Latest / Fakten zum Einschlafen – Das Universum / Warum brauchte die Physik so lange für die Schwerkraft? - Vom geozentrischen Modell zur gekrümmten Raumzeit | Fakten zum Einschlafen - Das Universum

Transcript

Warum brauchte die Physik so lange für die Schwerkraft? - Vom geozentrischen Modell zur gekrümmten Raumzeit | Fakten zum Einschlafen - Das Universum · Fakten zum Einschlafen – Das Universum

0:05
Willkommen bei Fakten zum Einschlafen. Das Universum.
0:12
Über mehr als tausend Jahre lang schien es völlig
0:15
logisch, dass die Erde ruht und die Sterne um
0:18
sie kreisen. Steine fielen nach unten, weil sie
0:22
ihren natürlichen Ort suchten, und Flammen stiegen
0:25
auf, weil sie nach Hause gingen. Das aristotelische
0:29
Weltbild ordnete den Kosmos in einen irdischen
0:32
und einen vollkommenen himmlischen Bereich. Doch
0:36
je genauer man beobachtete, desto mehr Flicken
0:39
brauchte dieses Gefüge. Komplexe Epizykel sollten
0:43
die Schleifen der Planeten erklären und die Impetus
0:46
-Theorie versuchte, die Bewegung von Pfeilen
0:49
zu retten. Diese Episode verfolgt den langen
0:53
Bogen der Physikgeschichte von diesen frühen
0:55
Modellen über die Kopernikanische Wende bis hin
0:58
zu Isaac Newtons Gravitationsgesetz. Wir betrachten,
1:02
wie Newton die Trennung zwischen Himmel und Erde
1:05
auflöste, indem er zeigte, dass derselbe Apfel,
1:09
der zu Boden fällt, und derselbe Mond, der die
1:12
Erde umkreist, Ausdruck eines einzigen universellen
1:16
Gesetzes sind. Schließlich führt er weg zu Albert
1:19
Einstein, der die Schwerkraft nicht mehr als
1:22
unsichtbare Kraft verstand, sondern als geometrische
1:26
Krümmung der Raumzeit selbst. Bei der Arbeit
1:30
an dieser Episode kehrte ich immer wieder zu
1:32
einer Frage zurück, warum hielten frühere Denker
1:35
an Modellen fest, die uns heute so umständlich
1:38
erscheinen? Die Antwort liegt darin, dass diese
1:42
Systeme innerhalb ihrer Beobachtungsgrenzen erstaunlich
1:45
gut funktionierten. Mich fasziniert dieser kumulative
1:49
Prozess, bei dem kein Gerücht einfach zusammenbrach,
1:53
sondern behutsam umgebaut wurde, bis eine tiefere,
1:57
einheitlichere Erklärung gefunden war. Über mehr
2:02
als tausend Jahre hinweg hatte der Kosmos einen
2:06
Keller und einen Dachboden. Die Erde war unten.
2:10
Die vollkommenen Himmel waren oben. Diese Anordnung
2:15
erklärte alles, was man mit eigenen Augen sehen
2:18
konnte. Was sich veränderte, war nicht der Himmel.
2:22
Es war das Gewicht der Flicken, die nötig waren,
2:25
um ihn stillzuhalten. Stell dir vor, du stehst
2:29
in der Abenddämmerung auf einem Feld. Ein Stein
2:33
fällt aus deiner Hand. Er fällt gerade nach unten.
2:37
Rauch von einem Feuer steigt gerade nach oben.
2:40
Die ersten Sterne erscheinen. Über Stunden ziehen
2:45
sie in vollkommenem Bögen. Sie kehren wieder
2:49
und wieder zurück. Unveränderlich. Ewig. Über
2:54
mehr als tausend Jahre hinweg ergab eine einzige
2:58
zusammenhängende Erklärung aus all dem Sinn.
