Читать книгу Discover Entdecke Découvrir Astronomie - Apokalypse Der Weg in die Geheimnisse des Anfangs und des Ende - Heinz Duthel - Страница 4

CONTENTS

Astronomie

Wissenschaft

Gestirn

Roque-de-los-Muchachos-Observatorium

Sternwarte

Naturwissenschaft

Universum

Astronomisches Objekt

Interstellare Materie

Strahlung

Kosmogonie

Amateurastronomie

Sternenhimmel

Freisichtigkeit

Raumfahrt

Astrologie

Geschichte der Astronomie

Kalenderrechnung

Fernrohr

Kosmologie

Fotografie

Astrospektroskopie

Elektromagnetisches Spektrum

Beobachtende Astronomie

Astrophysik

Astrometrie

Himmelsmechanik

Sonnensystem

Planetologie

Galaktische Astronomie

Milchstraße

Extragalaktische Astronomie

Galaxie

Gammablitz

Schwarzes Loch

Radioastronomie

Infrarotastronomie

Visuelle Astronomie

Ultraviolettastronomie

Röntgenastronomie

Gammaastronomie

Extrasolarer Planet

Sternkatalog

Ephemeriden

Experiment

Physik

Mathematik

Numerische Mathematik

Datenverarbeitung

Geodäsie

Astrogeodäsie

Navigation

Astronomische Chronologie

Optik

Astronomisches Instrument

Technik

Satellitentechnik

Messgerät

Geisteswissenschaft

Geschichtswissenschaft

Archäoastronomie

Theologie

Philosophie

Einleitung in die Astronomie

Einleitung in die Astronomie

Einleitung in astronomische Beobachtungen. Grundlagenwissen über Teleskope und dessen Bedienung.

Die Astronomie (griechisch ἀστρονομία/astronomía: „Beobachtung der Sterne“, von ἄστρον ástron „Stern“ und νόμος nómos „Gesetz“) ist die Wissenschaft von den Gestirnen. Sie untersucht mit naturwissenschaftlichen Mitteln die Eigenschaften der Objekte im Universum, also Himmelskörper (Planeten, Monde, Asteroiden, Sterne einschließlich der Sonne, Sternenhaufen, Galaxien und Galaxienhaufen), der interstellaren Materie und der im Weltall auftretenden Strahlung. Darüber hinaus strebt sie nach einem Verständnis des Universums als Ganzes, seiner Entstehung und seinem Aufbau.

Obwohl sie nur an wenigen Schulen Unterrichtsfach ist, finden die Astronomie und ihre Forschungsergebnisse in der Öffentlichkeit viel Interesse; und als Amateurastronomie ist sie ein weit verbreitetes Hobby. Dies hängt einerseits mit dem „erhebenden“ Eindruck zusammen, den der Sternhimmel auch bei freisichtiger Beobachtung macht, andererseits mit ihrer thematischen Vielfalt, der Berührung philosophischer Fragen und der Verbindung zur Raumfahrt.

Astronomie ist nicht mit Astrologie zu verwechseln (griech. ἀστρολογία, astrología, „Sternenkunde“).

Geschichte der Astronomie

Die Astronomie gilt als eine der ältesten Wissenschaften. Die Anfänge der Astronomie liegen wahrscheinlich in der kultischen Verehrung der Himmelskörper. In einem jahrtausendelangen Prozess trennten sich zunächst Astronomie und Naturreligion, später Astronomie, Meteorologie und Kalenderrechnung, im ausgehenden Mittelalter dann Astronomie und Astrologie . Wesentliche Meilensteine für unser Wissen über das Weltall waren die Erfindung des Fernrohrs vor etwa 400 Jahren, das die kopernikanische Wende vollendete, sowie später im 19. Jahrhundert die Einführung der Fotografie und Spektroskopie. Seit der Mitte des 20. Jahrhunderts haben Astronomen mit der unbemannten und bemannten Raumfahrt die Möglichkeit, die Erdatmosphäre zu überwinden und ohne ihre Einschränkungen zu beobachten, also in allen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums. Dazu kommt erstmals die Möglichkeit, die untersuchten Objekte direkt zu besuchen und dort andere als nur rein beobachtende Messungen durchzuführen. Parallel dazu werden immer größere Teleskope für bodengebundene Beobachtungen gebaut.

Fachgebiete der Astronomie

Die astronomische Wissenschaft unterteilt sich allgemein nach den untersuchten Objekten, sowie danach, ob die Forschung theoretischer oder beobachtender Natur ist. Wichtige grundlegende Fachgebiete sind die beobachtende Astronomie, die Astrophysik, die Astrometrie und die Himmelsmechanik, ihre wichtigsten Untersuchungsgebiete die Physik des Sonnensystems, insbesondere die Planetologie, die Galaktische Astronomie, die die Milchstraße und ihr Zentrum erforscht, die Extragalaktische Astronomie, die den Aufbau anderer Galaxien und ihrer aktiven Kerne, oder Gammablitze als die energiereichsten Vorgänge im Universum untersucht, sowie die relativistische Astrophysik, die sich etwa mit Schwarzen Löchern beschäftigt. Die Stellarastronomie untersucht Geburt, Entwicklung und Tod der Sterne. Die Kosmologie hat die Geschichte und die Entstehung des Universums zum Gegenstand, während die Kosmogonie die Geschichte unseres eigenen Sonnensystems beschreibt. Die Integration vieler Methoden bringt es mit sich, dass man die Beobachtende Astronomie immer weniger nach benutzten Wellenlängenbereichen einteilt (Radioastronomie, Infrarotastronomie, Visuelle Astronomie, Ultraviolettastronomie, Röntgenastronomie und Gammaastronomie), weil die Forschergruppen und (im Idealfall) auch der einzelne Wissenschafter Informationen aus allen diesen Quellen heranziehen kann. Das derzeit neueste Fachgebiet ist die Exoplanetologie.

Die engeren Methoden der klassischen Astronomie sind als Positionsastronomie mittels der Astrometrie und der Himmelsmechanik den Aufbau des Weltalls zu erklären und die Himmelskörper zu katalogisieren (Sternkatalog, Ephemeriden), und in der Astrophysik die Physik des Weltalls und der Objekte darin zu erforschen. Daneben kann die Raumfahrt als experimentelle Astronomie angesehen werden, und die Kosmologie als theoretische Disziplin.

Astronomie und andere Wissenschaften

Mit der Astronomie sehr eng verbunden sind die Physik und die Mathematik; die Fachgebiete haben sich vielfach befruchtet und sind auch im Astronomie-Studium als Einheit zu sehen. Das Universum erweist sich in vielen Fällen als Laboratorium der Physik, viele ihrer Theorien können nur in seinen Weiten und an heißen, energiereichen Objekten getestet werden. Nicht zuletzt waren die aufwändigen Berechnungen der Astronomie Triebfeder bis hin zur modernen numerischen Mathematik und der Datenverarbeitung.

Traditionell ist die Zusammenarbeit der Astronomie mit der Geodäsie (Astrogeodäsie, Orts- und Zeitbestimmung, Bezugsysteme, Navigation), mit der Zeit- und Kalenderrechnung (Astronomische Chronologie) sowie mit der Optik (Entwicklung astronomischer Instrumente und Sensoren). Instrumentell und methodisch sind auch starke Bezüge zur Technik, Raumfahrt und Mathematik gegeben (Messgeräte, Satellitentechnik, Modellierung von Bahnen und Himmelskörpern). Geodätische Methoden werden auch zur Bestimmung des Gravitationsfeldes sowie der Figur anderer Himmelskörper angewandt.

In den letzten Jahrzehnten ist auch die Zusammenarbeit der Astronomie mit der modernen Geologie und der Geophysik immer wichtiger geworden, da sich das Arbeitsgebiet der Geowissenschaften mit Teilen der Planetologie deckt. Die Mineralogie analysiert die Gesteine der Erde mit ähnlichen Methoden wie jene anderer Himmelskörper. Die Kosmochemie als Teil der Chemie untersucht die Entstehung und Verteilung der chemischen Elemente und Verbindungen im Universum und die chemische Evolution, die Exobiologie die Umstände von Entstehung und Existenz von Leben außerhalb der Erde.

Des Weiteren kommt es zunehmend zu interdisziplinärer Forschung mit ursprünglich eher geisteswissenschaftlich ausgerichteten Disziplinen der Wissenschaft:

Die Astronomiegeschichte als Teil der Geschichtswissenschaften untersucht die Geschichte der Astronomie. Bauten und Funde aus vor- und frühgeschichtlicher Zeit werden vermehrt in astronomischem Zusammenhang interpretiert (Archäoastronomie). Da sich die Astronomie außerdem im Rahmen der Kosmologie mit den Fragen nach der Entstehung, der Entwicklung und dem Ende des Universums beschäftigt, gibt es darüber hinaus Schnittpunkte zu Theologie und Philosophie.

Astrophysik

Amateurastronomie

Internationales Jahr der Astronomie 2009

Literatur

Einzelwerke

Albrecht Unsöld, Bodo Baschek: Der neue Kosmos. ISBN 3-540-42177-7

Alfred Weigert, Heinrich J. Wendker, Lutz Wisotzki: Astronomie und Astrophysik. Ein Grundkurs. Wiley-VCH, Weinheim 2010, ISBN 978-3-527-40793-4.

Benett et al.: Astronomie - Die kosmische Perspektive (Hrsg. Harald Lesch), 5., aktualisierte Auflage 2010. Pearson Studium Verlag, München, ISBN 978-3-8273-7360-1

Meyers Handbuch Weltall, Wegweiser durch die Welt der Astronomie. 1994 (7. überarb. Aufl.), ISBN 3-411-07757-3

P. Murdin (Hrsg.): Encyclopedia of Astronomy & Astrophysics. 2001, ISBN 0-333-75088-8 – http://eaa.iop.org/

Der Brockhaus Astronomie: Planeten, Sterne, Galaxien. F. A. Brockhaus, Mannheim – Leipzig 2006, ISBN 3-7653-1231-2

Joachim Herrmann: dtv-Atlas Astronomie, 15. Auflage 2005. Deutscher Taschenbuch-Verlag München, ISBN 3-423-03267-7

Kurt Hopf: Von der Erde ins All – Das Weltall in Beispielen – Didaktische Materialsammlung auf CD-ROM für Kindergärten, Schulen, Sternwarten und Planetarien, COTEC-Verlag Rosenheim

Harry Nussbaumer: Das Weltbild der Astronomie. 2007, ISBN 978-3-7281-3106-5, 2. erw. und akt. Auflage. vdf Hochschulverlag.

