Jede Kultur hat versucht. die Welt so einfach wie möglich. zu verstehen.

Transkript

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2 Jede Kultur hat versucht die Welt so einfach wie möglich zu verstehen. 2

3 Die Entwicklung kosmologischer Modelle 3

4 4

5 5

6 6

7 Ptolemäus 7

8 Kosmologische Modelle Der Blick der Menschheit zum Sternhimmel hat dabei zu den abenteuerlichsten Vorstellungen geführt. Durch Modelle versuchte man ein Verständnis für Beobachtungen am Himmel zu erhalten. Der Phantasie wurden bis auf den heutigen Tag keine Grenzen gesetzt, wie einige Beispiele zeigen 8

9 Kosmologiche Modelle 9

10 Kosmologiche Modelle 10

11 Kosmologiche Modelle 11

12 Kosmologiche Modelle 12

13 13

14 Weltmodelle 14

15 Weltmodelle 15

16 Geozentrisches Weltmodell Polarstern 16

17 Ptolemäus n. Chr. Erstes in sich geschlossenes Weltmodell 17

18 Ptolemäus 18

19 Ptolemäus 19

20 Geozentrisches Weltmodell 2 Arten von Himmelsleuchten 1. Sterne als Fix sterne, die ihren Winkel-Abstand zueinander nicht ändern. die an die Himmelssphäre geheftet sind die sich in Kreisen um den Polar Stern bewegen. Im Zentrum dieses Systems liegt unbeweglich die Erde. 2. Planeten oder Wandelsterne, die sich vor dem Fixsternhintergrund am Himmel bewegen: Mond, Merkur, Venus, Sonne, Mars, Jupiter, Saturn. Auch diese bewegen sich auf (kombinierten) Kreisen. 20

21 Geozentrisches Weltmodell Polarstern 21

22 Geozentrische Planetebewegung Ptolemäisches Weltbild - Astrokramkiste 22

23 23

24 24

25 25

26 Oppositionsschleife 26

27 Mars - Epizykel Epizykelanimation - Astrokramkiste 27

28 Antikes Weltbild 28

29 Epizykel 29

30 Ptol.-Kop 30

31 Jährliche Sonnenbahn 31

32 Jährliche Sonnenbahn HNP Herbst Sommer Winter) Himmelsäquator Ekliptik Frühling HSP 32

33 365 2 = 182 Ptolemäus HERBST SOMMER WINTER FRÜHJAHR 33

34 Ptolemäus HERBST WINTER SOMMER Frühjahr 34

35 Ptolemäus Das kosmologische Modell des Ptolemäus war religiös eingebunden. 35

36 Jenseits der Fixsternsphäre Himmelreich als Wohnung Gottes und aller Auserwählten 36

37 Ptolemäus 37

38 Ptolemäus 38

39 Ptolemäus 39

40 Ptolemäus 40

41 Luther - Bibel 41

42 Ptolemäus 42

43 Ptolemäus 43

44 Dieses religiös-kosmologische Modell wird an allen Schulen und Universitäten gelehrt. ist über jeden Zweifel erhaben. 44

45 Kopernikus

46 Kopernikus 1473 Geboren in Thorn (Polen). Studien in Krakau, Bologna, Padua Kirchenrecht (Dr). Medizin Astronomie Theologie war nicht Priester 1503 Kanonikus am Bischofssitz Heilsberg Commentariolus 1. Sonne ist das Zentrum der Welt 2. Die Erde als Planet bewegt sich einmal pro Jahr um die Sonne 3. Tag und Nacht entstehen durch Rotation der Erde um Nord-Südachse 46

47 47

48 Kopernikus heliozentr. System 48

49 Kopernikus Ein religiöser Bezug wird nicht erwähnt. Das Universum wird nach wie vor durch die eine unbewegliche Fixstern-Sphäre begrenzt. Einfachere Erklärungen der Planetenschleifen durch das Zusammenspiel der Bahnbewegungen der Planeten und der Bahnbewegung und Rotation der Erde 1. Größte östliche und westliche Elongation der inneren Planeten Venus und Merkur 2. Oppositionsschleifen der äußeren Planeten 49

50 Kopernikus 50

51 Opposition 51

52 Opposition Überholvorgang 52

53 Oppositionsschleife 53

54 Oppositionsschleife Saturn Mars 54

55 Ptol.-Kop 55

56 Reaktionen Es verstößt gegen den gesunden Menschenverstand, wenn man die nächtlichen Beobachtungen in der Art interpretiert. Für das an Schulen und Universitäten gelehrten und von der katholischen Kirche abgesegneten Weltbild war es ein Ärgernis. Es fehlen konkrete Beweise. Die berechneten Planetenbahnen, die Kopernikus vorlegte, waren auch nicht besser als die nach Ptolemäus. 56

