Theorien über das Universum: Von Aristoteles bis zum Urknall

Theorien über das Universum

Aristoteles

In der Astronomie schlug Aristoteles die Existenz eines endlichen, kugelförmigen Universums vor, mit der Erde im Zentrum. Dieses Zentrum würde aus vier Elementen bestehen: Erde, Luft, Feuer und Wasser. In seiner Physik hat jedes dieser Elemente einen angemessenen Platz, bestimmt durch sein relatives Gewicht oder spezifisches Gewicht. Jedes Element bewegt sich natürlich in einer geraden Linie – Erde nach unten, Feuer nach oben – zu seinem rechtmäßigen Platz. Ist dieser erreicht, stoppt die Bewegung. Der Himmel bewegt sich jedoch natürlich und unendlich in einer komplexen Kreisbewegung. Daher muss er, gemäß Aristoteles' Logik, aus einem fünften Element bestehen, das er Äther nannte. Dieses oberste Element ist unveränderlich und bewegt sich kreisförmig. Aristoteles' Theorie, dass lineare Bewegung stets durch ein Medium des Widerstandes erfolgt, gilt für alle beobachtbaren terrestrischen Bewegungen. Er argumentierte auch, dass schwerere Körper schneller fallen als leichtere. Dieses Missverständnis wurde bis zu Galileos Experimenten am Schiefen Turm von Pisa übernommen.

Kopernikus

Die Kosmologie vor Kopernikus postulierte ein geozentrisches Universum, in dem die Erde im Zentrum steht, umgeben von Sphären, die sich um sie drehen. Diese Sphären enthielten (von innen nach außen): Mond, Merkur, Venus, Sonne, Mars, Jupiter, Saturn und schließlich die äußere Sphäre der Fixsterne. Man ging davon aus, dass dieser äußere Bereich langsam wackelt und so die Präzession der Tagundnachtgleichen verursacht.

In alten Zeiten war es für Kosmologen schwierig, die scheinbare Rückläufigkeit von Mars, Jupiter und Saturn zu erklären. Um dieses Phänomen zu erklären, nahm die mittelalterliche Kosmologie an, dass sich die Planeten in einem Kreis, genannt Epizykel, drehen, dessen Zentrum sich um die Erde bewegt (siehe Ptolemäisches System).

Galileo Galilei

Galileos letztes Werk, "Überlegungen und mathematische Demonstrationen über zwei neue Wissenschaften" (1638), verfeinerte seine früheren Studien über Bewegung und Mechanik. Es ebnete den Weg für Newtons Gesetz der universellen Gravitation. Galileos wichtigster Beitrag zur Wissenschaft war die Betonung genauer physikalischer Messungen anstelle metaphysischer Prinzipien. Seine Bücher "Sternenbote" und "Dialog" eröffneten neue Felder in der Astronomie. Er war ein Verfechter der freien Forschung, unabhängig von philosophischen und theologischen Störungen. Johannes Paul II. eröffnete 1979 eine Untersuchung der kirchlichen Verurteilung des Astronomen, und 1992 erkannte eine päpstliche Kommission die Fehler des Vatikans an.

Tycho Brahe

Brahe akzeptierte das kopernikanische System nie vollständig und versuchte einen Kompromiss zwischen diesem und dem ptolemäischen System. In Brahes System drehen sich die fünf bekannten Planeten um die Sonne, die sich einmal jährlich um die Erde dreht. Die Sphäre der Sterne dreht sich einmal täglich um die Erde. Obwohl Brahes Theorie fehlerhaft war, spielten seine Daten eine zentrale Rolle bei der Entwicklung der korrekten Beschreibung der Planetenbewegung durch Johannes Kepler, seinen Assistenten.

