Leseprobe aus "Astronomie" - Scinexx

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2 32 2 Gravitation und Planetenbewegung Die Naturwissenschaften bieten Erklärungen von Sachverhalten und Effekten, sei es in der Gegenwart oder in der Vergangenheit. Sie ermöglichten aber auch entsprechende Vorhersagen für die Zukunft. Die wissenschaftlichen Methoden sind inzwischen enorm leistungsfähig. Mit ihrer Hilfe können wir Vorgänge beobachten, deuten und verstehen, ohne sie – wie zu früheren Zeiten – einfach hinnehmen oder gar fürchten zu müssen, dass sie sich auf unerwartete Weise ändern. Die Naturwissenschaften ermöglichen eine gewisse Vereinfachung oder besser Abstraktion und nehmen uns einen Teil der Ungewissheit, mit der die Welt uns seit jeher konfrontiert. In diesem Kapitel beschäftigen wir uns mit dem Wesen der Wissenschaften, insbesondere der Naturwissenschaften. Dabei werden wir erkennen, welchen Gesetzmäßigkeiten die Planeten, aber auch die unzähligen anderen Himmelskörper unterliegen. In diesem Kapitel geht es darum, • wodurch eine Theorie als wissenschaftlich gekennzeichnet ist; • dass im Laufe einer wissenschaftlichen „Revolution“ die Erde ihre Stellung im Zentrum des Universums verlor; • welche Anschauung Kopernikus über den Umlauf der Planeten um die Sonne hatte; • warum sich die Bewegungsrichtungen der Planeten an der Himmelskugel von Zeit zu Zeit umkehren; • dass Kepler bei seiner Beschreibung der Planetenbahnen auf die sorgfältigen Beobachtungen seines Mentors Tycho Brahe zurückgriff; • dass Isaac Newton eine Gleichung aufstellte, um die Gravitationskraft zu beschreiben, und dass er mit ihr erklärte, warum die Planeten und die Monde in ihren Umlaufbahnen bleiben; • wie sich das Sonnensystem bildete; • warum die Umgebung des Sonnensystems in seiner Frühzeit weitaus lebensfeindlicher als heute war; • wie Astronomen die verschiedenartigen Objekte im Sonnensystem klassifizieren; • wie die Planeten angeordnet sind; • wie nahezu im gesamten Sonnensystem etliche Monde entstanden; • woraus die Reste des frühen Sonnensystems bestehen; • dass Scheiben aus Gas und Staub, aber auch Planeten in der Nähe von immer mehr Sternen nachgewiesen wurden; • dass die Entstehung neuer Sterne oder Planetensysteme beobachtet wird. Die Naturwissenschaften: Der Schlüssel zum Verstehen Wenn wir die Zusammenhänge und Gesetzmäßigkeiten verstehen, die die Natur beherrschen, dann können wir die Materie und die Energie, die unsere Umgebung darstellen, sozusagen manipulieren und dabei Neues hervorbringen, um Vorteile daraus zu ziehen. So führen technische Verbesserungen zu neuen Erfolgen in der Forschung, sodass wir noch tiefere Erkenntnisse über Raum, Zeit, Materie und Energie sowie über deren Beziehungen zueinander gewinnen können. Diese Spirale des Verstehens und der Anwendung begann schon vor Jahrhunderten. In diesem Kapitel betrachten wir zunächst, wie schon angedeutet, das Wesen der Naturwissenschaften. Dabei verstehen wir unter anderem, wie die Gravitationskraft die Planeten und anderen Objekte, die die Sonne umlaufen, sowie die Monde, die ihren jeweiligen Planeten umlaufen, auf ihren Bahnen hält. 2.1 Wissenschaft ist beides: Wissen und der Prozess des Erforschens Wir können die Naturwissenschaften in zwei Aspekte aufteilen. Der erste ist eine inzwischen gewaltige Ansammlung von Wissen, das im Laufe langer Zeit bei Beobachtungen und Experimenten anfiel. Beispiele dafür sind die Details der Bewegungen des Monds, der Planeten und der Sonne an der Himmelskugel, wie wir sie in Kapitel 1 beschrieben haben. Das angesammelte Wissen ermöglicht eine anschauliche Beschreibung der Gegebenheiten, wie sie in diesem Buch in den allermeisten Fällen gegeben wird. Aber mithilfe des Wissensfundus konnten und können auch mathematische Gleichungen aufgestellt werden, aus denen quantitative Aussagen oder Vorhersagen abzuleiten sind. Der zweite Aspekt der Naturwissenschaften besteht darin, dass neu hinzukommendes Wissen stets von jedermann überprüft und ggf. allgemein akzeptiert werden kann. Diese Vorgehensweise ist der Kern der wissenschaftlichen Methode, die in Abb. 2.1 schematisch skizziert ist. Im Prinzip verläuft der Erkenntnisweg über Beobachtungen und/oder Experimente, sodann das Erklären der Sachverhalte und schließlich das Vorhersagen künftiger Gegebenheiten. Zwar ist der „Einstieg“ in den Prozess auch an jeder anderen Stelle in Abb. 2.1 möglich. Allerdings wird er – um bei der Astronomie zu bleiben – meist so durchlaufen,