57 De Revolutionibus orbium coelestium NICOLAUS COPPERNICUS AUS THORN ÜBER DIE KREISBEWEGUNGEN DER WELTKÖRPER. ÜBERSETZT UND MIT ANMERKUNGEN VON Dr. C. L. MENZZER. THORN, DRUCK UND VERLAG VON ERNST LAMBECK. 57

58 Kopernikus De Revolutionibus erschien in 2 Auflagen zu je etwa 500 Exemplaren Nürnberg 1543 noch 250 erhalten Basel 1546 noch 260 erhalten Ein Exemplar der ersten Auflage soll 2008 bei Christi s in New York für 2,8 Millionen Dollar versteigert worden sein. 58

59 Kopernikus

60 Fromborg Fromborg Bischofsburg Kopernikus-Denkmal 60

61 Fromborg Bischofsburg Fromborg Bischofsburg Kopernikus-Denkmal 61

62 DNA - Analyse Fromborg Bischofsburg Kopernikus-Denkmal 62

63 Fromborg Fromborg Bischofsburg Kopernikus-Denkmal 63

64 Beietzung Kopernikus 222. Mai

65 Beisetzung kopernikus 65

66 Fromborg 66

67 Fromborg 67

68 Denkmal Kooernikus Fromborg Bischofsburg Kopernikus-Denkmal 68

69 Fromborg Fromborg Bischofsburg Kopernikus-Denkmal 69

70 Gewichtsturm der der astronomischen Uhr des Straßburger Münsters 70

71 Kopernikus am Gewichtsturm der astronomischen Uhr des Straßburger Münsters 71

72 De Revolutionibus Orbium coelestium Den eigentlichen Erfolg seiner Ideen erlebte Kopernikus nicht mehr. Sein Werk konnte er gerade noch auf seinem Sterbelager begutachten. Der Autor stand zur Diskussion nicht mehr zur Verfügung. Seine Revolution wurde von 4 Astronomen aufgenommen und zu einem gewissen Ende gebracht: Johannes Kepler ( ) mit Tyco Brahe ( ) Galileo Galilei ( ) Isak Newton ( ) 72

73 Kepler 73

74 Kepler 74

75 Kepler 75

76 Mars Kepler Würfel Außenkugel Saturn Saturn Innenkugel Würfel Jupiter Jupiter Innenkugel Tetraeder Mars Innenkugel Dodekaeder Erde 77

77 Kepler 78

78 Kepler Saturn Jupiter Mars Erde Venus Merkur 79

79 Kepler Saturn Jupiter Mars Erde Venus Merkur S o n n e 80

80 Kepler 81

81 Tycho Brahe 82

82 Tycho Brahe Sternwarte bei Oraniborg 83

83 Tycho Brahe 84

84 Tycho Brahe 85

85 Tycho Brahe 86

86 Umlaufzeit siderisch - synodisch nicht maßstabsgetreu nach 1 Tag α = 360 T E β = 360 T sid Tägliche Winkeldifferenz: α β Erde Mars Opposition α - β = 360 T E T sid (α - β) T syn = T syn = 360 T E 360 T sid 1 T syn = 1 T E 1 T sid 89

87 Umlaufzeit siderisch - synodisch nach 2,1 a α - β = = 0 1 T syn = 1 T E 1 T sid α β T in Jahren 1 = 1 T syn 1 T sid 2 Umläufe T sid = 1, 9 a T syn = 2,1 a 1 Umlauf 90

88 91

89 Mars - Bahn 92

90 Galilei Kopernikanische Revolution bereichert Mit in Holland erfundenem verbessertem Fernrohr Objekte beobachtet, die bisher von keinem Menschen gesehen wurden und dem aristotelischen Weltbild des Mittelalters widersprachen: 1. Mondoberfläche ist keine glatte Kugel., sondern hat Berge, Täler, Meere?? 2. Jupiter hat Monde, 3. Venus hat Phasen wie der Mond, 4. Die Milchstraße besteht aus zigtausend Einzelsterne. 93

91 Galilei 94

92 Galilei Begründer unserer heutigen Erforschung der Natur durch Beobachtung und mathematischer Modellbildung. Fallversuche Die Natur offenbart sich uns in ihrer eigenen Sprache, der Mathematik. Naturgesetze verstehen wir nur als mathematische Formeln, über die wir mit ihr kommunizieren können. 95