3:02
Das Modell war die aristotelische Physik. Ihre
3:06
Logik ging ungefähr so. Der Kosmos ist in zwei
3:10
Bereiche geteilt. Unterhalb des Mondes. In der
3:14
irdischen Welt besteht alles aus vier Elementen,
3:17
Erde, Wasser, Luft und Feuer. Jedes Element hat
3:22
einen natürlichen Ort. Es hat eine natürliche
3:25
Bewegung hin zu diesem Ort. Erde und Wasser bewegen
3:29
sich nach unten, zum Zentrum des Kosmos. Luft
3:33
und Feuer bewegen sich nach oben, weg von diesem
3:37
Zentrum. Deshalb fallen Steine und steigen Flammen
3:42
auf. Nicht wegen irgendeiner unsichtbaren Kraft,
3:45
die an ihnen zieht, sondern weil sie nach Hause
3:49
gehen. Oberhalb des Mondes funktioniert der himmlische
3:53
Bereich anders. Dort besteht alles aus einem
3:57
fünften Element, dem Äther. Seine natürliche
4:01
Bewegung ist die vollkommene, gleichförmige,
4:04
ewige Kreisbewegung. Die Sterne und Planeten,
4:08
die aus Äther bestehen, bewegen sich in Kreisen.
4:12
Sie müssen es. Es ist ihre Natur. Und weil diese
4:17
Bewegung für sie natürlich ist, braucht sie kein
4:20
fortwährendes Anstoßen. Ein Stein muss geworfen
4:24
werden, um in Bewegung zu bleiben. Ein Planet
4:28
nicht. Das war nicht bloß eine Physik. Es war
4:32
ein vollständiges Weltbild, verbunden mit Biologie,
4:35
Metaphysik und schließlich Theologie. Die Erde
4:39
sitzt still im Zentrum. weil sich dort die schweren
4:43
Dinge sammeln. Der himmlische Bereich ist vollkommen
4:46
und unveränderlich, weil die Kreisbewegung keinen
4:50
Anfang und kein Ende hat. Das ganze Gefüge macht
4:53
der Erfahrung lückenlos verständlich. Bis auf
4:57
ein hartnäckiges Problem. Schieß einem Pfeil
5:01
ab. Er verlässt die Bohmsehne und fliegt weiter.
5:05
Aber nach dem zentralen aristotelischen Prinzip
5:08
verlangt Bewegung einen fortwährenden Beweger,
5:11
der in Kontakt mit dem bewegten Gegenstand steht.
5:15
Die Bogensehne berührt den Pfeil nicht mehr.
5:18
Die Luft vor dem Pfeil sollte ihm Widerstand
5:20
leisten. Warum fällt er nicht sofort zu Boden?
5:25
Aristoteles selbst schlug vor, dass die Luft,
5:27
die hinter dem Pfeil herumwirbelt, ihn irgendwie
5:30
vorwärts drückt. Schon in der Antike empfanden
5:33
viele diese Erklärung als unbefriedigend. Im
5:37
6. Jahrhundert argumentierte ein Philosoph namens
5:40
Johannes, Philoponus offen, dass etwas anderes
5:44
am Werk sein müsse. Er schlug vor, dass die Bogensehne
5:48
dem Pfeil selbst eine Art unkörperliche Bewegungskraft
5:51
einplägt. Eine Kraft, die allmählich nachlässt.
5:56
Der Pfeil trägt seine Bewegung mit sich. Das
6:00
war die Impetus -Theorie. Sie wurde in den nächsten
6:03
acht Jahrhunderten verfeinert. Im 14. Jahrhundert
6:07
hatten Philosophen wie Jean Bouridan und Nicole
6:11
Oresme an der Universität von Paris sie zu einer
6:15
ausgefeilten Alternative entwickelt. Der Impetus,
6:19
so argumentierten sie, erklärt nicht nur Geschosse,
6:23
sondern auch fallende Körper. Ein fallender Gegenstand
6:27
beschleunigt, weil er im Fallen mehr Impetus
6:29
ansammelt. Je länger er fällt, desto mehr Impetus
6:34
gewinnt er. desto schneller bewegt er sich. Beachte,
6:39
was hier geschieht. Das zentrale aristotelische
6:42
Gerüst bleibt erhalten. Die Erde bleibt im Zentrum.
6:47
Die beiden Bereiche bleiben getrennt. Die grundlegende
6:52
Logik von natürlichem Ort und natürlicher Bewegung
6:54
bleibt intakt. Aber ein begrifflicher Flicken
6:58
wird größer, ausgefeilter, zentraler für die
7:02
Erklärung. Die Impetus -Theorie löst echte Probleme.
