Geschichte der Kosmologie
 von Christian Overhaus

Die Astronomie ist die älteste und gleichzeitig die modernste Wissenschaft. Der Mensch blickte seit je her ehrfurchtsvoll dem gestirnten Himmel entgegen. Er versuchte schon immer die Rätsel des Universums zu lösen, Zyklen zu erkennen, Ordnung ins scheinbar chaotische Sternenmeer zu bringen. Die Geschichte dieser Wissenschaft erzählt von kleinen Erkenntnissen, von großen Revolutionen von Widerstand und Sieg. Durch die Zeit hinweg sind Weltbilder entstanden und wieder beiseite gelegt worden, haben findige geschickte Menschen dem Himmel soviel Informationen entlocken können, die letztendlich zu unserem Wissenstand führten. Das Streben nach Wissen ist auch bei uns tief verankert und selbst im 20 Jahrhundert musste die moderne Astronomie Abschied von einer Jahrhunderte anhaltenden Weltvorstellung nehmen. Beginnen wir einen Streifzug durch die Jahrhunderte und betrachten wir den Wandel der Welt.

Die Astronomie der Antike hatte mehrere Zentren

Aufzeichnungen der verschiedenen Kulturen werden bis ins dritte Jahrtausend vor Christi Geburt zurückdatiert. Die Babylonier betrieben die Astronomie und Astrologie als gemeinsame Wissenschaft. Die frühen Astronomen beobachteten die Bewegungen der Planeten und des Mondes um daraus den Einfluss der Gestirne auf irdische Vorgänge zu deuten. Sie teilten die Himmelsregionen in Sternbilder ein, die heute noch ihre Gültigkeit besitzen. Zu dem nahm die Astronomie die Aufgabe wahr, Zeitzyklen einzuteilen. Die Beobachtungen der Gestirne gab den Babyloniern die Fähigkeit, die Mondphasen zu berechnen. So war die Länge des synodischen Monats sehr genau bekannt. (Der synodische Monat ist die Zeitdauer zwischen zwei gleichartigen Mondphasen wie Neumond zu Neumond gleich 29d12h44m3s).

Saroszyklus

Auch war der Saroszyklus bekannt (233 synodische Monat), was die Vorhersage von Finsternissen ermöglichte. Die Babylonier entwickelten einen Kalender, der auf den Mondzyklus aufbaute. Sie teilten das Jahr in zwölf Monate zu je 30 Tagen ein. Bei Bedarf wurde ein dreizehnter Schaltmonat eingelegt, da das Jahr bekanntlich 365,24 Tage andauert. Interessanterweise ist die heutige Gradeinteilung von 360 Grad für den Vollkreis noch ein Relikt aus dieser Zeit.

Babylon

Im Gegensatz zu den Babyloniern, die ihren Kalender an Mondphasen gebunden hatten, orientierten sich die Ägypter mehr an den Sonnenlauf. Die Sonne spielte zusammen mit dem hellen Stern Sirius eine große Rolle bei der Ausführung der Landwirtschaft. Wenn im Herbst die Regenzeit den Nil zum Überlauf brachte, verwandelte sich die Nillandschaft in fruchtbaren Boden. Die Regenzeit wurde mit dem Erscheinen des Sirius in der Morgendämmerung in Zusammenhang gebracht. Während der Sommermonate ist Sirius unsichtbar, weil er am Taghimmel mit der Sonne zusammen steht. Ende Juni war Sirius wieder am Morgen sichtbar. (Heute erscheint Sirius einige Wochen später wegen der Präzession der Erdachse.) Das war die Zeit für das wichtige Einsetzen der Nilüberschwemmungen. Die genaue Studie des Sonnenjahres führte zur Festlegung auf 365 Tage. Alle vier Jahre wurde ein Schalttag eingelegt. Der Sirius war auch bei den Griechen und Römern ein wichtiger Himmelskörper. So glaubte man, dass das Licht der Sonne sich im Sommer mit dem des Sirius vereinigte und für die Sommerhitze verantwortlich war. Noch heute werden besonders heiße Tage als Hundstage bezeichnet, da Sirius der Hauptstern des Großen Hundes ist. Die Römer opferten sogar Hunde, weil sie die Wirkung des Sirius als Unheilvoll betrachteten.

