerwährender Kalender. Ein Astrolabium zeigte den

jeweiligen Stand der Planeten im Tierkreise an usw. Manches davon ist

erhalten geblieben[523].

Für astronomische Beobachtungen hat zuerst *Walther* in Nürnberg

im Jahre 1484 eine Räderuhr konstruiert und benutzt. Hausuhren

mit Schlagwerk kamen um die Mitte des 16. Jahrhunderts auf. Auch

Taschenuhren waren damals schon häufiger anzutreffen. Sie werden auf

*Peter Henlein* in Nürnberg zurückgeführt, der das Gewicht durch eine

Feder ersetzte (1505). Ein Zeitgenosse schreibt darüber: »Er machte

kleine Uhren mit vielen Rädern. Diese Uhren können im Geldbeutel

getragen werden.« Wegen ihrer Form nannte man sie Nürnberger Eier.

[Illustration: Abb. 94. Huygens' Abbildung der von ihm erfundenen

Pendeluhr[524].]

Die dem Werke des *Huygens* entnommene Abbild. 94 zeigt die von ihm

erfundene Pendeluhr. Sie besteht in der Verbindung eines horizontalen,

gezähnten Rades K mit einer horizontalen Achse, deren Schaufeln LL

abwechselnd zwischen die Zähne eingreifen. Über D ist eine Schnur

gewickelt, die das Gewicht trägt. Die heute gebräuchliche Ankerhemmung

wurde erst später erfunden[525].

*Galilei* hatte die Analogie der Pendelbewegung mit dem Fall über

die schiefe Ebene nachgewiesen. *Huygens* verallgemeinerte diese

Betrachtung, indem er den Fall durch eine beliebige Kurve auf eine

Folge von Bewegungen auf geneigten Ebenen zurückführte. Er fand, daß

unter den von ihm untersuchten Linien eine vorhanden war, in der die

Fallbewegung im luftleeren Raum vollkommen isochron verläuft. Es

war dies nicht der Kreisbogen, für den *Galilei* die Isochronie der

Schwingungen nachgewiesen zu haben glaubte, sondern die Cykloide. Der

tiefste Punkt B der Cykloide ABC (siehe Abb. 95) wird nämlich, wenn

ein Körper in dieser Kurve fällt, stets in derselben Zeit erreicht, von

welchem der zwischen A und B gelegenen Punkte aus die Bewegung auch

beginnen mag[526].

[Illustration: Abb. 95. Huygens beweist, daß die Schwingungen in der

Cykloide isochron erfolgen[527].]

Dieses Ergebnis seiner mathematischen Untersuchung wußte *Huygens*

auch praktisch zu verwerten. Um dem Pendel anstatt der Kreis- die

Cykloidenbewegung zu erteilen, kam es darauf an, daß der Faden, der bei

dem Kreispendel in jeder Stellung eine gerade Linie bildet, gezwungen

wird, sich an eine Kurve von bestimmter Gestalt anzuschmiegen. Die

Untersuchung ergab, daß diese Kurve gleichfalls eine Cykloide sein

muß. In der Abb. 95 stimmen dementsprechend die Cykloidenstücke AD

und CD mit den Stücken AB und BC überein. Abb. 96 zeigt uns die

von *Huygens* für sein Cykloidenpendel vorgeschlagene Einrichtung.

Sie besitzt zwei feste, cykloidisch gekrümmte Backen, denen sich der

obere fadenförmige Teil des Pendels anschmiegt. Anwendung hat das

Cykloidenpendel selten gefunden, da das Kreispendel nach Einführung der

Ankerhemmung und bei Anwendung kleiner Ausschläge den hinsichtlich der

Genauigkeit des Ganges zu stellenden Anforderungen genügend entspricht.

