Astronomie

Astronomie - Aufklärung

Aufklärung

Newton

Keplers Gesetze erhielt eine physikalische Erklärung nur mit der Veröffentlichung der englischen Physiker und Mathematiker Isaac Newton ‚s Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Mathematische Prinzipien der Naturphilosophie , 1687). Hier kündigte Newton seine anBewegungsgesetze sowie dieGesetz der universellen Gravitation : Zwei beliebige Teilchen im Universum ziehen sich mit einer Kraft an, die proportional zum Produkt ihrer Massen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes zwischen ihnen ist. Newton benutzte diese Gesetze, um Keplers Gesetze neu zu definieren , und machte damit die Planetentheorie zum ersten Mal in der Geschichte zu einem Zweig der Physik . Anschließend wandte er die Gesetze an, um andere Phänomene wie den Aufstieg und Fall der Gezeiten und die Umlaufbahnen der Kometen zu erklären .

Das Das Trägheitsgesetz (Newtons erstes Gesetz - ein Körper neigt dazu, sich mit konstanter Geschwindigkeit in einer geraden Linie zu bewegen) wurde von Galileo angedeutet und vom französischen Philosophen René Descartes genauer ausgedrückt . Das dritte Gesetz (wenn Körper A eine Kraft auf Körper B ausübt, dann übt B eine Kraft auf A aus, die gleich groß, aber entgegengesetzt gerichtet ist) wurde durch die jüngsten Arbeiten des niederländischen Mathematikers Christiaan Huygens und anderer zu Kollisionen gut unterstützt .Newtons zweites Gesetz (die Kraft, die auf einen Körper ausgeübt wird, entspricht der Masse des Körpers multipliziert mit seiner Beschleunigung) war eine neue Art, über Bewegung nachzudenken. Mit der Idee eines inversen quadratischen Gesetzes für die Schwerkraft hatten der Physiker Robert Hooke , der Architekt Sir Christopher Wren und der Astronom Edmond Halley in England gespielt , aber sie waren nicht in der Lage gewesen, alle notwendigen Konzepte zusammenzustellen - das Gesetz der Anziehung, das Konzept der Bewegung unter einer eingeprägten Kraft und der Verknüpfung der Mathematik - zu einem fertigen Produkt. Newtons Principia veränderte den intellektuellen Kontext für die Wissenschaft der Astronomie grundlegend .

Newtons Gesetz der universellen Gravitation stieß auf Widerstand, insbesondere auf dem französischsprachigen Kontinent, wo es manchmal als Rückfall in eine diskreditierte Denkweise angesehen wurde. Die Idee, dass ein Körper über den leeren Raum greifen und einen anderen beeinflussen könnte, schien einigen ein Rückfall in den mittelalterlichen Animismus zu sein. Es half nicht, dass Newton den Mechanismus, durch den die Schwerkraft wirkte, nicht erklären konnte.

Testen von Newtons Theorie

In der ersten Hälfte des 18. Jahrhunderts wurde das Gesetz des umgekehrten Quadrats mehreren dramatischen Tests unterzogen. Die erste betraf die Form der Erde . Newton hatte argumentiert, dass die schnelle Rotation der Erde um ihre Achse dazu führen muss, dass die Erde von der perfekten Sphärizität abweicht. Stattdessen sollte die Erde ein abgeflachter Sphäroid sein - das heißt, wie eine Zwiebel an den Polen abgeflacht. Als Beweis wies Newton auf das Beispiel des Jupiter hin , das bei Betrachtung durch ein Teleskop eine merkliche Abflachung zeigte . Auch 1672 der französische WissenschaftlerJean Richer hatte die Geschwindigkeit einer Pendeluhr in der Nähe des Erdäquators sorgfältig gemessen (indem er sie mit der Bewegung der Sterne verglich ) und festgestellt, dass die Uhr etwas langsamer lief als eine identische Uhr in Paris. Newton argumentierte, wenn die Erde an den Polen abgeflacht wäre, wäre Paris etwas näher am Erdmittelpunkt als der Äquator. Wenn sich die Schwerkraft als umgekehrtes Quadrat der Entfernung ändert, sollte die Schwerkraft der Erde in Paris stärker sein als am Äquator, und daher würde die Pariser Pendeluhr schneller laufen. Aber im Jahre 1718Jacques Cassini gab die Ergebnisse einer von seinem Vater durchgeführten Untersuchung des Pariser Meridians von Dünkirchen nach Collioure bekannt.Gian Domenico Cassini und er selbst schienen genau das Gegenteil zu zeigen - dass die Erde an den Polen wie eine Zitrone verlängert ist. Französische Naturphilosophen, die in der Wirbeltheorie von Descartes verwurzelt sind, haben Wege gefunden, dies mit kartesischer Physik zu erklären. In den 1730er Jahren sponserte die französische Akademie der Wissenschaften zwei Expeditionen - eine nach Lappland unter der Leitung des Mathematikers Pierre-Louis Moreau de Maupertuis und eine nach äquatorialem Südamerika - um diese Frage zu klären. Sorgfältige geodätische und astronomische Messungen wurden durchgeführt, um die Länge eines Grads des Meridians für einen Ort in der Nähe des Pols und einen Ort in der Nähe des Äquators zu bestimmen. Die Ergebnisse der Lappland-Expedition zeigten entscheidend, dass die Erde an den Polen abgeflacht war, wie Newton behauptet hatte. Voltaire Bekanntermaßen sprach er seinen Freund Maupertuis als "den Abflacher der Welt und von Cassinis" an.

