Kosmologie

Die Aufnahme Hubble Ultra Deep Field zeigt Galaxien verschiedenen Alters, Größe, Form. Die kleinsten, rotesten Galaxien, gehören zu den am weitesten entfernten bekannten Galaxien. Diese Galaxien sind in einem Stadium zu sehen, als das Universum 800 Millionen Jahre alt war.

Die Kosmologie (griech. κοσμολογία „Lehre vom Kosmos“), in geisteswissenschaftlicher Vertiefung besser als Kosmosophie (von griech. κόσμος kósmos „Welt[-ordnung]“, auch „Schmuck“, „Anstand“ und σοφία sophίa „Weisheit“) zu bezeichnen, beschäftigt sich mit dem Ursprung, dem Wesen, der Struktur und der Entwicklung des Kosmos.

Grundlagen der modernen Kosmologie

Expansion und Entwicklungsstadien des Universums (nur zur Illustration, nicht maßstäblich)

Materie- bzw. Energieanteil des Universums zum jetzigen Zeitpunkt (oben) und zur Entkopplungszeit, 380.000 Jahre nach dem Urknall (unten). Die Bezeichnung „Atome“ steht hier für „normale Materie“. Auch über die Natur der Dunklen Energie ist wenig bekannt.

Als Standardmodell der Kosmologie gilt heute das das sogenannte Lambda-CDM-Modell (kurz auch: ΛCDM-Modell), das mit wenigen – in der Grundform sechs – Parametern die Entwicklung des Universums seit dem Urknall beschreibt. Der griechische Buchstabe Lambda (Λ) steht dabei für die kosmologische Konstante, und CDM für cold dark matter (kalte dunkle Materie). Es ist das derzeit einfachste Modell und stimmt gut mit den wichtigsten Beobachtungsdaten überein, die Aufschluss über das frühe Universum geben: Die Anisotropie der Hintergrundstrahlung in einem ansonst weitgehend isotropen Universum, die beobachtete Geschwindigkeit und zeitliche Veränderung der Expansion des Universums und die großräumigen Superstrukturen des Kosmos.

Die grundlegenden Prinzipien der modernen Kosmologie sind:

1. Das kosmologische Prinzip: Es besagt, dass das Universum im Großen und Ganzen homogen und isotrop ist. Das bedeutet, dass es auf großen Skalen in jeder Richtung gleichförmig erscheint und keine bevorzugten Richtungen oder Positionen gibt.
2. Die Urknalltheorie: Sie ist die am weitesten akzeptierte Theorie über die Entstehung des Universums. Sie besagt, dass das Universum vor etwa 13,8 Milliarden Jahren aus einem extrem heißen und dichten Zustand expandiert ist. Diese Theorie wird durch eine Vielzahl von Beobachtungen gestützt, wie etwa die kosmische Hintergrundstrahlung, die Expansion des Universums und die Häufigkeit von leichten Elementen.
3. Die Expansion des Universums: Das Universum dehnt sich seit seinem Ursprung kontinuierlich aus. Diese Expansion wurde erstmals durch die Beobachtung der Rotverschiebung von Galaxien entdeckt und ist ein zentrales Merkmal der modernen Kosmologie.
4. Dunkle Materie und Dunkle Energie: Die Hypothese der Dunklen Materie entstand als Erklärung für Beobachtungen, die auf das Vorhandensein von zusätzlicher Masse im Universum hindeuteten, die nicht durch sichtbare Materie, wie Sterne oder Gas, erklärt werden konnte. Nach dem Dritten Keplerschen Gesetz und dem Gravitationsgesetz müsste die Umlaufgeschwindigkeit der Sterne mit wachsendem Abstand vom Galaxiezentrum, um das sie rotieren, abnehmen, da die sichtbare Materie innen konzentriert ist. Messungen der Doppler-Verschiebung zeigen jedoch, dass sie konstant bleibt oder sogar ansteigt. Die sichtbare Materie, aus der Sterne, Planeten und Galaxien bestehen, macht nach heutigen Schätzungen nur etwa 5% der Gesamtmasse des Universums aus. Der Rest besteht aus Dunkler Materie (ca. 27%) und Dunkler Energie (ca. 68%). Dunkle Materie ist für die Strukturbildung im Universum verantwortlich, während Dunkle Energie die Expansion des Universums beschleunigt.

Geschichte der Kosmologie von den Anfängen bis heute im Überblick

Der Sternhaufen und Nebel der Plejaden (M45)

Die Himmelsscheibe von Nebra

Schematische Darstellung des Ptolemäischen Systems von Deferent und Epizykel. Im Centrum Mundi befindet sich die punktförmige Erde. Um die Exzentrizität des Planeten versetzt befindet sich darüber das Centrum Deferentis. Im gleichen Abstand liegt darüber das Centrum Equantis. Von diesem Punkt aus bewegt sich der Epizykel mit konstanter Winkelgeschwindigkeit auf dem Deferent, was durch die blau gefärbten Flächen symbolisiert wird. Die Überlagerung von Epizykelbewegung und Deferentenbewegung ist als gestrichelte rote Linie zu sehen. Die grüne Linie zeigt den wahren Ort des Planeten auf der Ekliptik. Zusätzlich ist als Verlängerung der Linie der Zentren die sogenannte Aux des Planeten angezeigt, also der Winkel zum Frühlingspunkt der Ekliptik.

Darstellung des geozentrischen Weltbilds des Ptolemäus mit der Erde im Mittelpunkt (1661).

Zwei Fernrohre Galileis

Heliozentrisches Weltbild, Andreas Cellarius: Harmonia Macrocosmica, 1708

Die äquivalenten Anziehungskräfte zweier Massen

Veranschaulichung der quadratischen Abnahme der Gravitation mit der Entfernung nach Martin Wagenschein (Der Mond und seine Bewegung)

Grafische Veranschaulichung der drei Keplerschen Gesetze:
1. Zwei ellipsenförmige Umlaufbahnen, Brennpunkte ƒ₁ und ƒ₂ für Planet 1, ƒ₁ und ƒ₃ für Planet 2. Die Sonne in ƒ₁.
2. Die beiden grauen Sektoren A1 und A2, die in derselben Zeit überstrichen werden, haben dieselbe Fläche.
3. Große Halbachsen a₁ und a₂. Die Gesamtumlaufzeiten der Planeten 1 und 2 verhalten sich wie a₁^3/2 : a₂^3/2.