Die Taschenuhr versah *Huygens* (siehe Abb. 97) mit der noch jetzt

gebräuchlichen Unruhe[528]. Ferner entwickelte er die Theorie des

konischen oder Zentrifugalpendels[529], das in einem horizontalen,

vollen Kreise schwingt, während gleichzeitig der Faden die Kegelfläche

beschreibt, eine Vorrichtung, die später *Watt* als Regulator der von

ihm verbesserten Dampfmaschine verwendet hat.

[Illustration: Abb. 96. Huygens' Cykloidenpendel[530].]

[Illustration: Abb. 97. Huygens' Unruhe.]

Fügen wir noch hinzu, daß *Huygens* die Länge des Sekundenpendels zum

erstenmal genauer bestimmte (er fand sie gleich 3,0565 Pariser Fuß),

daß er ferner die Formel für die Pendelbewegung[531] und aus ihr die

Beschleunigung für den freien Fall ableitete, so erkennen wir, mit

welcher Fülle neuer Entdeckungen die Wissenschaft durch ihn bereichert

wurde.

Die Beschleunigung g für den freien Fall oder die Acceleration der

Schwerkraft ergab sich, indem man in die Pendelformel t = π√(l/g) für l

die Werte für das Sekundenpendel (t = 1 und l = 3,0565) einsetzte und

sie dann nach g auflöste: 1 = π√(3,0565/g); g = π^2 · 3,0565 = 30,1666

Pariser Fuß, wofür *Huygens* 30 Fuß 2 Zoll setzte.

Den Wert, den *Huygens* in Paris für die Länge des Sekundenpendels

ermittelt hatte, brachte er als Einheit für das Längenmaß in Vorschlag,

ohne jedoch den Beifall seiner Zeitgenossen zu finden.

*Huygens* hat sich nicht damit begnügt, die Wirkungen der Schwerkraft

zu erforschen, er hat sie auch, wie das Licht, mechanisch zu

erläutern gesucht[532]. Die Schwere darf man nach ihm nicht auf eine

»Eigenschaft« oder Neigung zurückführen wollen, sondern sie ist, wie

jeder Vorgang in der Natur, aus der Bewegung zu erklären. *Huygens*

knüpft an *Descartes* an, der die Schwere aus der Bewegung einer um

die Erde kreisenden Materie zu begreifen gesucht hatte. Die Schwere,

sagt *Huygens*, wirke auf eine so geheime Weise, daß die Sinne nichts

darüber zu entdecken vermöchten. Früher habe man diese Wirkungen

inhärenten Eigenschaften (Qualitäten) der Körper zugeschrieben. Dies

heiße jedoch nicht die Ursachen auseinandersetzen, sondern dunkle

Prinzipien unterschieben. *Descartes* dagegen habe erkannt, daß man die

physikalischen Vorgänge auf Begriffe zurückführen müsse, die unsere

Fassungskraft nicht übersteigen. Als solche gelten *Descartes* und

*Huygens* die qualitätslose Materie und ihre Bewegung.

*Huygens* ging dabei von folgendem Experiment aus. Er bedeckte

den Boden eines zylindrischen Gefäßes mit kleinen Stückchen eines

festen Körpers (z. B. Siegellack). Dann füllte er es zum Teil mit

Wasser und ließ es mit Hilfe einer Zentrifugalmaschine um die Achse

rotieren. Hielt er die Maschine und damit das Gefäß plötzlich an, so

rotierte das Wasser noch einige Zeit. Dabei zeigte es sich, daß die

Siegellackstückchen nach dem Mittelpunkt des Bodens getrieben wurden.

Wie das Wasser in dem Gefäß, so rotiert nach *Huygens* um die Erde eine

»Äthermaterie«, deren Flüssigkeitsgrad man sich unvergleichlich viel

größer vorstellen müsse als denjenigen, den wir beim Wasser bemerken.