Zweitens hatte Newton nicht gelungen , die richtige Geschwindigkeit für den Vorschub des berechnen Mond ‚s Perigäum-fest, dass die Bewegung des Punktes auf dem Mond ist Umlaufbahn , wo er die Erde am nächsten ist. Der Grund für das Vorrücken des Perigäums liegt in der störenden Anziehungskraft der Sonne auf dem Mond, aber Newton erhielt eine um die Hälfte zu geringe Rate (eine vollständige Umdrehung des Perigäums dauert etwa 18 Jahre anstelle der beobachteten 9). Im 18. Jahrhundert versuchten mehrere führende Mathematiker, das Problem zu lösen, und scheiterten. 1747 französischer Mathematiker und PhysikerAlexis-Claude Clairaut schlug eine Änderung des Newtonschen Gravitationsgesetzes vor. Anstelle eines reinen Inverse-Square-Gesetzes schlug Clairaut vor, einen kleinen Term hinzuzufügen, der proportional zur inversen vierten Potenz der Entfernung ist, damit die Bewegung des Mondperigäums korrekt herauskommt. Clairaut zog diesen Vorschlag später zurück und zeigte in einer neuen Berechnung, dass das Gesetz des umgekehrten Quadrats vollkommen ausreichend war, um die Bewegung des Perigäums des Mondes zu erklären. Das Problem war zu komplex, um direkt gelöst zu werden, und es mussten Annäherungen eingeführt werden. Clairaut zeigte, dass die Annäherungen von Newton und den folgenden zu voreilig waren und dass mit vorsichtigeren Annäherungen der Fortschritt des Perigäums genau richtig herauskam. Dies war mit Abstand der bislang genaueste Test der Newtonschen Theorie.

Finally, as the time approached for the expected reappearance of Halley’s Comet, celestial mechanicians undertook a more-precise calculation of the date of return. Halley had argued that the comets of 1531, 1607, and 1682 were one and the same and predicted a return for late 1758 or early 1759, but he did not live to see it happen. When the comet, on its very elongated orbit, passes by massive planets, such as Jupiter, on its way out of and back into the inner solar system, the planets exert forces that perturb its motion. In Paris, Clairaut, astronomer Jérôme Lalande und Nicole Lepauté, die Frau eines bekannten Instrumentenbauers, berechneten die Bewegung des Kometen einschließlich der störenden Kräfte. Dies war das ehrgeizigste Programm zur numerischen Integration, das jemals bis zu diesem Zeitpunkt durchgeführt wurde. Als der Komet innerhalb seines angekündigten einmonatigen Fehlerfensters wieder auftauchte, wurde dies von vielen als Triumph der Berechnung sowie des Gesetzes der universellen Gravitation angesehen.

Laplace

Since every planet is attracted not only by the Sun but also (much more weakly) by all the other planets, its orbit cannot really be the simple ellipse described by Kepler. Newton was therefore willing to entertain the idea that God might occasionally need to readjust the planetary system. In the 18th century new mathematical methods were developed, largely in France, to treat perturbations more efficiently. The key figures in this work were Joseph-Louis Lagrange and Pierre-Simon Laplace. They showed that the solar system is inherently quite stable. Each planet is perturbed by the others, but the net result is only oscillatory corrections to the unperturbed orbits; there are no runaway behaviours. God would not need to intervene after all.

