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Warum bewegen sich die Planeten um die Sonne?
Dieser Frage gehen Eva und Elka in dieser Folge nach und werfen einen Blick zurück in die Anfänge der modernen Astronomie. Vor 400 Jahren fragte sich Johannes Kepler, warum das Sonnensystem so aufgebaut ist, wie es ist, und suchte nach einer kosmischen Ordnung und Harmonie. Mit seinem Werk legte er den Grundstein für Isaac Newton, der mit der Entdeckung des Gravitationsgesetzes zeigen konnte, dass es Naturgesetze gibt, die sowohl auf der Erde als auch im Universum gelten. Die Bedeutung dieser Entdeckungen zeigt sich auch heute noch, wenn wir die Bahnen von Exoplaneten berechnen und Weltraumteleskope an den Lagrange-Punkten im All positionieren.
Einleitung
Wir beginnen mit einem Veranstaltungshinweis: Wer Elka live erleben möchte, kann dies am 11. Mai im Planetarium Wien tun. Dort spricht sie ab 19 Uhr über die Heldinnen am Sternenhimmel.
Johannes Kepler und das Weltgeheimnis
Der Astronom, Physiker und Mathematiker Johannes Kepler (1571-1630) ist bestimmt einer der wichtigsten Wegbereiter der modernen Naturwissenschaften.
In einer Zeit, in der Magie, Aberglaube und religiöse Dogmen noch das Weltbild bestimmten, suchte Kepler nach einer mathematisch fundierten Erklärung für den Aufbau des Universums. Seine erste große Veröffentlichung (1596), „Mysterium Cosmographicum“ (Das Weltgeheimnis), war der Versuch, die Struktur des Sonnensystems mit Hilfe platonischer Körper zu erklären – ein kreatives, wenn auch letztlich falsches Modell. Doch Kepler war überzeugt, dass dem Kosmos eine göttliche Ordnung und mathematische Harmonie zugrunde liegt. Diese Überzeugung trieb ihn an, das Rätsel der Planetenbewegung zu lösen.
Die entscheidende Wende kam, als Kepler 1600 als Assistent des dänischen Astronomen Tycho Brahe nach Prag ging. Nach Brahes Tod erhielt Kepler Zugang zu dessen hochpräzisen Beobachtungsdaten, insbesondere über die Umlaufbahn des Mars. In jahrelanger mühsamer Analyse erkannte Kepler, dass die Marsbahn nicht durch Kreise oder Epizykel erklärt werden konnte. Die scheinbar geringen Abweichungen in den Daten zwangen ihn, das bis dahin vorherrschende Bild von perfekten Himmelskreisen zu verwerfen. Stattdessen entdeckte er, dass sich die Planeten auf elliptischen Bahnen bewegen - mit der Sonne in einem der Brennpunkte. Diese Erkenntnis führte zu den ersten beiden Keplerschen Gesetzen, die er 1609 in seinem Werk "Astronomia Nova" veröffentlichte.
Die ersten beiden Keplerschen Gesetze beschreiben die elliptische Form der Planetenbahnen und die unterschiedliche Bahngeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Entfernung zur Sonne. Später folgte sein drittes Gesetz, das den Zusammenhang zwischen der Umlaufzeit eines Planeten und der Größe seiner Bahn beschreibt. Kepler schuf damit ein vollständiges Modell der Planetenbewegung - allein auf der Grundlage von Beobachtungen und geometrischen Überlegungen, ohne moderne Mathematik oder physikalische Kraftgesetze.
Von Kepler zu Newton
Die Erklärung für das „Warum“ seiner Gesetze kam erst Jahrzehnte später mit Isaac Newton, der 1687 das Gravitationsgesetz formulierte. Newton zeigte, dass dieselbe Kraft, die Äpfel zu Boden fallen lässt, auch für die Bewegung der Planeten verantwortlich ist. Aus seinem Gravitationsgesetz leitete er mathematisch die Keplerschen Gesetze ab und schuf damit die Grundlage der klassischen Mechanik. Die Himmelsmechanik wurde dadurch präziser und leistungsfähiger, so dass beispielsweise die Existenz neuer Planeten - wie Neptun - aus Bahnstörungen berechnet werden konnte.
Bis heute spielt Keplers Erbe in der Astronomie eine zentrale Rolle. Moderne Anwendungen wie die Berechnung von Exoplanetenbahnen oder die Positionierung von Raumsonden an Lagrangepunkten im eingeschränkten Dreikörperproblem zeigen, wie relevant Keplers Suche nach der kosmischen Ordnung auch nach über 400 Jahren noch ist.
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