Die wichtigsten Fraunhoferlinien (Absorbtionslinien) im Spektrum der Sonne.

Historisches Sonnen-Spektroskop mit 6 Prismen (John Browning, um 1890, World Museum Liverpool)

Zwei Dinge erfüllen das Gemüt mit immer neuer und zunehmender Bewunderung und Ehrfurcht, je öfter und anhaltender sich das Nachdenken damit beschäftigt: Der bestirnte Himmel über mir und das moralische Gesetz in mir. Ich sehe sie beide vor mir und verknüpfe sie unmittelbar mit dem Bewusstsein meiner Existenz. Immanuel Kant, Kritik der praktischen Vernunft, 1788. Kapitel 34. Beschluß

Vorgeschichte

In der Frühzeit, als die Menschen erstmals ihr staunendes sinnliches Auge zum tiefschwarzen, von tausenden glitzernden Sternen übersäten nächtlichen Himmel erhoben, der noch nicht vom Steulicht der irdischen Städte verschmutzt war, mag dieser Anblick besonders faszinierend, erhebend und Ehrfurcht gebietend zugleich gewesen sein. Und so empfinden zahlreiche Menschen heute noch. Zeigt er uns doch die Heimat, aus der wir als körperliche und geistige Wesen stammen. Und deutlich spricht auch die moderne Kosmolgie auf ihre Art davon, dass wir Kinder der Sternenwelt sind. Immer wieder regt sie bis heute die Imaginationskraft der Menschen an und inspiriert sie zu künstlerischen und wissenschaftlichen Werken. So zeigen schon die Malereien in der jungpaläolithischen Höhle von Lascaux, die nach jünster Datierung mindestens 19.000 - 20.000 Jahre alt sind, eine Gruppe von sechs Punkten, die als Darstellung des im Sternbild Stier gelegenen Siebengestirns der Plejaden gedeutet werden, das damals ganz in der Nähes des Herbstpunkts stand. Die Plejaden verschwanden damals in der Abenddämmerung nicht wie heute im Frühling, sondern kurz vor Herbstbeginn. Dass es nur sechs und nicht sieben Punkte sind, ist leicht erklärt, denn je nach Sichtbedingungen sind die 6 bis 9 hellsten Hauptsterne der Plejaden mit freiem Auge sichtbar, weshalb sie schon seit alters her bekannt sind. Auf der 1999 in Sachsen-Anhalt nahe der Stadt Nebra aufgefundenen Himmelsscheibe von Nebra, die auf die frühe Bronzezeit Mitteleuropas datiert wird, dürfte ihnen eine Gruppe von sieben eng beieinander liegenden Punkten entsprechen, die zwischen der Vollmondscheibe und der zunehmenden Mondsichel abgebildet ist. Bei dieser Himmelsscheibe dürfte es sich um ein frühes astronomisches Instrument zur Bestimmung der Jahreszeiten, vielleicht sogar um einen Lunisolarkalender gehandelt haben.

Die Sterne als Hilfsmittel zur Orientierung in Raum und Zeit

Die Sterne dienten schon den Menschen der Frühzeit als wichtige Orientierungshilfe. In vielen antiken Kulturen wurden die freiäugig sichtbaren Sterne und Himmelskörper verwendet, um die Himmelsrichtungen und die Zeit zu bestimmen. Durch genaue Beobachtung der Sterne und ihrer Bewegungen entwickelten unsere Vorfahren ein grundlegendes Verständnis für Astronomie und Himmelsmechanik, das ihnen half, sich in ihrer Umgebung zurechtzufinden und den Lauf der Jahreszeiten vorherzusagen.

Ein bekanntes Beispiel für die Verwendung der Sterne zur Bestimmung von Himmelsrichtungen ist die Nutzung des Polarsterns, auch Polaris genannt, zur Bestimmung der Nordrichtung. Der Polarstern steht nahezu direkt über dem Nordpol der Erde und behält seine Position im Laufe der Nacht bei, während sich andere Sterne um ihn herum bewegen. Dadurch kann man den Polarstern als zuverlässigen Indikator für die Nordrichtung verwenden. Schon in der Antike war dieser Zusammenhang bekannt und wurde von verschiedenen Kulturen für die Navigation genutzt.

Um 9.000 v. Chr. nahm der Stern Wega (Alpha Lyrae) in etwa die Rolle des Polarsterns ein. Wega ist der hellste Stern im Sternbild Leier und einer der hellsten Sterne am Nachthimmel. Allerdings war Wega nicht so nahe am Himmelsnordpol wie der heutige Polarstern, Polaris. Die Orientierung am Himmelsnordpol war zu dieser Zeit also weniger präzise als heute. Aufgrund der Präzession der Erdachse, einem langsam verlaufenden Zyklus, bei dem die Rotationsachse der Erde eine Kreisbewegung vollzieht, ändert sich der Stern, der sich nahe des Himmelsnordpols befindet, im Laufe der Zeit. Die Präzession hat eine Periode von etwa 26.000 Jahren, in der sich die Position des Himmelsnordpols entlang einer Kreisbahn bewegt und verschiedene Sterne die Rolle des Polarsterns einnehmen. Die Verwendung von Wega als Polarstern oder anderer „Polarsterne“ für die Navigation in der Frühzeit ist allerdings nicht belegt!

Ein weiteres Beispiel sind die ägyptischen Pyramiden, deren Ausrichtung auf die Himmelsrichtungen genau abgestimmt ist. Die Ägypter benutzten dabei vermutlich die sogenannten Zirkumpolarsterne, die stets über dem Horizont bleiben und ihre Positionen kaum verändern, um die Nord-Süd-Achse auszurichten. Hierbei waren sie in der Lage, die Pyramiden mit einer beeindruckenden Präzision auszurichten.

Auch in anderen Kulturen, wie zum Beispiel bei den Polynesiern, dienten die Sterne zur Navigation auf See. Die Polynesier waren herausragende Seefahrer und nutzten ihr Wissen über die Sterne, um sich auf ihren langen Reisen über den Pazifischen Ozean zu orientieren.