93 Grabmal in St. Croce 96

94 Grabmal in St. Croce 97

95 Ptolemäus 98

96 Newton Die kopernikanische Revolution hat Isak Newton zu Ende gebracht. Mit Hilfe des Gravitationsgesetzes kann man erkennen, dass ein Planet sich auf einer Ellipse um die Sonne bewegt, die in einem Brennpunkt der Bahnkurve steht. Das war der endgültige Sieg des heliozentrischen Weltbildes Aber es sollte noch schlimmer kommen 99

97 Die durch Kopernikus eingeleitete Revolution kann man 3 Sätzen zusammenfassen: Kopernikus hat gezeigt, dass die Planeten sich um die Sonne bewegen. Die Sonne und nicht Erde ist das Zentrum unseres Universums Kepler hat gezeigt wie die Planeten sich um die Sonne bewegen. Die Planetenbahn ist eine Ellipse, in deren einem Brennpunkt die Sonne steht. Newton hat gezeigt warum die Planeten sich um die Sinne bewegen. Mathematische Behandlung des Gravitationsgesetzes Newtonsche Axiome. 100

98 Aber es sollte noch schlimmer kommen!! Dunkle Materie Dunkle Energie 101

99 Dunkle Materie Vera Rubin ( ) 102

100 Es besteht ein gesetzmäßiger Zusammenhang zwischen der Masse eines Zentralkörpers (Sonne) und der Umlaufgeschwindigkeit eines Satelliten (Planeten) im Abstand r. (Helligkeit?) Masse, Radius Umlaufsgeschwindigkeit Umlaufsgeschwindigkeit, Radius Masse 103

101 Rotationsmuster unseres m v² R Planetensystems Zentrifugalkraft Z = Gravitationskraft G v R G m M R² Z m G M 104

102 Dunkle Materie 105

103 Zentrifugalkraft = Gravitationskraft m v² R = G m M R² v² R G M = R² v² = G M R v = G M R M = R v² G 106

104 47,9 km/s v v 1 G R M R 35,0 29,8 24,1 13,1 Kepler -Kurve 9,6 6,8 5,4 4,7 107

105 Sind gleiche Überlegungen auch bei Galaxien möglich? 108

106 Radialgeschwindigkeits - Rotationsbild M31 Rot: Entfernung Blau: Annäherung Weiß: keine Abstandsänderung 109

107 Radialgeschwindig- keits- Rotationsbild M31 Weiß: nur Ortsänderung keine Abstandsänderung Änderung: in Jahren 1/10 Bogensekunde 110

108 Maximaler Dopplereffekt Sterne bewegen sich von uns weg Sterne bewegen sich auf uns zu 111

109 Kein Doppler-Effekt messbar Erde 112

110 Wie wird die Geschwindigkeit gemessen? 113

111 114

112 Doppler - Effekt v c v c 115

113 Zur Berechnung 116

114 V ² = G M / R V ρ = const M R 117

115 V² = G M R Innen: ρ = const M = ρ V = ρ v² = v R G ρ 4 π R³ 3 R = const R² 4 3 π R³ In Zentrum ist die Rotationskurve eine Gerade. R 118

116 v M R 119

117 außen V ² = G M / R M: fast die gesamte leuchtende Masse liegt innerhalb von R V R 120

118 Kepler - Kurve 121

119 Dunkle Materie außen M = R v² G M R v = const Bisher nicht direkt beobachtbare Substanz mit gravitativer Wirkung nimmt proportional mit dem Radius zu. 122

120 47,9 km/s v v 1 G R M R 35,0 29,8 24,1 13,1 Kepler -Kurve 9,6 6,8 5,4 4,7 123

121 Dunkle Materie 124

122 Erklärung dieser Ergebnisse: Dunkle Materie Eigenschaften:: 1. Gravitationswirkung 2. Keine Wechselwirkung mit elektromagn. Strahlung WIMP 128

123 Relativitätstheorie - Quantenmechanik Mit Einsteins Relativitätstheorie haben Raum und Zeit ihren absoluten Charakter verloren. Der Raum verkürzt sich, die Zeit dehnt sich in bewegten Koordinatensystemen. Zwei Ereignisse sind in unterschiedlichen Koordinatensystemen nicht mehr gleichzeitig. Die kosmologische Deutung der Einsteinschen Bewegungsgleichungen verlangen ein expandierendes oder ein kollabierendes Universum. 130

124 Relativitätstheorie - Quantenmechanik Einsteins Reaktion: Die Gleichungen werden durch Zufügen einer sogenannten kosmologischen Konstanten der allgemeinen Überzeugung eines statischen Universums angepasst. Einstein erhält zwei Kontrahenten 131