7:06
Sie verletzt zugleich stillschweigend das aristotelische
7:10
Behaben darauf, das Bewegung fortwährenden Kontakt
7:13
verlangt. Das Gerüst wird durch zunehmende begriffliche
7:17
Anstrengung zusammengehalten. Währenddessen sammelt
7:21
es sich am Himmel eine andere Art von Verfeinerung
7:24
an. Das einfache Modell gleichförmiger Kreisbewegung
7:28
um die Erde passte nicht ganz zu den Beobachtungen.
7:32
Planeten wurden manchmal heller und dunkler.
7:35
Gelegentlich kehrten sie ihrer Richtung um. Sie
7:38
bewegten sich rückwärts vor dem Sternenhintergrund,
7:41
bevor sie die Vorwärtsbewegung wieder aufnahmen.
7:44
Die Jahreszeiten waren nicht gleich lang. Um
7:48
das aristotelische Bekenntnis zur Kreisbewegung
7:51
und zum Geozentrismus zu bewahren, führten Astronomen
7:55
geometrische Hilfsmittel ein. Epizykel, kleine
7:59
Kreise auf größeren Kreisen. Stell dir einen
8:03
Planeten vor, der auf einem kleinen Rad sitzt.
8:06
Dieses Rad rollt am Rand eines größeren, unsichtbaren
8:11
Kreises entlang, dessen Zentrum nahe der Erde
8:14
liegt. Die kombinierte Bewegung zeichnet Fleifen
8:18
am Himmel. Das war der Epizykel. Exzenter. Kreise,
8:24
deren Mittelpunkte von der Erde versetzt waren.
8:27
Äquanten. Punkte. von denen aus die Bewegung
8:31
gleichförmig erschien, obwohl sie es um das Zentrum
8:35
herum nicht wirklich war. Das Ptolemäische System,
8:39
vollentwickelt im 2. Jahrhundert nach Quistus,
8:41
war mathematisch genial. Es konnte Planetenpositionen
8:46
mit beachtlicher Genauigkeit vorhersagen. Aber
8:50
sein Verhältnis zur physischen Wirklichkeit wurde
8:53
zunehmend unklar. Waren diese Epizykel tatsächliche
8:57
physische Mechanismen, Kristallinesphären, die
9:00
in Sphären verschachtelt waren? Oder waren sie
9:03
bloß Rechenwerkzeuge, bequeme Fiktionen, die
9:07
zufällig richtige Antworten lieferten? Viele
9:10
Astronomen behandelten sie als Letzteres. Die
9:13
Mathematik und die Physik drifteten auseinander.
9:18
Über Jahrhunderte hielt dieses Gefüge. Es wurde
9:22
an Universitäten gelehrt. Es passte zu den theologischen
9:26
Erzählungen von einer zentralen, Besonderen Erde.
9:29
Er sagte Finsternisse und Planetenpositionen
9:33
gut genug für die Bedürfnisse der Zeit voraus.
9:35
Das Vertrauen in den übergeordneten Rahmen blieb
9:39
hoch. Aber die Flicken vermehrten sich. Die Impetustheorie
9:44
war eine elegante Lösung, die nicht ganz in das
9:47
System passte, das sie hätten sollte. Die ptolemäische
9:51
Maschinerie wurde immer schwerfälliger, Epizykel
9:54
auf Epizykel, je besser die Beobachtungen wurden.
9:58
Und die physische Wirklichkeit der kristallinen
10:01
Sphären, die die Planeten trugen, blieb eine
10:04
Glaubenssache statt einer Demonstration. Dann,
10:08
im Jahr 777, erschien ein Komet. Jisho Brahe
10:14
wies nach, dass er sich durch den Bereich der
10:17
vermeintlichen kristallinen Sphären bewegte,
10:20
ohne behindert zu werden. Er ging durch das hindurch,
10:23
was feste Kugelschalen hätten sein sollen. Der
10:28
himmlische und der irdische Bereich, angeblich
10:30
getrennt und verschieden, wurden von demselben
10:33
wandernden Objekt durchquert. Die Trennung war
10:36
nicht so sauber, wie das Modell es verlangte.
10:41
In der frühen Neuzeit war die angesammelte Belastung
10:45
für diejenigen sichtbar, die genau hinsahen.
10:48
Das Gerüst war nicht dramatisch gescheitert.
10:51
Es war schwer geworden vor lauter Verfeinerung.