R.A. Freedman, W.J. Kaufmann: Universe. Freeman, NY 2004, ISBN 0-7167-9884-0

Arnold Hanslmeier: Einführung in Astronomie und Astrophysik. Spektrum Akad. Verl., Berlin 2007, ISBN 978-3-8274-1846-3

Hans-Ulrich Keller: Kompendium der Astronomie. Kosmos Verlags-GmbH & Co KG, Stuttgart 2008, ISBN 978-3-440-11289-2

Periodika

Sterne und Weltraum, Monatszeitschrift für Astronomie

Sternenbote, österreichische Monatszeitschrift für Astronomie

Interstellarum, 2-Monatszeitschrift für praktische Astronomie

Astronomie + Raumfahrt, 2-Monatszeitschrift für Unterricht, Fortbildung, Freizeit ISSN 0004-6310

Orion, 2-Monatszeitschrift der Schweizerischen Astronomischen Gesellschaft

Regiomontanusbote, Quartalsschrift der Nürnberger Astronomischen Gesellschaft und Nürnberger Astronomischen Arbeitsgemeinschaft ISSN 0938-0205

: Literatur unter Amateurastronomie

Warum betreiben wir Astronomie? In: Max-Planck-Institut für Astronomie – ein Artikel aus Sterne und Weltraum

Häufig gestellte Fragen in der Deutschen Astronomie-Newsgroup de.sci.astronomie

NASA: Astronomy Picture of the Day (APOD) – Täglich ein neues astronomisches Bild mit fundierter Erläuterung (englisch)

Weltraumbild des Tages (APOD) – Deutsche Übersetzung von Astronomy Picture of the Day

NASA ADS – Datenbank astronomischer Forschungsliteratur (englisch)

Astronomie.de – Deutschsprachige Seite über Astronomie

AstroSkript - eine freie Einführung in die Astronomie - E-Book zum Download (PDF-Datei; 6,92 MB)

Weltderphysik.de – Vertiefte Artikel zu Bereichen der Astronomie und Astrophysik

Astronomy – A History – G. Forbes – 1909 (eLibrary Project – eLib Text)

Astroinfos.net – Informationen zum Einstieg in das Hobby Astronomie

Zudensternen.de – Zitatsammlung zur Astronomie

Astronomie.Zanzaa.at – Detaillierte Linksammlung über Astronomie

sternenhimmel-aktuell.de – Geschichte der Astronomie (mit Zeittafel)

Videos

Warum betreiben wir Astronomie? aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri. Erstmalig ausgestrahlt am 27. Sep. 1998.

Quo vadis Astronomie? aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri. Erstmalig ausgestrahlt am 6. Jan. 2002.

Wissenschaft

Wissenschaft ist die Erweiterung des Wissens durch Forschung, dessen Weitergabe durch Lehre, der gesellschaftliche, historische und institutionelle Rahmen, in dem dies organisiert betrieben wird, sowie die Gesamtheit des so erworbenen Wissens. Forschung ist die methodische Suche nach neuen Erkenntnissen sowie deren systematische Dokumentation und Veröffentlichung in Form von wissenschaftlichen Arbeiten. Lehre ist die Weitergabe der Grundlagen des wissenschaftlichen Forschens, die Vermittlung eines Überblicks über das Wissen eines Forschungsfelds und den aktuellen Stand der Forschung sowie die Unterstützung bei deren Vertiefung.

Wissenschaftsbetrieb

Eine frühe dokumentierte Form eines organisierten wissenschaftsähnlichen Lehrbetriebs findet sich im antiken Griechenland mit der Platonischen Akademie, die (mit Unterbrechungen) bis in die Spätantike Bestand hatte. Wissenschaft der Neuzeit findet traditionell an Universitäten statt, die auf diese Idee zurückgehen. Daneben sind Wissenschaftler auch an Akademien, Ämtern, privat finanzierten Forschungsinstituten, bei Beratungsfirmen und in der Wirtschaft beschäftigt. In Deutschland ist eine bedeutende öffentliche „Förderorganisation“ die Deutsche Forschungsgemeinschaft, die projektbezogen Forschung an Universitäten und außeruniversitären Einrichtungen fördert. Daneben existieren „Forschungsträgerorganisationen“ wie etwa die Fraunhofer-Gesellschaft, die Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren, die Max-Planck-Gesellschaft und die Leibniz-Gemeinschaft, die - von Bund und Ländern finanziert - eigene Forschungsinstitute betreiben. In Österreich entsprechen der DFG der Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF) sowie die Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft (FFG), in der Schweiz und Frankreich die nationalen Forschungsfonds. Andere Fonds werden z. B. von Großindustrien oder dem Europäischen Patentamt dotiert.

Neben den wissenschaftlichen Veröffentlichungen erfolgt der Austausch mit anderen Forschern durch Fachkonferenzen, bei Kongressen der internationalen Dachverbände und scientific Unions (z. B. IUGG, COSPAR, IUPsyS, ISWA, SSRN) oder der UNO-Organisation. Auch Einladungen zu Seminaren, Institutsbesuchen, Arbeitsgruppen oder Gastprofessuren spielen eine Rolle. Von großer Bedeutung sind auch Auslandsaufenthalte und internationale Forschungsprojekte.

Für die interdisziplinäre Forschung wurden in den letzten Jahrzehnten eine Reihe von Instituten geschaffen, in denen industrielle und universitäre Forschung zusammenwirken (Wissenschaftstransfer). Zum Teil verfügen Unternehmen aber auch über eigene Forschungseinrichtungen, in denen Grundlagenforschung betrieben wird.

Die eigentliche Teilnahme am Wissenschaftsbetrieb ist grundsätzlich nicht an Voraussetzungen oder Bedingungen geknüpft: Die wissenschaftliche Betätigung außerhalb des akademischen oder industriellen Wissenschaftsbetriebs steht jedermann offen und ist auch gesetzlich von der Forschungsfreiheit abgedeckt. Universitäten bieten außerdem die voraussetzungsfreie Teilnahme am Lehrbetrieb als Gasthörer an. Wesentliche wissenschaftliche Leistungen außerhalb eines beruflichen Rahmens sind jedoch die absolute Ausnahme geblieben. Die staatlich bezahlte berufliche Tätigkeit als Wissenschaftler ist meist an die Voraussetzung des Abschlusses eines Studiums gebunden, für das wiederum die Hochschulreife notwendig ist. Leitende öffentlich finanzierte Positionen in der Forschung und die Beantragung von öffentlichen Forschungsgeldern erfordern die Promotion, die Professur die Habilitation. In den USA findet sich statt der Habilitation das Tenure-Track-System, das 2002 in Form der Juniorprofessur auch in Deutschland eingeführt werden sollte, wobei allerdings kritisiert wird, dass ein regelrechter Tenure Track, bei dem den Nachwuchswissenschaftlern für den Fall entsprechender Leistungen eine Dauerstelle garantiert wird, in Deutschland nach wie vor eine Ausnahme darstellt.

Dementsprechend stellt die Wissenschaft durchaus einen gewissen Konjunkturen unterliegenden Arbeitsmarkt dar, bei dem insbesondere der Nachwuchs angesichts der geringen Zahl an Dauerstellen ein hohes Risiko eingeht. Besonders die gestiegene Beteiligung von Frauen an Promotion und Habilitation sowie die mit den neueren hochschulpolitischen Entwicklungen einhergehende Fokussierung und somit Beschneidung der thematischen Breite von Lehre und Forschung führt auf diesem zu einem erhöhten Konkurrenzdruck.

Für die Wissenschaftspolitik an Bedeutung gewonnen hat die Wissenschaftsforschung, die wissenschaftliche Praxis mit empirischen Methoden zu untersuchen und zu beschreiben versucht. Dabei kommen unter anderem Methoden der Scientometrie zum Einsatz. Die Ergebnisse der Wissenschaftsforschung haben im Rahmen der Evaluation Einfluss auf Entscheidungen.

Gesellschaftliche Fragen innerhalb des Wissenschaftsbetriebs sowie die gesellschaftlichen Zusammenhänge und Beziehungen zwischen Wissenschaft, Politik und übriger Gesellschaft untersucht die Wissenssoziologie.

Wissenschaftstheorie

Die Wissenschaftstheorie ist ein Teilgebiet der Philosophie, das sich mit dem Selbstverständnis von Wissenschaft in Form der Analyse ihrer Voraussetzungen, Methoden und Ziele beschäftigt. Dabei wird besonders ihr Wahrheitsanspruch kritisch hinterfragt. Für die Forschung, die nach neuen Erkenntnissen sucht, ist insbesondere die Frage nach den Methoden und Voraussetzungen der Erkenntnisgewinnung von Bedeutung. Diese Frage wird in der Erkenntnistheorie behandelt. Einstein schreibt: „Die gegenseitige Beziehung von Erkenntnistheorie und Wissenschaft ist von merkwürdiger Art. Sie ist aufeinander angewiesen. Erkenntnistheorie ohne den Kontakt mit Wissenschaft wird zum leeren Schema; Wissenschaft ohne Erkenntnistheorie ist so weit überhaupt denkbar primitiv und verworren“

Forschung

Die Forschung beginnt mit einer Fragestellung, die sich aus früherer Forschung, einer Entdeckung oder aus dem Alltag ergeben kann. Der erste Schritt besteht darin, die Forschungsfrage zu beschreiben, um ein zielgerichtetes Vorgehen zu ermöglichen. Forschung schreitet in kleinen Schritten voran: Das Forschungsproblem wird in mehrere, in sich geschlossene Teilprobleme zerlegt, die nacheinander oder von mehreren Forschern parallel bearbeitet werden können. Bei dem Versuch, sein Teilproblem zu lösen, steht dem Wissenschaftler prinzipiell die Wahl der Methode frei. Wesentlich ist nur, dass die Anwendung seiner Methode zu einer Theorie führt, die objektive, d. h. intersubjektive nachprüfbare und nachvollziehbare Aussagen über einen allgemeinen Sachverhalt macht.

Wenn ein Teilproblem zur Zufriedenheit gelöst ist, beginnt die Phase der Veröffentlichung. Traditionell verfasst der Forscher dazu selbst ein Manuskript über die Ergebnisse seiner Arbeit. Dieses besteht aus einer systematischen Darstellung der verwendeten Quellen, der angewendeten Methoden, der durchgeführten Experimente mit vollständiger Offenlegung des Versuchsaufbaus, der beobachteten Phänomene (Messung, Interview), gegebenenfalls der statistischen Auswertung, Beschreibung der aufgestellten Theorie und die durchgeführte Überprüfung dieser Theorie. Insgesamt soll die Forschungsarbeit also möglichst lückenlos dokumentiert werden, damit andere Forscher und Wissenschaftler die Arbeit nachvollziehen können.

Sobald das Manuskript fertig aufgesetzt wurde, reicht es der Forscher an einen Buchverlag, eine wissenschaftliche Fachzeitschrift oder Konferenz zur Veröffentlichung ein. Dort entscheidet zuerst der Herausgeber, ob die Arbeit überhaupt interessant genug und thematisch passend z. B. für die Zeitschrift ist. Wenn dieses Kriterium erfüllt ist, reicht er die Arbeit für die Begutachtung (engl. Peer review) an mehrere Gutachter weiter. Dies kann anonym (ohne Angabe des Autors) geschehen. Die Gutachter überprüfen, ob die Darstellung nachvollziehbar und ohne Auslassungen ist und ob Auswertungen und Schlussfolgerungen korrekt sind. Ein Mitglied des Redaktionskomitees der Zeitschrift fungiert dabei als Mittelsmann zwischen dem Forscher und den Gutachtern. Der Forscher hat dadurch die Möglichkeit, grobe Fehler zu verbessern, bevor die Arbeit einem größeren Kreis zugänglich gemacht wird. Wenn der Vorgang abgeschlossen ist, wird das Manuskript gesetzt und in der Zeitschrift abgedruckt. Die nunmehr jedermann zugänglichen Ergebnisse der Arbeit können nun weiter überprüft werden und werfen neue Forschungsfragen auf.

