Kategorie: Basics

Es ist doch wirklich verwunderlich. Ein Apfel fällt vom Baum. Er weiß genau, wo unten ist. Doch wer hat es ihm erzählt? Es ist die Erde, sagt Newton, und er selbst. Wie? Was? Wie soll das funktionieren?

Gar nicht allzu kompliziert auf dieser Ebene der Erklärung. Massen ziehen einander an. Warum sie das tun, weiß keiner, und tatsächlich sind „warum-Fragen“ in der Physik zwar bei den Fragesteller:innen beliebt, nicht aber bei jenen, die Versuchen, Antworten zu geben. Es könnte sein, dass ein Außerirdischer einen blauen Knopf drückt, wenn ein roter Apfel fällt. Und niemand könnte jemanden diese Erklärung ohne weiteres ausschließen. Deswegen hat Isaac Newton die Geschichte auch als „Wie-Erzählung“ formuliert. Wie fällt ein Apfel. Nach unten. Mit einer Kraft wird er angezogen, die umso größer ist, je näher der Apfel bei der Erde ist. Je größer der Apfel, und je größer die Erde ist. Und: sehr erstaunlich, der Apfel zieht die Erde genau so stark an, wie die Erde den Apfel. Nur merkt man das bei der Erde nicht sehr, weil sie so groß ist, und die Auswirkung der Kraft einfach nicht zu sehen ist.

Jetzt gibt es natürlich eine Formel dazu. Aber wie immer sie aussieht, sie beinhaltet drei Faktoren: die beiden Massen und ihren Abstand. Ihren Abstand sogar sehr stark – wir sagen quadratisch – und weil bei größerem Abstand die Kraft immer kleiner wird, muss der Abstand unter dem Bruchstrich stehen.

Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Gravitation

Wir wissen, dass sich die Erde um die Sonne bewegt. Jedes Jahr. 365 Tage braucht sie für eine Umrundung, und ein bisschen was, deswegen gibt es Schaltjahre. Auch alle anderen Planeten bewegen sich um die Sonne. Merkur, Venus, Erde, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun, und wenn wir möchten, auch Pluto.

Die Planeten sind hier nicht wie Insekten oder Vögel, die unregelmäßig mal hier mal da fliegen. Sie sind mehr wie in einem Uhrwerk, dass verlässlich mit seinen Zahnrädern die Kreise zieht. Vorhersagbar, gut auszurechnen. Für die Rechnungen – und die Vorhersagen – braucht man aber erst einmal das Handwerkszeug, die Formeln. Und diese Formeln wurden aus den Beobachtungsdaten der Planeten, die wir beobachten können, gewonnen. Johannes Kepler – ein alter Astronom – hatte diese Beobachtungsdaten in Tabellen vor sich am Schreibtisch liegen, und daraus formulierte er drei Gesetze.

1) Die Planeten bewegen sich auf Ellipsenbahnen um die Sonne. Achtung: die Ellipse ist nicht stark gequetscht, sie ist eher so gut wie ein Kreis. Die Sonne steht in einem Brennpunkt der Ellipse – der bei der fast runden Ellipse, dem Kreis, einfach der Mittelpunkt des Kreises ist.

2) Wegen der Ellipsenform seiner Bahn ist der Planet einmal näher dran an der Sonne, und dann wieder eher weiter weg (Achtung, der Effekt ist wirklich nicht groß). Aber: Je näher dran er ist an der Sonne, desto schneller bewegt er sich. Je weiter weg er ist von der Sonne, desto langsamer ist er. Kepler hat das ein bisschen geschwollener formuliert, man sieht das am besten an einer Skizze, aber hier ist sein Satz: „Ein von der Sonne zum Planeten gezogener Fahrstrahl überstreicht in gleichen Zeiten gleich große Flächen.“ / Wikipedia.

3) Die Größe der Ellipse hat eine Auswirkung auf die gesamte Umlaufzeit. Je größer, desto größer natürlich. Äußere Planeten brauchen einfach länger. Auch hier ist Keplers Satz ein bisschen „mathematischer“: „Die Quadrate der Umlaufzeiten zweier Planeten verhalten sich wie die Kuben (dritten Potenzen) der großen Halbachsen ihrer Bahnellipsen.“ / Wikipedia.

Insgesamt können die Keplerschen Gesetze die Himmelsmechanik ganz gut beschreiben. Gemeinsam mit dem Gravitationsgesetz von Newton, der den Zusammenhalt der Himmelskörper und ihrer Bahnen mit der Anziehungskraft beschreibt, ist das für den Alltag im Sonnensystem gut zu gebrauchen. Wer mehr braucht, wird bei Einstein fündig – bei der Relativitätstheorie. Schau dort gerne nach.

---

Slow Science Episode 007: https://www.slowscience.at/sls007/

Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Keplersche_Gesetze

Wer steht im Mittelpunkt? Die Sonne oder die Erde? Das ist eine Frage des Weltbildes, eine Zusammenstellung von Theorien über unsere Welt.