10:55
Was einst eine einzige elegante Erklärung schien,
10:58
war zu einer Sammlung von Sonderfällen geworden.
11:01
Jeder für sich plausibel, zusammen zunehmend
11:05
belastend. Im Jahr 544 veröffentlichte Nikolaus
11:10
Kopernikus einen Vorschlag, der unter Gelehrten
11:13
schon seit Jahren kursierte. Setze die Sonne
11:17
ins Zentrum. Lass die Erde ein Planet unter Planeten
11:21
werden, die sich täglich dreht und jährlich umläuft.
11:25
Die rückläufige Bewegung der Planeten, die im
11:28
Ptolemäischen System aufwendige Epizykel erfordert
11:31
hatte, ergab sich auf natürliche Weise als Parallaxeneffekt
11:35
einer bewegten Erde. Die Anordnung der Planeten
11:38
nach ihren Umlaufzeiten folgte unmittelbar. Der
11:43
Äquant, den Kopernikus besonders als Verletzung
11:46
wahrer gleichförmiger Bewegung ablehnte, konnte
11:49
beseitigt werden. Das kopernikanische Modell
11:53
war nicht sofort in jeder Hinsicht einfacher.
11:56
Es verlangte immer noch einiges an Kreismaschinerie.
11:59
Es brachte seine eigenen Schwierigkeiten mit
12:02
sich. Wenn die Erde sich bewegt, warum landen
12:06
fallende Gegenstände dann nicht hinter ihrem
12:08
Ausgangspunkt? Warum gibt es keinen ständigen
12:12
Wind durch die Bewegung? Das waren ernste Fragen,
12:15
die in der aristotelischen Physik wurzelten.
12:19
Kopernikus beantwortete sie nicht vollständig.
12:22
Was sein Modell bot, war nicht Vollkommenheit,
12:25
sondern Verheißung. Ein anderes Ordnungsprinzip.
12:30
Ein Hinweis darauf, dass die Komplexität des
12:34
Ptolemäischen Systems vielleicht nicht die wahre
12:36
Struktur des Kosmos widerspiegelte, sondern eine
12:40
falsche Annahme darüber, wo das Zentrum liegt.
12:43
Der Vorschlag verbreitete sich langsam. Er wurde
12:47
diskutiert. Debattiert, abgelehnt, manche fanden
12:51
ihn mathematisch elegant, aber physisch unplausibel.
12:55
Andere wie Tycho Brahe konstruierten hybride
12:58
Kompromisse, die Erde weiterhin im Zentrum, die
13:02
Sonne um die Erde kreisend, aber alle anderen
13:05
Planeten um die Sonne kreisend. Diese geoheliozentrische
13:09
Anordnung bewahrte die ruhende Erde und gewann
13:12
zugleich einige organisatorische Vorteile des
13:15
kopernikanischen Systems. Die entscheidenden
13:19
Beobachtungen kamen mit dem Teleskop. Im Jahr
13:22
116 richtete Galileo Galilei sein Instrument
13:27
auf Jupiter und sah vier Monde, die diesen Planeten
13:30
umkreisten, nicht die Erde. Er beobachtete die
13:34
Phasen der Venus, unmöglich in der ptolemäischen
13:37
Anordnung, aber von Kopernikus vorhergesagt.
13:41
Er sah Sonnenflecken und Mondkrater, Unvollkommenheiten
13:45
an Körpern, die himmlisch und unveränderlich
13:47
sein sollten. Die Unterscheidung der zwei Bereiche
13:51
bröckelte von beiden Enden her. Objekte am Himmel
13:54
veränderten sich. Objekte nahe der Erde nahmen
13:58
an kosmischen Bewegungen teil. Gadileys Arbeit
14:02
über die Bewegung selbst lieferte entscheidende,
14:05
begriffliche Vorbereitung. Fallende Körper, so
14:09
argumentierte er, Beschleunigen gleichförmig,
14:12
unabhängig von ihrem Gewicht. Bewegung, einmal
14:16
begonnen, dauert fort, sofern ihr kein Widerstand
14:19
entgegenscheht. Das war nicht ganz die Impetus
14:22
-Theorie. Aber es entfernte sich entschieden
14:25
von der aristotelischen Forderung nach fortwährenden
14:28
Bewegern. Der Grundstein für eine vereinheitlichte
14:32
Physik wurde gelegt, auch wenn ihre vollständige
14:35
Zusammenführung noch fern lag. Johannes Kepler,
14:38
der mit Tycho Brahe's beispiellos präzisen Beobachtungsdaten
14:42
arbeitete, vollzog die nächste wesentliche Korrektur.
