<b><font size="4">Johannes Kepler</b></font id="size4">
<b>Johannes Kepler</b> und Tycho Brahe begegneten sich um 1600 herum in Prag. Brahe stellte Kepler als Assistenten ein und erhoffte sich Hilfe, sein sogenanntes "tychonisches Weltbild" theoretisch bestätigen zu können.
Kepler war nämlich Brahes genauer Gegensatz - ein blendender Mathematiker, doch ein schlechter Beobachter. Eine solche Zusammenarbeit hätte ja fruchtbar werden können, scheiterte aber zum ersten an Brahes Halsstarrigkeit, was sein eigenes Weltbild betraf, und zum anderen, weil er nur noch ein und ein halbes Jahr zuleben hatte.
Als Nachfolger dann stand plötzlich Kepler Brahes gesamtes Beobachtungsmaterial uneingeschränkt zur Verfügung, und das hatte einschneidende Folgen für die Entwicklung der Astronomie.
Kepler war überzeugt vom heliozentrischen Weltbild und hatte sicher seinen Kopernikus genau studiert. Bevor er Brahe kennenlernte arbeitete er an einem Weltbild, in dem er alle vorherigen Auffassungen und Erkenntnisse zusammenfaßte und das er dann im Jahre 1596 unter dem Titel "Das Weltgeheimnis" veröffentlichte. Da war er gerade mal 25 Jahre alt. Dieses Weltbild beinhaltete noch alle damals bekannten Ingrediensen, wie perfekte Kreisbahnen, Sphären usw. Und wie immer vorher, stimmten die Berechnungen ziemlich gut. Als er diese aber später mit Brahes zichfach genaueren Daten verglich, stimmte gar nichts mehr.
Als erster und einziger Astronom seiner Zeit erkannte Kepler die Bedeutung von Brahes Kometenvermessungen von 1577 und kam zu dem Schluß:
<b>Planeten und Kometen sind sich frei in einem Weltenraum bewegende Körper</b>.
Also weg mit Aristoteles und den Planetensphären.
Dann konzentrierte er sich auf die Marsbahn. Diese wies unerklärliche, schleifenartige Bewegungen auf. Ausgehend von genau berechneten Erdpositionen konnte er die exakte Umlaufbahn des Mars um die Sonne bestimmen. Im Jahre 1609 veröffentlichte er in seiner "Astronomia Nova" bahnbrechend die ersten zwei keplerschen Planetengesetze.
Die Umlaufbahn des Mars war eine Ellipse und die der anderen Planeten ebenso.
<b>Gesetz 1</b> besagt, daß ein Ellipsenbrennpunkt immer mit der Sonne zusammenfällt.
<b>Gesetz 2</b> besagt, daß die Flächen der per Zeiteinheit im Umlauf um die Sonne bestrichenen Ellipsensegmente gleich sind. Das bedeutet, daß je weiter ein Planet von der Sonne entfernt ist, desto langsamer bewegt er sich. Das konnte er geometrisch schön anschaulich machen.
Zehn Jahre später veröffentlichte Kepler das Planetengesetz 3 in seinem Buch "Harmonik der Welt".
<b>Gesetz 3</b> hat ihn sicher eine enorme Rechenarbeit gekostet und besagt, daß das Quadrat der Umlaufzeit in Erdjahren im Verhältnis zur dritten Potenz der großen Ellipsenhalbachse für alle Planeten gleich 1 ist.
Das klingt ja kompliziert, kann man aber auch so schreiben: <b>T²/d³=1</b>
Dabei setzt man für die Erde T=1[Jahr] und für den Abstand zur Sonne d=1[AE]. Hier wieder die astronomische Einheit AE - damals die große Ellipsenhalbachse.