Befänden sich in dieser flüssigen Materie gröbere Körper, so würden

sie, wie der Versuch es zeige, nicht der raschen Bewegung jener Materie

folgen, sondern nach dem Zentrum der Bewegung gestoßen. Die Schwere sei

also »die Wirkung des Äthers, der sich um den Erdmittelpunkt bewegt und

sich von diesem Zentrum zu entfernen und an seine Stelle diejenigen

Körper zu drängen sucht, welche dieser Bewegung nicht folgen.«

Auf die hier von *Huygens* entwickelten Vorstellungen gehen im Grunde

genommen auch die neueren Bestrebungen zurück, die Gravitation

mechanisch zu erklären.

Förderung der Theorie des Pendels.

*Huygens'* Bedeutung ist hiermit bei weitem noch nicht erschöpft.

Die bisher gestreiften Leistungen auf dem Gebiete der Mechanik

waren nämlich entweder praktischer Art, oder sie bestanden in der

Betrachtung des einfachen Pendels, worunter ein materieller Punkt

verstanden wird, der an einem gewichtslosen Faden schwingt. Bald

nachdem die Untersuchungen *Galileis* in den nördlichen Ländern

Europas bekannt geworden waren, hatte ein französischer Gelehrter[533]

die Frage aufgeworfen, nach welchen Gesetzen denn die Schwingungen

beliebig gestalteter Körper vor sich gingen. *Descartes* und andere

scharfsinnige Mathematiker, darunter auch der damals 17 Jahre alte

*Huygens*, nahmen das Problem in Angriff, ohne eine Lösung finden zu

können. *Descartes* gab zwar eine schärfere Formulierung. »Wie es einen

Schwerpunkt in allen frei herabfallenden Körpern gibt«, sagt er, »so

haben alle Körper, die sich vermöge der Schwere um irgend einen Punkt

bewegen, einen Agitationspunkt; und alle Körper, bei denen dieser

Agitationspunkt gleich weit vom Aufhängepunkt entfernt ist, machen

ihre Hin- und Hergänge in derselben Zeit«. Die Bestimmung dieses

Agitations-, Oszillations- oder Schwingungsmittelpunktes gelang erst

viel später *Huygens*, der seine Methode, 27 Jahre, nachdem die Frage

aufgeworfen war, in seinem Werke über die Pendeluhr bekannt gab.

Man nehme außer dem materiellen Punkt, der das einfache Pendel bildet,

auf der Pendellinie noch einen zweiten Punkt an, der mit dem ersten

in fester Verbindung steht (siehe Abb. 98). Sucht man nun die Länge

*ox* desjenigen einfachen Pendels zu bestimmen, das die gleiche

Schwingungszeit wie das System *ab* besitzt, so hat man das Problem des

Schwingungsmittelpunktes in seiner einfachsten Form. Der Punkt b wird

durch a gehemmt, a durch b dagegen beschleunigt. Mithin wird der Punkt

b langsamer und der Punkt a schneller schwingen, als sie es für sich

allein tun würden, und es muß zwischen b und a einen Punkt geben, der

die gleiche Schwingungszeit besitzt wie das System *ab*.

[Illustration: Abb. 98. Das Problem des Schwingungsmittelpunktes.]