Laplace is known mainly for his densely mathematical Traité de mécanique céleste (A Treatise of Celestial Mechanics; 5 vol., 1798–1825), but he was also the author of a work of popularization, the Exposition du système du monde (Das System der Welt ), das zwischen 1796 und 1824 in mehreren Ausgaben erschien. In dieser Arbeit erklärte Laplace dem Laien alle Phänomene des Sonnensystems in Bezug auf die universelle Gravitation. Es folgte eine kurze Geschichte der Astronomie von der Antike bis zu Laplace. Das Buch endete mit einem kurzen Bericht über das, was jetzt Laplace heißtnebular hypothesis, a theory of the origin of the solar system. Laplace imagined that the planets had condensed from the primitive solar atmosphere, which originally extended far beyond the limits of the present-day system. As this cloud gradually contracted under the effects of gravity, it first formed rings and then amalgamated into planets. Newton had seen in the regularities of the solar system a sure sign of the wisdom and beneficence of the Creator. For example, the fact that all the planets travel around the Sun in the same direction and more or less in the same plane could be explained only by divine providence. Laplace, looking at the same facts, instead regarded them as evidence about the prehistory of the solar system. The nebular hypothesis, although only sketchily worked out, was important as an early example of an evolutionary theory in natural science, and it is notable that evolutionary thinking entered astronomy before it became important in the life sciences.

The age of observation

Herschel and the new planet

The foremost observational astronomer of the period was William Herschel. Herschel was born in Hannover, Germany, in 1738, but he moved to England as a young man to avoid the Continental wars. He settled in Bath and made a living as a musician and as a music teacher while devoting all his spare time to amateur astronomy, which he cultivated at a very high level. By making his own telescopes, he soon had finer instruments than anyone else. In 1781, while sweeping the sky for double stars, he spotted a small object that he first took to be either a comet or a nebulous star. Herschel überzeugte sich davon, dass er einen neuen Kometen entdeckt hatte, was kein ungewöhnliches Ereignis gewesen wäre, aber bald zeigten andere Astronomen, dass er sich in einer fast kreisförmigen Umlaufbahn um die Sonne bewegte , so dass er als Planet bekannt wurde . Herschel, der nach königlicher Schirmherrschaft strebte, schlug vor, das neue Objekt Georgium Sidus, den georgischen Stern, nach König Georg III . Zu benennen . Die Schmeichelei funktionierte, denn Herschel wurde bald mit einer jährlichen Rente belohnt, die es ihm ermöglichte, den Musikunterricht aufzugeben und sich fast ausschließlich der Astronomie zu widmen. Kontinentale Astronomen lehnten es ab, Herschels vorgeschlagenen Namen zu akzeptieren. 1783 deutscher AstronomJohann Elert Bode schlug vorUranus , der Name, der schließlich blieb.

There was a long tradition that went all the way back to Plato and the Pythagoreans of trying to tie planetary distances to numerical sequences. An influential new scheme was proposed in 1766 by Prussian astronomer Johann Daniel Titius von Wittenberg. According to Titius, the sequence of planetary distances takes the form 4, 4 + 3, 4 + 6, 4 + 12, 4 + 24, 4 + 48, 4 + 96,… Titius fixed the scale by assigning 100 to Saturn’s distance from the Sun which, indeed, makes Mercury’s distance about 4. Titius pointed out that there is an empty place at distance 28, corresponding to the large gap between Mars and Jupiter, and speculated that this gap would be filled by undiscovered satellites of Mars. Titius had slipped his distance rule, unsigned, into his German translation of Swiss philosopher Charles Bonnet’s Contemplation de la nature (The Contemplation of Nature, 1764). This sequence of planetary distances was adopted, without credit, by Bode in his Deutliche Anleitung zur Kenntniss des gestirnten Himmels (“Clear Guide to the Starry Heaven”; 2nd ed., 1772). (In later editions Bode did give credit to Titius.) Bode also predicted that a planet would eventually be found at distance 28. Herschel’s discovery of Uranus at distance 192 (where the Titius-Bode sequence predicted 196) seemed an uncanny confirmation of the law.

Astronomers began to search for a planet in the Mars-Jupiter gap. In 1801 Italian astronomer Giuseppe Piazzi discovered a small planetlike object in the gap, which he named Ceres, after the patron goddess of Sicily. Pallas was discovered by German astronomer Wilhelm Olbers the following year. Herschel did not feel that these objects were large enough to be planets, so he proposed the term asteroid (Greek for “starlike”), which had been suggested to him by classicist Charles Burney, Jr., via his father, music historian Charles Burney, Sr., who was a close friend of Herschel’s. (Later they were also called “minor planets.” Today, after a 2006 ruling by the International Astronomical Union, they are officially designated “Zwergplaneten “, wenn sie wie Ceres massiv genug sind, um durch ihre eigene Schwerkraft zu Kugeln gerundet zu werden . Die meisten sind jedoch viel kleiner und werden offiziell als "kleine Körper des Sonnensystems" bezeichnet, obwohl viele Astronomen diese informell immer noch informell als Asteroiden bezeichnen.)