1 dass die Bewegungen irgendwelcher Körper (z. B. von Planeten) an der Himmelskugel beobachtet werden und dass eine Erklärung dafür gesucht wird, dass die Sterne diesen Bewegungen nicht folgen. Die Ergebnisse späterer Beobachtungen oder Experimente müssen dann mit den zuvor aufgestellten Theorien verglichen werden. Ergeben sich dabei Widersprüche, dann muss eine Hypothese aufgestellt werden, die die bisher anerkannte Erklärung modifiziert oder ersetzt. Die Gesamtheit der Hypothesen für miteinander zusammenhängende Sachverhalte bezeichnet man als wissenschaftliche Theorie oder einfach Theorie. Im Alltag verstehen wir unter einer Theorie meist eine Vorstellung, die auf logischem Denken, Intuition oder persönlichen Überzeugungen gegründet ist. Eine derartige Theorie führt natürlich weder zu Gleichungen, noch ermöglicht sie konkrete Vorhersagen. In der Wissenschaft dagegen stellt eine Theorie eine Erklärung von Beobachtungen oder Versuchsergebnissen dar, die quantitativ beschrieben und auch überprüft werden können. Die mathematische Beschreibung einer wissenschaftlichen Theorie bezeichnet man meist als Modell des betrachteten Systems. Beispielsweise kann die von Newton aufgestellte Theorie der Gravitation als Gleichung formuliert werden. Anhand seines Gravitationsgesetzes können wir für jeden einzelnen Fall vorhersagen, wie die beteiligten Körper einander anziehen. Wie bereits erwähnt, muss eine Theorie, die als wissenschaftlich gelten soll, überprüfbare Vorhersagen liefern. Das bedeutet, es muss möglich sein, sie im Rahmen weiterer Beobachtungen oder Experimente zu bestätigen oder zu widerlegen. Außerdem muss bei der Theorie auch deren Gültigkeitsbereich angegeben werden, damit die Überprüfung sinnvoll ist. Gemäß dem Newton’schen Gravitationsgesetz sollten die Pla- Test der Theorie im neuen Zusammenhang konzipieren Wenn es bereits Theorien gibt, die die Ergebnisse stützen, ist die einfachste von ihnen zu wählen; überprüfte Ergebnisse publizieren Beobachtungen oder Experimente ausführen Ergebnisse untersuchen Neue oder präzisere Versuchs- oder Beobachtungsanordnung konzipieren, um den Gültigkeitsbereich der Theorie zu erweitern Die Naturwissenschaften: Der Schlüssel zum Verstehen 33 2 Wenn es noch keine Theorie gibt, die die Ergebnisse stützt, ist eine bestehende Theorie entsprechend anzupassen oder eine neue aufzustellen Vorhersagen aufgrund der neuen bzw. modifizierten Theorie aufstellen neten die Sonne auf Ellipsen oder Kreisen umlaufen, wofür sie umso länger brauchen, je weiter sie von ihr entfernt sind. Wie wir gleich sehen werden, konnten diese Vorhersagen in den allermeisten Fällen bestätigt werden. Wissenschaftler, die ein neues oder genaueres Modell entwickeln, betreten natürlich Neuland. Für viele von ihnen ist dies ein kreativer Prozess, der ebenso befriedigend ist wie für einen Künstler das Schaffen eines Meisterwerks, für einen Athleten ein neuer Weltrekord oder für einen Astronauten eine Erdumrundung oder gar ein Weltraumspaziergang. Aber die Überprüfung einer Theorie kann nicht nur die Bestätigung, sondern auch die Widerlegung zur Folge haben. Dementsprechend ist eine Theorie nur dann als wissenschaftlich anzusehen, wenn sie prinzipiell auch widerlegt werden könnte. Beispielsweise könnten ja eines Tages unwiderlegbare experimentelle Befunde dem Newton’schen Gravitationsgesetz widersprechen, sodass man die Theorie verbes- Test der neuen Theorie konzipieren Einblicke in die Wissenschaft Die Naturwissenschaft ist weltumspannend Der wissenschaftliche Fortschritt vollzieht sich im Grunde als praktisch weltweites Teamwork. Im Prinzip kann eine Theorie hierbei von jedermann aufgestellt, modifiziert oder überprüft werden, der sich dazu berufen fühlt. In der Praxis muss er aber zumindest das nötige mathematische Rüstzeug mitbringen. Dass die Theorie in Form konkreter Gleichungen zu formulieren ist, sorgt für die nötige Eindeutigkeit. Nur wenn diese sichergestellt ist, kann die Theorie jederzeit und überall von anderen Wissenschaftlern überprüft werden. Abb. 2.1 Die wissenschaftliche Methode. Dieses Flussdiagramm zeigt die wesentlichen Schritte beim Entwickeln und Überprüfen neuer Theorien. Jeder Forscher kann an irgendeiner Stelle in den Prozess eintreten, also Beobachtungen bzw. Experimente ausführen oder eine Theorie modifizieren bzw. eine neue aufstellen oder anhand neuer Theorien bestimmte Sachverhalte vorhersagen. (© Neil F. Comins)
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