Insgesamt ist die Nutzung der Sterne und Himmelskörper zur Orientierung und zur Bestimmung der Himmelsrichtungen ein grundlegendes menschliches Verhalten, das in vielen Kulturen der Frühzeit ausgeprägt vorhanden war. Die Kenntnis der Sterne und ihrer Bewegungen war eine der ersten wissenschaftlichen Leistungen der Menschheit und bildete die Grundlage für die Entwicklung der Astronomie und der Navigationstechniken.

Astronavigation - Auch Tiere navigieren nach den Sternen

Die Fähigkeit, nach den Sternen zu navigieren, ist nicht nur dem Menschen vorbehalten. Tatsächlich nutzen auch einige Tierarten die Sterne als natürlichen Kompass, um sich in ihrer Umgebung zurechtzufinden.

Eine der bekanntesten Tierarten, die nach den Sternen navigieren können, sind Vögel. Besonders bei nächtlichem Vogelzug ist die Orientierung anhand der Sterne von großer Bedeutung. Eine Studie von Mouritsen et al. (2016) hat gezeigt, dass Rotkehlchen (Erithacus rubecula) in der Lage sind, sich anhand des Sternenhimmels zu orientieren. Die Vögel sind in der Lage, die Himmelsrotation zu erkennen und nutzen diese Information, um ihren Zugrichtungen zu bestimmen.

Auch Insekten sind in der Lage, sich anhand von Himmelskörpern zu orientieren. Die afrikanische Silberschnecke (Laeonereis acuta) beispielsweise kann die Position der Milchstraße nutzen, um ihren Weg zum Meer zu finden. Eine Studie von Dacke et al. (2019) hat gezeigt, dass diese Schnecken in der Lage sind, sich anhand der Himmelsrotation zu orientieren und dadurch effizienter zu ihren Brutplätzen zu gelangen.

Die Fähigkeit der Meeresschildkröten, sich nach den Sternen zu orientieren, wurde erstmals in den 1990er Jahren von Lohmann et al. (1996) untersucht. Die Studie zeigte, dass Grüne Meeresschildkröten (Chelonia mydas) in der Lage sind, die Himmelsrotation wahrzunehmen und dadurch ihre Richtung im offenen Ozean zu bestimmen.

In einer weiteren Studie von Lohmann et al. (2001) wurde festgestellt, dass auch Unechte Karettschildkröten (Caretta caretta) die Himmelskörper zur Navigation nutzen. Diese Studie untersuchte die Orientierung von Schildkröten unter künstlichen Sternenhimmeln und zeigte, dass sie in der Lage sind, sich an der Himmelsrotation zu orientieren.

Die genauen neuronalen Mechanismen und Prozesse, die der Astronavigation bei Meeresschildkröten zugrunde liegen, sind noch nicht vollständig geklärt. Es wird jedoch vermutet, dass die Tiere lichtempfindliche Zellen in ihren Augen besitzen, die es ihnen ermöglichen, die Himmelskörper und deren Rotation wahrzunehmen. Diese Informationen könnten dann mit anderen Orientierungshilfen, wie zum Beispiel dem Magnetfeld der Erde, kombiniert werden, um eine präzise Navigation zu ermöglichen.

In einer Studie von Putman et al. (2011) wurde untersucht, wie Meeresschildkröten Magnetfeld- und Himmelsinformationen nutzen, um ihre Wanderungen durchzuführen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Tiere sowohl die magnetische Karte als auch die Himmelsrotation nutzen, um sich effizient in ihrer Umgebung zurechtzufinden.

Die ersten Kalendersysteme

Die Entstehung von Kalendersystemen ist eng verbunden mit dem Beginn der Landwirtschaft. Die Landwirtschaft entstand während der neolithischen Revolution vor etwa 10.000 bis 12.000 Jahren. Mit dem Übergang von einer nomadischen Lebensweise zu einer sesshaften Lebensweise wurde die Notwendigkeit, die Zeit zu messen und landwirtschaftliche Aktivitäten wie Aussaat, Bewässerung und Ernte zu planen, immer wichtiger. Die Kenntnis der Jahreszeiten war entscheidend, um die besten Zeiten für die verschiedenen landwirtschaftlichen Tätigkeiten festzulegen. In verschiedenen Kulturen entstanden Kalendersysteme, die auf den lokalen landwirtschaftlichen Bedingungen und astronomischen Beobachtungen basierten. Die frühesten Kalender waren vermutlich lunare oder lunisolare Kalender und basierten auf den Zyklen des Mondes und der Sonne.

Die Anfänge der Kosmologie: Antike und Mittelalter

Die Geschichte der Kosmologie im engeren Sinn reicht von den ersten philosophischen und späteren theologischen Überlegungen über die Natur des Universums bis hin zur heutigen wissenschaftlichen Erforschung der Geheimnisse des Kosmos.

Die ersten kosmologischen Ideen entstanden in der Antike. Insbesonders die Chaldäer, die unter ihrem König Nabopolassar 625 v. Chr. die volle Herrschaft über ganz Babylonien erlangt und das Neubabylonische Reich begründet hatten, verstanden sich ganz besonders auf Kalenderberechnungen und astronomisch-astrologische Beobachtungen und Deutungen, wodurch Babylonien zu einem Zentrum der Sternkunde aufstieg. Schon bald wurde der Name der Chaldäer synonym für «Sternenkundige» aller Art gebraucht, die oft aber auch persischer oder medischer Abkunft waren. Was die Chaldäer ganz besonders auszeichnete, war die hohe Präzesion ihrer Beobachtungen, die bis in die Neuzeit unerreicht blieb, und die Fähigkeit, die gewonnen Daten in einem sinnvollen Zusammenhang zu lesen. So erstellten sie umfangreiche Kataloge von Sternen und konnten langfristige Vorhersagen über den Himmel und das Wetter machen. Sie waren in der Lage, die Bewegungen der Planeten zu beobachten und aufzuzeichnen und benutzten mathematische Methoden um deren Bewegungen sehr genau vorherzusagen. Dabei erkannten sie auch, dass die Planeten nicht in geraden Linien über den Himmel wandern, sondern manchmal ihre Richtung ändern. Die Chaldäer waren auch die ersten, die den Tag in 24 Stunden unterteilten, was heute noch die Grundlage unseres Zeitsystems bildet. Obwohl der Tierkreis von verschiedenen Kulturen entwickelt und genutzt wurde, war der Beitrag der Chaläer der vermutlich wichtigste. Sie teilten dazu die scheinbare Bahn der Sonne, die Ekliptik, in zwölf Abschnitte, die sie jeweils einem Sternbild zuordneten.