Der Prozess der Forschung ist begleitet vom ständigen regen Austausch unter den Wissenschaftlern des bearbeiteten Forschungsfelds. Auf Fachkonferenzen hat der Forscher die Möglichkeit, seine Lösungen zu den Forschungsproblemen, die er bearbeitet hat (oder Einblicke in seine momentanen Lösungsversuche), einem Kreis von Kollegen zugänglich zu machen und mit ihnen Meinungen, Ideen und Ratschläge auszutauschen. Zudem hat das Internet, das zu wesentlichen Teilen aus Forschungsnetzen besteht, den Austausch unter Wissenschaftlern erheblich geprägt. Während E-Mail den persönlichen Nachrichtenaustausch bereits sehr früh nahezu in Echtzeit ermöglichte, erfreuten sich auch E-Mail-Diskussionslisten zu Fachthemen großer Beliebtheit (ursprünglich ab 1986 auf LISTSERV-Basis im BITNET).

Lehre

Lehre ist die Tätigkeit, bei der ein Wissenschaftler ( Lehrbeauftragter) die Methoden der Forschung an Studenten weitergibt und ihnen einen Überblick über den aktuellen Forschungsstand auf seinem Gebiet vermittelt. Dazu gehören

das Verfassen von Lehrbüchern, in denen er seine Kenntnisse und Erkenntnisse schriftlich niederlegt und

die Vermittlung des Stoffs in unmittelbarem Kontakt mit den Studenten durch Vorlesungen, Seminare und Praktika. Diese Veranstaltungen organisieren die jeweiligen Lehrbeauftragten selbständig und führen ggf. auch selbständig Prüfungen durch („Freiheit der Lehre“ im Sinne des Art. 5 Abs. 3 Satz 1 Var. 4 GG).

Zu den Voraussetzungen zur Teilnahme an der Lehre als Student: Studium.

Zu Formen und Abläufen von Lehrveranstaltungen: ebenda.

Werte der Wissenschaft

Ein klassisches, auf Aristoteles zurückgehendes Ideal ist die völlige Neutralität der Forschung, sie sollte autonom, rein, voraussetzungs- und wertefrei sein („tabula rasa“).

Karl Popper sah dies als Wert der Wertefreiheit und somit als paradox an und nahm die Position ein, dass Forschung positiv von Interessen, Zwecken und somit einem Sinn geleitet sein sollte (Suche nach Wahrheit, Lösung von Problemen, Verminderung von Übeln und Leid), während möglicherweise ganz unbewusste negative Konsequenzen bzw. falsche Annahmen immer einer Kritik zugänglich sind. Wissenschaft soll demnach also immer eine kritische Haltung gegenüber eigenen wie fremden Ergebnissen einnehmen.

Richard Feynman kritisierte vor allem die sinnlos gewordene Forschungspraxis der Cargo-Kult-Wissenschaft, bei der Forschungsergebnisse unkritisch übernommen und vorausgesetzt werden, so dass zwar oberflächlich betrachtet eine methodisch korrekte Forschung stattfindet, jedoch die wissenschaftliche Integrität verloren gegangen ist.

Zur vorsätzlichen Fälschung von Forschungsergebnissen siehe Betrug und Fälschung in der Wissenschaft.

Mit Massenvernichtungswaffen, Gentechnik und Stammzellenforschung sind im Laufe des 20. Jahrhunderts vermehrt Fragen über ethische Grenzen der Wissenschaft (siehe Wissenschaftsethik) entstanden.

Wissenschaftsbereiche

Bereits Aristoteles gliederte die Wissenschaft in Teilbereiche, sogenannte Einzelwissenschaften. Die klassische neuzeitliche Aufteilung differenziert Natur-, Geistes- und Gesellschaftswissenschaften, mit der zunehmenden Verwissenschaftlichung kamen Agrar-, Ingenieurs-, Wirtschafts-, Rechtswissenschaft und Medizin hinzu. Über diese hinaus gibt es verschiedene zweckgebundene Einteilungen, die nicht mehr einheitlich sind. Mit einem zunehmenden Trend zur weiteren Spezialisierung ist die gegenwärtige Situation sehr dynamisch und kaum überschaubar geworden. Historisch gesehen sind die einzelnen Bereiche alle aus der Philosophie entstanden, insbesondere Naturphilosophie und Naturwissenschaft waren lange Zeit in der Naturkunde eng verbunden.

Die Einteilung der Wissenschaft ist insbesondere für organisatorische Zwecke (Fakultäten, Fachbereiche) und für die systematische Ordnung von Veröffentlichungen von Bedeutung (z. B. Dewey Decimal Classification, Universelle Dezimalklassifikation).

Vermehrt gibt es auch die Bestrebung, disziplinübergreifende Bereiche zu etablieren und so Erkenntnisse einzelner Wissenschaften gewinnbringend zu verknüpfen.

Science Slam

Verrückter Wissenschaftler

Betrug und Fälschung in der Wissenschaft

Literatur

Guy Debord: Die Gesellschaft des Spektakels, Berlin: Edition Tiamat, 1996, S.230 ff.

Hartmut Heuermann: Wissenschaftskritik. Konzepte Positionen Probleme, Tübingen und Basel: A. Francke, 2000

Links zum Thema Wissenschaft im Open Directory Project

Grundsätze zur Sicherung guter wissenschaftlicher Praxis der Deutschen Forschungsgemeinschaft, Januar 1998

Gestirn

Gestirn ist der umgangssprachliche Sammelbegriff für größere, mit freiem Auge sichtbare Himmelskörper, wie z. B. Sonne, Mond, helle Planeten und Sterne. Letztere umfassen jene Himmelskörper, die freiäugig als Punkte erscheinen, und wurden in der frühen Astronomie in Fixsterne und Wandelsterne (Planeten) unterteilt.

Gelegentlich werden auch helle Kometen und auffällige Sternhaufen als Gestirn bezeichnet – z.B. Sterngruppen wie das „Siebengestirn“ (Plejaden) und das „Regengestirn“ (Hyaden), beide im Sternbild Stier.

Als „Zentralgestirn“ eines Planetensystems bezeichnet man den Fixstern nahe dem Massen-Schwerpunkt des Systems (Baryzentrum). So ist die Sonne das Zentralgestirn unseres Sonnensystems.

Stern 1. Größe

Sternbild, Sternreihe

Aufgang (Astronomie), Sichtbarkeit (Astronomie)

Von den Bewohnern der Gestirne (Immanuel Kant)

Sonne - Zentralgestirn unseres Planetensystems (3sat, Juni 2010)

Roque-de-los-Muchachos-Observatorium

Das Roque de los Muchachos Observatorium (span. Observatorio del Roque de los Muchachos, kurz ORM) ist eine Ansiedlung von Sternwarten am Hang des Roque de los Muchachos auf der Kanareninsel La Palma. Zusammen mit dem Teide Observatorium auf Teneriffa bildet das ORM das European Northern Observatory.

Allgemein

Die astrophysikalischen Observatorien wurden 1985 eröffnet. Mehrere europäische Länder sind an der Anlage beteiligt, die eine der wichtigsten dieser Art weltweit ist. Ausschlaggebend für den Standort des Projektes waren die klimatischen Bedingungen auf der höchsten Erhebung von La Palma: Auf dem Berg sind extrem viele wolkenfreie Nächte zu verzeichnen, zwar hängen ab 1.000 Meter Höhe oft Wolken, doch endet die Bewölkung spätestens auf 2.000 Meter Seehöhe, und die Luft auf dem Roque de los Muchachos ist besonders klar.

Geschichte

Im Jahr 1979 unterzeichneten in Santa Cruz de La Palma die Staaten Spanien, Schweden, Dänemark und das Vereinigte Königreich ein Abkommen, das ihnen astrophysikalische Forschungen auf dem Roque de los Muchachos gestattet. Weitere Länder schlossen sich dem astronomischen Verbund an (die Bundesrepublik Deutschland 1983). Am 29. Juni 1985 schließlich wurde in Anwesenheit zahlreicher Wissenschaftler, der Staatsoberhäupter der beteiligten Länder sowie des spanischen Königspaares das Observatorio Roque de los Muchachos feierlich eingeweiht.

Am 24. Juli 2009 wurde das mit 10,4 m Durchmesser – weltweit – größte der Spiegelteleskope, das Gran Telescopio Canarias (GRANTECAN) durch den spanischen König Juan Carlos und Königin Sophia feierlich in Betrieb genommen.

Teleskope

Die größeren Observatorien sind mit Spiegelteleskopen ausgestattet, die im folgenden nach dem Durchmesser des Hauptspiegels sortiert sind:

10,4 Meter Gran Telescopio Canarias

4,2 Meter William Herschel Teleskop (ING)

3,6 Meter Telescopio Nazionale Galileo (TNG)

2,5 Meter Isaac Newton Teleskop (ING)

2,5 Meter Nordic Optical Telescope (NOT)

2,0 Meter Liverpool Teleskop

1,5 Meter Mercator Teleskop

1,0 Meter Jacobus Kapteyn Teleskop (ING)

Die mit (ING) bezeichneten Teleskope sind in der „Isaac Newton Group“ zusammengefasst

Spezielle Teleskope

0,45 Meter Dutch Open Telescope, zur Sonnenbeobachtung

Swedish Solar Telescope (SST), 1-m-Refraktor zur Sonnenbeobachtung

0,18 Meter Carlsberg Meridian-Refraktor (CMT) für Astrometrie

2 x 17 Meter MAGIC (Tscherenkow-Teleskope für Gammastrahlung).

3 Meter FACT-Teleskop (ehemals als "CT3" Teil der 6 HEGRA-Teleskope), Tscherenkow-Teleskop

ein Observatorium des SuperWASP

Observatorio del Roque de los Muchachos (spanisch, englisch)

Carlsberg Meridian Telescope (englisch)

Isaac Newton Group of Telescopes (englisch)

The MAGIC Telescope Homepage (englisch)

Koordinaten: 28° 45′ 35″ N, 17° 53′ 24″ W

Sternwarte

Eine Sternwarte oder ein astronomisches Observatorium (von lat. observare = beobachten) ist ein Ort mit wissenschaftlichen Instrumenten zur Beobachtung des Sternhimmels, von Himmelskörpern oder von anderen Objekten im Weltraum.

Die Beobachtungen bzw. Messungen erfolgen zumeist mit Teleskopen (Linsen- bzw. Spiegelfernrohren) oder Astrografen, heute zunehmend auch mit Antennen (Radioastronomie), und in der Astrometrie (Positionsastronomie) mit Transitinstrumenten. Die meisten Observatorien beobachten im sichtbaren Licht, wobei die früheren visuellen Methoden weitgehend durch fotografische und optoelektronische ersetzt wurden.