China

In China kann man astronomisches Wissen bis ins 3. Jahrtausend vor Christus nachweisen. Die Chinesen kannten ebenfalls den Saroszyklus und konnten Finsternisse berechnen. So sollen zum Beispiel die chinesischen Astronomen Hi und Ho hingerichtet worden sein, weil sie eine Sonnenfinsternis nicht vorhersagten. Auch die Chinesen teilten die Himmelsregionen in Sternbilder auf, die aber von denen der abendländischen Sternkundlern stark abwichen. Wichtige Fundgrube für kosmische Ereignisse wie Supernova, Kometen etc. liefern Chroniken, die sorgsam von den Astronomen der Kaisers aufgezeichnet wurden.

Mittelamerika

Die Kulturvölker Mittelamerikas beschäftigen sich mit dem Himmelsgeschehen seit mindestens 6000 Jahren. Sie beobachten Mondfinsternisse und kannten die synodischen Umläufe der Planeten Merkur, Venus und Jupiter mit recht hoher Genauigkeit. In ihrer Vorstellung war die Erde eine Scheibe, die vom Himmelsgewölbe umgeben wird, wie es auch die anderen Kulturen taten. Man kann viele überschneidende Erkenntnisse zwischen den Kulturen erkennen. Zumindest die europäischen Kulturen haben sich nachweislich gegenseitig beeinflusst. Die Vorstellung der Erdscheibe ist aber nicht nur in Mittelamerika verankert, auch in den anderen Kulturen war die Vorstellung von einer scheibenförmigen Erde verbreitet.

Die griechischen Astronomie

In der griechischen Astronomie, deren Glanzzeit um 600 v. Chr. beginnt, findet die Kugelgestalt der Erde erste Erwähnung. Beobachtungen von Schiffen, die sich der Küste nähern waren Anstoß für das Gedankenmodell. Der griechische Philosoph Aristoteles (384-322 v.Chr.) erklärte den kreisförmigen Erdschatten bei Mondfinsternissen und die unterschiedlichen Gestirnshöhen an verschiedenen Orten mit der Kugelgestalt der Erde.

Anaxagoras

Erste ernsthafte Bemühungen, der Kugelgestalt der Erde eine richtige Form zu geben, gehen auf den Griechen Eratosthenes zurück. Eratosthenes (276-195 v. Chr.) ermittelte den Erdradius, indem er die Höhe der Mittagssonne in den Orten Syene und Alexandria bestimmte. Man wusste, dass Alexandria und Syene 5000 Stadien, das entspricht 787,5 km, voneinander entfernt sind. Zur Sommer- sonnenwende beträgt die Schattenlänge in Syene gleich null, da die Sonne im Zenit steht. In Alexandria entspricht der Schatten einem Winkel von 7,2 Grad. Mit diesen Daten konnte Eratosthenes den Erdumfang auf 360 Grad x 5000 Stadien / 7,2 Grad = 250000 Stadien festlegen. Das sind 39375 km, was der Realität sehr nahe kommt. Die Vorstellung einer Weltkugel wurde auf die Gestirne übertragen. So war die Sonne nach Meinung des Philosophen Anaxagoras (500-428 v. Chr.) ein riesiger Feuerball.

Demokrit

Der Naturphilosoph Demokrit (470-380 v. Chr.) meinte, die Milchstrasse bestehe aus zahllosen Sternen, die ebenfalls kugelförmig waren. Zu den großen Leistungen der Griechischen Astronomie, zählt der Versuch, die Bewegungen der Planeten zu beschreiben.

Ptolemäus

Der Grieche Ptolemäus (75-160 n Chr.) setzte die Erde in den Mittelpunkt und legte für die sieben bekannten Planeten (Sonne und Mond zählten dazu) Sphären an, in denen sie sich bewegen. Die letzte Sphäre dieses geozentrischen Gebildes wird von den Fixsternen belegt. Die seltsamen Schleifen, die die Planeten zogen, wurden durch Beikreise (Epizykel) erklärt. Sonne und Mond bewegten sich auf den Bahnen ihrer Sphäre und kamen ohne die Epizykelbewegung aus. Ptolemäus hat durch geschickte Wahl der Größen für die Umlaufzeiten und Epizykel die Bewegungen der Planeten erklären können astronomische Schrift der Antike. Sie verkörperte das Weltbild der modernen Antike.

