18. Der weitere Ausbau der Mechanik, Optik und Akustik.

Die von *Galilei*, *Newton*, *Huygens* und anderen ausgeübte Methode,

welche durch die Verknüpfung des Versuchs mit dem mathematischen

Beweisverfahren zum Auffinden der Naturgesetze führt, blieb während des

18. Jahrhunderts, wie zur Zeit ihrer Schöpfer, im wesentlichen auf die

Astronomie und die Mechanik beschränkt. Auch galt es, während dieses

Zeitraumes die von *Newton*[696] und *Leibniz*[697] ins Leben gerufene

höhere Analysis zur Bewältigung derjenigen großen Aufgaben geeignet zu

machen, die zunächst auf den Gebieten der Mechanik, der Optik und der

Akustik einer Lösung harrten.

Naturwissenschaft und Mathematik.

Daß die höhere Mathematik im Verlauf des 18. Jahrhunderts zu dem

»Riesenschwerte« des Astronomen und Physikers und später des modernen

Naturforschers überhaupt wurde, ist vor allem den Mitgliedern der

Familie *Bernoulli* und *Leonhard Euler* zu verdanken. Der älteste

und zugleich einer der bedeutendsten unter den zahlreichen großen

Mathematikern dieser Familie ist *Jakob Bernoulli* (1654-1705).

Er ist als einer der wichtigsten Bahnbrecher auf den Gebieten der

Infinitesimalrechnung, der Reihenlehre, Kombinationslehre und

Wahrscheinlichkeitsrechnung zu nennen[698]. *Jacob Bernoulli*

beschäftigte sich mit den beiden zuletzt genannten Gegenständen seit

etwa 1680. Sein großes Werk, in dem er die eigenen und die Forschungen

anderer Mathematiker über Kombinatorik und Wahrscheinlichkeitsrechnung

zusammenfaßte, erschien jedoch erst einige Jahrzehnte später[699].

Es enthält auf dem Gebiete der ersteren, und zwar in der noch heute

üblichen Form, so ziemlich alles, was den Bestand dieser Disziplin

ausmacht[700]. Bei weitem der wichtigste Abschnitt des Werkes

ist der letzte[701]. *Bernoulli* stellte sich darin die Aufgabe,

die Wahrscheinlichkeitsrechnung auf »bürgerliche, sittliche und

wirtschaftliche Verhältnisse« anzuwenden. Im Hinblick auf die ganz

neuen Bahnen, welche damit diesem Zweige der Mathematik gewiesen

werden, ist es doppelt bedauerlich, daß dieser Abschnitt unvollendet

geblieben ist. Die Wahrscheinlichkeit wird als ein Grad der Gewißheit

erklärt, der sich von der Gewißheit selbst wie ein Teil vom Ganzen

unterscheidet. Besteht die absolute Gewißheit (a oder 1) aus 5

Wahrscheinlichkeiten (oder Teilen), von denen 3 für das Eintreten eines

Ereignisses und zwei dagegen sprechen, so besitzt das Ereignis 3/5a

oder 3/5 der Gewißheit.

Die Untersuchung gipfelt in dem *Bernoullischen* Theorem[702], das man

auch das Gesetz der großen Zahlen genannt hat. Das Theorem betrifft die

Frage, ob durch Vermehrung der Beobachtungen, oder durch fortgesetzte

Häufung der Einzelfälle, die Wahrscheinlichkeit dafür wächst, daß die

Zahl der günstigen zur Zahl der ungünstigen Fälle schließlich das wahre

Verhältnis erreicht. *Bernoulli* formuliert das Problem und bejaht

es auf Grund eines mathematischen Beweisverfahrens. Sehr treffend

bemerkt er, die Aufgabe habe sozusagen ihre Asymptote, indem, auch

bei beliebiger Vermehrung der Beobachtungen, ein bestimmter Grad von

Wahrscheinlichkeit, das wahre Verhältnis der Fälle gefunden zu haben,

nicht überschritten werden könne.

Als Beispiel wählt *Bernoulli* eine zugedeckte Urne, in der sich

ohne unser Vorwissen 3000 weiße und 2000 schwarze Steine befinden.

Durch häufiges Ziehen und jedesmaliges Zurücklegen der Steinchen in

die Urne wird man mit immer größerer, schließlich mit an Gewißheit

grenzender Wahrscheinlichkeit das Verhältnis 3 : 2 ermitteln,

indem dieser Wert mit der Häufung der Fälle in immer engere Grenzen

eingeschlossen wird. Wir sind daher, sagt *Bernoulli*, gezwungen, bei

allen Geschehnissen eine gewisse Notwendigkeit anzuerkennen. Würde man

nämlich alle Ereignisse durch alle Ewigkeit hindurch beobachten, so

würde schließlich die Wahrscheinlichkeit in volle Gewißheit übergehen.

Man müsse also bei noch so zufällig erscheinenden Dingen doch eine

Notwendigkeit annehmen und zu dem Schlüsse kommen, daß alles in der

Welt in bestimmter Gesetzmäßigkeit vor sich gehe.

