Warum sind Planetenbahnen elliptisch? Geschichte der Entwicklung der Planetenbewegungstheorie

Vor einigen Jahren fragte ich einen Astronomen beiläufig: „Warum sind die Umlaufbahnen der Planeten elliptisch?“ Der Astronom antwortete ohne zu zögern: „Wenn Sie es mit der Gravitationsgleichung von Newton lösen, erhalten Sie eine Ellipse.“ Ich war damals schockiert. Kein Wunder, dass Asimov schrieb: „Ich denke, die meisten Wissenschaftshistoriker würden sofort unisono sagen, dass Newton der größte Wissenschaftler ist, den die Welt je gesehen hat.“ Es war Newton, der das Geheimnis der Bewegung der Himmelskörper wirklich löste. Seit seiner Gravitationstheorie können wir die Bewegung der Planeten genau berechnen und Sonnen- und Mondfinsternisse auf die Sekunde genau vorhersagen. Damit wurde der Grundstein für die moderne Astronomie gelegt.

Ein paar Jahre später war ich plötzlich schockiert. Diese Antwort scheint keine Antwort zu sein – sagt Newton, dass eine Ellipse eine Ellipse ist? ——Ist er Gott? Newton dürfte zu dem Schluss gekommen sein, dass die Umlaufbahn eine Ellipse ist, weil sie eine Ellipse ist ... Warum ist die Umlaufbahn dann eine Ellipse? …

Die früheste Theorie der Planetenbewegung, das ptolemäische System, entstand im antiken Griechenland. „Damals“ drehte sich die Sonne um die Erde und ihre Umlaufbahn war ein perfekter Kreis. Über tausend Jahre lang hielten die Menschen an diesem theoretischen System fest, bis Kopernikus die heliozentrische Theorie vorschlug, die Umlaufbahn jedoch immer noch kreisförmig war. Im Laufe seiner Forschungen schlug Kepler die elliptische Umlaufbahn der Planeten vor, die sein erstes Keplersches Gesetz darstellt. Beim Vergleich von Kepler und Newton stellte Newton außerdem einen Grund für die elliptische Umlaufbahn fest: die universelle Gravitation (tatsächlich gibt es noch einen weiteren, peinlichen Grund: Gottes erster Stoß in tangentialer Richtung). Damit führte er die Astronomie in das Zeitalter der Physik.

Hawking hat das populärwissenschaftliche Lesebuch „Eine kurze Geschichte der Zeit“ in äußerst prägnanter Sprache verfasst. Das einzig Ungewöhnliche war, dass er am Anfang und am Ende des Buches dasselbe Thema wiederholte: Wissenschaftliche Theorien sind lediglich mathematische Modelle im Kopf der Wissenschaftler. Warum hat er gerade diesen Punkt betont?

Als der französische Astronom Laplace in jungen Jahren von Napoleon gefragt wurde, warum er Gott in seinem Hauptwerk „Himmelsmechanik“ nicht erwähne, antwortete er entschieden: „Ich brauche die Annahme Gottes nicht!“ Wenn er die Annahme eines Gottes nicht braucht, welche Annahme ist dann nötig?

In der allgemeinen Denkweise des Menschen gibt es für jede Wirkung immer eine Ursache, und diese Ursache sollte konkret und real sein. In der Wissenschaft ist dies jedoch nicht ganz der Fall. Was ist das?

Erlauben Sie mir, für einen Moment die Astronomie zu verlassen und mich an die Chemie zu erinnern. Der Begründer der modernen Astronomie und Physik ist Newton, während der Begründer der modernen Chemie Lavoisier ist, der die grundlegende Theorie der modernen Chemie entwickelte – die Oxidationstheorie. Vor ihm gab es eine vorherrschende Theorie namens „Phlogistontheorie“, die besagt, dass Verbrennung der Prozess des Verbrauchs von Phlogiston in brennbaren Substanzen ist. Doch im Laufe der Experimente stellte man fest, dass viele Gegenstände nach dem Verbrennen schwerer statt leichter wurden. Von da an war die Phlogistontheorie offensichtlich unhaltbar. Damit war die Theorie der Oxidation geboren, und die moderne Chemie war geboren. Was die Menschen verwundert, ist die Tatsache, dass der Mensch das Auftreten von Naturphänomenen nicht bestimmen kann. Wenn es noch nie einen Gegenstand gegeben hat, der nach dem Verbrennen schwerer wird, wann hätten die Menschen dann das Konzept der Oxidation entwickelt? Tatsächlich ist die menschliche Wahrnehmung immer durch die Natur eingeschränkt. Es stimmt jedoch, dass die Geschichte nicht auf Annahmen beruhen kann und muss. Und aufgrund meines Vertrauens in die menschliche Weisheit glaube ich auch, dass die Oxidationstheorie zwangsläufig auftauchen wird. (Abgesehen vom Thema scheint der Grund für die Entstehung der „Phlogistontheorie“ darin zu liegen, dass die Menschen damals Luft nicht als Substanz betrachteten.)