Aristarch von Samos

Die griechische Astronomie wagte sich erstmals an die Bestimmung von Entfernungen im Kosmos. So ermittelte Aristarch von Samos (320-250 v. Chr.) den Sonnenabstand und den Durchmesser der Erde ,Sonne und Mond mittels Parallaxen. Das Verhältnis der Abstände Mond und Sonne zur Erde betrug 1:19 , die Halbmesser beschrieb Aristarch für den Mond mit 1/3 des Erdhalbmessers, der Sonne sprach er die 6,75 fache Ausdehnung zu. Die Werte sind zwar ziemlich falsch, aber die Ansätze sind richtig gewesen. Es fehlte an genauen Mess-methoden und einer richtigen Vorstellung vom Aufbau des Planetensystems. Sein Hauptwerk Megale Syntaxis enthält das gesamte astronomische Wissen der Antike. Es wurde zunächst ins Arabische übersetzt und erschien als Almagest. Somit war der Almagest die wichtigste Aristarch stellte sich das Planetensystem etwas anders als Ptolemäus vor. Er setzte ein Zentralfeuer in die Mitte des Universums, um das alle Planeten, nebst Erde kreißten. Das Zentralfeuer ist nur auf der unbewohnten Hälfte der Erdkugel zu sehen, so dass es den Menschen nicht zugänglich ist.

Das Mittelalter

Im Mittelalter galt weitestgehend die Weltvorstellung Ptolemäus und des Aristoteles. Zeitweise wurde die Welt wieder als Scheibe angenommen. Die Übersetzung des Almagest ins Lateinische führte zu noch größerer Popularität der Ptolemäischen Weltvorstellung. Im Mittelalter entstanden mehrere Sternkataloge und Namen für Sterne und Sternbilder, die heute noch, oft leicht abgewandelt, gültig sind. Ansonsten kann man das Mittelalter als eine Zeit des Stillstands betrachten in der wissenschaftlich gesehen nicht so viel passierte. Die Kirche und verbreiterter Aberglaube hatten den Mut zu neuen Entdeckungen blockiert. Vielmehr verbreiteten kosmische Ereignisse wie Kometen, Finsternisse Furcht und Schrecken, weil sie als Vorzeichen für Unheil gedeutet wurden. So wurden beispielsweise visuell gesichtete Sonnenflecken für nicht existent erklärt, weil sie in den Schriften des Aristoteles keine Erwähnung fanden. Die Sonne galt als das reinste Objekt überhaupt und es wäre Ketzerei gewesen, diese als befleckt zu bezeichnen. Regiomontanus und Nikolaus von Kues Die Angst und der Aberglaube waren die Geißel der Menschen, die getrieben von der Macht der Kirche ihr Schicksal in die Hände höhere Kräfte, verkörpert durch Gott und dem Satan, legten. Licht ins Dunkel Um das Jahr 1460 arbeiteten die Astronomen Georg Peurbach und Johannes Müller, der sich später Regiomontanus nannte, an der Verfeinerung des Ptolemäischen Systems. Sie sammelten neue Planetenbeobachtungen und veröffentlichten 1474 die ersten Planeten-Ephemeriden, die auf genauere Beobachtungen beruhten.
In dieser Zeit kamen die ersten Zweifel an die Gültigkeit des Ptolemäischen Weltsystems. Die Planeten bewegten sich nicht so, wie sie es sollten. So mussten bis zu siebzig Beikreise zugefügt werden, um den Lauf der Planeten beschreiben zu können. Das Planetensystem wurde zu einem komplizierten Räderwerk, dass selbst brillante Mathematiker nicht entschlüsseln konnten. Auch die Vorstellung, dass sich alle Sterne einmal am Tag um die Welt drehten, war für einige Gelehrte absurd. Schließlich war die Sphäre der Sterne sehr weit außerhalb der Sphären der Planeten angelegt. Somit müssten die Sterne eine ungeheure Geschwindigkeit aufweisen. Nikolaus von Kues zweifelte an die Endlichkeit des Universums und war der Meinung, dass sich die Erde bewegte. Die Unendlichkeit zeigt die Allmacht Gottes. Somit begann die Neuzeit der Astronomie.

