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WICHTIGSTEN WISSENSCHAFTLICHEN ENTDECKUNGEN
Die Gesetze der Planetenbewegung. Geschichte und Wesen der wissenschaftlichen Entdeckung
Verzeichnis / Die wichtigsten wissenschaftlichen Entdeckungen Die Planeten spielten aufgrund ihrer äußerlich komplexen Bewegungen eine entscheidende Rolle in der Astronomie und allgemein bei der Errichtung der Grundlagen der Mechanik und Physik. Schon die antiken griechischen Astronomen stellten die Frage, ob die beobachteten komplexen Bewegungen über den Himmel nur ein Spiegelbild der regelmäßigeren Bewegungen der Planeten im Weltraum sind. Von dieser Zeit an beginnt die theoretische Konstruktion von Schemata des Planetensystems oder, wie wir oben sagten, der Kinematik der Planetenbewegungen im Weltraum. Einer der ersten Kopernikaner, der deutsche Mathematiker und Astronom Erasmus Reingold (1511–1553), erstellte 1551 auf der Grundlage des heliozentrischen Systems Kopernikus, Bewegungstafeln der Planeten, die er „Preußische Tafeln“ nannte. Diese Tabellen erwiesen sich als genauer als alle vorherigen, die auf alten Schemata basierten, und dies trug wesentlich zur Stärkung der Idee des Heliozentrismus bei, die sich mit großen Schwierigkeiten durch die seit Jahrhunderten etablierten Ansichten durchsetzt damaliger Tradition sowie der Überwindung des reaktionären Ideologiedrucks der Kirche. Dennoch entdeckten Astronomen bald eine Diskrepanz zwischen diesen Tabellen und Beobachtungsdaten über die Bewegung von Himmelskörpern. Für fortgeschrittene Wissenschaftler war klar, dass die Lehren von Copernicus richtig waren, aber es war notwendig, tiefer zu forschen und die Gesetze der Planetenbewegung herauszufinden. Dieses Problem wurde von dem großen deutschen Wissenschaftler gelöst Kepler. Johannes Kepler (1571-1630) wurde in der Kleinstadt Vejle bei Stuttgart geboren. Kepler wurde in eine arme Familie hineingeboren und schaffte es daher nur mit Mühe, die Schule zu beenden und 1589 an die Universität Tübingen zu gehen. Hier studierte er mit Begeisterung Mathematik und Astronomie. Sein Lehrer Professor Mestlin war insgeheim ein Anhänger von Kopernikus. Natürlich unterrichtete Mestlin an der Universität Astronomie nach Ptolemäus, aber zu Hause führte er seinen Studenten in die Grundlagen der neuen Lehre ein. Und bald wurde Kepler ein glühender und entschiedener Anhänger der kopernikanischen Theorie. Im Gegensatz zu Mästlin verbarg Kepler seine Ansichten und Überzeugungen nicht. Die offene Propaganda der Lehren des Kopernikus brachte ihm sehr bald den Hass der örtlichen Theologen ein. Noch vor seinem Universitätsabschluss wurde Johann 1594 als Mathematiklehrer an eine evangelische Schule in die Stadt Graz, die Hauptstadt des österreichischen Bundeslandes Steiermark, entsandt. Bereits 1596 veröffentlichte er The Cosmographic Secret, wo er unter Annahme von Copernicus Schlussfolgerung über die zentrale Position der Sonne im Planetensystem versucht, einen Zusammenhang zwischen den Abständen der Planetenbahnen und den Radien der Sphären zu finden, in denen regelmäßig Polyeder werden in einer bestimmten Reihenfolge eingeschrieben und um die herum beschrieben. Trotz der Tatsache, dass dieses Werk von Kepler immer noch ein Muster scholastischer, quasi-wissenschaftlicher Raffinesse war, brachte es dem Autor Ruhm ein. Der berühmte dänische Astronom und Beobachter Tycho Brahe (1546–1601), der dem Plan selbst skeptisch gegenüberstand, würdigte das unabhängige Denken, die Kenntnisse der Astronomie, das Geschick und die Ausdauer bei Berechnungen des jungen Wissenschaftlers und äußerte den Wunsch, ihn zu treffen. Das später stattfindende Treffen war von herausragender Bedeutung für die weitere Entwicklung der Astronomie. 