Es entsteht nun die Frage, wie sich bei einem physischen, aus unendlich

vielen Massenteilchen zusammengesetzten Pendel die Bewegungen

der untereinander in fester Verbindung stehenden Teile zu einer

Gesamtbewegung vereinigen. Die Lösung dieses Problems des physischen

oder zusammengesetzten Pendels ist ohne Frage die bedeutendste

Leistung, die *Huygens* auf dem Gebiete der theoretischen Mechanik

vollbrachte. Er widmet dem Problem den vierten Teil seines großen

Werkes. Vorausgeschickt sind einige Erklärungen, darunter vor allem die

Definition des Schwingungsmittelpunktes. Sie lautet: »Als Schwingungs-

oder Oszillationszentrum einer beliebigen Figur wird derjenige Punkt

auf der Schwerelinie bezeichnet, der soweit von der Schwingungsachse

entfernt ist, wie die Länge des einfachen Pendels beträgt, das die

gleiche Schwingungsdauer wie die Figur besitzt[534].« Man kann sich

also in diesem Punkte die Masse des schwingenden Körpers ebenso

konzentriert denken, wie in dem Schwerpunkt die Masse des ruhenden

Körpers. Auch in dem Oszillationspunkt sind nämlich die verschiedenen,

auf die Teile des Pendels während seiner Schwingung wirkenden Kräfte zu

einer Resultierenden vereinigt, wie während der Ruhelage die parallel

gerichteten Schwerkräfte sich zu einer Resultierenden zusammensetzen,

die durch einen Punkt des ganzen Systems geht, den wir deshalb als

Schwerpunkt bezeichnen. Die Lösung dieses verwickelten Problems

gelang *Huygens* auf Grund eines von ihm aufgestellten Prinzips, das

sich sowohl hier als auch in der Folge als eins der allerwichtigsten

erwiesen hat. Es lautet in der Fassung seines Begründers: »Wenn

irgendwelche schwere Körper vermöge der auf sie wirkenden Schwerkraft

sich in Bewegung setzen, so kann ihr gemeinsamer Schwerpunkt nicht

höher steigen, als er sich zu Beginn der Bewegung befand«[535].

*Huygens* erläutert dies Prinzip am Pendel, indem er sagt, nach der

Entfernung der Luft und jedweden anderen Hindernisses müsse der

Schwerpunkt des bewegten Pendels beim Herabfallen und Emporsteigen

stets gleiche Bogen durchlaufen. Damit ist für ihn zugleich die

Möglichkeit des Perpetuum mobile, d. h. einer Erzeugung von Kraft ohne

einen entsprechenden Aufwand widerlegt. Eine solche Erzeugung aus dem

Nichts würde nämlich statthaben, wenn die Masse höher stiege, als sie

zuvor herabgefallen ist.

Aus den Fallgesetzen war bekannt, daß die Höhe, welche die

Masse beim Emporsteigen erreicht, proportional ist dem Quadrate

der Geschwindigkeit, die sie beim Herabfallen erlangt. Die

Geschwindigkeiten der Massenteilchen des Pendels sind aber den

Abständen dieser Teilchen von der Drehungsachse proportional. Mit

Hilfe dieser Sätze gelingt *Huygens* die allgemeine Lösung des

Problems vom Schwingungsmittelpunkt. »Man findet seine Entfernung

von der Drehachse«, sagt er, »indem man die Summe der Produkte der

Massen mit den Quadraten der Abstände von der Drehungsachse durch

das Produkt aus der Summe dieser Massen und ihren Abständen von der

Drehungsachse dividiert.« Zur Erläuterung diene die Abb. 99. Eine Reihe

von materiellen Punkten B, C, D ..., deren Massen m_{1} m_{2} m_{3}

sind, seien zu einem Massensystem verbunden. Ihre Entfernungen von der

Drehungsachse A seien a_{1}, a_{2}, a_{3} ... Dann ist nach dem von

*Huygens* gefundenen Satze die Entfernung z des Schwingungspunktes O

vom Aufhängepunkt A:

[Illustration: Abb. 99. Huygens löst das Problem des

Schwingungsmittelpunktes.]

z = (m_{1}a_{1}^2 + m_{2}a_{2}^2 + m_{3}a_{3}^2 ...)/

(m_{1}a_{1} + m_{2}a_{2} + m_{3}a_{3} ...)

oder kürzer ausgedrückt:

z = (Σ (ma^2))/(Σ ma)

Nachdem dann *Euler* für das Produkt aus der Masse und dem

Quadrat ihrer Entfernung von der Drehungsachse die Bezeichnung

»Trägheitsmoment« eingeführt hatte, lautete der Satz von *Huygens*

in der noch heute üblichen Fassung: Man erhält die Entfernung des

Schwingungspunktes von der Drehachse eines physischen Pendels, wenn man

die Summe der Trägheitsmomente durch die Summe der statischen Momente

dividiert.