In diesem Sinne kann man sagen, dass die Wissenschaft das Bindeglied zwischen Mensch und Natur ist. Metaphorisch ausgedrückt: Bräutigam, Braut und Heiratsvermittler sind reale Menschen und die wissenschaftliche Theorie ist der legendäre rote Faden, der sie verbindet.

Das grundlegendste Ziel der Wissenschaft besteht darin, die Beziehungen zwischen verschiedenen Phänomenen in der Natur zu erklären. Künstlich geschaffene wissenschaftliche Theorien, wissenschaftliche Definitionen und wissenschaftliche Konzepte sind nicht unbedingt real, sondern eher eine Ausdrucksform. Genauso wie magnetische Kraftlinien ein beschreibendes Konzept des Magnetfelds sind, kommt es nicht darauf an, ob sie konkret existieren oder nicht. Man kann auch sagen, dass der Glaube an die Richtigkeit der Gravitationstheorie und der feste Glaube an die Existenz von etwas namens Gravitation zwei verschiedene Dinge sind. (Das ist vielleicht kein echtes Problem, das gelöst werden muss, aber es erfordert zumindest eine Vision und einen weiten Horizont.) Der entscheidende Punkt ist, dass bessere und fortschrittlichere wissenschaftliche Theorien die kognitiven Fähigkeiten des Menschen verbessern, beispielsweise die Präzision. Daher ist die Antwort am Anfang des Textes tatsächlich akzeptabel, solange Sie bereit sind, das Streben nach einer inhaltlichen Antwort aufzugeben. Schließlich musste sogar Newton selbst Gott erwähnen. (Wir müssen zugeben, dass die Richtigkeit der Theorie ergebnisorientiert ist. Solange die Daten richtig sind, sind es gute Daten, und solange die Theorie richtig ist, ist es eine gute Theorie.)

Daher ist die Wissenschaft eine Lösung für die Geheimnisse der Natur. Kein theoretisches Ergebnis kann in der Realität strikt bestätigt werden. Egal ob 1, 2, 3 oder π, egal ob Punkt, Linie, Fläche oder rechter Winkel. Alle Schlussfolgerungen sind lediglich die Anpassung menschlichen Denkens an natürliche Phänomene.

Jede Theorie basiert auf Annahmen (egal wie vernünftig und offensichtlich die Annahmen sind, im Wesentlichen sind es immer noch Annahmen), und die moderne Anforderung an die Rationalität einer Theorie ist nur ihre interne Konsistenz. Diese kognitive Methode begann mit Mathematik, Geometrie und Gauß. Er war der Erste, der die Unbeweisbarkeit des Parallelenpostulats in der euklidischen Geometrie in Frage stellte. Da Postulate nicht bewiesen werden können und müssen, scheint es erlaubt zu sein, Postulate beliebig zu erstellen und auszuwählen, solange in der anschließenden Argumentation ein geschlossenes und nicht widersprüchliches logisches System gebildet werden kann. Obwohl Gauß nicht den Mut hatte, es öffentlich zu machen, entwickelten nachfolgende Generationen von Mathematikern wie Lobatschewski und Riemann nach und nach verschiedene nichteuklidische Geometriesysteme, und erst mit der Entstehung der allgemeinen Relativitätstheorie blühte die Blume der Realität zum ersten Mal auf.

Die derzeit gängigen Theorien sind jene, die unter den aktuellen Bedingungen vollständig experimentell bestätigt wurden. Der Physiker Feynman sagte: „Das Experiment ist der einzige Prüfstein für die Richtigkeit einer Idee.“ Die Falsifikationstheorie des Philosophen Popper liefert uns eine ergänzende Idee als Referenz: Alle Theorien, die sich heute als richtig erweisen, sind eigentlich Theorien, die noch keine Chance hatten, widerlegt zu werden, genau wie die „Phlogiston-Theorie“, als man noch nicht entdeckte, dass Objekte schwerer werden, wenn sie brennen.

Die Wissenschaft hat die Eigenschaft, sich vertiefen und weiterentwickeln zu können. Vielleicht wird eines Tages eine neue Theorie entwickelt, die das Gesetz der Schwerkraft vollständig ersetzt, aber Newton ist möglicherweise immer noch der größte Wissenschaftler, daran besteht kein Zweifel. Denn seine Größe liegt in der Erweiterung des menschlichen Erkenntnisvermögens und beschränkt sich nicht nur auf die Richtigkeit seiner Theorie.

Aus Sicht der Gruppe gibt es unter Wissenschaftlern Unterschiede hinsichtlich der Fähigkeiten und der Tiefe ihrer Forschungsgebiete, sodass es nicht falsch ist, die überprüften Schlussfolgerungen anderer, insbesondere von Experten, direkt zu zitieren. Als Lavoisier im Zorn der Französischen Revolution gnadenlos enthauptet wurde, klagte Lagrange, der unserer Astronomie näher stand: „So ein kluges Gehirn wie dieses wird es in hundert Jahren nicht mehr geben!“ Aber die Wissenschaft selbst schließt Heldentum aus. Jeder große Wissenschaftler kann Fehler machen und hat sogar die Erfahrung, Fehler zu machen. Der beste Weg, um zu messen, ob etwas richtig ist oder nicht, besteht darin, es jederzeit und überall, fast unzählige Male, zu überprüfen, und nicht zu sagen: „Der Professor hat ein großes Mundwerk und der Dozent ein kleines Mundwerk.“ Dies stellt einen Widerspruch dar.