1600 bot Brahe, der in Prag ankam, Johann eine Stelle als sein Assistent für Himmelsbeobachtungen und astronomische Berechnungen an. Kurz zuvor musste Brahe seine Heimat Dänemark und das dort errichtete Observatorium, in dem er ein Vierteljahrhundert lang astronomische Beobachtungen durchführte, verlassen. Dieses Observatorium war mit den besten Messgeräten ausgestattet, und Brahe selbst war ein äußerst geschickter Beobachter. Der Wissenschaftler interessierte sich sehr für die Lehren von Kopernikus, aber er war kein Unterstützer. Er brachte seine eigene Erklärung für den Aufbau der Welt vor: Er erkannte die Planeten als Trabanten der Sonne und betrachtete Sonne, Mond und Sterne als Körper, die um die Erde kreisen, hinter der sich also der Mittelpunkt der Erde befand das gesamte Universum wurde bewahrt. Brahe arbeitete nicht lange mit Kepler zusammen: Er starb 1601. Nach seinem Tod begann Kepler, die verbliebenen Materialien mit Daten aus astronomischen Langzeitbeobachtungen zu untersuchen. Bei der Arbeit an ihnen, insbesondere an Materialien über die Bewegung des Mars, machte Kepler eine bemerkenswerte Entdeckung: Er leitete die Gesetze der Planetenbewegung ab, die zur Grundlage der theoretischen Astronomie wurden. Keplers Ausgangspunkt war ein Vergleich von Theorie und Beobachtung. Tatsache ist, dass die oben erwähnten preußischen Tabellen Ende des 4. Jahrhunderts begannen, die Bewegung der Planeten sehr ungenau vorherzusagen, da die Positionen der beobachteten und aus diesen Tabellen berechneten Planeten um 5–XNUMX Grad voneinander abwichen , was in der astronomischen Praxis nicht akzeptabel war. Daraus folgte, dass die Planetentheorie von Copernicus korrigiert und ergänzt werden musste. Am Anfang ging Kepler den Weg, das kopernikanische Schema zu verfeinern und zu verkomplizieren. Natürlich war er zutiefst von der Wahrheit des Prinzips des Heliozentrismus überzeugt und begann, neue Kombinationen von Kreisen (Epizykel, Exzenter) auszuwählen. Am Ende gelang es ihm, eine solche Kombination aufzunehmen, dass sein Schema im Vergleich zu Beobachtungen bis zu 8 Minuten einen Fehler ergab. Aber Kepler war sich sicher, dass Tycho Brahe solche Fehler bei seinen Beobachtungen nicht machen konnte. Daher kam Kepler zu dem Schluss, dass die Theorie "schuldig" sei, weil sie nicht mit der astronomischen Praxis übereinstimmte. Er gab das auf Epizyklen und Exzentrikern basierende Schema vollständig auf und begann, nach anderen Schemata zu suchen. Kepler kam zu dem Schluss, dass die seit der Antike verbreitete Meinung über die Kreisform der Planetenbahnen falsch sei. Durch Berechnungen bewies er, dass sich die Planeten nicht auf Kreisen, sondern auf Ellipsen bewegen – geschlossenen Kurven, deren Form sich etwas von der eines Kreises unterscheidet. Bei der Lösung dieses Problems musste sich Kepler einem Fall stellen, der mit den Methoden der Konstantenmathematik im Allgemeinen nicht gelöst werden konnte. Die Angelegenheit beschränkte sich auf die Berechnung der Fläche des Sektors des exzentrischen Kreises. Übersetzt man dieses Problem in die moderne mathematische Sprache, gelangt man zu einem elliptischen Integral. Kepler konnte das Problem natürlich nicht in Quadraturen lösen, aber er wich nicht vor den auftretenden Schwierigkeiten zurück und löste das Problem durch Summieren einer unendlich großen Anzahl „aktualisierter“ Infinitesimalzahlen. Dieser Ansatz zur Lösung eines wichtigen und komplexen praktischen Problems stellte in der Neuzeit den ersten Schritt in der Vorgeschichte der mathematischen Analysis dar. Das erste Keplersche Gesetz legt nahe, dass sich die Sonne nicht im Zentrum der Ellipse befindet, sondern an einem besonderen Punkt, dem Brennpunkt. Daraus folgt, dass der Abstand des Planeten von der Sonne nicht immer gleich ist. Da die Ellipse eine flache Figur ist, impliziert das erste Gesetz, dass sich jeder Planet bewegt, während er die ganze Zeit in derselben Ebene bleibt. Der zweite Hauptsatz klingt so: Der Radiusvektor des Planeten (also die Strecke, die Sonne und Planet verbindet) beschreibt gleiche Flächen in gleichen Zeitintervallen. Dieses Gesetz wird oft