Der von *Huygens* ausgesprochene Satz, daß der gemeinschaftliche

Schwerpunkt miteinander verbundener, als Ganzes aber isolierter Massen

nicht höher steigen kann, als er zuvor durch den Fall herabgesunken

ist, wurde später von *Johann Bernoulli* als ein allgemeines

Naturgesetz hingestellt und das »Prinzip von der Erhaltung der

lebendigen Kräfte« genannt. Der letztere Ausdruck stammt wieder von

*Leibniz* her, der unter lebendiger Kraft das Produkt aus der Masse

und dem Quadrate der Geschwindigkeit verstand und über den im Weltall

vorhandenen Kräftevorrat gleichfalls schon Betrachtungen anstellte.

Auf die Ableitung der Hauptsätze folgt die Bestimmung des

Schwingungsmittelpunktes für einige geometrische Figuren. Auch darauf

machte schon *Huygens* aufmerksam, daß sich die Schwingungszeit eines

Pendels nicht ändert, wenn man es im Schwingungsmittelpunkte aufhängt,

und daß in diesem Falle der Punkt, der vorher Aufhängepunkt war,

zum Schwingungsmittelpunkte wird. Von ihm rührt also die Idee des

Reversionspendels her, das erst im 19. Jahrhundert für die genauere

Bestimmung der Länge des Sekundenpendels so wichtig geworden ist.

Untersuchungen über die Zentrifugalkraft.

Am Schlusse seines Werkes über die Pendeluhr bringt *Huygens* noch

die wichtigsten Sätze über die Zentrifugalkraft. Auch hier handelt

es sich um eine Erweiterung der *Galilei*'schen Lehre von der

Pendelbewegung. Wird ein Körper, der sich im Zustande der geradlinigen

und gleichförmigen Bewegung befindet, in eine kreisförmige Bahn

gezwungen, so übt er einen vom Zentrum dieses Kreises fortgerichteten

Zug aus, dem entweder durch den gleichen Gegendruck oder durch die

Spannung eines den Körper und das Zentrum verbindenden Fadens das

Gleichgewicht gehalten werden muß. *Huygens* lieferte den Beweis, daß

die Zentrifugalkraft wie das Quadrat der Geschwindigkeit zunimmt und in

dem Verhältnis kleiner wird, wie der Radius wächst.

Eine ausführliche Abhandlung, die *Huygens* über die Zentrifugalkraft

geschrieben, wurde erst nach seinem Tode veröffentlicht. Sie führt

den Titel Tractatus de vi centrifuga und ist neuerdings in deutscher

Übersetzung herausgegeben worden[536]. Als sie zuerst im Jahre 1703

erschien, hatte *Newton* die Lehre von der Zentrifugalkraft schon

von einem viel allgemeineren Standpunkt aus entwickelt und sich

dabei nicht wie *Huygens* auf die Kreisbewegung beschränkt, sondern

die Untersuchung dieses Problems auf die elliptische Bewegung der

Himmelskörper ausgedehnt.

Das Ergebnis der von *Huygens* über die Zentrifugalkraft geführten

Untersuchung läßt sich durch zwei Sätze ausdrücken, aus denen man

sämtliche für diese Kraft in Betracht kommenden Umstände ableiten

kann. Bezeichnet man nämlich die Geschwindigkeit des im Kreise sich

bewegenden Körpers mit v, seine Masse mit m und den Halbmesser des

Kreises mit r, so ist die Zentrifugalkraft:

Die Naturwissenschaften in ihrer Entwicklung und in ihrem Zusammenhange, II. Band Von Galilei bis zur Mitte des XVIII. Jahrhunderts · 第 37 / 81 题