Die Griechen prägten die frühe Kosmologie maßgeblich, indem sie versuchten, das Universum durch natürliche Gesetze zu erklären. Herakleides Pontikos, Aristarchos von Samos und Seleukos von Seleukia vertraten ein heliozentrische Weltbild, während Gelehrte wie Aristoteles, Hipparch und Ptolemäus Modelle des Universums entwickelten, in denen die Erde im Zentrum stand.

Im Mittelalter setzte sich diese geozentrische Sichtweise fort, die von der christlichen Theologie unterstützt wurde. Die Ideen von Aristoteles und Ptolemäus wurden von Gelehrten wie Thomas von Aquin übernommen und in ein theologisches Weltbild eingebettet.

Der am 1401 in Kues an der Mosel geborene Nikolaus von Kues, auch bekannt als Cusanus, war ein bedeutender Philosoph und Theologe in der Übergangszeit vom Mittelalter zur Renaissance. Sein Werk "De docta ignorantia" wird oft als eines der wichtigsten Werke der Mystik und Philosophie des späten Mittelalters angesehen. In seinen Schriften beschäftigte er sich auch intensiv mit der Kosmologie und entwickelte dabei Konzepte und Theorien, die zum Teil auch heute noch diskutiert werden. Cusanus argumentierte, dass das Universum unendlich groß und unendlich alt sein müsse, da es keinen Raum oder Zeitpunkt geben könne, der das Universum begrenze. Er war damit einer der ersten Philosophen, die die Vorstellung einer unendlichen Welt aufstellten. Diese Idee wurde später von anderen Philosophen und Wissenschaftlern wie Giordano Bruno und Galileo Galilei aufgegriffen und weiterentwickelt.

Ein weiteres wichtiges Konzept seiner Kosmologie ist das der Harmonie. Cusanus glaubte, dass das Universum in einer perfekten Harmonie und Ordnung existiere, die von Gott geschaffen worden sei. Er argumentierte, dass die Ordnung des Universums sich in der Mathematik widerspiegele und dass die Gesetze der Natur mathematisch formulierbar seien. Cusanus war auch ein Pionier der Theorie der Relativität. Er argumentierte, dass es keine absolute Perspektive auf das Universum gebe, sondern dass alles aus einer bestimmten Perspektive betrachtet werde und dass es in einer unendlichen Welt auch keinen eindeutig festgelegten Mittelpunkt geben könne. Diese Idee wurde später von Albert Einstein aufgegriffen und in der Relativitätstheorie weiterentwickelt.

Die kopernikanische Wende und das heliozentrische Modell

Im 16. Jahrhundert leitete Nikolaus Kopernikus eine Revolution in der Kosmologie ein, indem er ein heliozentrisches Modell des Universums vorschlug, bei dem die Sonne im Zentrum steht und die Erde und die anderen Planeten um sie kreisen. Sein Modell fand allerdings zunächst wenig Anklang.

1608 wurde das erste Fernrohr von dem niederländischen Brillenmacher Hans Lippershey (auch bekannt als Johann Lippershey) entwickelt. Lippershey beantragte am 2. Oktober 1608 ein Patent für seine Erfindung in den Niederlanden. Obwohl das Patent letztendlich nicht gewährt wurde, weil das Prinzip der Erfindung schwer geheim zu halten war, wurde die Existenz des Fernrohrs dennoch weithin bekannt und hatte einen großen Einfluss auf die Astronomie und die wissenschaftliche Forschung.

Galileo Galilei baute kurz nach Lippershey 1609 sein eigenes Fernrohr, verbesserte das Design und verwendete es, um den Himmel zu beobachten. Galileos Beobachtungen revolutionierten das Verständnis des Sonnensystems und des Universums und legten den Grundstein für die moderne Astronomie. Seine Entdeckung der vier größten Jupitermonde, die er als Sidera Medicea – die „Mediceischen Gestirne“ benannte, aber heute nur als Galileische Monde (Io, Europa, Ganymed und Kallisto) bekannt sind, im Jahr 1610 hatte eine bedeutende Auswirkung auf das Weltbild der Astronomie und die wissenschaftliche Gemeinschaft der damaligen Zeit, in der das geozentrische Modell immer noch die vorherrschende Sichtweise. Die Beobachtung von Monden, die um einen anderen Planeten kreisen, zeigte, dass nicht alle Himmelskörper direkt um die Erde kreisen mussten. Dies stellte das geozentrische Modell in Frage und ebnete den Weg für die Akzeptanz des heliozentrischen Weltbildes.

Das heliozentrische Weltmodell wurde in der Folge auch noch durch die mathematischen Gesetze von Johannes Kepler gestützt und verfeinert. Die drei Keplerschen Gesetze wurden von Kepler zwischen 1609 und 1619 auf der Grundlage der genauen Beobachtungen von Tycho Brahe entwickelt. Anders als Kopernikus ging er nicht mehr von Kreisbahnen aus, auf denen sich die Planeten um die Sonne bewegen. Nach Kepler bewegt sich vielmehr jeder Planet auf einer elliptischen Bahn um die Sonne, wobei die Sonne in einem der beiden Brennpunkte der Ellipse liegt (1. Keplersches Gesetz). Dies bedeutet zugleich, dass die Entfernung zwischen dem Planeten und der Sonne im Verlauf seiner Umlaufbahn variiert. Die Fläche, die von der Linie zwischen der Sonne und einem Planeten (Radialvektor) in einer bestimmten Zeitspanne überstrichen wird, ist dabei konstant (2. Keplersches Gesetz). Dies impliziert, dass ein Planet in Sonnennähe schneller und in Sonnenferne langsamer entlang seiner Bahn um die Sonne zieht. Das 3. Keplersche Gesetz besagt schließlich, dass das Verhältnis der Quadrate der Umlaufzeiten von zwei Planeten proportional ist zum Verhältnis der dritten Potenzen ihrer mittleren Entfernungen zur Sonne. Das ganze Sonnensystem erscheint damit als ein harmonisch geordnetes Ganzes.