*Jacob Bernoullis* Arbeiten über unendliche Reihen[703] sind darauf

zurückzuführen, daß sie häufig ein Mittel bieten, um zu einer Lösung

von Integrationsaufgaben zu gelangen. Deshalb hatten sich schon die

Begründer der Infinitesimalrechnung, *Wallis* und *Newton*, mit der

Entwicklung von Funktionen in unendliche Reihen befaßt[704]. So hatte

*Wallis* die Fläche zwischen der Hyperbel und ihren Asymptoten durch

eine unendliche Reihe dargestellt. Man findet bei ihm auch schon die

Reihe der reziproken Quadratzahlen:

1/(1^2) + 1/(2^2) + 1/(3^2) + ...,

deren Summierung jedoch erst *Euler* vollzog.

Die erste Integration mit Hilfe der Reihenentwicklung gelang *Nikolaus

Mercator* (1668) bei seiner Quadratur der gleichseitigen Hyperbel[705].

Auch *Leibniz* hat sich mit der Summation einiger unendlichen Reihen

befaßt, die auf die Ermittlung von π hinauslaufen. In ihren ersten

Anfängen geht die Lehre von den unendlichen Reihen sogar auf *Euklid*

und *Archimedes* zurück. Die eigentliche Begründung der Theorie der

unendlichen Reihen erfolgte jedoch erst durch *Newton*, den Entdecker

der allgemeinen Binomialformel. Für ganzzahlige positive Exponenten,

die eine endliche Reihe ergeben, war die Entwicklung der Formel (a +

b)^n schon lange vor *Newton* bekannt.

Auf *Jacob Bernoullis* Arbeiten über unendliche Reihen kann hier nicht

näher eingegangen werden. Die Ergebnisse verdienen hier nur insoweit

Erwähnung, als sie zur angewandten Mathematik hinüberleiten. So gelang

es *Bernoulli*, die Beziehung zwischen den Koordinaten der elastischen

Kurve durch eine Reihe auszudrücken, die Parabel und die logarithmische

Linie mit Hilfe einer solchen zu rektifizieren, und anderes mehr[706].

Von *Jacob Bernoulli* und seinem Bruder *Johann* wurde die

Aufmerksamkeit der Mathematiker auch wieder auf die für die Physik

besonders wichtigen Maxima- und Minimaaufgaben gelenkt und durch

die Behandlung der sogenannten isoperimetrischen Probleme ein Grund

geschaffen, auf dem später *Euler*, *Lagrange* und andere die

Variationsrechnung errichten konnten.

Die isoperimetrischen Probleme handeln von Kurven, die gewissen Maxima-

und Minimabedingungen genügen. Das älteste dieser Probleme lautet:

Welche unter allen isoperimetrischen Kurven schließt die größte Fläche

ein? Schon das Altertum beantwortete diese Frage dahin, daß die

verlangte Kurve der Kreis sei[707].

Das erste isoperimetrische Problem, mit dem sich *Johann Bernoulli*

beschäftigte, betrifft die Brachystochrone, die Linie des kürzesten

Falles[708]. *Johann Bernoulli* formulierte dies Problem mit folgenden

Worten: »Zwei gegebene Punkte, die verschiedenen Abstand vom Erdboden

haben und nicht senkrecht übereinander liegen, sollen durch eine

Kurve verbunden werden, auf der ein beweglicher Körper, vom oberen

Punkte ausgehend, vermöge seiner Schwere in der kürzesten Zeit zum

unteren Punkte gelangt«. Nachdem er die Lösung gefunden, forderte er

nach damaliger Sitte »die scharfsinnigsten Mathematiker des ganzen

Erdkreises« auf, gleichfalls die Aufgabe zu lösen. *Leibniz* gelang

dies noch am nämlichen Tage, an dem er davon Kenntnis erhielt. Auch

*Newton* und *Jacob Bernoulli* fanden übereinstimmend die Lösung, daß

die Zykloide die gesuchte Kurve sei. Die Verwunderung war umso größer,

als *Huygens* diese Kurve schon als diejenige erkannt hatte, in der die

Fallbewegung von allen Punkten aus dieselbe Zeit beansprucht. Er hatte

ihr aus diesem Grunde den Namen »Tautochrone« beigelegt. So zeige,

sagt *Jacob Bernoulli* in der Bekanntgabe seiner Lösung[709], eine

Kurve, die von so vielen Mathematikern untersucht worden sei, daß an

ihr nichts mehr zu erforschen übrig schien, plötzlich eine ganz neue

Eigenschaft.

Die Begründung der mathematischen Physik.

Die beiden älteren *Bernoulli* errichteten in erster Linie auf

den geschaffenen Grundlagen das Gebäude der Differential- und

Integralrechnung.

Eine Auswahl aus seinen Vorlesungen über die Methoden der

Integralrechnung schrieb *Johann Bernoulli* in den Jahren 1691

und 1692 nieder[710]. Ein von ihm herrührendes Werk über die

Differentialrechnung scheint verloren gegangen zu sein. *Johann*

und *Jacob Bernoulli* ist es besonders zu danken, daß sich das

von *Leibniz* gefundene Verfahren der Infinitesimalrechnung rasch

einbürgerte.