Eine Tabelle für die sechs bekannten Planeten verdeutlicht dieses dritte Gesetz:
<u>Planet..........T...........d............T²...........d³..........T²/d³</u>
Merkur......0,241.....0,387.......0,0581.....0,058......1,002
Venus.......0,615.....0,723.......0,378.......0,378......1,000
Erde.........1...........1..............1.............1............1
Mars.........1,881....1,524........3,538.......3,539.....0,999
Jupiter.....11,863....5,203....140,73.....140,85.......0,9991
Saturn.....29,458....9,555....867,77.....872,35.......0,9947
Die drei keplerschen Planetengesetze waren bahnbrechend für das heliozentrische Weltbild und die weitere Entwicklung der Astronomie. Der endgültige Beweis für deren Gültigkeit wurde seine exakte Vorhersage des Venustransit 1631, d.h. die Venus schiebt sich vor die Sonnenscheibe. Das war ein Meilenstein in der Geschichte der Wissenschaft - die erste, korrekte Berechnung eines solchen Himmelsereignisses, doch konnte er leider nicht angeben, wo genau in Europa der Venusdurchgang beobachtet werden könnte und der blieb deshalb unbeachtet. Daher hinterließen Keplers Planetengesetze lange Zeit auch keine größeren Spuren in der Astronomiegemeinde. Selbst Galilei ignorierte den Durchgang und die drei Gesetze und hielt Zeit seines Lebens an den schönen Kreisbahnen fest.
Venusdurchgänge sind relativ seltene Himmelsereignisse, doch der nächste Durchgang kam damals schon acht Jahre später 1639. Und einer, der seinen Kepler genau kannte, war der Engländer Jeremiah Horrocks nur 21 Jahre alt. Er berechnete den Durchgang und erstmalig wurde ein solcher von fünf Leuten beobachtet. Gleichzeitige Messungen mit genau bekanntem Abstand erlaubten dem jungen Horrocks die Größe der Venus und den Abstand Erde-Sonne zu bestimmen. Und das ziemlich genau - man hatte ja damals noch keine größere Ahnung von Entfernungen und den Größen der Himmelskörper. So berechnete er die Entfernung zur Sonne zu 0.639 AE, also ein Drittel weniger als heutige Messungen.
In dem Zusammenhang kann man sich ja fragen, wieso Kepler zu seinen Gesetzen kam, wo die Abstände doch völlig unbekannt waren. Die Tabelle z.B. zum dritten Gesetz beinhaltet natürlich moderne Daten. Kepler hatte aber die genauen Umlaufbahnen und das reichte. Die Rechenarbeit war desto größer.
Kepler kam auch in Kontakt mit Arbeiten, die den Magnetismus beschrieben. Diese fernwirkende Kraft faszinierte ihn und er übertrug sie sofort auf das Sonnen-Planetensystem, in dem die Sonne eine Kraft auf die Planeten ausübte. Das war der Vorläufer zu Newtons Gravitationstheorie.
Weitere Arbeiten Keplers, die wichtig für die Weiterentwicklung der Astronomie waren, sind seine grundlegenden Arbeiten für die Optik, die er 1611 veröffentlichte. Die Erfindung des sogenannten Keplerfernrohres fiel dabei ganz nebenbei ab.
Als Kuriosum kann man vielleicht noch die Erfindung der Zahnradpumpe nennen, die zur Entwässerung in Bergwerksstollen angewendet wurde. Solche Pumpen besorgen heute in jedem Automotor den Ölumlauf.
Johannes Kepler und Galileo Galilei hatten öfters brieflichen Kontakt und verfolgten natürlich auch genau, was der andere veröffentlichte.
Kepler starb im Jahre 1630.
<b><font size="4">Galileo Galilei</b></font id="size4">
<b>Galileo Galilei</b>
wird heute als der Begründer der modernen Naturwissenschaften angesehen. Das heißt: beobachten, experimentieren, messen und die Ergebnisse mathematisch analysieren. Darin unterschied er sich von Kepler, der noch ganz dem Mystizismus nachging, sein Weltbild gerne mit alten griechischen, kirchlichen und philosophischen Vorstellungen verband, und der vor allem auch Astrologe war.
Davon war Galilei gar nicht imponiert. War er mal zu einem Ergebnis gekommen hatte das immer Vorrang vor philosophischen und kirchlichen Vorstellungen.
Er war Erfinder. Er baute das erste Themperaturmeßgerät, später von Fahrenheit verbessert. Er beschrieb die Funktionsweise einer Pendeluhr.
Er entwickelte und vertrieb das sogenannte Galileifernrohr. Das war dem gleichen Prinzip nach schon 1608 in Holland erfunden worden, doch konnte Galilei in der besten Ausführung damals phantastische 33-fache Vergrößerung erreichen. Er änderte die Funktionsweise des Fernrohres in die eines Mikroskopes, doch ohne sich weiter damit zu beschäftigen.