14:47
Planeten bewegen sich nicht in Kreisen. Sie bewegen
14:50
sich in Ellipsen, mit der Sonne in einem Brennpunkt.
14:54
Ihre Geschwindigkeiten verändern sich vorhersagbar.
14:58
Ihre Umlaufzeiten stehen in mathematischer Beziehung
15:01
zu ihren Abständen. Keplers drei Gesetze, veröffentlicht
15:05
zwischen 1099 und 1619, waren zunächst rein beschreibend.
15:11
Sie passten mit bemerkenswerter Präzision zu
15:14
den Daten. Aber sie boten keine physische Erklärung
15:18
dafür, warum Planeten sich so bewegten. Der Mechanismus
15:23
blieb rätselhaft. Die alte Frage hatte nun eine
15:27
neue, schärfere Form. Kreisbewegung war natürlich...
15:32
und brauchte keine Erklärung. Aber eine Ellipse?
15:35
Ein Planet auf einer Ellipse wird schneller und
15:38
langsamer. Etwas muss auf ihn einwirken, seine
15:42
Bewegung verändern. Kepler hatte die Bahn vollkommen
15:46
beschrieben. Er hatte den Antrieb nicht benannt.
15:50
Es würde Jahrzehnte dauern, bis dieser Mechanismus
15:54
auftauchte. Die Ellipse war eine geometrische
15:57
Vereinfachung, die alle Epizykel, alle Äquanten,
16:01
alle kristallinen Sphären beseitigte. Aber sie
16:05
war auch eine begriffliche Herausforderung. Kreisbewegung
16:08
war natürlich ewig, vollkommen. Elliptische Bewegung
16:13
war nichts davon. Etwas musste auf die Planeten
16:17
einwirken. Etwas, das ihr schneller und langsamer
16:21
werden erklären konnte, ihre Annäherung an die
16:24
Sonne und ihre Entfernung von ihr. Isaac Newton
16:28
lieferte dieses Etwas im Jahr... 167. Seine Principia
16:34
Mathematica werden oft als revolutionär beschrieben.
16:38
Aber ihre Kraft lag eher in der Vereinheitlichung
16:41
als im Umsturz. Newton nahm Galileis irdische
16:44
Mechanik und Keplers himmlische Beschreibungen
16:47
und zeigte, dass sie Ausdruck eines einzigen
16:50
Gesetzes sind. Jedes Teilchen Materie im Universum
16:53
zieht jedes andere Teilchen an mit einer Kraft,
16:57
die proportional zu ihren Massen und umgekehrt
17:00
proportional zum Quadrat ihres Abstands ist.
17:04
Die Kraft, die einen Apfel zur Erde fallen lässt,
17:07
ist dieselbe Kraft, die den Mond in seiner Umlaufbahn
17:10
um die Erde hält. Sie hält die Erde in ihrer
17:13
Umlaufbahn um die Sonne. Sie hält die Sonne innerhalb
17:16
der Galaxie. Der himmlische und der irdische
17:19
Bereich, seit Aristoteles getrennt, wurden durch
17:23
eine einzige mathematische Beschreibung verbunden.
17:26
Keplers Ellipsen ergaben sich als notwendige
17:29
Folgen einer anziehenden Kraft mit umgekehrtem
17:33
Quadratgesetz. Galileis fallende Körper waren
17:36
Fälle desselben Gesetzes nahe der Oberfläche,
17:40
wo der Abstand nahezu konstant ist. Das war strukturelle
17:45
Vereinfachung tiefster Art. Was getrennte physikalische
17:49
Systeme, getrennte natürliche Bewegungen, getrennte
17:52
Elemente, getrennte Erklärungen für oben und
17:55
unten erfordert hatte, fiel nun unter ein einziges
17:57
Prinzip. Die kristallinen Sphären verschwanden,
18:01
nicht mehr nötig. Die Unterscheidung zwischen
18:03
vergänglicher Erde und unvergänglichen Himmeln
18:06
löste sich auf. Natürlicher Ort und natürliche
18:10
Bewegung wurden durch universelle Gesetze ersetzt,
18:14
die überall galten. Newton selbst war vorsichtig
18:18
in Bezug auf das, was er getan hatte. Er lehnte
18:22
es bekanntlich ab, über die Ursache der Gravitationsanziehung
18:25
zu spekulieren. Er beschrieb, wie Körper sich
18:29
unter ihrem Einfluss bewegten. Er behauptete
18:32
nicht zu erklären, was Schwerkraft ist. Fernwirkung,
18:36
Anziehung ohne Kontakt, blieb philosophisch beunruhigend.