*Johann Bernoulli* beginnt nach einigen allgemeinen Betrachtungen mit

der Quadratur von Flächen und der Rektifikation von Kurven. Danach

wendet er sich physikomechanischen Problemen zu, z. B. den zuerst

von *Tschirnhausen* eingehender untersuchten kaustischen Linien, und

der Kettenlinie. Später sehen wir *Daniel Bernoulli* vorzugsweise

damit beschäftigt, schwierige mechanische Probleme, bei denen die

von *Huygens* und selbst noch von *Newton* in seinen »Prinzipien«

befolgte geometrische Methode keine Aussicht auf Erfolg bot, vermöge

des neuen Hilfsmittels zu bewältigen. *Daniel Bernoulli* ist daher

als der Hauptbegründer desjenigen Wissenszweiges zu nennen, den man

als mathematische Physik bezeichnet. Er führte in die Mechanik das

Prinzip von der Erhaltung der Kraft ein, das schon *Huygens* bei seinen

Untersuchungen über das zusammengesetzte Pendel vorgeschwebt hat, und

brachte dieses Prinzip bei seinen Arbeiten über die Bewegung flüssiger

Körper überall zur Anwendung (Hydrodynamik 1738)[711]. *Huygens* hatte

es dahin ausgesprochen, daß ein frei fallender Körper, wie immer man

seine Bewegungsrichtung ändert, nur bis zur ursprünglichen Höhe wieder

emporsteigen kann, da die Wirkung der Ursache gleichwertig sei. Aus

diesem Grunde hatte *Huygens* auch die Möglichkeit eines Perpetuum

mobile bestritten. Obgleich *Daniel Bernoulli*[712] die große Bedeutung

des Prinzips von der Erhaltung der Kraft wohl ahnte, blieb es doch

dem 19. Jahrhundert vorbehalten, es in seiner Allgemeingültigkeit

nachzuweisen und die gesamte Naturlehre darauf zu begründen.

Zu den mechanischen Vorgängen, mit denen sich das 18. Jahrhundert

beschäftigte, gehörten auch der Fall und der Wurf. *Galilei* hatte zwar

die Theorie dieser Bewegungen entwickelt und damit für die Mechanik

eine neue Ära eröffnet. Er hatte jedoch von einem sehr wesentlichen

Faktor, dem Luftwiderstande, abgesehen, nicht etwa weil er die

Wichtigkeit dieses Faktors nicht kannte, sondern weil sich *Galilei*

die erwähnte Beschränkung noch auferlegen mußte.

Ein Gesetz für den Widerstand, den Flüssigkeiten und Gase auf bewegte

Körper ausüben, stellte zuerst *Newton* auf. Er gelangte zu der

Annahme, daß der Widerstand des Mediums für ein und denselben Körper

dem Quadrate der Geschwindigkeit proportional sei. Auf *Newtons*

Veranlassung wurden Versuche angestellt, um das Gesetz zu prüfen. Es

erwies sich auch für mittlere Geschwindigkeiten als gültig.

Die Bahn, die ein geworfener Körper unter dem Einfluß des

Luftwiderstandes beschreibt, suchte zuerst *Johann Bernoulli* zu

bestimmen. Es ergab sich jedoch, daß die mathematische Analyse zur

Bewältigung dieser Aufgabe nicht imstande war, und daß eine angenäherte

Lösung des ballistischen Problems sich nur durch die Vereinigung von

Versuch und Rechnung erhoffen ließ. Am erfolgreichsten in dieser

Richtung war die Arbeit von *Robins*[713], die *Euler* unter dem Titel

»Neue Grundsätze der Artillerie«[714] in deutscher Sprache herausgab.

*Robins* zeigte, daß *Newtons* Gesetz nur für geringe Geschwindigkeiten

gilt, daß aber mit größeren Geschwindigkeiten der Widerstand weit

stärker wächst, als jenes Gesetz angibt.

Um die Geschwindigkeit des Geschosses in irgend einem Punkte der

Wurfbahn bestimmen zu können, konstruierte *Robins* sein »ballistisches

Pendel«. Ein Körper von bedeutendem Gewicht wurde so aufgehängt, daß

er pendeln konnte. Schoß man eine Kugel gegen diesen Körper, so ließ

sich aus dem Gewicht, den Dimensionen und dem Ausschlag des Pendels die

Geschwindigkeit der Kugel den Stoßgesetzen gemäß berechnen. Nach dem

Stoß besitzen nämlich das Pendel, dessen Masse M, und die Kugel, deren

Masse m und deren Geschwindigkeit im Augenblicke des Zusammentreffens v

sei, die gleiche Geschwindigkeit V. Gemäß den Stoßgesetzen ist aber

mv = (M + m)V.

Die Naturwissenschaften in ihrer Entwicklung und in ihrem Zusammenhange, II. Band Von Galilei bis zur Mitte des XVIII. Jahrhunderts · 第 41 / 81 题