Eine kurze Geschichte der Astronomie oder Von Aristoteles zu

Für alle, die Zeit haben, eine weitere Darstellung zum Vergleich:
Eine kurze Geschichte der Astronomie
oder
Von Aristoteles zu Hawking
Vom Mythos zur Wissenschaft
Seit Urzeiten ranken sich um das Geschehen am Himmel mythische
Vorstellungen: Sonne und Mond werden bei ihrem Untergang im
Westen von Ungeheuern verschlungen, müssen sich durch die
Unterwelt kämpfen oder - wie bei den Azteken - durch Menschenblut
am Leben gehalten werden.
Die Grundvorstellung der griechischen Kosmologie war folgende:
Die Erde ruht im Zentrum der Welt und von hier aus steigt man auf
zu immer höheren Sphären, bis man die Fixsternsphäre, als oberste
und vollkommenste, erreicht. Diese Sphären in Kugelform wurden
als ideale Gestalten mit vollendeter Symmetrie betrachtet. Aufgabe
der Himmelsmechanik war es, die Bewegung der Gestirne auf
gleichmäßige Kreisbewegungen zurückzuführen.
Um die Bewegung der Sonne, des Mondes, der Planeten und der
Fixsterne durch Bewegung auf Kreisen zu beschreiben, brauchte
EUDOXOS, ein Schüler PLATONS, allerdings schon 27 ineinander gelagerte Hohlkugeln.
ARISTOTELES, der bedeutendste Schüler von PLATON, erweiterte diese Vorstellungen. Er begründete eine Bewegungslehre, die
zwischen "natürlichen" und "gewaltsamen" Bewegungen unterscheidet. Den Himmelskörpern ordnete er als Substanz den "Äther"
zu. Deren natürliche Bewegung ist die Kreisbewegung. Abweichungen vom einfachen Kreis wurden aber auch schon damals an
der Schleifenbahn der Planeten beobachtet.
Um die "geheiligten" Kreise zu retten, heftete der griechische Astronom
PTOLEMÄUS (150 n. Chr.) die Planeten an Epizykel-Kreise, deren
Mittelpunkt M auf dem Trägerkreis weiterschreitet => Bild 1). So konnte
man gute Übereinstimmung mit den Beobachtungen durch Überlagerung
von Kreisbahnen erzielen.
B 1: Überlagerung von Kreisbahnen die Epizykel-Theorie
Die Himmelsmechanik war aber streng getrennt von der irdischen Mechanik.
Man sagte: Während am Himmel die immer gleichen, vollkommenen Kreisbewegungen stattfinden, beschrieben durch die Mathematik, gelten auf der
Erde keine mathematischen Gesetze. Hier herrschen Werden und Vergehen,
Geburt und Tod. Dementsprechend kommt auf der Erde auch jede Bewegung
nach dem Wegfall des äußeren Antriebs zum Stillstand. Diese Vorstellungen
konnten sich als Ersatz für das noch fehlende Gedankengebäude der
Mechanik mehr als eineinhalb Jahrtausende halten.
Die kopernikanische Wende
Nikolaus KOPERNIKUS (1473-1543), Domherr von Frauenburg
in Ostpreußen.
Sein heliozentrischer Standpunkt war für die meisten Gelehrten
und Theologen unannehmbar. Sie hielten seine Schrift nur für eine
Neuauflage der Hypothesen, wie die des Aristarchos von Samos
(um 310-230 v. Chr.). Dieser hatte als Erster die Vermutung ausgesprochen, Sonne und Fixsterne würden ruhen. Ihre Bewegung
werde durch die Rotation der Erde um ihre eigene Achse vorgetäuscht. Neu an den Überlegungen von KOPERNIKUS war, dass
durch die Erdbahn die Lage und Größe der Planetenbahnen bestimmt wurde. Der Weltraum wurde so zu einem ausmessbaren
Raum.
Doch die Einwendungen gegen KOPERNIKUS waren groß und
scheinbar berechtigt. Ein Gegenargument des genauen Beobachters
Tycho BRAHE war: Wenn die Erde um die Sonne läuft, so müssen
wir die Fixsterne im Abstand von einem halben Jahr von zwei weit
entfernten Stellungen aus etwas gegeneinander verschoben sehen.
Diese Parallaxe konnte jedoch (wegen der großen Entfernung der
Fixsterne) erst im 19. Jahrhundert gemessen werden. Zu Zeiten von
KOPERNIKUS aber fand man keine Fixsternparallaxe und hielt
das heliozentrische Weltbild damit für widerlegt. Ohne Fernrohr
waren damals keine genügend genauen Beobachtungen möglich.
Dennoch war der Anstoß gegeben, Bestätigungen für die neuen
Auffassungen zu suchen.