Die Neuzeit

Die Revolution wurde von einem Mann, der eher als unscheinbar und zurückhaltend beschrieben worden ist, ausgelöst. Sein Name war Nikolaus Kopernikus, Sohn eines erfolgreichen Kaufmanns in Krakau, der in vermögenden Verhältnissen seinen Geist ohne Not und Sorge entfalten konnte. Nikolaus Kopernikus der 1473 geboren wurde, beschäftigte sich schon von früher Jugend an mit der Astronomie und er erkannte die Kompliziertheit des Ptolemäischen Systems. Seine Studien in Italien konfrontierten ihn mit dem heliozentrischen Weltbild Aristarchs von Samos. Kopernikus, der sehr zurückhaltend und eher introvertiert war, verschickte 1512 ein selbst verfasstes Manuskript an Freunde, in dem er die Drehung der Erde um die eigene Achse beschrieb. Die Planeten, samt Erde, umkreisten die Sonne auf Kreisbahnen. Seine Zurückhaltung bewahrte ihn vor Angriffen seitens der Kirche. Kopernikus schrieb sein Hauptwerk >>De revolutionibus orbium coelestium<<, das 1530 fertig gestellt war. Seine Schlussfolgerungen beruhen nur auf Überlegungen und sind nicht durch Beobachtungen bestätigt worden. Das Werk erschien erst kurz vor seinem Tode und Kopernikus erlebte nicht mehr die Reaktionen der Kirche und Gelehrten auf seine Weltvorstellung. Er hatte auch nur wenige Anhänger. Die Kirche verbot sogar seine Lehre. Die Anhänger der kopernikanischen Lehre wurden durch den Prozess gegen Galileo Galilei eingeschüchtert. Leider waren die Berechnungen von Planetenpositionen mit Hilfe dieser Lehre nicht erfolgreich. Es mussten wieder Epizykel eingeführt werden. Das Problem bestand darin, dass Kopernikus an Kreisbahnen festhielt und nicht erkannte, dass Planeten elliptische Bahnen ziehen. Kopernikus starb am 24.5.1543 in Frauenburg. Sein Erbe lebte weiter.

Tycho Brahe

Drei Jahre nach seinem Tod wurde in Dänemark der Astronom Tycho Brahe geboren. Brahe war einer der besten Beobachter seiner Zeit. Nach dem Studium baute er mehrere Sternwarten und veröffentlichte 1588 seine erste Planetentheorie. Brahe, der als exzellenter Mathematiker galt, menschlich aber mehr als aufbrausend, jähzornig und trinksüchtig beschrieben wurde, wandte sich der kopernikanischen Lehre ab. Sein Charakter führte ihn mehrmals in gefährliche Situationen, wie im Jahre 1566, als er im Duell entscheiden wollte, wer der bessere Mathematiker ist, sein Mitstreiter Manderup Parsbjerg oder er selber. Parsbjerg war leider der bessere Fechter und schlug Brahe ein Stück der Nase ab. Seither trug Brahe eine Metallprothese. Wie schon erwähnt, unterschied sich Brahes Planetenmodell von dem des Kopernikus. Zwar umliefen die Planeten die Sonne, wie Kopernikus es beschrieben hatte. Nur bewegte sich die Sonne um die Erde und blieb somit Mittelpunkt des Universums. Im Jahre 1572 beobachtete Brahe eine Supernova im Sternbild Cassiopeia, die ihm Zweifel an die Unveränderlichkeit der Fixsternsphäre gab. Die Studien über Kometen zeigten dem Astronomen, dass Kometen weit außerhalb der Mondbahn anzusiedeln sind. Er stellt auch das ptolemäische Sphärenmodell in Frage. Trotzdem lehnte er die Lehre des Kopernikus ab. Im Jahre 1599 wurde Brahe Hofastronom des Kaisers Rudolf II. in Prag.