Er war einer der Ersten, die den Himmel mit dem Fernrohr durchmusterten. Dies führte zu der Entdeckung der vier größten Jupitermonde, die man heute Galileimonde nennt. Er studierte und dokumentierte die zerklüftete Oberfläche des Erdmondes und weiter die Venusscheibe mit ihren Phasen, die den Mondphasen glichen. Er stellte fest, daß die anderen Planeten ganz deutlich auch als Scheiben zusehen waren, ganz im Gegensatz zu den Fixsternen. Er konnte sehen, daß die Erde dunkle Partien auf dem Mond erhellte, der sogenannte Erdschein. Und die nebeligen Partien der Milchstraße lösten sich vor seinen Augen in unzähligen Sternen auf.
All das veröffentlichte er 1610 mit Zeichnungen der Mondoberfläche in seinem "Sidereus Nuncius" (Sternenbote). Das Buch kann man beinahe als den ersten Bestseller bezeichnen. Galilei wurde mit einem Schlag berühmt und das Buch war nach einigen Tagen vergriffen.
Galileis nächste, wichtige Veröffentlichung war die Schrift "Saggiatore" (Prüfer) 1623. Er widmete diese Schrift seinem Freund und Gönner Kardinal Barberini, der gerade zum Papst Urban VIII gewählt worden war. Hierin vertrat er die Ansicht, daß Naturwissenschaft nur durch Mathematik und Geometrie zu verstehen sei. Das war ganz klar eine Absage an Aristoteles und die Astrologie und seitdem wird er als der Begründer der modernen Wissenschaften angesehen.
Merkwürdigerweise hielt er aber fest an der Theorie des Aristoteles und dessen Fixsternsphäre, in der sich nichts bewegen konnte. Kometen waren halt eben nur Lichteffekte in der Atmosphäre. Er machte sich ja auch lustig über den "tychonischen Affenplaneten". Auch ignorierte er, wie schon mal erwähnt, Keplers Ellipsenbahnen. Kann ja sein, daß er glaubte: wenn keine Kreisbahnen in der Planetensphäre - dann auch kein kopernikanisches (heliozentrisches) Weltbild.
Auch die von Kepler berechnete Venuspassage 1631 ignorierte er.
Zu der Zeit hatte er aber schon ernsthafte Probleme.
Im Jahre 1600 war Giordano Bruno wegen Ketzerei auf dem Scheiterhaufen hingerichtet worden. Er vertrat öffentlich das Weltbild eines unendlichen Weltenraumes, gefüllt mit unzähligen sich frei bewegenden Sternen. Richtig würden wir heute sagen, damals aber frei erfunden.
Weiter kam 1616 "De Revolutionibus" von Kopernikus auf den Index für verbotene Bücher.
So, ungefährlich war es also nicht, abweichende Theorien zu vertreten.
Das Buch "Saggiatore" wurde schon wegen Verstoßes gegen die Kirchendogmen angezeigt. Doch war die Stellung Galileis zu stark. Die Anzeige verschwand in den kirchlichen Irrgängen Dank der Anstrengungen seiner Gönner.
Im Jahre 1632 kam dann das entscheidende Buch "Dialogo" (Dialog über das ptolemäische und das kopernikanische Weltsystem) heraus.
In dem diskutieren Aristoteles, Ptolemäus und Kopernikus ihre Weltbilder. Das fiel natürlich zu Gunsten für Kopernikus aus - allerdings mit einem falschen Hauptargument. Galilei glaubte nämlich fälschlich, daß die Gezeiten, das will sagen Ebbe und Flut, durch die Erdrotation um ihre Achse verursacht würden. Und wenn die Erde rotiert, ist das ein Beweis für ihren Umlauf um die Sonne.
Er entwickelte das Relativitätsprinzip, das besagt, daß kein Unterschied besteht zwischen Ruhe und gleichförmiger Bewegung. Er machte sogar Vorschläge, die Lichtgeschwindigkeit zu messen, was erst 1849 gelang.
Weiter war der "Dialogo" nicht in der Wissenschaftssprache Latein geschrieben, sondern erstmalig gezielt in der Umgangssprache italienisch, also frei lesbar für jedermann.