GALILEI sucht Beweise mit dem Fernrohr
Galileo GALILEI (geb. 1564 in Pisa, gest. 1642 in Florenz) war
eine außergewöhnlich imposante Persönlichkeit. Er beeindruckte
die Menschen durch seine Phantasie, seinen Witz und die Gewalt
seiner Sprache. Von seinem mächtigen Temperament ließ er sich
aber auch dazu hinreißen, einflussreiche Gegner als unverständig
hinzustellen und schuf sich so gefährliche Feinde. Mit seinem Fernrohr sah er, dass der Planet Jupiter von Monden umkreist wird, also
ein Planetensystem im Kleinen darstellt. Das Fernrohr zeigte GALILEI auch die Gebirge des Mondes. Dieser hat nicht die vollkommene Kugelgestalt, wie die Lehre des ARISTOTELES es verlangt.
Mit diesen Argumenten und Beweisen trat er öffentlich in der Sprache des Volkes gegen das von der Kirche anerkannte ptolemäischaristotelische Weltbild auf. GALILEI wurde der Ketzerei angeklagt
und in Haft genommen. Er musste sich zum Widerruf der kopernikanischen Lehre verpflichten und erhielt Schreibverbot. Wie KOPERNIKUS hielt aber GALILEI noch an der Kreisbahn für die Planetenbewegung fest.
Erst KEPLER verlässt die Kreisbahn
Johannes KEPLER wurde 1571 in Weil der Stadt (Württemberg)
geboren und starb 1630. Nach einem Theologiestudium wandte er
sich der Astronomie zu. Dabei lernte er die kopernikanischen Lehren kennen, und er wurde ein begeisterter Anhänger der Theorie. Er
fühlte sich befreit von diesen hypothetischen Sphären, welche die
Erde gleich Zwiebelschalen umgaben. Man war Bürger einer neuen, größeren Welt, in deren Mittelpunkt die strahlende, göttliche
Sonne stand.
Religiösen Ideen folgend, suchte er in seinem Buch Mysterium
cosmographicum (Das Weltgeheimnis), die Verhältnisse der Planetenbahnradien in Übereinstimmung mit den Proportionen an den
fünf regulären Körpern zu bringen. In Harmonices mundi (Weltharmonik) erforschte er die Geschwindigkeiten der Planeten im
sonnennächsten und sonnenfernsten Punkt (Perihel und Aphel) und
stellte fest, dass sie den Frequenzverhältnissen der Töne von Harmonien entsprechen. Zeit seines Lebens strebte er nach einer höheren Harmonie.
Im Gegensatz zu vielen anderen blieb er aber nicht bei diesen
Gedanken stehen, sondern prüfte sie an möglichst genauem
Beobachtungsmaterial. Deshalb zog er zu Tycho BRAHE nach
Prag. In der Astronomia nova (Neue Astronomie) und der
Weltharmonik schrieb er die nach ihm benannten Kepler-Gesetze
nieder, die zu den ersten mathematisch formulierten, auf
Beobachtung beruhenden Naturgesetzen gehören.
NEWTON sah Erde und Himmelskörper als Einheit an
Isaac NEWTON wurde etwa 80 Jahre nach GALILEI geboren. Er
stellte nicht nur die Grundgesetze der Mechanik auf, sondern fand
das Gravitationsgesetz und wandte die Grundgesetze auf die Bewegung der Himmelskörper an. Er konnte so die keplerschen Gesetze
aus den Grundsätzen seiner Mechanik herleiten. Seine Auffassung,
das Gewicht sei nichts weiter als eine allgemeine Massenanziehung, erntete lange Zeit Widerspruch und Spott. In seinen Philosophiae naturalis principia mathematica (Mathematische Prinzipien der Naturlehre) fasste er die Grundlagen der Differential- und
Integralrechnung zusammen und wandte sie dann auf die Mechanik
des Massenpunktes, die Strömungslehre und die Planetenbewegung
an.
NEWTON fragte sich zudem, warum sich beliebige Körper gegenseitig anziehen, vor allem, wie diese Anziehungskraft bei den riesigen Entfernungen, die zwischen den Himmelskörpern bestehen,
zu Stande kommt. Eine Antwort darauf lehnte er jedoch mit dem
lateinischen Spruch Hypotheses non fingo ("Hypothesen ersinne ich
nicht.") ab. NEWTONS Mechanik bewährte sich glänzend. So
konnte aus Abweichungen des Planeten Uranus von der berechneten Bahn auf die Existenz eines unbekannten Planeten geschlossen
werden. An der daraus berechneten Position fand man dann tatsächlich den Planeten Neptun. Unregelmäßigkeiten, die man bei der
Bewegung von Saturn schon zu NEWTONS Zeiten fand, ließen
Zweifel an der Stabilität des Sonnensystems aufkommen.