Isaac Newton und die Gravitation

Die Keplerschen Gesetze waren ein wichtiger Durchbruch in der Astronomie, da sie eine präzise Beschreibung der Planetenbewegung ermöglichten und im späteren 17. Jahrhundert zur Entwicklung der Gravitationstheorie durch Isaac Newton beitrugen. Er ging damit einen bedeutsamen Schritt weiter, denn seine Gravitationsgesetze beschreiben nicht nur die Bewegungen der Himmelskörper, sondern geben auch deren Ursache an, die er in der wechselseitigen Anziehung der Körper sah, die durch die selben Schwerekräfte bedingt seien, durch die etwa auch ein reifer Apfel vom Baum zur Erde fällt. Damit legte er den Grundstein für das moderne mechanistische Verständnis des Universums.

In seinem bahnbrechenden Werk "Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica", das erstmals 1686 erschien, beschrieb Newton die anziehenden Kräfte sphärischer Körper wie folgt: „... wird ein, außerhalb einer sphärischen Oberfläche befindlicher, kleiner Körper durch eine Kraft nach dem Mittelpunkte der Kugel hingezogen, welche Kraft sich umgekehrt wie das Quadrat des Abstandes des kleinen Körpers vom Mittelpunkte verhält.“ (Newton, Principa, S. 192)

In moderne Formulierung und mit Einführung der Gravitationskonstante $G=6{,}673\;84\;(80)\cdot 10^{-11}\,\mathrm {\frac {m^{3}}{kg\cdot s^{2}}}$ beträgt die Kraft $F$ zwischen zwei Massepunkten $m_{1}$ und $m_{2}$:

$F=G\ {\frac {m_{1}\,m_{2}}{r^{2}}}$

Dass die Anziehungskraft mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt, erscheint dadurch anschaulich plausibel, dass sich die Kraft bei doppelter Entfernung der Körper gleichsam auf die vierfache Fläche „verdünnt“ und damit viermal schwächer wird.

In seiner „Principa“ entwickelte Newton nicht nur die Gesetze der klassischen Mechanik und Gravitation, sondern äußerte sich auch zu seinen grundlegende Vorstellungen über Raum und Zeit.

Newtons Vorstellung von Raum basierte auf der Idee eines absoluten Raums, den er als unveränderliche und unabhängige Entität verstand. Laut Newton existiert der Raum unabhängig von den darin enthaltenen Objekten und ist für sich allein real: „Der absolute Raum bleibt vermöge seiner Natur und ohne Beziehung auf einen äußern Gegenstand, stets gleich und unbeweglich“ (Newton, Principia, S. 25) Diese Auffassung von Raum war eng mit seinem Gravitationsgesetz und der Beschreibung von Bewegung in der klassischen Mechanik verknüpft. Eine besonders interessante Aussage in diesem Zusammenhang ist seine Beschreibung des Raums als "Sensorium Gottes". Sie zeigt, wie eng Newtons physikalisches Weltbild mit seiner tief religiösen unitarischen Überzeugung verknüpft war. Die Idee, den Raum als "Sensorium Gottes" zu bezeichnen, findet sich in einem Brief Newtons an Richard Bentley, einem englischen Theologen und Gelehrten, und im Scholium zu Definitionen in den "Principia". Newton schrieb:

„Es ist sicher, dass der Raum Gott notwendig ist, um die Dinge in ihm zu erfahren. Denn wenn irgendein Teil des Raumes ohne einen Körper ist, der ihn einnimmt (und daher von Gott wahrgenommen wird), so ist dieser Teil des Raums ein bloßer imaginärer Raum und kein Teil des wirklichen Raums. So ist Raum das Sensorium Gottes.“

– Isaak Newton: Brief an Bentley, 1692

Parallel zu seiner Vorstellung von Raum, betrachtete Newton auch die Zeit als eine absolute Größe. Für ihn verstrich die Zeit unabhängig von Ereignissen oder Beobachtungen, in einem stetigen und gleichmäßigen Fluss. Die „absolute, wahre und mathematische Zeit verfließt an sich und vermöge ihrer eigenen Natur gleichförmig und ohne Beziehung auf irgendeinen äußeren Gegenstand“ (Newton, Principia, S. 25).

Newtons Ideen über Raum und Zeit wurden im Laufe der Jahrhunderte von vielen Physikern und Philosophen diskutiert und kritisiert. Eine der bekanntesten Kritiken stammt von Gottfried Wilhelm Leibniz, der Newtons Auffassung von absolutem Raum und Zeit ablehnte und stattdessen eine Relationstheorie vertrat. Leibniz argumentierte, dass Raum und Zeit nur in Bezug auf die Beziehungen zwischen Objekten existieren und keine eigenständige Realität haben.

Mit der Entwicklung der speziellen und allgemeinen Relativitätstheorie durch Albert Einstein im frühen 20. Jahrhundert wurde Newtons Konzept von absolutem Raum und Zeit überwunden. Einsteins Relativitätstheorie beschreibt Raum und Zeit als untrennbare Einheit, die Raumzeit, die in Abhängigkeit von Materie und Energie gekrümmt ist. Dieser neue Ansatz führte zu einer grundlegenden Umgestaltung unseres Verständnisses von Raum, Zeit und Gravitation.

Die Spektralanalyse und die materielle Konstitution des Kosmos

Die Geschichte der Spektroskopie beginnt im 17. Jahrhundert, als Isaac Newton erstmals Licht durch einen engen Spalt durch ein Prisma leitete und entdeckte, dass dabei verschiedenen Farben in Erscheinung traten. Dieses Phänomen wurde später als Spektrum bezeichnet und legte den Grundstein für die Erforschung der Spektroskopie. In seinen 1704 veröffentlichten „Opticks“ postulierte Newton auch die Teilchennatur des Lichts. Er stützte sich dabei auf Experimente, bei denen er Licht durch Linsen und Prismen schickte und beobachtete, wie es sich aufspaltete und in verschiedenen Farben sichtbar wurde. Er kam dadurch zu der Ansicht, dass das Licht aus einer Vielzahl winziger Teilchen bestehen müsse, die sich geradlinig und mit konstanter Geschwindigkeit durch den Raum bewegen und unterschiedliche Farben und Eigenschaften haben.