Johannes Kepler

Im Jahre 1600 wurde Johannes Kepler sein neuer Assistent. Die beiden hatten allerdings kein gutes Verhältnis zu einander. Ihre Zusammenarbeit bestand aus Geheimniskrämerei und währte etwa ein Jahr. Brahe starb im Jahre 1601, wobei seine Trunksucht keine unerhebliche Rolle gespielt haben soll. Er hinterließ Kepler eine große Sammlung an genauem Beobachtungsmaterial. Mit Johannes Kepler verbinden wir die Entdeckung der Bewegungsgesetze der Planeten. Kepler wurde im Jahre 1571 in Weil geboren. Er studierte Mathematik in Tübingen und wurde von seinem Lehrer Michael Mästlin mit der Lehre des Kopernikus vertraut gemacht. So wurde Kepler Anhänger des heliozentrischen Weltbildes. Er beschäftigte sich mit den Abständen zwischen den Planeten und ging dabei ebenfalls von Kreisbahnen aus. Später ersetzte er die Kreise zu Ellipsen. Kepler arbeitete als Landschaftsmathematiker in Graz. In dieser Zeit schrieb er seine erste Abhandlung Mysterium cosmographicum , die 1596 erschien. Das führte zum Kontakt zu Tycho Brahe. Die Gegenreformation vertrieb Kepler, der Anhänger Luthers war, nach Prag, wo er Assistent Brahes wurde. Brahe , der als schwieriger Zeitgenosse galt, ließ ihn aber wenig an seiner Arbeit teilhaben. Kepler suchte auch zeitlebens den Kontakt zu Galileo Galilei und er schrieb ihm mehrere Briefe. Allerdings blieb das Verhältnis sehr einseitig. Trotzdem schätzte Kepler die Arbeit Galileis sehr. Auch nach dem Tod Brahes musste sich Kepler mit den Erben um die gesammelten Werke Brahes auseinandersetzen. Seine Schaffensphasen wurden oft durch Krankheiten unterbrochen. Der kränkliche Kepler litt unter allerlei Wehwehchen wie Pusteln, Grippen, die ihn immer wieder in Lebensgefahr brachten. Auch der Hexenprozess gegen seine Mutter im Jahre 1621 beschäftigte Kepler sehr. Seine Mutter war im Gegensatz zu Kepler eine streitsüchtige harte Frau, die sich wohl mit ihren Nachbarn überworfen hatte und deshalb der Hexerei bezichtigt wurde. Die Keplerin wurde durch Keplers Hilfe freigesprochen. Allerdings blieb es ihr nicht erspart als Denkzettel für ihre raue Art, eine Folterkammer zu besichtigen. Kepler wurde nach dem Tod Brahes Hofastronom des Kaisers in Prag. Seine Auswertungen der Beobachtungen Brahes, insbesondere der Marsephemeriden, führten zu dem Buch >>Astronomia Nova<<, in dem er seine ersten zwei Gesetze vorstellt. Die Kepler’schen Gesetze 1) Die Planetenbahnen sind Ellipsen, in deren einem Brennpunkt die Sonne steht. 2) Der Radiusvektor eines Planeten überstreicht in gleichen Zeiten gleiche Flächen, dass sich der Planet in Sonnennähe schneller, in Sonnenferne langsamer bewegt. 3) Die Quadrate der Umlaufzeiten U und U’ zweier Planeten verhalten sich wie die Kuben der großen Halbachsen ihrer Bahnachsen. In dem Buch >>Harmonices Mundi<< stellt Kepler das dritte Gesetz vor. Damit schuf er die Grundlage der genauen Ephermeridenberechnung für die Planeten. Kepler selber erkannte die Tragweite seiner Gesetze gar nicht. Von der Kirche waren sie als Rechenhilfe anerkannt worden. Sie entsprachen aber nicht der Realität. Kepler hatte schon früh die Idee von einem anderen Universum, in dem die Planetensphären die Form von platonischen Körpern hatten. So trennt eine Pyramide die Sphären von Mars und Jupiter und ein Würfel die Sphären von Jupiter und Saturn. Die Erde selbst beschreibt einen Dodekaeder innerhalb der Marsbahn. Dieses ausgefallene Modell zeigt Keplers tiefe Verbundenheit zum Aberglauben und zur Mystik. Kepler stirbt am 15.11.1630, als er während einer Reise an Grippe erkannte.