Flächengesetz genannt. Das zweite Gesetz gibt zunächst die Geschwindigkeitsänderung des Planeten auf seiner Umlaufbahn an: Je näher der Planet der Sonne kommt, desto schneller bewegt er sich. Aber dieses Gesetz gibt tatsächlich mehr. Es bestimmt vollständig die Bewegung des Planeten auf seiner elliptischen Umlaufbahn. Beide Keplerschen Gesetze sind seit 1609 Eigentum der Wissenschaft geworden, als seine berühmte „Neue Astronomie“ veröffentlicht wurde – eine Darstellung der Grundlagen der neuen Himmelsmechanik. Die Veröffentlichung dieses bemerkenswerten Werks erregte jedoch nicht sofort die gebührende Aufmerksamkeit: nicht einmal die großen GalileiAnscheinend akzeptierte er bis zum Ende seiner Tage die Gesetze von Kepler nicht. Kepler spürte intuitiv, dass es Muster gibt, die das gesamte Planetensystem als Ganzes verbinden. Und er hat in den zehn Jahren, die seit der Veröffentlichung der Neuen Astronomie vergangen sind, nach diesen Mustern gesucht. Reichste Fantasie und großer Eifer führten Kepler zu seinem sogenannten dritten Gesetz, das wie die ersten beiden eine entscheidende Rolle in der Astronomie spielt. Kepler veröffentlicht „Harmony of the World“, in dem er das dritte Gesetz der Planetenbewegungen formuliert. Der Wissenschaftler stellte einen strikten Zusammenhang zwischen der Umlaufszeit der Planeten und ihrer Entfernung von der Sonne her. Es stellte sich heraus, dass die Quadrate der Umdrehungsperioden zweier beliebiger Planeten um die Sonne im Verhältnis zueinander stehen wie die Kuben ihrer durchschnittlichen Entfernungen von der Sonne. Dies ist Keplers drittes Gesetz. „Keplers drittes Gesetz spielt eine Schlüsselrolle bei der Bestimmung der Massen von Planeten und Satelliten“, schreiben E.A. Grebennikov und Yu.A. Ryabov in ihrem Buch. „Tatsächlich werden die Umlaufzeiten der Planeten um die Sonne und ihre heliozentrischen Abstände bestimmt spezielle mathematische Verarbeitungsmethoden Beobachtungen, und die Massen der Planeten können nicht direkt aus Beobachtungen gewonnen werden. Wir verfügen nicht über grandiose kosmische Maßstäbe, auf deren eine Schale wir die Sonne und auf die anderen Planeten legen würden. Keplers drittes Gesetz gleicht das Fehlen solcher kosmischen Maßstäbe aus, da wir mit seiner Hilfe leicht die Massen der Himmelskörper bestimmen können, die ein einziges System bilden. Bemerkenswert an Keplers Gesetzen ist auch, dass sie sozusagen genauer sind als die Realität selbst. Sie stellen die exakten mathematischen Bewegungsgesetze für ein idealisiertes „Sonnensystem“ dar, in dem die Planeten materielle Punkte von unendlich kleiner Masse im Vergleich zur „Sonne“ sind. In Wirklichkeit haben die Planeten eine beträchtliche Masse, so dass es in ihrer tatsächlichen Bewegung zu Abweichungen von den Keplerschen Gesetzen kommt. Diese Situation ist bei vielen derzeit bekannten physikalischen Gesetzen gegeben. Heute können wir sagen, dass die Keplerschen Gesetze die Bewegung des Planeten im Rahmen des Zweikörperproblems genau beschreiben und unser Sonnensystem ein multiplanetares System ist, sodass diese Gesetze dafür nur Näherungswerte sind. Paradox ist auch, dass die Keplerschen Gesetze für den Mars, dessen Beobachtungen zu ihrer Entdeckung führten, weniger genau sind. Keplers Arbeit zur Schaffung der Himmelsmechanik spielte eine wichtige Rolle bei der Anerkennung und Entwicklung der Lehren von Copernicus. Er bereitete den Boden für nachfolgende Forschungen, insbesondere für die Entdeckung Newton das Gesetz der universellen Gravitation. Die Keplerschen Gesetze behalten nach wie vor ihre Bedeutung: Wissenschaftler haben gelernt, die Wechselwirkung von Himmelskörpern zu berücksichtigen, und berechnen damit nicht nur die Bewegungen natürlicher, sondern vor allem auch künstlicher Himmelskörper wie Raumschiffe, die Zeugen der Entstehung sind und Verbesserung, von der unsere Generation ist. Autor: Samin D. K.
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