Bis etwa 1620 waren Observatorien fast ausschließlich für die freiäugige Beobachtung des Himmels eingerichtet (Astronomische Phänomenologie). Bei der wissenschaftlichen Tätigkeit dominierte seit Jahrtausenden die Astrometrie, die erst ab 1850 durch die Astrofotografie und die Astrophysik ergänzt (und vorübergehend in den Hintergrund gedrängt) wurde. Heute konzentriert sich die Arbeit von höher gelegenen Observatorien zunehmend auf nicht-visuelle Strahlungsbereiche wie nahes Infrarot, UV und Radiostrahlung, während die kürzeren Wellenlängen (UV- und Röntgenstrahlen) großteils den Weltraumteleskopen vorbehalten bleiben. Auch Observatorien auf dem Mond sind in Planung.

Sozialrechtlich sind die Nachtdienste der Astronomen durch spezielle Vergütungen und einvernehmliche Dienstpläne geregelt, doch ist der Prozentsatz der nötigen Nachtarbeit durch die Möglichkeiten der automatischen Teleskopsteuerung und des Internet deutlich im Sinken begriffen.

: Observator, Diensthabender

Merkmale von Sternwarten

Das Erscheinungsbild heutiger Sternwarten ist meist durch eine oder mehrere Kuppeln gekennzeichnet, die

einerseits zur Beobachtung geöffnet und in die gewünschte Richtung gedreht werden können,

andererseits im geschlossenen Zustand das darunter aufgestellte Instrument schützen sollen,

wobei die hellgestrichene Kuppel und durch gute Reflexion bzw. Isolierung gegen Sonnenstrahlung für eine gleichbleibend kühle Luft sorgt (siehe: nächtliche Abkühlung, thermische Effekte, Saalrefraktion).

Die Instrumente selbst (vor allem die Teleskope) sind zum Schutz vor Erschütterungen und Vibrationen auf eigenen, vom übrigen Gebäude mechanisch streng getrennten Sockeln montiert. Für diese tief im gewachsenen Fels fundierte Pfeiler ist der klassische, hinterlüftete Ziegelbau nach wie vor eine mechanisch und thermisch gute Lösung, während Beton ungünstiger ist (mögliche Temperatur- und innere Spannungen, Pfeilerdrehung). Die Fundierung muss mindestens zwei Meter in festen Boden – möglichst in den gewachsenen Fels – reichen.

Der Begriff Observatorium wird auch für künstliche Erdsatelliten verwendet, die astronomische Teleskope tragen. Im Regelfall befinden sich mehrere Teleskope bzw. Instrumente auf einem Satelliten, die meist alle dasselbe Ziel beobachten, seltener auch getrennt gesteuert werden können (siehe: Satellitentechnik).

Eine Sternwarte, die hauptsächlich zum Zweck von Führungen und der Erwachsenenbildung betrieben wird, nennt man auch Volkssternwarte. Ein ähnliches Ziel wie diese verfolgen Schulsternwarten und werden gelegentlich auch gemeinsam betrieben. Volkssternwarten sind jedoch von Planetarien zu unterscheiden. In ersteren kann man tatsächliche Himmelskörper beobachten, während letztere die Himmelsobjekte künstlich projizieren.

Weiters gibt es Privatsternwarten, die von einzelnen Amateurastronomen oder Vereinigungen betrieben werden. In Einzelfällen (bzw. zu Astronomietagen o. ä.) bieten sie ebenfalls der Öffentlichkeit Beobachtungsmöglichkeiten an. Sie sind entweder mit einer kleinen Kuppel oder mit Schiebedach ausgestattet, einkönnen aber auch als Garten- oder Dachsternwarte ausgeführt sein.

Als Observatorien im weiteren Sinn werden auch Bauwerke bezeichnet, die durch ihre besondere Konstruktion die Festlegung bestimmter astronomischer Besonderheiten, wie z. B. den Tag der Sommer- oder Wintersonnenwende, ermöglichen. Bei dieser Art von Bauwerken, die zumeist einer vorgeschichtlichen Phase der verschiedensten Kulturen zuzurechnen sind, handelt es sich meist um sogenannte Sonnenobservatorien, da von hier aus vor allem der Lauf der Sonne beobachtet wurde. Siehe z. B. Kreisgrabenanlage von Goseck oder Stonehenge. Eine moderne Sonderform ist z. B. der von einem Astroverein im Süden Wiens betriebene Sternengarten und ein ähnlicher bei Bonn.

Geschichte

Antike und Mittelalter

Die derzeit als ältestes datiertes Observatorium der Vorgeschichte geltende Anlage ist eventuell die Kreisgrabenanlage von Goseck aus dem 5. Jahrtausend v. Chr. Der Megalith-Kreis in Nabta-Playa in der Nubischen Wüste könnte auch in diese Zeit fallen. Andere Anlagen stammen aus Zeiten ab ca. 3000 v. Chr. (Stonehenge) oder der Boitiner Steintanz ca. 1200 v. Chr. Das Cheomseongdae-Observatorium in Korea ist das älteste im Fernen Osten. China hat eine lange Tradition im Bau von Observatorien. In der Tang-Dynastie wurden 20 Sonnenobservatorien für die Erstellung des Da Yan Kalenders 729 A.D. errichtet, wobei 10 Observatorien entlang des 114. Grades östlicher Länge von Zentralasien bis Huế verteilt wurden, um die Kugelgestalt der Erde zu überprüfen. Die Yuan-Dynastie ließ für den Shou Shi Kalender 1281 27 Großobservatorien erbauen, wobei das Gaocheng-Observatorium nahe Dengfeng in der Provinz Henan noch gut erhalten ist. In Peru befindet sich das 2300 jahre alte Chanquillo-Observatorium, das aus 13 Türmen auf einem Berggrat besteht.

Im Spätmittelalter und der Zeit danach entstanden die ersten Vorläufer der „klassischen“ Sternwarten. Sie beheimateten Instrumente zur Vermessung von Sternörtern, z. B. Quadranten oder Astrolabien. Beispiele sind das Observatorium Rasad-e Khan von Nasir Al-din al-Tusi, die Sternwarte des Ulug Beg, Uraniborg und Stjerneborg, die Sternwarten Tycho Brahes oder die Jantar Mantars des Maharajas Jai Singh II..

Neuzeit

Nach Erfindung des Teleskops 1608 entstanden dann die ersten Sternwarten im heutigen Sinne. Diese waren zunächst Teile physikalischer Kabinette, wie sie von Adligen und anderen Gönnern nach und während der Aufklärung unterhalten und gefördert wurden. Es handelte sich oft um ausgebaute Dachgeschosse, angebaute Türme oder dergleichen. Eigenständige Sternwartenbauten wurden oft als Türme ausgeführt, wie die Mannheimer Sternwarte. In diese Zeit fällt auch zum Beispiel der Bau des Royal Greenwich Observatory 1675. Die erste Sternwarte nach Stjerneborg, bei der die Instrumente in ein ebenerdiges Gebäude gestellt wurden, war die Seeberg-Sternwarte, die 1790 in Betrieb genommen wurde. Die erste Schulsternwarte Deutschlands wurde 1872 im ostsächsischen Bautzen gegründet.

Viele bedeutende Sternwarten in Mittel- und Nordeuropa wurde zwischen 1790 und 1830 gegründet, u. a. jene in Hamburg-Altona, München, Düsseldorf, Gotha, Leipzig, Halle, Königsberg und Dorpat; Russland und die USA zogen 1839 mit St.Peterburg-Pulkowa und Harvard nach. Diese Gründungswelle hängt v. a. mit den Erfolgen der Himmelsmechanik zusammen (Planetenbahnen, Kometen, Asteroiden, Doppelsternforschung, Sternkataloge), sowie der Entwicklung der Messtechnik. Demgegenüber sind die Universitätssternwarten in der Südhälfte Europas meist schon früher entstanden. Ein zweiter Gründungsboom ist um die Jahrhundertwende festzustellen und brachte die Entwicklung der Astrophysik – siehe u. a. Potsdam (astrophys. Inst.), Wien (Univ.- und Kuffnersternwarte), Zürich und die großen Observatorien der USA wie Yerkes, Lick und Lowell.

Für die Qualität der Beobachtung ist ein möglichst dunkler Himmel wichtig. Bis zum Ende des 19. Jahrhunderts waren Sternwarten mit konkurrenzfähiger Forschung nahe oder sogar in Städten die Regel, oft auch um dem Geldgeber, im Allgemeinen dem lokalen Fürstenhof, nahe zu sein. Das Anwachsen der Städte und der damit verbundene Lichtsmog, der die Beobachtungen in zunehmendem Maß beeinträchtigte, führte im 20. Jahrhundert zu einem Ausweichen in immer abgelegenere und vom Lichtsmog noch nicht betroffene Gebiete wie etwa in Gebirgen, zunächst in näher gelegene Gebirge wie die Pyrenäen oder die Alpen und schließlich in Gebiete weit abseits größerer Ansiedlungen und mit klarer und ruhiger Luft, wie etwa auf dem Mauna Kea auf Hawaii oder in der Atacamawüste in Chile.

Gleichzeitig ermöglichte der technologische Fortschritt die Anfertigung immer größerer Teleskope, die immer schwächere Lichtmengen auffangen können und so Beobachtungen in immer größere Tiefen des Weltalls erlauben. Auch diese Instrumente gelangen durch die natürliche Unruhe der Luft an Grenzen. Leistungsfähige Adaptive Optiken sind zwar in der Lage, diesen Nachteil fast vollständig zu korrigieren, aber üblicherweise nur in sehr kleinen Bildfeldern. Ein Ausweg bot sich in der Konstruktion von Weltraumteleskopen, die Beobachtungen außerhalb des störenden Einflusses der Erdatmosphäre ermöglichen wie etwa das Hubble-Weltraumteleskop. Darüber hinaus wurden Weltraumteleskope entwickelt, um Beobachtungen in Spektralbereichen zu ermöglichen, die vom Boden aus unzugänglich sind, wie etwa im fernen Infrarot oder im Bereich der Röntgenstrahlung.