Aus wissenschaftlicher Sicht ist jede Theorie fehlbar und lediglich eine Stufe auf der sich ständig verbessernden Leiter der Erkenntnis. Beispielsweise war das heute vollständig verbotene DDT einst ein Favorit für den Nobelpreis. In diesem Sinne sind bestimmte Theorien historisch (so wie die Sklaverei gemäß dem historischen Materialismus eine historische Realität ist), und wenn alle nachweislich falschen Theorien aus der Wissenschaft ausgeschlossen werden, bedeutet dies – um es akademischer auszudrücken –, dass die Wissenschaft ihre Geschichte verliert. Die zu einem bestimmten Zeitpunkt allgemein akzeptierte Theorie ist die optimale kognitive Lösung, die die menschliche Intelligenz auf der Grundlage aller zu diesem Zeitpunkt vorliegenden Beweise erreichen kann, sei es in der Vergangenheit, Gegenwart oder Zukunft. Es gibt keine absolute Wahrheit; es wird immer Bereiche geben, die verbessert werden müssen. Andernfalls verliert die Wissenschaft nicht die Geschichte, sondern die Realität und wird nur noch Geschichte. (Als Planck sein Studium abschloss, drückte er begeistert seine Entschlossenheit aus, sein ganzes Leben der Physik zu widmen. Sein Lehrer sagte bedauernd: „Leider gibt es in der Physik keine schwierigeren Probleme mehr.“ Einige Jahre später brachten die einzigen „zwei dunklen Wolken“, die am Himmel der Physik übrig blieben, die Quantenmechanik und die Relativitätstheorie hervor.) Tatsächlich ist die Alltagssprache außerhalb der Wissenschaft jedoch immer voll von Ausdrücken wie „Das ist unwissenschaftlich!“ (unabhängig davon, wie viel die Angelegenheit mit Wissenschaft zu tun hat). In diesem Zusammenhang ist „Wissenschaft“ zu einem Synonym für „richtig“ geworden. Innerhalb der Wissenschaft ist ein allgemeiner Geist der Skepsis erforderlich, außerhalb der Wissenschaft wird die Richtigkeit der Wissenschaft jedoch bedingungslos akzeptiert. Die moderne Wissenschaft war ursprünglich antireligiös, hat sich aber zu einem modernen Aberglauben entwickelt. Dies stellt einen weiteren Widerspruch dar.

Die moderne Wissenschaft hat durch das Studium der Natur bemerkenswerte Ergebnisse erzielt. Doch der Begriff „Wissenschaft“ geriet allmählich in das Dilemma der Verallgemeinerung und ließ sich immer schwieriger definieren. Daher ist es für manche sinnvoll, sich dafür einzusetzen, den allgemein gebräuchlichen Begriff „Geisteswissenschaften“ in „Humanities“ zu ändern. (Manche würden sogar behaupten, „Kunst“ sei eine Wissenschaft.) Die Wissenschaft ist eine Möglichkeit, die Welt zu verstehen, aber nicht die einzige. Es verfügt über eigene, einzigartige Forschungsobjekte, Ziele und Methoden, wie etwa Natur, Wahrheitssuche und Präzision. So kann die Biologie beispielsweise das Gesetz des Dschungels offenbaren, in dem die Starken die Schwachen ausbeuten. Wenn es jedoch um Mitgefühl, Barmherzigkeit und Güte in der menschlichen Natur geht, spielt die Wissenschaft möglicherweise keine größere Rolle als die Religion. Die Wissenschaft ist nur ein Teil der menschlichen Erkenntnis und nicht alles. Wäre die Wissenschaft ein Mensch, würde er sich an der Spitze einsam fühlen und wäre nicht in der Lage, alle Probleme allein zu bewältigen. :) Dies stellt einen weiteren Widerspruch dar.

Widersprüche aller Art drängen zu einer weiteren Auseinandersetzung mit der Wissenschaft. Der grundlegendste Grund für die moderne Verehrung der Wissenschaft ist beispielsweise der durch die Wissenschaft hervorgerufene technologische Fortschritt. Es lohnt sich, darüber nachzudenken, ob Wissenschaft und Technologie gleichgesetzt oder unterschieden werden können. Warum beispielsweise in China, wo die moderne Wissenschaft laut Joseph Needham nicht entstanden ist, die Wissenschaft zumindest dem Namen nach einen so hohen Stellenwert erlangt hat, ist ebenfalls eine interessante Frage zum Nachdenken.

Es gibt ein Sprichwort: „Wenn der Mensch nachdenkt, lacht Gott.“ Auf keinen Fall! Wenn es keine menschliche Vorstellungskraft gäbe, gäbe es kein Konzept von Gott, warum sollte man dann lachen? Ich möchte noch hinzufügen, dass Gott tatsächlich als vormodernes Synonym für Wissenschaft angesehen werden kann.