18:42
Kontinentale Cartesianer bestanden darauf, dass
18:45
wahre Physik mechanischen Kontakt verlangte,
18:47
Wirbel aus feiner Materie, die Planeten auf ihren
18:50
Bahnen schoben. Newtons Mathematik sagte perfekt
18:54
voraus. Seine Physik ließ eine grundlegende Frage
18:58
offen. Allmählich verschob sich das Vertrauen.
19:01
Die Rückkehr des Halleschen Kometen im Jahr 1758,
19:06
vorhergesagt durch newtonsche Berechnung, lieferte
19:10
eine dramatische Bestätigung. Die gemessene Abplattung
19:14
der Erde stimmte mit der theoretischen Vorhersage
19:17
überein. Die Störungen der Planeten durch die
19:21
Schwerkraft der jeweils anderen erwiesen sich,
19:24
obwohl komplex, als grundsätzlich berechenbar.
19:28
Bis zur Mitte des 18. Jahrhunderts war die Newton'sche
19:32
Mechanik der Arbeitsrahmen der europäischen Wissenschaft.
19:36
Sie wurde an Universitäten gelehrt, im Ingenieurwesen
19:40
angewandt, auf neue Gebiete ausgedehnt. Was überlebte
19:45
aus dem früheren Denken? Die Überzeugung, dass
19:47
das Universum von auffindbaren, universellen
19:50
mathematischen Gesetzen regiert wird. Die Ablehnung
19:54
getrennter Physik für getrennte Bereiche. Der
19:57
Kosmos als dynamisches System, nicht als statische
20:01
Hierarchie. Das waren tiefgreifende Erbschaften,
20:05
auch wenn ihre Ursprünge in früheren Auseinandersetzungen
20:08
oft vergessen wurden. Was verschwand? Der Geozentrismus,
20:13
gewiss. Die kristallinen Schweren. Die fünf Elemente
20:18
mit ihren natürlichen Orten. Die Forderung nach
20:21
fortwährendem Kontakt für Bewegung. Die Unterscheidung
20:25
zwischen himmlisch und irdisch. Das Urwerkuniversum
20:30
des strengen Determinismus würde später seinen
20:32
eigenen Herausforderungen begegnen. Aber das
20:36
ist eine andere Geschichte. Es blieb offen. Newtons
20:40
eigenes Zögern deutete darauf hin. Die Natur
20:44
der Schwerkraft selbst, die kann ein Körper über
20:47
den leeren Raum hinweg auf einen anderen einwirken.
20:50
Das war nicht bloß ein ungelöstes Problem. Es
20:54
war eine begriffliche Spannung im Herzen des
20:56
neuen Gerüsts, Anerkannt und geduldet, weil die
21:01
Vorhersagekraft so außerordentlich war. Zwei
21:04
Jahrhunderte lang herrschte die Newton'sche Gravitation
21:07
als Standardmodell. Sie ermöglichte die Entdeckung
21:11
des Neptun aus seinen Gravitationswirkungen auf
21:14
Uranus. Sie trug zur Entwicklung der Himmelsmechanik,
21:18
der Astrophysik und der Ingenieurwissenschaften
21:21
der industriellen Evolution bei. Sie wurde verfeinert,
21:25
erweitert, angewandt. Aber die grundlegende Frage,
21:29
was Schwerkraft ist, blieb bestehen. Im späten
21:34
19. Jahrhundert hatten sich subtile Abweichungen
21:36
angesammelt. Die Bahn des Merkur drehte sich
21:40
geringfügig schneller, als die newtonsche Berechnung
21:43
vorhersagte. Die Lichtgeschwindigkeit schien
21:47
konstant zu sein, unabhängig von der Bewegung
21:50
des Beobachters oder der Quelle. Das war unvereinbar
21:54
mit Newtons Annahmen über absoluten Raum und
21:56
absolute Zeit. Das waren kleine Effekte, Spezialfragen.