Die notwendige Verteidigung des ptolemäischen Weltbildes legte er in den Mund eines offensichtlichen Dummkopfes. Als er sich dann auch noch lustig machte über einen Favoritgedanken von Papst Urban, der darauf hinausging, daß wissenschaftliche Erkenntnisse eigentlich sinnlos wären, weil Gott sie jederzeit ändern könnte, war es aus. Sein größter Beschützer war nun gegen ihn.
Das Buch wurde, trotz vorläufiger Druckerlaubnis eingezogen und verboten. Galilei hatte sich in Rom zu verteidigen. Er leugnete, das kopernikanische Weltsystem gelehrt zu haben, und reichte seine Verteidigungsschrift mit der Bitte um Gnade 1633 bei der Inquisition ein.
Er war ja ein angesehener und beliebter Mann mit vielen, vor allem kirchlichen Freunden. Deshalb war vom Scheiterhaufen nie die Rede. Er wurde zu lebenslanger Kerkerhaft verurteilt. Drei von den zehn Kardinälen und auch der Papst unterzeichneten das Urteil gar nicht erst.
Galilei mußte aber offiziell Kopernikus abschwören und die berühmten Worte "und sie (die Erde) bewegt sich doch", die er beim Verlassen des Gerichtssaales geäußert haben soll, sind ihm wohl in den Mund gelegt worden, allerdings schon ziemlich bald nach dem Urteil.
Nun ja, mit der Kerkerhaft war auch nicht viel los. Sie wurde umgewandelt in Hausarrest und, für ihn ziemlich hart, auch in Lehr- und Publikationsverbot.
Zur selben Zeit begann Galilei mit seinem letzten Werk "Discorsi", was Ansprache, Gespräch bedeutet. Wir würden es heute ein Physikbuch nennen. In dem faßte er seine physikalischen Erkenntnisse zusammen und warf damit alles, was Aristoteles hieß, über den Haufen. Er führte die Begriffe Beschleunigung, Relativität und Trägheit ein und begründete die Festigkeitslehre. Das alles beschrieb und belegte er mit Experimenten.
Für Aristoteles waren Ruhe und Bewegung prinzipiell gegensätzlich. Galileis Relativitätsprinzip besagt, daß bei beobachtbaren Vorgängen kein Unterschied besteht zwischen Ruhe und gleichförmiger Bewegung. Das führte ihn zu seinem Trägheitsprinzip, das wiederum besagt, daß ein Körper in gleichförmiger Bewegung keiner äußeren Kraft bedarf, um seine Bewegung aufrecht zu erhalten und er sich selbst als in Ruhe befindlich ansehen kann.
Die "berühmten" Fallexperimente zur Erdbeschleunigung am schiefen Turm zu Pisa sind sicher freie Phantasie, aber seine Versuche, sie mit Hilfe der schiefen Ebene zu bestimmen, sind dokumentiert. Dabei stellte er fest, daß die beschleunigte Bewegung per Zeiteinheit gemessen werden muß, also [m/s²] oder Geschwindigkeit [m/s] per Sekunde, und von Anfang bis Ende der Beschleunigung jede zugehörige Geschwindigkeit durchläuft.
Eine Veröffentlichung des Buches im katholischen Bereich war unmöglich. Eine lateinische Übersetzung kam 1635 in Straßburg heraus und Galileis Originalversion in Italienisch erst 1638 in Leiden in Holland.
Galilei starb 1642.
<b><font size="4">Isaac Newton</b></font id="size4">
Mit den Vorgängern Kopernikus, Brahe, Kepler und Galilei war dann die Zeit für <b>Isaac Newton</b> (1643-1726) gekommen. Newton brauchte sich gar nicht mehr um irgendwelche kirchliche Restriktionen zu kümmern, was dann durchschlagende Folgen für die Physik hatte.
Isaac Newton ist einer der bedeutendsten Wissenschaftler aller Zeiten. Er forschte in den Wissenschaftsbereichen Optik, Mathematik, Mechanik und Astronomie. Seine Hauptwerke waren "<i>Principia Mathematica</i>" von 1687 und "<i>Opticks</i>" von 1704.