Newtons Theorie stimmte alledings nicht mit den Experimenten und Theorien zur Wellennatur des Lichts überein. Insbesondere konnte Newtons Theorie das Phänomen der Interferenz von Licht nicht erklären, bei dem sich Lichtwellen gegenseitig verstärken oder auslöschen können, wenn sie aufeinander treffen. Schon 1690 hatte Christiaan Huygens in seiner Schrift "Traité de la Lumière" (Abhandlung über das Licht) die Theorie aufgestellt, dass das Licht eine Wellennatur habe, ähnlich wie Schallwellen oder Wasserwellen. Huygens argumentierte, dass das Licht aus winzigen "Elementarwellen" bestehe, die sich in alle Richtungen ausbreiten und sich überlagern können, um ein Interferenzmuster zu erzeugen. Er zeigte auch, wie sich diese Wellenbrechung und Interferenz auf Phänomene wie Reflexion und Brechung von Licht an Oberflächen auswirken kann. Erwähnensswert ist, dass Huygens Theorie auch auf den Grundsätzen der damals neu entstehenden mathematischen Disziplin der Analysis basierte, deren Grundlagen von Newton und Gottfried Wilhelm Leibniz unabhängig voneinander entwickelt worden waren.

Weiteren Auftrieb erhielt die Wellentheorie des Lichts durch Thomas Young, der im Jahr 1801 ein Experiment durchführte, das heute als "Doppelspaltexperiment" bekannt ist und das Licht ebenfalls als Welle beschreibt. Young beobachtete, dass, wenn Licht durch zwei schmale Spalten geschickt wurde, es auf einem Schirm dahinter ein Interferenzmuster erzeugte. Dieses Muster bestand aus hellen und dunklen Streifen, die darauf hinwiesen, dass sich die Lichtwellen gegenseitig verstärken oder auslöschen können, wenn sie auf den Schirm treffen. Young schloss daraus, dass das Licht eine Wellennatur haben muss. Youngs Experiment war ein wichtiger Meilenstein in der Entwicklung der Physik und ebnete den Weg für weitere Entdeckungen und Theorien, die auf der Wellennatur des Lichts basieren, wie z.B. die elektromagnetische Theorie von James Clerk Maxwell und die Quantentheorie des Lichts, die Albert Einstein 1905 zur Erklärung des photoelektrischen Effekts verfassste. Im selben Jahr veröffentlichte Einstein übrigens auch seine Arbeit zur speziellen Relativitätstheorie, die Newtons Konzept des absoluten Raums und der absoluten Zeit über den Haufen warf, und seinen Artikel über die Brownsche Molekularbewegung, der die bis dahin immer noch strittige Existenz der Atome und Moleküle nachhaltig untermauerte. Damit waren auch wesentliche Meilensteine für die moderne Kosmologie gesetzt.

Eine ganz besondere Bedeutung für die Aufklärung der konkreten materiellen Konstitution des Kosmos hatte die Entdeckung der Spektrallinien. Im Jahr 1802 entdeckte der britische Chemiker und Physiker William Hyde Wollaston erstmals dunkle Linien im Spektrum des Sonnenlichts, als er das Licht durch ein Prisma leitete. Wollaston konnte allerdings nicht erklären, warum diese Linien existierten oder welche Bedeutung sie hatten.

Die Erforschung dieser Linien wurde 1814 von Joseph von Fraunhofer, einem deutschen Physiker und Optiker, fortgesetzt. Fraunhofer verbesserte die Qualität der Prismen und entwickelte präzisere Instrumente, um das Sonnenspektrum zu untersuchen. Er entdeckte und katalogisierte Hunderte von dunklen Linien, die später als Fraunhoferlinien bekannt wurden. Fraunhofer bemerkte auch, dass diese Linien in verschiedenen Spektren identisch waren, unabhängig von der Lichtquelle, die sie erzeugte.

Die Bedeutung der Fraunhoferlinien und ihre Verbindung zur chemischen Zusammensetzung der Sonne wurde erst in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts verstanden, als Gustav Kirchhoff und Robert Bunsen die Grundlagen der Spektralanalyse entwickelten. Sie entdeckten, dass jedes chemische Element ein charakteristisches Spektrum hat, das aus hellen oder dunklen Linien besteht, die mit den absorbierten oder emittierten Wellenlängen des Lichts korrespondieren. Kirchhoff und Bunsen erklärten die Fraunhoferlinien als Absorptionslinien, die durch die Anwesenheit bestimmter Elemente in der Sonnenatmosphäre verursacht wurden.

Die Spektralanalyse revolutionierte die Astrophysik, da sie es ermöglichte, die chemische Zusammensetzung von Himmelskörpern wie der Sonne und anderen Sternen zu bestimmen, ohne diese direkt zu berühren oder Proben zu nehmen. Diese Methode erlaubt es auch, die physikalischen Eigenschaften wie Temperatur, Druck, Dichte, Magnetfelder zu bestimmen. Die Analyse der Rot- und Blauverschiebung ermöglicht es, die Entfernungen und Geschwindigkeiten von Himmelskörpern und Galaxien zu bestimmen. Die Spektralanalyse hat zu zahlreichen Entdeckungen in der Astrophysik geführt, wie beispielsweise der Entdeckung der interstellaren Materie. Darüber hinaus ist sie ein wichtiges Werkzeug, um die Entstehung und Entwicklung von Sternen und Planeten sowie die Wechselwirkungen zwischen ihnen zu untersuchen. Durch die Analyse der Atmosphärenzusammensetzung unterstützt sie die Suche nach erdähnlichen Exoplaneten und potenziell bewohnbaren Welten und hilft, die Entstehung und Evolution von chemischen Verbindungen bzw. Molekülen im interstellaren Medium und in protoplanetaren Scheiben zu erforschen, um unsere Vorstellung von chemischen Prozessen im Universum und der Entstehung des Lebens zu erweitern.