Galileo Galilei

Sein Zeitgenosse Galileo Galilei ist ein führender Naturwissenschaftler. Er vertrat ebenfalls das heliozentrische Weltbild des Kopernikus. Galileo Galilei wurde 1564 in Pisa geboren, wo er Mathematik studierte. Galilei fand die Gesetze des freien Falls, sowie die Schwingungsgesetze. Mit der Feststellung, dass alle Körper im Vakuum gleich schnell zur Erde fallen, legte er die Grundlage für das Newton’sche Gravitationsgesetz. Seine wichtigsten Erkenntnisse gewann Galilei mit Hilfe des Fernrohrs, dass im Jahre 1609 von dem Holländer Lippershey erfunden wurde. Er richtete das Fernrohr gen Himmel. Es öffnete sich eine neue Welt. Galileo Galilei beobachtete den Tanz der Jupitermonde und die Phasenwechsel der Venus. Er sah die Saturnringe und die Sonnenflecken, sowie die Gebirge und Krater des Mondes. Seine Beobachtungen bekräftigten ihn in seiner Haltung zu der Weltvorstellung des Kopernikus. In seinem einzigen Brief an Johannes Kepler, der ihm ein Exemplar seines Buches Harmonices Mundi zu schickte, schrieb er, dass er schon seit langer Zeit an das heliozentrische Weltbild festhalte. Berühmt wurde Galilei erst durch den Konflikt mit der Kirche. Galilei nutzte die Gunst der Stunde als sein Gönner Kardinal Barberini den Thron des Papstes bestieg, um sein Buch „Dialog über die hauptsächlichen Weltsysteme “ vorzustellen. Das Buch durfte mit päpstlicher Genehmigung gedruckt werden und wurde ein wahrer Kassenschlager. In dem Buch lässt Galilei drei Personen, einem Anhänger des ptolemäischen Systems, einem des kopernikanischen Systems und zu guter letzt eine dritte Person namens Simplizius auftreten. Die beiden Experten vertraten ihr favorisiertes Weltbild, während der eher einfältige Simplizius sie mit Fragen bombardierte. Leider war das Buch zu sehr eine Hommage an die Kopernikanische Lehre, so dass Gegner den Papst gegen Galilei hetzten, indem sie behaupteten , Simplizius würde die Person des Papstes darstellen und ihn in sehr schlechtes Licht stellen . Ein Besuch der Inquisition ließ nicht lange auf sich warten. Galilei wollte viele Leute, unter ihnen auch hohe Anhänger der Kirche, überzeugen, indem er sie durch sein Fernglas schauen lies. Einige Leute scheuten sich davor, andere erklärten die gesehenen Dinge für optische Täuschungen. Seinem Schicksal konnte er letztendlich nicht entfliehen. Es gab zwei Prozesse bei denen Galileo vor dem Inquisitionsgericht der kopernikanischen Lehre abschwören musste. Wie gefährlich seine Situation während der Prozesse war, wird einem klar, wenn man bedenkt, dass der Dominikanermönch Giordano Bruno im Jahre 1600 in Rom auf dem Scheiterhaufen verbrannte, unter anderem weil er das Universum als unendlich bezeichnete und davon überzeugt war, dass die Sonne nur eine von vielen Sonnen ist. Im Jahre 1616 wurde Galilei von der Inquisition ermahnt, die Kopernikanische Irrlehre nicht weiter zu verbreiten. Nachdem er seinen Dialog im Jahre 1632 veröffentlichte, wurde er abermals vorgeladen. Während des Prozesses distanzierte er sich öffentlich von allen Punkten, die er im Buch als Sichtweise bezogen hat. So konnte er sich der Hinrichtung entziehen und kam mit einer leichten Gefängnisstrafe davon. Der siebenundsiebzigjährige Galilei verbrachte seinen Lebensabend in seinem Landhaus, wo er von seiner Tochter Marie Celeste gepflegt wurde. Der Wissenschaftler war mittlerweile vermutlich wegen seiner Sonnenbeobachtungen erblindet und starb im Jahre 1642.

Das Uhrwerk Weltall

Im selben Jahr wurde das Universalgenie Isaac Newton geboren. Isaac gehört zu den größten Wissenschaftlern überhaupt. Menschlich wird das Genie als jähzornige, schwer zugängliche Person beschrieben. Vermutlich war seine schwierige Jugend, er wuchs bei einem verhassten Stiefvater auf, Schuld an seinem Charakter. Als Wissenschaftler war er aber ein Multitalent. Er beschäftigte sich nicht nur mit der Gravitation, sondern war Alchemist, Optiker und Mathematiker. Newton entwickelte ein Spiegelteleskop, wie es heutzutage noch sehr häufig angetroffen wird. Er entwickelte die Integralrechnung zeitgleich mit dem deutschen Mathematiker Leibniz, was zu einer Kontroverse zwischen den Beiden führt

Isaac Newton

Als Optiker war er sehr erfolgreich. Seine wichtigste Entdeckung war die Zusammensetzung des Sonnenlichts, dass er mit einem Prisma zerlegte. Uns soll aber mehr seine Arbeit über die Gravitation interessieren und die damit verbundene Revolution des Weltbildes. Nachdem langsam der Wandel vom ptolemäischen Weltbild zum heliozentrischen Weltbild vollzogen war und die Gesetze Keplers Planetenbewegungen nachvollziehen konnten, machte sich Newton daran, die Kraft, die die Planeten an die Sonne heften ,zu ergründen. Der Legende nach sah Newton einen Apfel vom Baum fallen und erkannte, dass dieselbe Kraft, die diesen Apfel zur Erde zieht auch den Mond an die Erde bindet. Der Mond entgeht seinem Sturz zur Erde nur durch seine Bahngeschwindigkeit, die eine Fliehkraft erzeugt. Die Fliehkraft hebt die Gravitation auf. Genauso geht es der Erde und den anderen Planeten bei ihrer Bahn um die Sonne. Newton beschreibt die Gravitation als Kraft, die universell anziehend auf Massen wirkt. Die Kraft wird proportional zu Masse größer und nimmt im Quadrat zur Entfernung zwischen den Massenmittelpunkten ab. Das Gravitationsgesetz stützt die Erkenntnis Galileis, dass alle Körper im Vakuum gleich schnell fallen. Große Massen werden stärker von der Erde angezogen, allerdings ist die benötigte Beschleunigungsenergie ebenfalls größer. Die Anziehungskraft hebt sich mit der Beschleunigungskraft auf. Schwere Körper fallen gleich schnell wie leichte Körper zur Erde. Die Gravitation ist eine sehr schwache Kraft, die unbegrenzt weit wirkt. Selbst zwei Körper, die Lichtjahre voneinander entfernt sind, ziehen sich an. Das führt uns direkt zu einem Problem, welches Newton beschäftigte. Zu seiner Zeit ging man von einem unveränderlichen, ewigen Universum aus. Ziehen sich aber alle Körper an, so führt dieser Umstand zu einem Zusammenbruch dieses Universums. Newton umging dieses Dilemma, indem er das Weltall für unendlich erklärt. Das unendliche Weltall ist gefüllt mit unendlich vielen Körpern, die sich anziehen. Newton glaubte, somit einem Zusammensturz des Weltalls zu entgehen.