Er begründete die so genannte <i>klassische Mechanik</i>, die zum naturwissenschaftlichen Weltbild vieler Generationen bis hin zu Einstein wurde. Sie beinhaltet die drei Grundgesetze der Bewegung, Fernwirkung der Kräfte, absolute Zeit und absoluter Raum.
Ausgehend von Keplers drei Planetengesetzen erklärte er als deren Ursache Trägheit und Gravitation und bewies, daß alle Bahnen aller möglichen Kegelschnitte vorkommen können. Zum Beispiel ist eine Parabel oder eine Ellipse ein typischer Kegelschnitt. Er führte den Begriff Gravitation ein und bewies, daß die gleichen Gesetze sowohl auf Erden als auch am Himmel gelten. Er stellte fest, daß seine Gravitationskraft im Quadrat zur Entfernung abnimmt.
Damit war endgültig Schluß mit den Vorstellungen von Aristoteles, den schönen Kreisbahnen, den getrennten Sphären. Kopernikus, Kepler und Galilei waren unwiderruflich bestätigt.
Der Äther war aber noch da und der sollte sich noch lange halten, besonders weil man ihn benötigte, um sich die Ausbreitung der Lichtwellen zu erklären.
<i><b>Erstes newtonsches Gesetz</i></b>: Ein Körper bleibt in Ruhe oder geradliniger Bewegung, solange keine äußeren Kräfte auf ihn einwirken - auch Trägheitsgesetz genannt. Das hatte schon Galilei festgestellt, Newton aber sah ein, daß das für alle Körper galt - Fußball, Erde, Planeten, Sonne usw.
Besser ausgedrückt wäre: Ein isoliertes Objekt, das nicht mit anderen wechselwirkt, hat eine konstante Geschwindigkeit. Das ist Trägheit. Dabei ist Geschwindigkeit immer eine Eigenschaft des Objektes und kann sich nur ändern durch Wechselwirkungen, die man Kräfte nennt.
<i><b>Zweites newtonsches Gesetz</i></b>: Ändert sich eine Bewegung, so geschieht das proportional zur Kraft, die auf den Körper einwirkt in Richtung der Kraft. Das resultiert in der grundlegenden Gleichung der Mechanik: Kraft (K)= Masse (m) mal Beschleunigung (a): K[kg m/s²] = m[kg] a[m/s²]
<i><b>Drittes newtonsches Gesetz</i></b>: Wenn ein erstes Objekt eine Kraft auf ein zweites Objekt ausübt, so übt das zweite Objekt eine Kraft derselben Größe auf das erste Objekt aus, aber in der umgekehrten Richtung.
Hier wird ganz klar festgestellt, daß Kräfte Wechselwirkungen sind. Dabei muß die Kraft nicht unbedingt ein Schubs von einem anderen Körper sein, sie kann auch fernwirken wie z.B. Newtons Schwerkraft oder eine elektromagnetische Kraft.
Hier sollte man auch mal überlegen, was der Begriff <i>Geschwindigkeit</i> eigentlich bedeutet. Geschwindigkeit ist immer die zurückgelegte Strecke per Zeiteinheit. Gehe ich einen Kilometer und brauche dafür eine Stunde, habe ich mich mit der Geschwindigkeit von 1 km/h bewegt. Dabei ist jetzt nicht das 1 km/h das absolut Wichtige, sondern das Wichtige ist, daß ich mich bewegt habe. Bewegung ist das Absolute. Derjenige nämlich, der meine Geschwindigkeit von 1 km/h gemessen hat, befindet sich in demselben "Geschwindigkeitssystem" (Inertialsystem) auf dem Erdboden wie ich. Wäre der auf dem Mond stationiert, würde er eine ganz andere Geschwindigkeit als 1 km/h messen.
Noch merkwürdiger wird es, wenn ich mir vorstelle, ich sehe nichts anderes, sondern ich sehe nur den, der meine Geschwindigkeit mißt. Dann kann ich gar nicht mehr feststellen, daß ich mich bewege, sondern ich messe selber nur, daß der andere sich mit 1km/h im Verhältnis zu mir bewegt. Das ist ganz elementar, wenn man unser Universum betrachtet. Da ist alles in Bewegung. Eine "Geschwindigkeit" gleich Null gibt es nicht. Ich, der ich mich im Universum befinde, bin immer der Mittelpunkt und in Ruhe. Alles um mich herum bewegt sich. Alle Bewegungen im Universum haben eine Geschwindigkeit, die ich auf mich bezogen messen kann, die aber für einen von mir unabhängigen, anderen Beobachter ganz andere Geschwindigkeitswerte haben können. Wenn der mißt, glaubt er im Mittelpunkt und in Ruhe zu sein.