Einzelne Sternwarten und Observatorien

Vor- und frühgeschichtliche Bauten (Auswahl)

Stonehenge

Pyramiden von Gizeh

Kreisgrabenanlage von Goseck

Sonnenobservatorien der Maya, z. B. auf dem Monte Alban

Sternwarten in Deutschland (Auswahl)

Forschungsinstitute

Bamberg: Dr.-Remeis-Sternwarte

Bonn: Observatorium Hoher List

Dresden: Triebenberg

Göttingen: Universitäts-Sternwarte Göttingen

Hamburg: Hamburger Sternwarte in Bergedorf

Heidelberg: Landessternwarte Heidelberg-Königstuhl

München: Universitäts-Sternwarte München

Potsdam: Astrophysikalisches Institut Potsdam

Sonneberg: Sternwarte Sonneberg

Tautenburg: Thüringer Landessternwarte

Volkssternwarten

Aachen: Volkssternwarte Aachen

Bad Kreuznach: Volkssternwarte Bad Kreuznach

Bad Nauheim: Volkssternwarte Wetterau

Bielefeld: Volkssternwarte Ubbedissen

Berlin: Archenhold-Sternwarte, Wilhelm-Foerster-Sternwarte

Bonn: Volkssternwarte Bonn

Buchloe: Volkssternwarte Buchloe

Darmstadt: Volkssternwarte Darmstadt

Dresden: Forschungsinstitut Manfred von Ardenne

Ebermannstadt: Sternwarte Feuerstein

Ennepetal: Volkssternwarte Ennepetal

Erkrath: Sternwarte Neanderhöhe Hochdahl

Frankfurt am Main: Volkssternwarte Frankfurt des Physikalischen Vereins, Taunus Observatorium

Gilching: Volkssternwarte an der vhs Gilching

Hagen: Volkssternwarte Hagen

Hannover: Volkssternwarte Hannover

Heilbronn: Robert-Mayer-Volks- und Schulsternwarte Heilbronn

Heppenheim: Starkenburg-Sternwarte

Jena: Volkssternwarte Urania Jena

Kempten: Volkssternwarte Kempten

Köln: Volkssternwarte Köln

Laupheim: Volkssternwarte Laupheim

Lübeck: Sternwarte Lübeck

Mainz: Volkssternwarte Mainz

München: Bayerische Volkssternwarte München

Neumarkt in der Oberpfalz: Fritz-Weithas-Sternwarte

Nürnberg: Regiomontanus-Sternwarte

Ottobeuren: Allgäuer Volkssternwarte Ottobeuren

Paderborn: Volkssternwarte Paderborn

Radebeul: Volkssternwarte Adolph Diesterweg

Recklinghausen: Volkssternwarte Recklinghausen

Regensburg: Volkssternwarte Regensburg

Rosenfeld: Sternwarte Zollern-Alb

Rostock: Astronomische Station „Tycho Brahe“

Sohland an der Spree: Sternwarte Sohland

Singen (Hohentwiel): Volkssternwarte Singen

Solingen: Sternwarte Solingen

Tübingen: Volkssternwarte Tübingen

Tirschenreuth: Gerhard-Franz Volkssternwarte

Wertheim: Johann-Kern-Sternwarte Wertheim

Wiesbaden: Sternwarte Wiesbaden

Würzburg: Volkssternwarte Würzburg

Sonstige Sternwarten

Aalen: Sternwarte Aalen

Augsburg: Sternwarte Diedorf

Bautzen: Schulsternwarte „Johannes Franz“

Berlin: Bruno-H.-Bürgel-Sternwarte

Bernau: Sternwarte Bernau

Bochum: Sternwarte Bochum, Institut für Umwelt- u. Zukunftsforschung (IUZ)

Braunshausen (Saarland): Sternwarte Peterberg

Bremen: Walter-Stein-Sternwarte

Duisburg: Rudolf-Römer-Sternwarte

Essen: Walter-Hohmann-Sternwarte

Greifswald: Sternwarte Greifswald

Heppenheim: Starkenburg-Sternwarte

Heidenheim: Sternwarte Heidenheim

Herne: Sternwarte Herne

Kassel: Sternwarte des Astronomischen Arbeitskreis Kassel

Kiel: Sternwarte Kiel

Melle: Sternwarte des Naturwissenschaftlichen Vereins Osnabrück und EXPO-Sternwarte

Stuttgart: Sternwarte Stuttgart

Welzheim: Sternwarte Welzheim

Sternwarten in Österreich (Auswahl)

Wien

1. Universitätssternwarte Wien

2. Kuffner-Sternwarte

3. Urania

Niederösterreich

1. Leopold Figl-Observatorium

2. Purgathofer-Sternwarte

3. Traiskirchen: Franz-Kroller-Sternwarte

Oberösterreich

1. Linz: Johannes-Kepler-Sternwarte, Schulsternwarte Petrinum

Steiermark:

1. Universitätssternwarte Graz

Kärnten:

1. Sonnenobservatorium Kanzelhöhe

2. Sternwarte St. Kanzian

Sternwarten in der Schweiz (Auswahl)

Forschungsinstitute

Bern: Satellitenstation Zimmerwald

Neuchâtel: Zeitdienst und Observatoire Cantonal de Neuchatel

Genf: Sternwarte Genf

Privat- und Volkssternwarten

Aarau: Einsteinturm, Alte Kantonsschule Aarau

Bülach: Sternwarte Bülach

Falera (GR): Asteroiden-Warte Mirasteilas

Planetarium und Sternwarte Kreuzlingen

Winterthur: Sternwarte Eschenberg

Zürich: Urania Sternwarte

Historische Sternwarten (Auswahl)

Altona: Sternwarte Altona, 1823 bis 1871

Berlin: Berliner Sternwarte, 1711 bis 1913

Bothkamp bei Kiel: Sternwarte Bothkamp, 1870 bis 1914

Düsseldorf-Bilk: Sternwarte Düsseldorf, 1843 bis 1943

Gotha: Sternwarte Gotha, 1790 bis 1934, (u. a. Seeberg-Sternwarte 1790 bis 1839)

Halle (Saale): Sternwarte Halle, 1788 bis 1923

Königsberg: Sternwarte Königsberg, 1813 bis 1944

Kremsmünster: Sternwarte Kremsmünster, errichtet 1749–1758

Leipzig: Sternwarte Leipzig, 1790 bis 1956

Lilienthal bei Bremen: Sternwarte Lilienthal, 1782 bis 1850

Mannheim: Mannheimer Sternwarte, 1774 bis 1880

Pula: Marine-Sternwarte Pola, 1871 bis 1918

Remplin/Mecklenburg: Sternwarte Remplin, 1793 bis 1805

Tartu (Estland): Sternwarte Dorpat, 1811 bis 1948

Zürich: Eidgenössische Sternwarte, 1864 bis 1980

Andere Sternwarten (Auswahl)

Australien: Mount-Stromlo-Observatorium, Siding-Spring-Observatorium

Chile: La Silla (ESO), Paranal-Observatorium (ESO)

Spanien: Calar-Alto-Observatorium, Roque-de-los-Muchachos-Observatorium,Observatorio del Teide

Russland: Pulkowo-Observatorium, Selentschuk-Observatorium

Großbritannien: Royal Greenwich Observatory

USA: Big Bear Solar Observatory, Kitt-Peak-Nationalobservatorium, Lick-Observatorium, Large Binocular Telescope, Mauna-Kea-Observatorium, Mount Palomar, Mount-Wilson-Observatorium, Yerkes-Observatorium

Im Luftraum (Auswahl)

Ballongetragen: Stratoscope, Sunrise, Far Infrared Interferometric Telescope

Flugzeuggetragen: Lear Jet Observatory, Kuiper Airborne Observatory, SOFIA

Im Weltall (Auswahl)

Hubble-Weltraumteleskop (NASA/ESA)

Spitzer-Weltraumteleskop (NASA)

XMM-Newton-Weltraumteleskop (ESA)

Chandra-Weltraumteleskop (NASA)

Liste der größten optischen Teleskope

Liste der Planetarien in Deutschland

Virtuelles Observatorium

Liste der Sternwarten-Codes

Links zum Thema Öffentliche Sternwarten im Open Directory Project

Verzeichnis Astronomischer Institute im deutschsprachigen Raum – als Liste bei der Astronomischen Gesellschaft, ca. die Hälfte sind Sternwarten

Verzeichnis der Volkssternwarten im deutschsprachigen Raum im German Astronomical Directory

Sternwarten in Österreich

Milkyweb Astronomical Observatory Guide seit 2001 das umfangreichste Verzeichnis astronomischer Sternwarten weltweit – ca. 2000 Einträge mit Profil

Jantar Mantar – historische Observatorien in Jaipur und Delhi (Indien)

IAU-Sternwarten im Internet – Liste von Sternwarten der Internationalen Astronomischen Union, die eine Webseite haben

Sternwarten in Deutschland teleskopdatenbank.de

Naturwissenschaft

Als Naturwissenschaften werden jene Wissenschaften bezeichnet, die sich mit der Erforschung der unbelebten und der belebten Natur befassen, indem sie diese beobachten, messen, mit mathematischen Methoden analysieren, um ihr Verhalten schließlich in der Form allgemeiner Naturgesetze beschreiben und vorhersagen zu können. Als Natur wird in diesem Zusammenhang die Gesamtheit aller empirisch zugänglichen Phänomene von Materie und Energie betrachtet. Die wichtige Aufgabe der Naturwissenschaft besteht nicht nur darin, Naturphänomene zu erklären, sondern diese auch in einer Anwendung dem Menschen nutzbar zu machen. Die Naturwissenschaften bilden eine der wesentlichen theoretischen Grundlagen für zahlreiche Bereiche menschlicher Aktivität wie Technik, Medizin oder Umweltschutz.

Im 17. Jahrhundert gelang den Naturwissenschaften im Zusammenhang mit der Epoche der Aufklärung der entscheidende Durchbruch in den intellektuellen Gesellschaftsschichten. Dies löste eine wissenschaftliche Revolution aus, die im 18. Jahrhundert mit vielen neuen Entdeckungen und Erfindungen zum industriellen Zeitalter führte und die Gesellschaft vor allem in der westlichen Welt stark veränderte. Bis heute hat sie den allgemeinen Wissenschaftsbetrieb so stark geprägt, dass in der Soziologie von einer naturwissenschaftlichen und technischen Gesellschaft gesprochen wird.

Teilgebiete der Naturwissenschaften, die heute in den Medien die öffentliche Meinung prägen, sind vor allem Umweltwissenschaften, Physik, Chemie und Biologie.

Einordnung als Wissenschaft und Abgrenzung

Nach klassischer Auffassung können die Naturwissenschaften neben den Geisteswissenschaften und den Sozialwissenschaften eingeordnet werden. Aufgrund der Entstehung einer Vielfalt von neuen Wissenschaftszweigen in der Moderne herrscht über eine allgemeine Klassifizierung der Einzelwissenschaften kein Konsens. Die Einordnung erweist sich vor allem aufgrund vieler Überschneidungen verschiedener Wissenschaftsgebiete als sehr schwierig. Die Naturwissenschaften gehören zu den empirischen Wissenschaften und zeichnen sich vor allem durch ihren Forschungsgegenstand – die belebte und unbelebte Materie – sowie ihren mathematischen Zugang aus, weshalb sie oft als exakte Wissenschaften bezeichnet werden. Die Mathematik ist ebenfalls eine exakte Wissenschaft, umfasst aber mit ihrer Untersuchung von abstrakten Strukturen sowohl Bereiche der Geisteswissenschaften als auch der Naturwissenschaften. Aus diesem Grund wird sie oft neben der Informatik den Strukturwissenschaften zugeordnet.