Edmond Halley

Das Newton’sche Gravitationsgesetz revolutionierte die Ephemeridenbe-rechnung von Planeten. Im Jahre 1706 wendete Edmond Halley das Gravitationsgesetz an, um die Bahn von Kometen zu bestimmen. Er stellte fest, dass der Komet von 1531,1607 und 1682 ein und derselbe sein musste. Halley kündigte die Wiederkunft für das Jahr 1758 an. So geschah es. Es schien, dass Newton mit seiner Mathematik die Welt berechenbar gemacht hat. Das Universum ist zum Uhrwerk geworden. Im Jahre 1687 veröffentlichte Newton sein bekanntestes Werk, die >>Philosophiae naturalis principia mathematica<<, die zum führenden Werk der nächsten Jahrhunderte werden sollte. Auch heute leistet Newtons Mechanik noch gute Dienste. Newtons Arbeit beeinflusste das Denken der nachfolgenden Wissenschaftler sehr. Der französische Wissenschaftler Marquis de Laplace war Anfang des 19 Jahrhunderts überzeugt, dass alle Vorgänge der Natur durch Gesetze geregelt sind und somit berechenbar. Selbst menschliche Verhaltensweisen waren seiner Ansicht nach durch Gesetze bestimmt. Diese Meinung war natürlich sehr umstritten. Sie wurde dennoch bis ins 20.Jahrhundert diskutiert. Erst die Physik der Quantenmechanik zeigte Anfang des 20 Jahrhunderts, dass die Welt sich doch nicht in eine mathematische Formel zwängen lässt.

Die Wissenschaft wird geboren

Nach dem Stillstand während des Mittelalters kam die Wissenschaft im 16.und 17.Jahrhundert richtig in Fahrt. Die Erfindung des Fernrohrs und des Buchdrucks taten ihre Dienste dazu. Halley entdeckte die Eigenbewegung von Sternen, die sich seit der Zeit Ptolemäus verschoben haben. Ole Römer schob die zeitliche Verschiebung der Jupitermonderscheinungen auf eine endliche Lichtgeschwindig-keit, die er mit etwa 220 000 km/s festlegte. Somit entwickelte sich ein Weltbild, dass bis ins 20.Jahrhundert anhielt. Ein unendliches Universum, gefüllt mit einem Stoff, den man Äther nannte. Der Äther galt als Medium, dass das Licht übertrug, wie die Luft den Schall. Wir selber umlaufen einen Stern, der Sonne heißt und der Mitglied der Milchstraße ist. Die Milchstraße wurde mit dem Universum gleich gesetzt. Die vielen Nebelchen unter anderem der Andromedanebel wurden für junge Sonnensysteme gehalten, die gerade in der Entstehung waren.

Immanuel Kant

Immanuel Kant (1724-1804) deutete die Nebelchen als Milchstraßensystem außerhalb unserer Milchstraße. Die Ansichten unter den Astronomen hinsichtlich der Nebelchen waren kontrovers. Klarheit wurde erst Anfang des 20.Jahrhunderts geschaffen. Dazu aber später. Die Newton’sche Weltvorstellung hatte ihre Schwächen. So schön berechenbar das Planetensystem geworden ist. Mit der Unendlichkeit des Universums kamen Probleme auf. Der bekannteste Widerspruch kam von dem Bremer Astronom Olbers, aber schon Halley hatte die Schwierigkeit erkannt. Die Dunkelheit des Nachthimmels spricht sehr für die Endlichkeit des Universums. Angenommen, das Universum wäre unendlich groß und es befänden sich unendlich viele Sterne in ihm. Jede freie Stelle am Himmel würde von einem Stern eingenommen. Man stelle sich einen Wald vor, der bereits bei einer endlichen Zahl an Bäumen undurchsichtig wird. Das Sternenlicht des Universums würde den Himmel gleißend hell erleuchten. Selbst wenn man große Staubwolken zwischen den Sternen annehmen würde, hätte das Sternenlicht diese so erhitzt und sie zum Leuchten angeregt. Der Nachthimmel ist aber dunkel. Das Newton’sche Universum erfordert ein sehr feines Gleichgewicht zwischen den Gravitationskräften der Gestirne. Eine kleine Verschiebung würde eine Kettenreaktion auslösen. Wie konnte man das mit den Eigenbewegungen der Sterne vereinbaren?