Das waren die grundlegenden Überlegungen später für Einstein.
Jetzt sind wir aber immer noch bei Newton. Und damals war es selbstverständlich, daß jeder Körper seine eigene, absolute Geschwindigkeit hatte. Wenn man das annimmt, muß man aber etwas haben, auf das sich alles bezieht, etwas, das sich in absoluter Ruhe befindet und das war ja der Äther. In der klassischen, newtonschen Mechanik nahm man an, daß der Äther mechanische Eigenschaften besaß, aber keinen mechanischen Einfluß ausübte. Newton selber sagte mal: den Äther verstehe ich nicht. Nie konnten Experimente vorher wie auch später den Äther bestätigen. Erst Einstein erklärte warum.
Abschließend wäre es gut zu wissen, was Newton sonst noch gemacht hat. Die Lehre vom Licht, die Optik, wurde ja von Kepler und vor allem Galilei begründet. Newton machte richtige Wissenschaft daraus. Licht war bisher weiß. Er zerlegte das weiße Sonnenlicht mit Hilfe von Prismaexperimenten in die Farben rot bis blau und stellte fest: weißes Licht setzt sich zusammen aus allen Farben. Die optischen Phänomene Brechung, Reflexion wurden untersucht und der Regenbogen fand seine Erklärung.
Er baute das erste Spiegelteleskop.
Man kann Bücher über Newton schreiben und auch natürlich lesen, was aber hier zu weit führt. Deshalb nur noch zum Schluß seine Bedeutung für die Mathematik: er lieferte wichtige Beiträge zur Algebra und entwickelte die Infinitesimalrechnung, die heute auch höhere Mathematik bezeichnet wird. Allerdings war er nicht ganz allein dabei. <i>Gottfried Wilhelm von Leibnitz</i> machte genau dasselbe, ganz unabhängig von Newton, und veröffentlichte sogar als erster diesen Mathematikzweig unter dem Nahmen Differenzialrechnung. Größere Freunde waren die beiden nicht, weil sie sich um das Erstrecht stritten.
Newtons klassische Mechanik wurde, wie gesagt, zum Weltbild der nächsten 200 Jahre. In dieser Zeit entwickelte sich die Physik in das, was heute Wissenschaft ausmacht: beobachten, messen, Theorien aufstellen, experimentieren und dann alles mathematisch untermauert beweisen.
So bewies z.B. <i><b>Léon Foucault</i></b> mittels eines handfesten Experiments, daß die Erde um die Erdachse rotiert. Das machte er mit Hilfe eines Pendels unter dem sich die Erde drehte.
Man stellte fest, daß Licht sich in Wellen und mit endlicher Geschwindigkeit ausbreitet; daß Licht im Quadrat zur Entfernung an Intensität verliert wie die Gravitationskraft; daß Farben Licht von unterschiedlicher Wellenlänge sind. Man konnte die Lichtgeschwindigkeit experimentell messen.
Man entwickelte die klassische Elektrodynamik, das will sagen die Elektrizitätslehre. Man stellte fest, daß Licht eine elektromagnetische Welle ist.
Als <i><b>Wilhelm Conrad Röntgen</i></b> 1895 als erster mit der neu entdeckten, nach ihm benannten Röntgenstrahlung experimentierte, für die er den Nobelpreis Nr1 der Physik erhielt, wurde so langsam klar, daß das, was man bisher Licht (also sichtbares Licht) nannte, nur ein winziger Teil der <i>elektromagnetischen Strahlung</i> war. Diese Strahlung erstreckt sich von der niedrig energetischen, langwelligen Radiostrahlung bis zur hoch energetischen, kurzwelligen Gammastrahlung.
All das wurde erforscht und berechnet, aber nichts stimmte überein mit dem Äther. Ein ruhender Äther vertrug sich nicht mit der Elektrodynamik und ein sich bewegender Äther, man sprach sogar vom "Ätherwind", ließ sich experimentell überhaupt nicht beweisen.