Naturwissenschaftliche Forschung beschäftigt sich vor allem mit Fragestellungen, die durch Untersuchung von gesetzmäßigen Zusammenhängen in der Natur beantwortet werden können. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der Beschreibung des Vorgangs selbst und nicht etwa bei einer Sinnfindung. Vereinfacht kann es mit der Frage nach dem Wie anstatt des Wozu dargestellt werden. Die Fragestellung Warum gibt es Regen? findet nicht etwa mit Damit Pflanzen wachsen können ihre Erklärung, sondern wird objektiv beantwortet: Weil Wasser verdunstet, aufsteigt, sich in Wolken sammelt und schließlich kondensiert, was zum Niederschlag führt. Die Naturwissenschaft beantwortet also in erster Linie keine teleologischen (nach dem Zweck oder Ziel ausgerichteten) Fragen, sondern führt die untersuchten Vorgänge auf Naturgesetze oder auf schon bekannte Sachverhalte zurück. Insoweit dies gelingt, wird der Naturwissenschaft nicht nur ein beschreibender, sondern auch ein erklärender Charakter beigemessen.

Geschichte der Naturwissenschaft

Naturphilosophie der Antike

Naturwissenschaftliche Erkenntnis nahm einerseits in der handwerklichen und technischen Betätigung und andererseits in der geistigen Überlieferung der gelehrten Tradition des Menschen ihren Anfang. Naturbeobachtungen altertümlicher Kulturen – insbesondere in der Astronomie – brachten oft zwar zutreffende quantitative und qualitative Aussage hervor, wurden aber vorwiegend – wie etwa in der Astrologie – mythologisch gedeutet. Entscheidende Forstschritte brachte die griechische Naturphilosophie mit der Entwicklung einer Methodik, die sich an der Philosophie und der Mathematik orientierte. Die wahrnehmbare Welt dachte man sich wie etwa in der Vier-Elemente-Lehre als Zusammensetzung der „Elemente“ Feuer, Luft, Wasser und Erde und beschreib verschiedene Umwandlungsprozesse. Auch die Vorstellung von kleinsten, unteilbaren Teilchen (Atomismus), aus denen die ganze Welt zusammengesetzt sei, wurde entwickelt. Schon lang bekannte periodische Bewegungen der Himmelskörper wurden geometrisch interpretiert und die Vorstellung eines Weltensystems entwickelt, in dem sich die Sonne, der Mond und die damals bekannten Planeten auf Kreisbahnen um die ruhende Erde in der Mitte bewegten (geozentrisches Weltbild). Die Kugelgestalt der Erde wurde vermutet und spätestens von Aristoteles stichhaltig begründet, das Zustandekommen von Sonnen- und Mondfinsternissen erklärt, relative Abstände von Erde, Sonne und Mond abgeschätzt und sogar durch eine Winkelmessung und geometrische Überlegungen der Erdumfang recht genau bestimmt.

Im Römischen Reich wurden die intellektuellen Errungenschaften der griechischen Kultur zum größten Teil übernommen, gingen aber mit dem Zerfall des Reiches im 5. Jhd. n. Chr. zum größten Teil verloren. Im mittelalterlichen Europa konnten sich die Naturwissenschaften unter dem Primat der Theologie und der Philosophie sowohl in der christlichen als auch in der islamischen Welt nur langsam und im Rahmen der weltanschaulichen Prämissen entwickeln.

Kopernikanische Wende und naturwissenschaftliche Revolution

Erst im Zuge der Renaissance, die verschiedene geistesgeschichtliche Veränderungen mit sich brachte, trat wieder ein größeres Interesse an der Naturbeobachtung auf. Durch die Annäherung der Wissenschaft an die handwerkliche Tradition in der empirischen Methode wurden auf sämtlichen Gebieten neue Erkenntnisse gemacht. Die gegenseitige Wechselwirkung von Alchemie und Medizin bereicherte beide Disziplinen in der Entwicklung zu empirischen Wissenschaften. Das Experiment als Ausgangspunkt der Naturforschung begann sich mit Francis Bacon und Galileo Galilei durchzusetzen. Besonders die Korrektur des alten Julianischen Kalenders und die Navigation in der Schifffahrt erforderte eine intensive Betätigung in der Astronomie. Nikolaus Kopernikus entwickelte ausgehend von einer Bewegung der Erde um die Sonne ein vereinfachtes, mathematisches Modell, das die von der Erde kompliziert erscheinenden Himmelsbahnen der Planeten erklärte und gegenüber dem ptolemäischen System eine leichtere Berechnung der Positionen ermöglichte. Dieses neue Weltsystem setzte sich jedoch gegenüber dem geozentrischen Weltbild erst durch, nachdem Johannes Kepler aus genauen Messungen von Tycho Brahe elliptische Umlaufbahnen der Erde und der anderen Planeten feststellte und Isaac Newton diese durch sein Gravitationsgesetz theoretisch bestätigen konnte. Für diese revolutionären Entdeckungen des 16. und 17.Jahrhunderts wurde der Begriff der kopernikanischen Wende geprägt. In derselben Zeitperiode setzen Wissenschaftshistoriker auch die naturwissenschaftliche Revolution als Wegbereiter für die moderne Naturwissenschaft an.

Moderne Naturwissenschaft

Über eine präzise Definition und den zeitlichen Beginn der modernen Naturwissenschaft sind sich Fachleute nicht einig. Oft wird in Überschneidung mit der naturwissenschaftlichen Revolution als zeitlicher Rahmen etwa das 17.Jahrhundert für den Beginn der modernen Naturwissenschaft angegeben. Als wichtige Merkmale werden professionalisierter Wissenschaftsbetrieb, die Entwicklung und Anwendung naturwissenschaftlicher Methodik und später die Herausbildung von Fachbereichen durch Spezialisierung angesehen.

Mit der Gründung von naturwissenschaftlichen Gesellschaften, Akademien und neuen Universitäten begann die Etablierung einer eigenständigen wissenschaftlichen Tradition in Europa. In Frankreich widmeten sich Gelehrte – beeinflusst durch Descartes' rationalistischer Philosophie – der theoretischen Beschreibung von Naturphänomenen unter Betonung der deduktiven Methode. In England dagegen galt das Interesse aufgrund Bacons Einfluss der empirischen Methode, weshalb man sich durch das Experiment vermehrt technischen Herausforderungen stellte. Dies wird auch als einer der Gründe angesehen, warum die Industrielle Revolution in der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts ihren Anfang in England nahm. Zahlreiche bahnbrechende Entdeckung und Erfindungen leiteten einen unverkennbaren gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Wandel ein, der sich in den folgenden Jahrzehnten auf das europäische Festland und Amerika ausbreitete.

Mit der starken Zunahme an Wissen seit dem 18. Jahrhundert konnte schrittweise ein Grundverständnis über den Aufbau der empirisch zugänglichen Welt erarbeitet werden, was eine Einteilung der Naturwissenschaften in Fachbereiche wie Biologie, Chemie, Geologie und Physik möglich machte. Obwohl sich Unterschiede in der Methodik der Fachrichtungen entwickelten, beeinflussten und ergänzten sie sich gegenseitig. Die in der Biologie untersuchten Stoffwechselprozesse konnten beispielsweite durch die organische Chemie erklärt und näher erforscht werden. Des Weiteren lieferten moderne Atomtheorien der Physik Erklärungen zum Aufbau der Atome und trugen so in der Chemie zu einem besseren Verständnis der Eigenschaften von Elementen und chemischen Bindungen bei. Darüber hinaus entwickelten sich Fachbereiche wie Medizin, Agrar- oder Ingenieurwissenschaften, die Anwendungsmöglichkeiten für das theoretische Wissen erarbeiteten.

In der ersten Hälfte des 20.Jahrhunderts erlebte die Physik einen bemerkenswerten Umbruch, der gravierende Folgen für das Selbstverständnis der Naturwissenschaft haben sollte. Mit der Begründung der Quantentheorie stellten Max Planck und Albert Einstein fest, dass Energie – besonders auch in Lichtwellen – nur in diskreten Größen vorkommt, also gequantelt ist. Des Weiteren entwickelte Einstein die spezielle (1905) und die allgemeine Relativitätstheorie (1915), die zu einem neuen Verständnis von Raum, Zeit, Gravitation, Energie und Materie führte. Eine weitere Umwälzung markiert die in den 1920er und 30er Jahren begründete Quantenmechanik, die bei der Beschreibung von Objekten auf atomarer Ebene markante Unterschiede zur klassischen Vorstellung der Atome aufweist. Dort stellte man fest, dass bestimmte Eigenschaften von Teilchen nicht gleichzeitig beliebig genau gemessen werden können (Heisenbergsche Unschärferelation) und beispielsweise Elektronen eines Atoms nicht genau lokalisiert, sondern nur in gewissen Wahrscheinlichkeiten über ihren Aufenthaltsort beschrieben werden können. Diese Entdeckungen entziehen sich größtenteils der menschlichen Anschauung, entfalten aber ihre große Aussagekraft in ihrer mathematischen Formulierung und sind für zahlreiche Anwendungen der modernen Technik von großer Bedeutung.

Im Zweiten Weltkrieg und in der Zeit des Kalten Kriegs wurde naturwissenschaftliche Forschung – insbesondere die Nukleartechnik – stark forciert, weil sie Voraussetzung für eine technische und militärische Überlegenheit der Großmächte war. Seit dem hat sich für den massiven Ausbau von Forschungseinrichtungen der Begriff der Großforschung etabliert.

Methoden

Die Methoden der Naturwissenschaften, sowie ihre Voraussetzungen und Ziele, werden in der Wissenschaftstheorie erarbeitet und diskutiert. Sie basieren hauptsächlich auf Mathematik, Logik und Erkenntnistheorie, aber auch auf kulturell geprägten methodischen und ontologischen Vorannahmen , die Gegenstand naturphilosophischer Reflexion sind.

Metaphysische und erkenntnistheoretische Prämissen

Die Zielsetzung der Naturwissenschaften – die Erforschung der Natur – setzt als metaphysische Grundannahme voraus, dass die Natur existiert, und dass natürliche Vorgänge gesetzmäßig ablaufen. Weiterhin gehen Naturwissenschaftler von der erkenntnistheoretischen Prämisse aus, dass die systematische Generierung von Wissen über die Natur innerhalb bestimmter Grenzen möglich ist. Zu der Frage, wo genau diese Grenzen liegen, gibt es verschiedene Standpunkte, deren gängigste Varianten grob in zwei Gruppen aufgeteilt werden können, die empiristische Position und die Position des wissenschaftlichen Realismus. Empiristen gehen davon aus, dass sich die Möglichkeit wissenschaftlicher Erkenntnis auf empirische Beobachtungen beschränkt. Theorien bzw. Modelle ermöglichen hingegen dem Empirismus zufolge keine Aussagen über die Natur. Eine mit dieser Auffassung verbundene Schwierigkeit ist die Abgrenzung zwischen empirischer Beobachtung und theoretischen Aussagen, da die meisten Beobachtungen in den Naturwissenschaften indirekt sind. Beispielsweise sind elektrische Felder, Atome, Quasare oder DNA-Moleküle nicht direkt beobachtbar, vielmehr lassen sich die Eigenschaften dieser Objekte nur unter Anwendung komplexer experimenteller Hilfsmittel ableiten, wobei der theoretischen Interpretation der gemessenen Daten eine unverzichtbare Rolle zukommt.