Albert Einstein Albert, Michelson, Edward Morley

Trotz der Erklärungsnot wurde weiter an der Weltvorstellung Newtons festgehalten. Die neue Sicht von Raum und Zeit Im 20 Jahrhundert wurde durch Albert Einsteins Relativitätstheorie das Wesen der Gravitation und somit die Weltvorstellung revolutioniert. Der Weg zur Revolution wurde durch Entdeck-ungen in der Physik und der Astronomie geprägt. Größtes Rätsel war die erstaunliche Entdeckung des Physikers Albert Michelson, der mit einem von Edward Morley entwickelten Interferometer die Lichtgeschwindigkeit bestimmte. Michelson maß die Geschwindigkeit des Sonnenlichts in Bewegungsrichtung mit der Sonne und gegen die Sonne. Dabei erhoffte er eine Differenz zu messen, die mit der Eigengeschwindigkeit der Erde zusammenhängt. Das Experiment fiel negativ aus. Egal was man auch anstellte, die Lichtgeschwindigkeit blieb konstant. Damit hatte man die Grenze der Newton’schen Mechanik erreicht. Hier beginnt das Reich der Relativitätstheorie, für dessen Erstellung der Physiker Albert Einstein steht. Die Grundaussage der Relativitätstheorie ist die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit als größtmögliche Geschwindigkeit. Nichts ist schneller als das Licht. Diese Vorstellung stellt Newtons Mechanik außen vor. Newtons Mechanik verliert ihre Gültigkeit, wenn man mit sehr hohen Geschwindigkeiten arbeitet. Im Jahre 1905 publizierte Einstein seine Theorie. Mit der speziellen Relativitätstheorie behandelt Einstein die physikalischen Begriffe Masse, Geschwindigkeit, Raum und Zeit. Er verknüpfte den Raum mit der Zeit zur vierdimensionalen Raumzeit. In den nächsten zehn Jahren arbeitete Einstein daran, die Eigenschaften der Raumzeit mit der Newton’schen Weltvorstellung in Einklang zu bringen. So wurde der Begriff Gravitation neu definiert. Die allgemeine Relativitätstheorie erklärt die Gravitation als gekrümmte Raumzeit. Die Raumzeit wird durch die in ihr befindlichen Massen gekrümmt. Ein Körper bewegt sich immer auf den kürzesten Weg durch die Raumzeit, man spricht von dem Geodäten. Die Geodät unsere Erdbahn führt uns zur elliptischen Bahn um die Sonne. Die Sonne krümmt die Raumzeit. Die Gravitation ist ein geometrisches Problem. Einsteins Relativitätstheorie konnte das Paradoxon Olbers leider auch nicht beheben. So baute Einstein einen Term in seine Gleichungen ein, um dem Kollaps des Universums zu entgehen. Dieser Term, kosmologische Konstante genannt, war eine Art Antigravitation, die das Bild des statischen Universums aufrechterhalten sollte. Die kosmologische Konstante sollte er später als größte Eselei seines Lebens bezeichnet haben. Die Relativitätstheorie hatte bereits die Dynamik des Universums vorhergesagt. Entdeckt wurde sie allerdings durch Edwin Hubble, der als Astronom am Mt. Wilson in Kaliforniern arbeitete. Hubbles Forschungsgebiet waren die Galaxien. Er war derjenige, der einen Schlusspunkt unter die Diskussion um die Natur der Nebelchen setzte. Wir erinnern uns: die Partei, die in den Nebelchen neu entstehende Sonnensysteme sahen und die, die nach Immanuel Kant, diese Objekte als ferne Welteninseln wie unsere Milchstraße deuteten. Bevor ich mit der Dynamik unseres Universums fortfahre, möchte ich einen Abstecher in Hubbles Arbeit machen.

Ihr Alexander Witschel