125 Dunkle Energie Alexander Friedmann m 132

126 Dunkle Materie Zwei Gegenspieler 133

127 Dunkle Materie 134

128 Dunkle Materie Georges Lemaître, the Scientist and Priest who "Could Conceive the Beginning of the Universe" August 23, 2017 By Pablo de Felipe (guest author) 135

129 Art der Expansion Expansion des Universums Dunkle Energie 136

130 Dunkle Energie Expansionsgleichung aus dem Energiesatz E kin + E pot = U = const 137

131 Dunkle Energie Vorüberlegung Senkrechter Wurf Bewegungsenergie oder kinetische Energie E kin = 1 2 m v² Potentielle Energie E pot = m M G r Energiesatz E kin + E pot = U = konst 138

132 r Entweichgeschwindigkeit r 3 r 2 r 1 dr Probemasse m wird von der Erde entfernt. Dazu ist folgende Energie erforderlich E =. F 1 dr + F 2 dr + F 3 dr + F i = G m M r i ² R R E = r R F i dr = r R G m M r i ² dr r E = G m M R 139

133 Dunkle Energie Standardmodell Isotrop homogen R m M Schale mit Probemasse m Eingeschlossene Masse M = Volumen V x Dichte ρ M = 4 π 3 R³ ρ 140

134 Dunkle Energie Energiesatz: r m M m E kin + E pot = U = konst E kin > E pot Universum expandie Edwin Hubble E kin < E pot Expansion gestoppt Universum kollabiert E kin = E pot auslaufende Expansion U = 0 141

135 Edwin Hubble auf großen Skalen Entfernen sich sämtliche Galaxien von uns, unabhängig von der Himmels-Richtung v = H 0 r Hubble - Gesetz 142

136 2 dim. Expansion 143

137 Edwin Hubble Andromedanebel gehört nicht zu unserer Milchstraße Entfernungsbestimmung mittels Cepheiden- Methode 144

138 Dunkle Energie Energiesatz: r m M m E kin + E pot = U = konst E kin + E pot = m v² = m M G r v² = 2 M G r 1 v² = 4 π r³ ρ G r v² = 8 π G 3 ρ r² 145

139 Dunkle Energie r m M m v² = 8 π G 3 Edwin Hubble v = H 0 r ρ r² Universum expandiert auslaufend H 0 ² r² = 8 π G 3 ρ = 3 H 0 ² 8 π G ρ r² kritische Dichte 146

140 147

141 Kritische Dichte ρ krit = 3 H 0 ² 8 π G Ein auslaufend expandierendes Universum hat die kritische Dichte 148

142 Kritische Dichte ρ krit = 3 H 0 ² 8 π G Es muss gelten: ρ Mat + ρ DM +. = ρ krit 149

143 Dunkle Materie Für ein auslaufend expandierendes Universum muss gelten: g e m e s s e n anderweitig festgestellt ρ Materie + ρ Dunkle materie + ρ Rest = ρ(kritisch) 5 % 25 % 70 % 100 % Dunkle Energie 150

144 Dunkle Energie anderweitig festgestellt: Mikrowellenhintergrund 1% flach - euklidische Geometrie 151

145 Universum 70 % 5 % 25 % Universum Materie Dunkle Materie Dunkle Energie 152

146 5 % 25 % 70 % ρ = ρ(materie) + ρ(dunkle Materie) + ρ(strahlung) + ρ(dunkle Energie) unser erforschtes Universum zusätzlich dunkle Materie Zukünftige Forschungsarbeit 153

147 5 % 25 % 70 % ρ = ρ(materie) + ρ(dunkle Materie) + ρ(strahlung) + ρ(dunkle Energie) unser erforschtes Universum dunkle Materie Zukünftige Forschungsarbeit 154

148 Revolution 2 Newton Einstein Relativitätstheorie Heisenberg Quantenmechanik Lemaître Friedmann Hubble Beginn einer ernst zu nehmenden Kosmologie Urknall Entstehung von Raum und Zeit 156

149 Ur - Knall Zeitlicher Rückblick: m 158

150 Ur - Knall Zeitlicher Rückblick: Georges Lemaître Das Universum muss einen Anfang gehabt haben. m sehr heiß und sehr dicht 159

151 Dunkle Energie Einstein wird von der Expansion des Universums überzeugt. 160

152 So viel für heute 161

153 Ich verabschiede ich mich mit einem herzlichen für Ihre Aufmerksamkeit

154 und empfehle als Urlaubslektüre 1. Harald Lesch: Sterne, wie das Licht in die Welt kommt 2. Eduard Harrison: Kosmologie 3. Klaus Becker: Das expandierende Universum 1 163

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