Wissenschaftliche Realisten vertreten hingegen den Standpunkt, dass wissenschaftliche Theorien bzw. die aus Theorien abgeleiteten Modelle eine zwar idealisierte, aber doch näherungsweise zutreffende Beschreibung der Realität zulassen. Demnach existieren beispielsweise DNA-Moleküle wirklich, und die gegenwärtigen Theorien zur Vererbung sind näherungsweise korrekt, was jedoch zukünftige Erweiterungen oder auch partielle Änderungen dieser Theorien nicht ausschließt. Wissenschaftliche Realisten betrachten ihre Aussagen also als das am besten abgesicherte verfügbare Wissen über die Natur, erheben aber nicht den Anspruch auf die Formulierung uneingeschränkt gültiger und letzter Wahrheiten. Manche Kritiker des wissenschaftlichen Realismus - einflussreich war hier insbesondere die Positivismus-Bewegung des beginnenden 20. Jahrhunderts - lehnen jegliche Metaphysik als spekulativ ab. Andere Kritiker weisen auf spezifische erkenntnistheoretische Probleme des wissenschaftlichen Realismus hin, darunter insbesondere das Problem der Unterbestimmtheit von Theorien.

Empirie und Experiment

Um objektive Erkenntnisse über das Verhalten der Natur zu gewinnen, werden entweder Versuche durchgeführt oder schon stattfindende Prozesse in der Natur intensiv beobachtet und dokumentiert. Bei einem Experiment wird ein Vorgang oft unter künstlich erzeugten Bedingungen im Labor durchgeführt und mit Hilfe verschiedener Messvorrichtungen quantitativ analysiert. In der Feldforschung werden dagegen natürlich ablaufende Prozesse empirisch untersucht oder stichprobenartige Befragungen erhoben. Das Experiment oder die Naturbeobachtung kann überall auf der Welt ort- und zeitunabhängig – sofern sie unter gleichen, relevanten Bedingungen durchgeführt wird – wiederholt werden und muss im Rahmen der Messgenauigkeit zu gleichen Ergebnissen führen (Reproduzierbarkeit). Der empirische Ansatz ist vor allem seit seiner theoretischen Beschreibung durch Francis Bacon und der praktischen Anwendung durch Galileo Galilei ein wichtiger Pfeiler der Wissenschaftstheorie und garantiert, dass Forschungsergebnisse unabhängig überprüft werden können und so dem Anspruch auf Objektivität gerecht werden.

Oft widersprechen empirische Tatsachen der alltäglichen Erfahrung. Beispielsweise scheinen leichte Gegenstände wie ein Blatt Papier immer langsamer zu Boden zu fallen als schwere wie etwa ein Stück Metall. So vertrat Aristoteles die Auffassung, dass jeder physikalische Körper seinen natürlichen Ort habe, den er zu erreichen suche. Schwere Körper würden fallen, weil ihr natürlicher Platz unten sei. Er nahm an, dass jeder Körper mit gleichbleibender Geschwindigkeit fällt, die von seiner Masse abhängt. Galilei fragte jedoch nicht zuerst nach dem Grund des Falls, sondern untersuchte den Vorgang selbst, indem er die Fallzeit, die Fallhöhe und die Geschwindigkeit verschiedener Körper erfasste und ins Verhältnis setzte. So stelle er unter anderem fest, dass die Fallzeit nicht von der Masse der Körpers – wie früher vermutet – sondern von seiner Form und damit von der auftretenden Luftreibung abhängt. Lässt man also ein Tischtennisball und eine genauso große Bleikugel aus derselben Höhe fallen, stellt man im Gegensatz zu einer intuitiven Vermutung fest, dass beide zur selben Zeit auf dem Boden ankommen.

Die Aussagekraft des Experiments hängt von verschiedenen Faktoren ab. Bei Verwendung eines Messgeräts muss seine Genauigkeit bekannt sein, um überhaupt einschätzen zu können, wie zuverlässig die damit gemessenen Daten sind (Reliabilität). Auch das ganze Experimentkonzept muss auf seine Validität geprüft und die Ergebnisse oft mit statistischen Verfahren ausgewertet werden, um zu entscheiden, ob das Ergebnis tatsächlich einen Sachverhalt rechtfertigen kann. Schon Galilei war sich der Ungenauigkeit seiner Instrumente und der damit verbundenen Messunsicherheit bewusst. Aus diesem Grund verbesserte er seine Messungen, indem er die zum freien Fall analoge Bewegung auf der schiefen Ebene untersuchte.

Induktion

Bei Anwendung der Induktionsmethode wird aus der Untersuchung eines Phänomens auf eine allgemeine Erkenntnis geschlossen. Die empirischen Daten werden ausgewertet und auf allgemein beschreibbare Vorgänge untersucht. Liegen quantitative Messergebnisse vor, wird nach mathematischen Zusammenhängen der gemessenen Größen gesucht. Im obigen Beispiel des freien Falls fand Galilei eine lineare Beziehung zwischen der Zeit und der erreichten Geschwindigkeit des fallenden Körpers, die in der konstanten Erdbeschleunigung ihren Ausdruck findet.

Obwohl die induktive Folgerung in der Naturwissenschaft oft angewendet wird, ist sie in der Wissenschaftstheorie umstritten (Induktionsproblem). Schon Galileo waren Schwierigkeiten des Ansatzes bekannt. David Hume legte ausführlich dar, dass für die Rechtfertigung eines allgemeinen Gesetzes Erfahrung alleine nicht ausreiche. Es wäre beispielsweise fatal, aus der Wachstumsgeschwindigkeit eines Kindes auf dessen Größe im Erwachsenenalter schließen zu wollen. Deswegen wurden (etwa von Rudolf Carnap) Versuche unternommen, die Aussagekraft von induktiven Schlüssen abzuschwächen, indem man ihrer Gültigkeit einen Wahrscheinlichkeitswert beigemessen hat, der aufgrund empirischer Erfahrung bestehen soll. Auch solche Ansätze werden von Vertretern des kritischen Rationalismus wie Karl Popper abgelehnt, da sie sich entweder auf A-Priori-Annahmen stützen oder in ihrer Argumentation zum unendlichen Regress führen und das ursprüngliche Induktionsproblem nicht lösen.

Deduktion

Die Methode der Deduktion bezeichnet eine logische Schlussfolgerung aus einer als wahr angenommenen Hypothese. Wird eine bestimmte Gesetzmäßigkeit in der Natur vermutet, können aus dieser deduktiv verschiedene Aussagen hergeleitet und wiederum empirisch überprüft werden. Wieder kann dieser Prozess am freien Fall veranschaulicht werden. Aus der Vermutung, dass die Geschwindigkeit des fallenden Körpers direkt proportional zu seiner Fallzeit ist, kann man mathematisch folgern, dass die zurückgelegte Strecke des Körpers quadratisch mit der Zeit zunimmt. Diese Schlussfolgerung kann nun experimentell überprüft werden und erweist sich als richtig, wobei sich die angenommene Hypothese bewährt. Anschaulich wird das Ergebnis in einer Reihe von periodisch erfolgten Momentaufnahmen eines fallenden Gegenstands. Der Körper legt mit jeder Aufnahme jeweils eine längere Strecke zurück, was die Hypothese einer konstanten Fallgeschwindigkeit von Aristoteles anschaulich widerlegt.

Eine weitere Beobachtung ist, dass leichte Körper mit einer großen Oberfläche wie etwa eine Feder viel langsamer fallen. Es stellt sich die Vermutung auf, dass diese Tatsache auf die Luftreibung zurückzuführen ist. Um dies deduktiv zu überprüfen, lässt sich ein Fallexperiment in einem evakuierten Glaszylinder durchführen, was Robert Boyle 1659 gelang. Er demonstrierte, dass beliebige Körper unterschiedlicher Masse, etwa eine Feder und ein Stein, im Vakuum beim Fall aus gleicher Höhe gleichzeitig den Boden erreichten.

Es gibt verschiedene Methoden, um Schlussfolgerungen deduktiv aus schon bekannten Daten oder Gesetzen zu ziehen. Wichtig sind auch Modelle, die angeben, wie zuverlässig diese sind. Wenn aus bestimmten Gründen das Verhalten eines Systems in einem Bereich nicht untersucht werden kann, aber trotzdem Aussagen für die Entwicklung des Systems mit Hilfe von bekannten Gesetzmäßigkeiten getroffen werden, wird von Extrapolation gesprochen. So lassen sich beispielsweise Wahlergebnisse schon vor der Wahl abschätzen (Hochrechnung), indem man aus stichprobenartigen Befragungen relativ repräsentative Werte erhält. Wird hingegen eine Aussage über den Zustand eines Systems getroffen, der nicht direkt untersucht wurde, aber im Bereich des schon bekannten Verhaltens des Systems liegt, spricht man von Interpolation. Gewinnt man deduktiv eine Aussage über ein Ereignis, das in der Zukunft stattfinden soll, so spricht man auch von der Vorhersagbarkeit. Ein solches Beispiel ist die Berechnung der Daten und Uhrzeiten von Mond- und Sonnenfinsternissen aus den Bewegungsgleichungen der Himmelskörper.

Verifikation und Falsifikation

Im Gegensatz zur Mathematik können Aussagen, Gesetze oder Theorien in der Naturwissenschaft nicht endgültig bewiesen werden. Stattdessen spricht man im Falle eines positiven Tests von einem Nachweis. Wenn eine Aussage oder Theorie durch viele Befunde untermauert wird und keine Belege für das Gegenteil existieren, gilt sie als wahr. Sie kann jedoch jederzeit widerlegt (Falsifikation) oder in ihrem Gültigkeitsbereich eingeschränkt werden, wenn neue Forschungsergebnisse entsprechende Resultate vorweisen können. Ob eine Theorie verifizierbar d. h. endgültig als wahr befunden werden kann, wird in der Wissenschaftstheorie kontrovers diskutiert. Karl Popper führt in seinem Werk Logik der Forschung ein bekanntes Beispiel an, um die Möglichkeit der Verifizierung von Theorien kritisch zu veranschaulichen. Die Hypothese Alle Schwäne sind weiß soll verifiziert werden. Vertreter des logischen Empirismus würden die Richtigkeit der Aussage aus der empirischen Tatsache folgern, dass alle ihnen bekannten Schwäne weiß seien. Nun haben sie aber nicht alle existierenden Schwäne gesehen und kennen ihre Anzahl auch nicht. Deswegen können sie weder davon ausgehen, dass die Hypothese wahr sei, noch Aussagen über die Wahrscheinlichkeit ihrer Richtigkeit treffen. Die Ursache des Problems der Verifizierung liege also ursprünglich bereits in dem Induktionsschritt Viele uns bekannte Schwäne sind weiß Alle Schwäne sind weiß. Aus diesem Grund lehnt Popper die Verifizierbarkeit einer Theorie als unwissenschaftlich ab. Theorien sollen stattdessen nie als endgültig angesehen, sondern immer hinterfragt werden, wobei sie sich entweder bewährt halten oder zuletzt doch falsifiziert werden.