Wer braucht schon ein Weltbild? Jeder, der wissen will, was hinter dem Horizont ist. Ist die Erde flach, dann wird es gefährlich an den Rändern der Scheibe. Ist sie rund, dann nicht. Es gibt “richtige” Weltbilder und scheinbar richtige Weltbilder. Oft ist es eine Frage des Abstands. Wer mit einer Rakete die Erde verlässt, wird schnell sehen, dass die Erde rund ist.

Ähnlich verhält es sich mit der Frage nach dem Lauf der Sonne. Wir legen uns ins Gras von morgens bis abends und wir erkennen sofort, dass sich die Sonne bewegt. Das müssen wir annehmen, denn es bewegen sich auf die Vögel und die Wolken am Himmel. Warum sollte das bei der Sonne anders sein? Das ist das geozentrische Weltbild. Es ruht die Erde. Wir im Gras. Und einmal pro Tag fliegt die Sonne über den Himmel. Sie bewegt sich. Nicht.

Das selbe Bild bekommen wir nämlich auch im Gras liegend, wenn wir annehmen, dass sich die Erde und das Gras mit uns dreht. Aber auf diese Idee muss man erst einmal kommen. Das ist nämlich dann nicht wie mit den Vögeln und den Wolken. Das ist mehr so, wie auf einem Bürosessel, auf dem man sitzt, und auf dem man sich herumdreht. Auch da fliegen die Bücher im Regal vorbei, die Bilder an der Wand. Aber eben anders herum. Die Bücher sind ruhig, die Bilder, die Wand. Wir drehen uns. Das ist das heliozentrische Weltbild. Sonne ruhig. Erde dreht sich. Und zusätzlich kommt noch eine weitere Drehung dazu. Einmal pro Jahr bewegt sich die gesamte Erde – mit ihrer täglichen Drehung – um die Sonne. Die ist also wirklich ruhig die ganze Zeit. Ja, das sagt das heliozentrische Weltbild. Die Sonne im Mittelpunkt.

Dass so gravierende Änderungen von Weltbildern nicht so einfach von Menschen zu akzeptieren sind – besonders wenn sie anderer Meinung sind – das ist klar.

---

Link zur Slow-Science-Episode-SLS006: https://www.slowscience.at/sls006/

Links: https://de.wikipedia.org/wiki/Geozentrisches_Weltbild und https://de.wikipedia.org/wiki/Heliozentrisches_Weltbild

Das Weltall umfasst alles, was wir uns vorstellen können. Was befindet sich darin – gibt es eine Grenze und wenn ja, was befindet sich dann außerhalb? Simulationen helfen alles gut zu verstehen.

Das Weltall. Es wird Universum genannt. Es ist ein Raum. Dazu gibt es die Zeit. Stellen Sie sich vor, dass der Raum leer ist. Dann ist es dunkel. Niemand wird bemerken, dass es die Zeit gibt. Jetzt füllen wir das Universum mit zwei verschiedenen Elementen: Mit Materie, also “Sachen”. Atome. Moleküle. Dinge, die es wirklich gibt. Und mit Kräften. Sie werden Wechselwirkungen genannt. Etwas, was zwischen den Dingen wirkt.

Wir können mit den Dingen und den Kräften versuchen, alles zu erklären, was wir im Universum beobachten. Das funktioniert schon ganz gut. Um zu testen, wie gut das funktioniert, kann man einen Computer mit unserem Wissen füttern, wir packen die Naturgesetze dazu. Wir gehen zurück zum Urknall, zum Start des Universums. Und wir drücken auf “Start”. Nach 13,8 Milliarden Jahren im Schnellvorlauf müsste der Computer das Universum zeigen, wie wir es heute beobachten können. Und da gibt es noch Unterschiede, die wir erklären müssen. Dazu haben wir zwei Möglichkeiten: Wir finden noch etwas, was unser Wissen vervollständigt, oder wir erfinden etwas, was wir brauchen, damit die Simulation am Computer funktioniert. Beides wird gemacht. Die Forschung geht voran, Expeditionen, Teleskope, neue Größenordnungen, neue Wellenlängen. Und: “dunkle Materie”, “dunkle Energie” werden als Ideen formuliert. Man kann sie nicht messen, kann aber definieren, was sie sein müssten, damit das Universum so ist, wie wir es heute sehen.

Kurzgefasst: Raum und Zeit und Objekte und Kräfte. Daraus besteht das Universum. Die Objekte können Atome sein, Moleküle, Planeten, Monde, Haufen (Asteroiden), Sterne, Galaxien, Galaxienhaufen. Kräfte kennen wir 4 bis 5: Gravitationskraft, Elektrische Kraft, Magnetische Kraft, Starke und Schwache Wechselwirkung.

https://youtu.be/hD6GfuwyLow

Links: SlowScience Episode SLS005 und https://de.wikipedia.org/wiki/Universum