Die Spektroskopie entwickelt sich ständig weiter, und zukünftige Fortschritte in Technologie und Methodik könnten unser Verständnis der Astrophysik und Astrochemie und damit auch der Kosmologie in näherer Zukunft weiter vertiefen. Zu nennen sind sind insbesondere folgende Punkte:

• Neue und leistungsfähigere Teleskope, wie das James Webb Space Telescope (JWST), sollen es ermöglichen, noch detailliertere Spektren von fernen Himmelskörpern und Exoplanetenatmosphären zu erfassen und so unser Wissen über die Chemie des Universums zu erweitern.
• Verbesserungen in der Spektroskopie im infraroten, ultravioletten und Röntgenbereich sollen dazu beitragen, bisher noch unerforschte Aspekte der Astrophysik und Astrochemie zu untersuchen.
• Fortschritte in der Theorie und Modellierung von Spektren sollten es ermöglichen, genauere Rückschlüsse auf die physikalischen Eigenschaften von Himmelskörpern und interstellaren Wolken zu ziehen.
• Die fortschreitende Zusammenarbeit zwischen verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen, wie Astronomie, Physik, Chemie und Biologie, kann dazu beitragen, ein umfassenderes Verständnis der chemischen Prozesse im Universum und ihrer Bedeutung für die Entstehung der materiellen Grundlage des Leben zu erlangen.

Die Entdeckung der Galaxien und der Expansion des Universums

Die Andromeda-Galaxie ist die der Milchstraße am nächsten gelegene Spiralgalaxie

Das Ultra-Deep-Field zeigt rund 10.000 Galaxien in einem dreizehnmillionsten Teil des Himmels

Der englische Philosoph, Astronom und Architekt Thomas Wright hatte schon in seinem 1750 veröffentlichten Hauptwerk „An Original Theory or New Hypothesis of the Universe“ seine damals höchst originelle und bahnbrechende Theorie über die Struktur des Universums vorgestellt. Er übernahm die zuvor schon von Giordano Bruno geäußerte Idee eines erweiterten Kopernikanischen Systems, wonach die Sonne nur eine von vielen in einem von unzähligen Sonnen und Planeten bevölkerten unendlichen Universum sei - eine Ketzerei, für die Giordano Bruno noch im Jahr 1600 in Rom mit dem Tod auf dem Scheiterhaufen bestraft worden war. Die Milchstraße beschrieb Wright als flache Scheibe aus Sternen und stellte die Hypothese auf, dass die Sonne und unser gesamtes Sonnensystem Teil dieser Scheibe seien. Er vermutete, dass die Sterne in der Milchstraße nicht gleichmäßig verteilt sind, sondern sich in einem schalenförmigen System um ein zentrales Kraftzentrum herum anordnen. Diese Idee widersprach damals der gängigen Meinung, dass die Sterne im unendlichen Universum gleichmäßig verteilt sind. Wright ordnete damit das Sonnensystem in einen viel größeren Kontext ein.

Obwohl Wrights bahnbrechende Theorie seiner Zeit weit voraus war, oder vielleicht gerade deswegen, stieß sie nur auf gemischte Reaktionen. Einige Gelehrte, wie der französische Philosoph Denis Diderot, begrüßten Wrights Ideen, während andere sie als spekulativ und unzureichend begründet ablehnten. Trotz der Kontroverse beeinflusste Wrights Werk die späteren Astronomen und Kosmologen, darunter Immanuel Kant und Wilhem Herschel. Kant griff Wrights Ideen in seinem Werk "Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels" (1755) auf und entwickelte sie weiter. Er argumentierte, dass sich andere Milchstraßen, die er "Inseluniversen" nannte, im gesamten Universum befinden müssten. Alexander von Humboldt sprach von ihnen als „Welteninseln“ und Herschel, der 1781 den Uranus entdeckte und die Struktur der Milchstraße untersuchte, bezeichnete Wright als Pionier auf diesem Gebiet. Faktische Beweise, die diese Theorie untermauern könnten, gab es damals allerdings noch nicht.

1912 analysierte der amerikanische Astronom Vesto Melvin Slipher am Lowell-Observatorium in Flagstaff, Arizona das Spektrum des Lichts verschiedener „nebliger Objekte“ am Himmel, die später als Galaxien bezeichnet wurden, und stellte fest, dass die Spektrallinien bei vielen dieser nebeligen Objekte verschoben waren, in den meisten Fällen in Richtung des roten Endes des Spektrums. Diese Beobachtung wurde als Rotverschiebung bezeichnet. Sie beruht auf dem optischen Doppler-Effekt und zeigt, dass diese Galaxien sich von uns weg bewegen. Slipher konnte auf diesem Weg auch erstmals die Radialgeschwindigkeit eines „Spiralnebels“ messen.

Aufgrund der noch unzureichenden Leistung der astronomischen Teleskope gelang es lange nicht, die „Spiralnebel“ in einzelne Sterne aufzulösen. Unklar blieb auch, ob sie innerhalb oder außerhalb unserer Milchstraße liegen.

Erst die Beobachtungen von Edwin Hubble führten zur Erkenntnis von Galaxien außerhalb der Milchstraße. Hubble entdeckte auch, dass sich diese Galaxien von uns entfernen, was auf eine Expansion des Universums hindeutet. Diese Entdeckungen führten zur Entwicklung der Urknalltheorie, die besagt, dass das Universum aus einem extrem heißen und dichten Anfangszustand entstanden ist.

Die moderne Kosmologie

In den letzten Jahrzehnten hat die Kosmologie enorme Fortschritte gemacht, insbesondere durch die Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung und die Entwicklung von Theorien wie der Inflation und der Dunklen Materie und Dunklen Energie. Neue Beobachtungstechniken, wie zum Beispiel Teleskope im Weltraum und Gravitationswellendetektoren, haben zu einem tieferen Verständnis der Struktur und Entwicklung des Universums geführt.

