Von Aristoteles zu Newton: Evolution der Kosmologie

Aristoteles' Kosmologie (4. Jh. v. Chr.)

Aristoteles unterschied im vierten Jahrhundert v. Chr. das Universum in zwei Regionen:

Die irdische Region (Sublunar)

Die Erde befindet sich im Zentrum des Universums. Alle irdischen Körper bestehen aus der Kombination von vier Elementen: Erde, Wasser, Luft und Feuer. Die Erde ist das schwerste Element und tendiert nach unten, während Feuer nach oben strebt.

Die himmlische Region (Supralunar)

Sie besteht aus transparenten, konzentrischen Sphären, welche die irdische Region umgeben. Auf der äußersten Sphäre befinden sich die Fixsterne.

Das Geozentrische System (Ptolemäus, 2. Jh. n. Chr.)

Dieses Modell wurde von Ptolemäus im 2. Jahrhundert n. Chr. entwickelt. Es platziert die Erde im Zentrum des Universums. Die Bewegungen der Himmelskörper (Sonne, Mond, Venus usw.) werden mithilfe eines Bezugssystems beschrieben, in dem die Erde feststeht.

Begründung durch alltägliche Beobachtungen

• Die Sonne geht auf, bewegt sich über den Himmel und geht jeden Tag unter.
• Die Sterne bewegen sich ebenfalls täglich um den Himmel, wobei die Erde eine zentrale Position im Universum einnimmt.
• Die Planeten folgen einer komplexen Bahn; ihre Bewegung ist das Ergebnis von zwei kreisförmigen Bewegungen (Epizykel).

Das Heliozentrische System (Kopernikus, 16. Jh.)

Das heliozentrische System wurde im sechzehnten Jahrhundert von Nikolaus Kopernikus vorgeschlagen. Es platziert die Sonne im Zentrum des Universums.

• Die Erde und die anderen Planeten kreisen um die Sonne.
• Die Fixsterne befinden sich in festen, viel größeren Entfernungen von der Sonne als die Planeten.
• Die Erde rotiert täglich um ihre eigene Achse.

Die wissenschaftliche Gemeinschaft akzeptierte das heliozentrische Modell schließlich ab dem Ende des 17. Jahrhunderts.

Vergleich der Modelle

Geozentrisches Modell

Dieses Modell dominierte 2000 Jahre lang, da es mit den täglichen Beobachtungen und der aristotelischen Philosophie und Physik übereinstimmte.

Heliozentrisches Modell

Das von Kopernikus vorgeschlagene Modell erklärte nicht nur die gleichen Phänomene wie das geozentrische System, sondern lieferte auch Erklärungen für zusätzliche Beobachtungen, wie die variable Helligkeit der Planeten Venus und Merkur.

Keplers Gesetze der Planetenbewegung

Keplers Erstes Gesetz (Ellipsenbahn)

Die Planeten umkreisen die Sonne auf elliptischen Bahnen, wobei die Sonne in einem der Brennpunkte der Ellipse steht.

Keplers Zweites Gesetz (Flächensatz)

Der Ortsvektor eines Planeten in Bezug auf die Sonne überstreicht in gleichen Zeiten gleiche Flächen.

Keplers Drittes Gesetz (Harmonisches Gesetz)

Das Quadrat der Umlaufszeit eines Planeten, T, ist proportional zur dritten Potenz seiner durchschnittlichen Entfernung zur Sonne, r. Formel: T² = k · r³.

Newtons Gesetz der Universellen Gravitation

Der Wissenschaftler Isaac Newton formulierte das Gesetz der universellen Gravitation. Es besagt, dass sich zwei beliebige Massen gegenseitig mit einer Kraft anziehen, die folgende Eigenschaften hat:

• Sie ist universell und tritt an allen Stellen auf.
• Sie wird immer als Paar von Aktion und Reaktion dargestellt.
• Sie ist immer eine anziehende Kraft.
• Ihre Richtung liegt auf der Verbindungslinie der Massen.
• Ihre Intensität wird durch das Gesetz der universellen Gravitation ausgedrückt.

Die Newtonsche Synthese

Isaac Newton konnte viele Naturphänomene als Manifestationen der Schwerkraft erklären, darunter:

• Die Bewegung der Sterne und Planeten.
• Das periodische Erscheinen von Kometen.
• Fallende Körper.
• Die Gezeiten.