22:01
Das Gerüst blieb überwältigend brauchbar. Dann,
22:06
im Jahr 1915, veröffentlichte Albert Einstein
22:10
eine Rekonstruktion, die in ihrer Art ebenso
22:14
tiefgreifend war wie Newtons. Die allgemeine
22:17
Relativitätstürli veränderte Newtons Gesetz nicht
22:20
bloß. Sie stellte sich die Bühne neu vor, auf
22:24
der Physik geschieht. Raum und Zeit, der absolute,
22:28
feste Hintergrund der newtonschen Mechanik, wurden
22:31
dynamisch und gekrümmt. Masse und Energie verformen
22:35
die Geometrie der Raumzeit. Aber Objekte bewegen
22:41
sich entlang der geradestmöglichen Bahnen in
22:44
dieser gekrümmten Geometrie. Was wir Gravikationsanziehung
22:47
nennen, ist keine Kraft, die durch den Raum greift.
22:51
Es ist die Erscheinungsform der Raumzeitkrümmung.
22:55
Denk an eine schwere Kugel, die auf einer gespannten
22:59
Gummiplane ruht. Sie erzeugt eine Delle. Eine
23:03
Murmel, die in der Nähe rollt, wird zu der Delle
23:05
hin abgelenkt. Nicht weil die Kugel sie zieht,
23:09
sondern weil die Fläche, auf der sie sich bewegt,
23:11
gekrümmt ist. Die Raumzeit ist die Plane. Die
23:16
Erde ist die Kugel. Die Analogie ist unvollkommen.
23:20
Sie benutzt Schwerkraft, um Schwerkraft zu erklären,
23:24
aber sie vermittelt eine physische Anschauung
23:26
dafür, wie Krümmung die Kraft ersetzt. Der Apfel
23:31
fällt nicht, weil die Erde ihn zieht. Er fällt,
23:34
weil die Zeit nahe einem massereichen Körper
23:37
langsamer vergeht und der Weg des Apfels durch
23:40
die Raumzeit sich entsprechend biegt. Die Planeten
23:43
kreisen nicht wegen einer Kraft. Sie kreisen,
23:47
weil die Masse der Sonne die umgebende Geometrie
23:50
krümmt. Die Mathematik ist anspruchsvoll. Die
23:54
begriffliche Verschiebung ist gewaltig, aber
23:57
die strukturelle Vereinfachung ist vertraut.
24:00
Wieder einmal wurde angesammelte Komplexität
24:03
durch ein tieferes Ordnungsprinzip aufgelöst.
24:07
Newtons Fernwirkung, philosophisch nie angenehm,
24:11
wurde beseitigt. Der absolute Raum und die absolute
24:15
Zeit, die Newton als Rahmen benötigt hatte, wurden
24:19
unnötig. Die geringe Drehung der Merkurbahn ergab
24:22
sich auf natürliche Weise aus den neuen Gleichungen.
24:25
Die Ablenkung von Sternenlicht durch massereiche
24:28
Körper, von Einstein vorhergesagt, wurde durch
24:32
Arthur Eddingtons Sonnenfinsternis -Expedition
24:35
im Jahr 1919 bestätigt. Die allgemeine Relativitätstheorie
24:42
ist heute unser Standardmodell der Gravitation.
24:46
Sie hat schwarze Löcher, Gravitationswellen,
24:49
die Expansion des Universums und den Urknall
24:52
vorhergesagt. Sie ist eingebettet in das Lambda
24:56
-CDM -Modell der Kosmologie, das die großräumige
24:59
Struktur von allem beschreibt, was wir beobachten.
25:03
Ihre Vorhersagen sind mit außerordentlicher Präzision
25:07
bestätigt worden. Doch was offen bleibt, ist
25:10
erheblich. Die allgemeine Relativitätstheorie
25:14
und die Quantenmechanik, unser anderes, großes,
25:17
physikalisches Gerüst, widersetzen sich einer
25:21
Vereinheitlichung. Die Gravitation auf der Quantenskala,
25:25
die Natur der dunklen Materie und der dunklen
25:28
Energie, die die Gravitationsdynamik des Universums
25:32
beherrschen, die Ursache des anfänglichen Zustands
25:34
niedriger Entropie des Universums, Das sind keine
25:37
kleinen Rätsel, sondern große, begriffliche Grenzgebiete.