Johannes Kepler

Keplers Gesetze, drei Gesetze über die Bewegungen der Planeten, wurden im frühen 17. Jahrhundert formuliert. Kepler stützte seine Gesetze auf die Daten von Tycho Brahe. Die Vorschläge brachen mit dem Glauben, dass sich Planeten in kreisförmigen Bahnen bewegen. Keplers erstes Gesetz besagt, dass Planeten die Sonne auf elliptischen Bahnen umkreisen, wobei die Sonne sich in einem Brennpunkt der Ellipse befindet. Das zweite Gesetz besagt, dass die Flächen, die vom Radiusvektor vom Zentrum des Planeten zum Zentrum der Sonne überstrichen werden, in gleichen Zeiträumen gleich sind. Je näher die Erde der Sonne ist, desto schneller bewegt sie sich. Das dritte Gesetz besagt, dass das Verhältnis der durchschnittlichen Entfernung (d) eines Planeten zur Sonne, potenziert mit 3, geteilt durch das Quadrat seiner Umlaufzeit (t), eine Konstante ist (d³/t² ist für alle Planeten gleich). Diese Gesetze spielten eine wichtige Rolle in der Arbeit von Isaac Newton und sind wesentlich für das Verständnis der Umlaufbahnen von Monden und Satelliten.

Isaac Newton

Isaac Newton erklärte Keplers Gesetze durch die Anziehungskraft zwischen Sonne und Planeten. Diese Kraft, abhängig von Masse und Abstand, bildet die Grundlage für die physikalische Erklärung der Keplerschen Gesetze. Newtons Entdeckung heißt Gesetz der universellen Gravitation.

Nach Newtons Zeit verzweigte sich die Astronomie. Die Himmelsmechanik untersuchte die Planetenbewegung weiter. Die Verfeinerung des Teleskops ermöglichte die Erforschung von Planetenoberflächen und die Messung stellarer Entfernungen. Im 19. Jahrhundert lieferte das Spektroskop Informationen über die chemische Zusammensetzung und Bewegungen von Himmelskörpern. Im 20. Jahrhundert wurden immer größere Teleskope gebaut. Studien offenbarten die Struktur von Galaxien und Galaxienhaufen. Neue astronomische Instrumente, darunter auch auf Satelliten basierende, wurden entwickelt. Astronomen studieren nicht nur Planeten, Sterne und Galaxien, sondern auch Plasmen, interstellare Regionen, Schwarze Löcher und die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung.

Newtons Gesetz impliziert auch kleinere Kräfte zwischen den Planeten. Interplanetare Gravitationskräfte führen dazu, dass die Bahnen der Planeten von der elliptischen Form abweichen.

Stephen Hawking & Inflationstheorie

Die Inflationstheorie, entwickelt in den 1980er Jahren von Alan Guth, versucht, die Ereignisse der ersten Momente des Universums zu erklären. Gemäß der Urknalltheorie entstand das Universum aus einem Urknall, der die Ausdehnung der Materie aus einem Zustand extremer Verdichtung verursachte. In der ursprünglichen Formulierung blieben jedoch Fragen offen. Guth stützte seine Theorie auf die Arbeit von Physikern wie Stephen Hawking, der starke Gravitationsfelder, wie sie in der Nähe eines Schwarzen Lochs oder am Anfang des Universums gefunden werden, untersucht hatte. Diese Arbeit zeigt, dass die gesamte Materie im Universum durch Quantenfluktuationen im "leeren Raum" entstanden sein könnte. Guths Arbeit nutzt die vereinheitlichte Feldtheorie.

Der Urknall

Der Urknall ist der Moment, in dem aus dem "Nichts" die gesamte Materie entstand. Die Materie, bis dahin ein Punkt unendlicher Dichte, "explodierte" und erzeugte die Expansion in alle Richtungen. Unmittelbar danach begannen sich die Teilchen voneinander zu entfernen. Theoretische Physiker konnten die Chronologie der Ereignisse ab 1/100 Sekunde nach dem Urknall rekonstruieren. Die freigesetzte Materie bestand ausschließlich aus Elementarteilchen: Elektronen, Positronen, Mesonen, Baryonen, Neutrinos, Photonen usw.