Man fragte sich, ob nicht Gott von Zeit zu Zeit eingreifen müsse,
sein Werk wieder in Ordnung zu bringen. Der große französische
Mathematiker Pierre Simon LAPLACE kam nach (heute nicht
mehr als gültig anerkannten) Überlegungen und Berechnungen zur
Ansicht, die Planetenbewegungen seien stabil - und zudem vollständig zurück- und vorausberechenbar.
Gekrönte Häupter sorgten sich um die Stabilität der Welt und damit
auch ihres Herrschaftssystems. Oskar II. von Schweden stiftete
1885 einen ansehnlichen Preis für den Nachweis, dass die Planetenbahnen stabil sind. Zweifel daran waren aufgetreten, da Jupiter
und Saturn Umlaufzeiten haben, die etwa im Verhältnis 5:2 stehen.
Durch Resonanz könnten sich die schwachen Kraftwirkungen zwischen den Planeten aufschaukeln und zu radikal anderen Bahnen
führen.
Jules Henry POINCARÉ (1854-1912) gewann schließlich diesen
Preis. In seiner Arbeit zeigte er, dass es stabile und nichtstabile
Bahnen gibt und dass in manchen Fällen eine beliebig kleine Störung ausreicht, um den Übergang von dem einen zum anderen
Bahntyp zu verursachen. POINCARÉ wäre so beinahe zum Begründer der Chaosforschung geworden. Er beschreibt dies mit den
Worten: "Es kann vorkommen, dass kleine Abweichungen in den
Anfangsbedingungen schließlich große Unterschiede in den Phänomenen erzeugen. Ein kleiner Fehler zu Anfang wird später einen
großen Fehler zur Folge haben. Vorhersagen werden unmöglich,
und wir haben ein zufälliges Ergebnis.“
Am Anfang des 20. Jahrhunderts beschäftigte noch eine kleine
Unstimmigkeit Astronomen und Physiker: Der sonnennächste
Punkt (Perihel) der Merkurbahn verschiebt sich um 0,1 Bogensekunden pro Bahnumlauf mehr, als NEWTONS Gravitationsgesetz vorhersagte.
Niels BOHR - ein Planetensystem im Kleinen?
Wie wir von der Unterstufe her wissen, gibt es auch zwischen
negativen und positiven Ladungen anziehende Kräfte. Charles
COULOMB fand 1785, dass für die Kraft zwischen kugelsymmetrischen Ladungen ein ganz ähnliches Gesetz wie bei den Gravitationskräften gilt.
Nach der Vorstellung der Physiker am Anfang des 20. Jahrhunderts
bilden Elektron und Proton im Wasserstoffatom ein kleines Planetensystem. Um einen positiv geladenen Kern kreist ein Elektron.
Die Zentripetalkraft wird dabei von der elektrischen Kraft geliefert.
Die Ladungen von Elektron (e = 1,6*10-19 C) und Proton sind dem
Betrag nach gleich.
Für die Kräfte und die Gesamtenergie gilt:
Den Übergang von einer Elektronenbahn in eine mit größerer Gesamtenergie kann man durch Einstrahlung von Licht erreichen.
Umgekehrt sendet das Atom Licht aus, wenn es aus einem energiereicheren Zustand in eine innere, energieärmere Bahn übergeht.
Merkwürdig erschien, dass nur ganz bestimmte Energiedifferenzen
auftreten und die Elektronen bei ihrer beschleunigten Bewegung
keine Energie abstrahlen, wie man es aus der Elektrizitätslehre erwartete.
Dieses Planetenmodell für das Wasserstoffatom wurde von BOHR
und SOMMERFELD begründet. Zahlreiche Widersprüche mit der
Erfahrung führten zur Entwicklung einer neuen Theorie, der Quantentheorie.
EINSTEIN relativiert Raum und Zeit
(s.a. div. Dokumente im Materialienordner Physik wie z.B. Rel-theorie.pdf!)
Albert EINSTEIN während seiner Arbeit beim Berner Patentamt
u.a. die spezielle Relativitätstheorie entwickelt. Daraus ergaben
sich weit reichende Veränderungen der Vorstellungen von Raum
und Zeit. Dies hatte EINSTEIN aus zwei von ihm als fundamental
erkannten Prinzipien hergeleitet, der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit und dem Relativitätsprinzip (Die Naturgesetze nehmen in
allen Inertialsystemen die gleiche Form an).
Strecken, die man in Bewegungsrichtung bei einem anderen relativ
zu sich bewegten System betrachtet, werden verkürzt gemessen.
Für einen Beobachter in dem bewegten System haben sie ihre normale "Eigenlänge". Die zeitliche Dauer eines Vorgangs ist relativ
und wird ebenfalls von der Bewegung des Bezugssystems beeinflusst.