25:42
Das Gefüge, das wir haben, ist mächtig, vorhersagestark
25:47
und unvollständig. Blicke zurück über diesen
25:50
langen Bogen. Das aristotelische Modell war nicht
25:55
töricht. Es machte Erfahrung mit bemerkenswerter
25:59
Geschlossenheit verständlich. Seine Grenzen waren
26:02
real, aber innerhalb seines Bereichs nicht tödlich.
26:07
Die Verfeinerungen der Impetus -Theorie und der
26:10
Ptolemäischen Astronomie waren echte intellektuelle
26:13
Leistungen, die Probleme lösten, sobald sie auftauchten.
26:17
Die Kopernikanische Wende war keine pürzliche
26:20
Offenbarung, sondern eine allmähliche Neuausrichtung.
26:24
Sie wurde aus ernsthaften Gründen abgelehnt und
26:27
aus besseren angenommen. Newtons Vereinheitlichung
26:31
war kein Umsturz, sondern eine tiefere Synthese.
26:35
die bewahrte, was funktionierte und auflöste,
26:38
was schwerfällig geworden war. Einsteins Rekonstruktion
26:42
setzt das Muster fort. Der Himmel hat sich über
26:46
diese Jahrhunderte nicht verändert. Unsere Gefüge
26:50
zu seiner Beschreibung schon. Was getrennte Bereiche,
26:53
Sonderfälle und angesammelte Flicken zu erfordern
26:56
schien, wurde einfacher, einheitlicher, breiter
27:00
anwendbar. Was einst Schichten von Korrekturen
27:03
verlangte, wurde direkt. Der Prozess war nicht
27:08
linear, nicht unvermeidlich, nicht ohne Zögern
27:13
und Widerstand. Er war jedoch kumulativ. Jedes
27:17
Gerücht verdiente seinen Platz, indem es erklärte,
27:20
was sein Vorgänger nicht konnte und zugleich
27:23
bewahrte, was sein Vorgänger erreicht hatte.
27:26
Heute Nacht werden die Sterne ihre Bahnen ziehen
27:30
wie immer. Dieselben Sterne, die Aristoteles
27:33
sah, die Kepler kartierte, die Einstein neu dachte.
27:37
Der Himmel ist geduldig, unsere Modelle sind
27:41
es nicht. Die früheren Modelle brachen nicht
27:45
zusammen. Sie wurden angepasst, aufgenommen,
27:48
verwandelt. Elemente des aristotelischen Denkens
27:52
bestehen in unserer Sprache von natürlicher und
27:55
gewaltsamer Bewegung fort, auch wenn die Physik
27:58
weitergezogen ist. Die newtonsche Mechanik bleibt
28:01
das praktische Werkzeug für die meisten Ingenieurwissenschaften,
28:04
ein Grenzfall der allgemeineren Theorie. Die
28:08
Fragen, deren Beantwortung Newton ablehnte, treiben
28:12
die Forschung weiter an. Wir stehen nicht am
28:16
Ende dieser Geschichte. Wir stehen in ihr. Die
28:19
begriffliche Offenheit an der Grenze, Quantenklavitation,
28:23
dunkle Energie, der Ursprung der Struktur, ist
28:27
kein Versagen unseres gegenwärtigen Gerüsts.
28:30
Sie ist ein Zeichen dafür, dass der lange Prozess
28:33
der Verfeinerung und Korrektur weitergeht. Jemand,
28:36
irgendwann, wird wahrscheinlich eine tiefere
28:39
Vereinheitlichung finden, die unsere gegenwärtigen
28:42
Rätsel im Rückblick erscheinen lässt wie die
28:44
angesammelte Komplexität, der auch frühere Denker
28:47
gegenüberstanden und die auch sie schließlich
28:50
auflösten. Das ist die Natur. dieser besonderen
28:55
intellektuellen Reise. Nicht Revolution um Revolution,
28:59
sondern ein stetiger, umkämpfter menschlicher
29:02
Prozess, Erfahrung verständlich zu machen, zu
29:05
finden, wo das gegenwärtige Defüge sich spannt,
29:08
und allmählich sorgfältig etwas zu bauen, das
29:12
mehr von dem trägt, was wir wissen.