Aktuelle Forschungsgebiete der modernen Kosmologie

1. Die Natur der Dunklen Materie und Dunklen Energie: Trotz ihrer zentralen Rolle im Universum ist die Natur der Dunklen Materie und Dunklen Energie noch weitgehend unbekannt. Die Suche nach diesen mysteriösen Komponenten und das Verständnis ihrer Eigenschaften sind zentrale Ziele der aktuellen Forschung.
2. Die Entstehung von Strukturen im Universum: Kosmologen untersuchen, wie sich aus den ursprünglichen Dichtefluktuationen im Universum die heutigen Strukturen, wie Galaxien und Galaxienhaufen, gebildet haben. Hierbei spielen sowohl die Gravitation als auch die Eigenschaften der Dunklen Materie eine entscheidende Rolle.
3. Die Kosmische Inflation: Die Inflationstheorie postuliert, dass das Universum in seinen ersten Momenten eine extrem schnelle Expansion erlebt hat. Diese Theorie hilft, einige Rätsel der Kosmologie zu lösen, wie etwa das Horizontproblem und das Flachheitsproblem.
4. Das frühe Universum: Forscher interessieren sich für die Physik des frühen Universums, insbesondere für die ersten Sekundenbruchteile nach dem Urknall. In dieser Zeit entstanden die ersten Teilchen und Kräfte, und das Verständnis dieser Prozesse ist entscheidend für das Verständnis des Universums als Ganzes.
5. Die Neutrino-Kosmologie: Neutrinos sind schwach wechselwirkende Teilchen, die in vielen astrophysikalischen Prozessen entstehen. Sie tragen wichtige Informationen über das Universum und seine Entwicklung. Die Untersuchung der kosmischen Neutrinohintergrundstrahlung und die Rolle von Neutrinos bei der Strukturbildung sind wichtige Forschungsgebiete der Kosmologie.
6. Gravitationswellen: Gravitationswellen sind Verzerrungen der Raumzeit, die durch extreme kosmische Ereignisse erzeugt werden, wie zum Beispiel den Zusammenstoß von Neutronensternen oder Schwarzen Löchern. Sie bieten eine einzigartige Möglichkeit, das Universum zu erforschen und Informationen über Ereignisse zu gewinnen, die sonst schwer zu beobachten wären.
7. Multiversum und Stringtheorie: Einige Theorien gehen davon aus, dass unser Universum nur eines von vielen in einem "Multiversum" ist. Diese Idee ist eng mit der Stringtheorie verknüpft, einer Theorie der Elementarteilchen, die den Grundbausteinen der Materie eine eindimensionale Struktur zuschreibt. Die Erforschung des Multiversums und der Stringtheorie hat das Potenzial, unser Verständnis der Kosmologie grundlegend zu verändern.

Siehe auch

• Kategorie:Kosmologie (Physik) - Artikel in der deutschen Wikipedia
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Literatur

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• Sir Isaac Newton’s Mathematische Principien der Naturlehre. Mit Bemerkungen und Erläuterungen. Herausgegeben von Prof. Dr. J. Ph. Wolfers. R. Oppenheim, Berlin 1872, online.
• Thomas Wright: An Original Theory or New Hypothesis of the Universe. London 1750 archive.org
• Martin Wagenschein: Das „exemplarische Lehren“ als ein Weg zur Erneuerung der höheren Schule (mit besonderer Beachtung der Physik). Vortrag im Institut für Lehrerfortbildung in Hamburg am 26. Nov. 1952; erweiterte Fassung Hamburg 1954, DNB 455336245; in Wagenschein (1980): S. 170–194
• Martin Wagenschein: Natur physikalisch gesehen. Eine Handreichung zur physikalischen Naturlehre für Lehrer aller Schularten. Diesterweg, Frankfurt/Berlin/Bonn 1953; DNB 455336288, darin insbesondere
  • Das Fallgesetz im Brunnenstrahl (PDF; 660 kB)
  • Der Mond und seine Bewegung (PDF; 760 kB)
• Martin Wagenschein: Die Erde unter den Sternen. Ein Weg zu den Sternen für jeden von uns. Oldenbourg, München 1955, DNB 455336210. Online-Nachdruck; (PDF; 530 kB)
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• Steven Weinberg: Die ersten drei Minuten. Piper, München 1977.
• Konrad Rudnicki: Die Sekunde der Kosmologen, Vittorio Klosterman GmbH 1985, ISBN 978-3465015260
• Jeffrey Bennett, Megan Donahue, Nicholas Schneider, Mark Voit: Astronomie: Die kosmische Perspektive, 5. Auflage, Pearson Studium 2009, ISBN 978-3827373601, eBook ASIN B00QA1HN8K
• Hans-Ulrich Keller: Kompendium der Astronomie: Einführung in die Wissenschaft vom Universum, 6. Auflage, Franckh Kosmos Verlag 2019, ISBN 978-3440162767, eBook ASIN 978-3440162767
• Elisabeth Vreede: Astronomie und Anthroposophie, 2. Auflage, Verlag am Goetheanum, Dornach 1980, ISBN 978-3723502501
• Joachim Schultz: Rhythmen der Sterne, 3. Auflage, Verlag am Goetheanum, Dornach 1985, ISBN 978-3723501795
• Hartmut Warm: Die Signatur der Sphären: Von der Ordnung im Sonnensystem, Verlag Keplerstern, 3. Auflage, 2011, ISBN 978-3935958059
• Walter Kraul: Erscheinungen am Sternenhimmel: Himmelsbeobachtungen leicht gemacht, Verlag Freies Geistesleben 2014, ISBN 978-3772519758
• Rudolf Steiner: Das Verhältnis der verschiedenen naturwissenschaftlichen Gebiete zur Astronomie, GA 323 (1997), ISBN 3-7274-3230-6 pdf pdf(2) html mobi epub archive.org English: rsarchive.org

Literaturangaben zum Werk Rudolf Steiners folgen, wenn nicht anders angegeben, der Rudolf Steiner Gesamtausgabe (GA), Rudolf Steiner Verlag, Dornach/Schweiz Email: verlag@steinerverlag.com URL: www.steinerverlag.com. Freie Werkausgaben gibt es auf steiner.wiki, bdn-steiner.ru, archive.org und im Rudolf Steiner Online Archiv. Eine textkritische Ausgabe grundlegender Schriften Rudolf Steiners bietet die Kritische Ausgabe (SKA) (Hrsg. Christian Clement): steinerkritischeausgabe.com Die Rudolf Steiner Ausgaben basieren auf Klartextnachschriften, die dem gesprochenen Wort Rudolf Steiners so nah wie möglich kommen. Hilfreiche Werkzeuge zur Orientierung in Steiners Gesamtwerk sind Christian Karls kostenlos online verfügbares Handbuch zum Werk Rudolf Steiners und Urs Schwendeners Nachschlagewerk Anthroposophie unter weitestgehender Verwendung des Originalwortlautes Rudolf Steiners.

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