Wir messen z.B. eine verlängerte Lebensdauer von radioaktiven
Teilchen, so als ob ihre Zeit langsamer abliefe. Nach dem newtonschen Gravitationsgesetz hängt die Kraft zwischen zwei Körpern
von ihrer Entfernung ab. Da diese aber je nach Bezugssystem unterschiedlich ist, ergeben sich verschiedene Werte für die Gravitationskraft zwischen zwei Körpern. Daraus folgerte EINSTEIN,
dass das Gravitationsgesetz noch nicht korrekt sein konnte. Dieser
"Makel" ließ ihm viele Jahre keine Ruhe. Den Ansatz zur Lösung
fand er auf Grund einer einfachen Überlegung, die mit seinen
Worten folgendermaßen lautet: "Ich saß auf meinem Sessel im
Berner Patentamt, als mir plötzlich folgender Gedanke kam: Wenn
sich eine Person im freien Fall befindet, dann spürt sie ihr eigenes
Gewicht nicht."
Für jemanden, der frei fällt, ist die Gravitation aus der Umgebung
verschwunden. EINSTEIN verallgemeinerte diese Überlegungen
im Äquivalenzprinzip: Die Vorgänge in beschleunigten Bezugssystemen und in Gravitationsfeldern sind einander äquivalent.
Durch Messungen innerhalb eines Labors kann man nicht
unterscheiden, ob sich dieses in einem Gravitationsfeld befindet
oder aus einer anderen Ursache konstant beschleunigt wird.
Innerhalb kurzer Zeit konnte EINSTEIN weitreichende Folgerungen aus dem Äquivalenzprinzip ziehen. Ein Gedankenexperiment
soll uns dies verdeutlichen.
Angenommen, eine Fotografie zeige:
In einen Fahrstuhl tritt ein Lichtstrahl waagrecht ein. An der
Fahrstuhlwand sieht man die parabelförmig nach unten gekrümmte
Bahn des Lichtes.
Dafür gibt es zwei Erklärungsmöglichkeiten. Nahe liegend ist die
Vermutung, dass der Fahrstuhl sich beschleunigt nach oben bewegt. Nach dem Äquivalenzprinzip kann man den gekrümmten
Strahl auch so deuten, dass er von einem nach unten wirkenden
Gravitationsfeld abgelenkt wird. Licht müsste sich wie ein Ball
beim waagrechten Wurf verhalten. Der Ball wird auf seiner Bahn
schneller. Analog dazu muss Licht, das im Gravitationsfeld senkrecht nach unten verläuft, seine Energie vergrößern. Die Geschwindigkeit des Lichts ist aber stets 300 000 km/s. Das Licht ändert
daher seine Farbe, wenn es im Gravitationsfeld nach unten "fällt".
Aus rotem Licht wird so energiereicheres blaues Licht.
Eine weitere Folgerung war, dass Uhren, die sich in verschiedenen
Höhen im Feld eines Zentralkörpers befinden, unterschiedlich
schnell gehen.
Es dauerte aber noch mehrere Jahre, bis EINSTEIN 1915
Gleichungen fand, die das Gravitationsfeld korrekt beschreiben.
Durch sie konnte auch die Periheldrehung des Merkur richtig
berechnet werden.
All diese vorhergesagten Effekte sind in der Zwischenzeit direkt
experimentell überprüft und bestätigt worden. REBKA und
POUND zeigten 1965, dass die Energie von Strahlung größer wird,
wenn die Strahlung auf einer Strecke von nur 20 m "herunterfällt".
1971 konnten HAFELE und KEATING mit sehr genauen
Atomuhren in normalen Verkehrsflugzeugen die relativistischen
Zeitänderungen auf Grund der Unterschiede im Gravitationsfeld
nachweisen.
Schwarze Löcher
Nach der allgemeinen Relativitätstheorie von EINSTEIN sollte es
schwarze Löcher geben, Durch einen Kollaps eines sehr
massereichen Sterns entsteht dieses für uns völlig neuartige
Gebilde. Auf Grund seines kleinen Radius und seiner großen
Masse übt es eine ungeheuer starke Gravitationsanziehung aus.
Licht und Materie können hineinfallen, aber es kommt nichts mehr
heraus. Schon außerhalb eines solchen schwarzen Lochs wirken
extrem große Gezeitenkräfte auf einen Körper.
EINSTEIN und andere Physiker lehnten die Existenz dieser Gebilde zuerst vehement ab. 1974 zeigte HAWKING, dass schwarze
Löcher eine Strahlung aussenden müssen. Umkreisen sich zwei
schwarze Löcher, so sollten von ihnen Gravitationswellen ausgehen. Der experimentelle Nachweis dieser Wellen ist das Ziel von
neuen Versuchsanlagen, die bis zum Jahr 2007 fertig gestellt sein
sollen.
Stephen HAWKING