Reduktion

Sind mehrere Gesetzmäßigkeiten über Vorgänge in der Natur bekannt, kann angenommen werden, dass sie voneinander abhängig sind, beispielsweise eine gemeinsame Ursache haben und damit auf ein allgemeines Prinzip reduziert werden können. Durch dieses Vorgehen kann eine wachsende Anzahl an Sachverhalten auf einfache Mechanismen oder Gesetze zurückgeführt werden. Eine beeindruckende Reduktion gelang Isaac Newton mit der Formulierung seines Gravitationsgesetzes. Zwei Körper üben auf sich gegenseitig eine Kraft aus, die von ihren Massen und ihrem Abstand abhängt. Die Schwerkraft, die den Fall eines Steines auf den Boden bewirkt, kann also mit genau demselben Gesetz beschrieben werden, wie die Anziehungskraft zwischen Sonne und Erde. Viele andere Beobachtungen, wie etwa das von Newton als erstes richtig erklärte Phänomen der Gezeiten, sind ebenfalls auf das Gravitationsgesetz zurückzuführen. Seither hat sich die Reduktion bewährt und ist vor allem für die Physik von großer Bedeutung geworden. Bis zu welchen Grenzen und in welchen Wissenschaften diese Methode angewandt werden darf ist allerdings umstritten.

In der Wissenschaftsphilosophie wird der Reduktionismus als Wissenschaftsprogramm kontrovers diskutiert. Vereinfacht dargestellt geht es um die Frage, ob sich schließlich alle Wissenschaften auf eine grundlegende Wissenschaft – etwa die Physik – reduzieren lassen. Befürworter des konsequenten Reduktionismus wie etwa viele Vertreter des Physikalismus argumentieren, dass sich das Bewusstsein des Menschen vollständig durch die Neurobiologie beschreiben lasse, die wiederum von der Biochemie erklärt werden könne. Die Biochemie lasse sich dann schließlich auf die Physik reduzieren, wobei in Endeffekt der Mensch als komplexes Lebewesen vollständig aus der Summe seiner Einzelteile und deren Wechselwirkung erklärt werden könne. Kritiker äußern ihre Bedenken auf verschiedenen Ebenen dieses logischen Konstrukts. Ein starker Einwand ist das Auftreten von Emergenz, d. h. die Entstehung von Eigenschaften eines Systems, die dessen Komponenten nicht aufweisen. Mit dieser und verwandten Fragestellungen beschäftigt sich die Philosophie des Geistes.

Mathematische Beschreibung

Trotz vorhandener mathematischer Kenntnisse wurden lange Zeit keine Gesetze in mathematischer Formulierung in der Natur erkannt, weil sich die systematische Untersuchung mit Hilfe des Experiments nicht durchsetzten konnte. Man war bis zum Ende des Mittelalters davon überzeugt, dass eine Grundbeobachtung ausreiche, um dann durch reines Nachdenken das Wesen der Natur zu verstehen. Mit dieser Denkweise konnte man aber kaum quantitative Aussagen über die Natur treffen. Man wusste beispielsweise, dass tendenziell leichte Materiale wie Holz auf dem Wasser schwimmen, wobei schwere Stoffe wie Metall sinken. Wieso aber konnte beispielsweise ein Goldbecher, der ja aus einem Schwermetall besteht, mit der Öffnung nach oben auf der Wasseroberfläche schwimmen? Schon Archimedes entdeckte das nach ihm benannte Archimedische Prinzip, das er mathematisch formulieren konnte, welches aber in Vergessenheit geriet. Es besagt, dass auf jeden Körper im Wasser eine Auftriebskraft wirkt, die genau so groß ist, wie die Gewichtskraft des vom Körper verdrängten Wassers. Solange also der Goldbecher eine Wassermenge verdrängt, die schwerer ist, als der Becher selbst, schwimmt dieser an der Oberfläche. Dieses Prinzip lässt sich auf jede beliebige Flüssigkeit und jeden Stoff verallgemeinern und ermöglicht präzise Berechnungen in zahlreichen Anwendungsgebieten. So erklärt es, weshalb große Schiffe mit einer Masse von Tausenden von Tonnen nicht untergehen. Die Queen Mary 2 beispielsweise verdrängt bei einer Tauchtiefe von nur knapp 10 Metern so viel Wasser, dass die resultierende Auftriebskraft ihre Gewichtskraft ihrer bis zu 150.000 Tonnen im beladenen Zustand kompensieren kann, was rein intuitiv unglaublich erscheint.

Vor allem seit dem 17. Jahrhundert hat sich die mathematische Beschreibung der Natur als exakteste Methode der Naturwissenschaft entwickelt. Manche mathematische Methoden wurden speziell für die Anwendung entwickelt, andere waren in der Mathematik schon lange bekannt, bevor sich ein Anwendungsgebiet erschloss. Immanuel Kant betrachtete die Mathematik in seinen Überlegungen zu den Naturwissenschaften als Grundstruktur und Inhalt der Naturlehre:

„Ich behaupte aber, daß in jeder besonderen Naturlehre nur so viel eigentliche Wissenschaft angetroffen werden könne, als darin Mathematik anzutreffen ist.“

– Immanuel Kant: Metaphysische Anfangsgründe der Naturwissenschaft, A VIII – (1786)

Obwohl die Mathematik nicht hauptsächlich den Naturwissenschaften, sondern den Struktur- und manchmal den Geisteswissenschaften zugeordnet wird, ist sie in den Ingenieur- und Naturwissenschaften das mächtigste Instrument zur Beschreibung der Natur und Bestandteil der meisten Modelle. Aus diesem Grund wird sie oft als Sprache der Naturwissenschaft bezeichnet.

Hypothesen– und Theoriebildung

Wird einer Aussage über einen Naturprozess oder einer ihrer Eigenschaften Gültigkeit unterstellt, so bezeichnet man diese als Hypothese, solange noch keine empirischen Belege für die Richtigkeit vorhanden sind. Hypothesen werden meist als Vermutungen aufgestellt und diskutiert, um ihre Plausibilität aus verschiedenen Betrachtungsweisen zu prüfen und gegebenenfalls eine empirische Untersuchung vorzuschlagen. Wird eine Hypothese schließlich experimentell überprüft und bewährt sich, so spricht man von einer bestätigten Hypothese.

Ein System aus vielen bestätigten, allgemein anerkannten und unter sich widerspruchsfreien Aussagen wird als Theorie bezeichnet. Jede Theorie baut auf bestimmten Forderungen oder Grundsätzen auf, die auch Postulate (z. B. Einsteinsche Postulate) oder Axiome (z. B. Newtonsche Axiome) genannt werden. Man geht davon aus, dass diese durch kein weiteres, allgemeineres Prinzip hergeleitet werden können. Eine aussagekräftige Theorie zeichnet sich vor allem durch die Beschreibung und Erklärung von möglichst vielen Naturbeobachtungen durch eine stark reduzierte Anzahl solcher fundamentalen Forderungen aus. Sehr gut belegte und zentrale Aussagen einer bewährten Theorie werden vor allem in der Physik als Naturgesetze bezeichnet. Diese sind größtenteils mathematisch formuliert und beinhalten sogenannte Naturkonstanten – wichtige Messwerte, die sich räumlich und zeitlich nicht verändern. Da die Theorie ein komplexes Konstrukt einerseits mathematisch-logischer Strukturen sowie andererseits empirisch verifizierter Sachverhalte ist und selbst aus mehreren, in sich konsistenten Theorien bestehen kann, spricht man oft von einem Theoriegebäude.

Die Wissenschaftsgemeinde befindet sich in einem umfangreichen, dynamischen Prozess, in dem empirische Daten gesammelt, ausgewertet, diskutiert, interpretiert und aus gewonnenen Erkenntnissen Theorien entwickelt werden. Dabei werden bestehende Theorien immer wieder neu in Frage gestellt, durch neue experimentelle Befunde überprüft, angepasst oder bei großen Mängeln verworfen und schließlich durch bessere Theorien abgelöst.

Die Astronomie (altgriechisch ἄστρον ástron ‚Stern‘ und νόμος nómos ‚Gesetz‘) untersucht durch systematische Beobachtung (beobachtende Astronomie) von Himmelskörpern wie Planeten, Sterne oder Galaxien den Aufbau und die Entwicklung des Universums. Als eine der ältesten Wissenschaften beschäftigt und fasziniert sie den Naturwissenschaftler wie auch den Laien bis heute. Für ein Verständnis der Abläufe des Himmels greift sie hauptsächlich auf Erkenntnisse der Physik und Methoden der Mathematik zurück. Ihre technische Anwendung ermöglichte im 20. Jahrhundert die Raumfahrt. In ihrer Vielseitigkeit grenzt sie aber auch an philosophische Fragestellungen nach dem Ursprung und der Zukunft des Universums im Teilbereich der Kosmologie.

Die Geowissenschaften (altgriechisch γῆ gé ‚Erde‘) befassen sich mit der Entstehung, der Entwicklung und der heutigen Gestalt der Erde. Die Geodäsie ermöglichte die Abbildung der Erdoberfläche und die Erfassung von wichtigen Daten für Geoinformationssysteme, die heute zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten haben. Darüber hinaus erforscht die Wirtschaftsgeologie die Vorkommen von Naturressourcen und Möglichkeiten ihres Abbaus. Weitere Teilbereiche der Geowissenschaften machen nicht nur die im Alltag bekannten Anwendungen wie die Wettervorhersage möglich, sondern erforschen Vorgänge in der Plattentektonik und der Erdatmosphäre, um Frühwarnsysteme zu entwickeln, die präventive Maßnahmen bei bevorstehenden Naturkatastrophen ermöglichen sollen. Dabei wird oft auf Erkenntnisse der Physik und der Chemie zurückgegriffen.

Die Biologie (altgriechisch βίος bíos ‚Leben‘ und λόγος lógos ‚Lehre‘) und im weiteren Sinne die Biowissenschaften befassen sich mit lebenden Organismen sowie abiotischen Faktoren, die vorhandenes Leben bedingen und beeinflussen. Im Fachbereich der Ökologie werden Vorgänge im Tier- und Pflanzenreichreich und ihre Beziehung zur Umwelt untersucht. Aufbau und Funktion des lebenden Organismus werden in der Physiologie auf verschiedenen Ebenen erforscht. Die Zell- und Molekularbiologie verwendet chemische und physikalische Gesetzmäßigkeiten, um die grundlegenden Prozesse des Stoffwechsels zu beschreiben. Andererseits formuliert sie übergreifende Gesetzmäßigkeiten wie die Entwicklung des Lebens in der Evolutionsbiologie.

Die Chemie (altgriechisch χημεία chemeia ‚[Kunst der Metall]Gießerei‘) erforscht ausgehend von den Elementen und ihren chemischen Bindungen den Aufbau, die Eigenschaften sowie Umwandlungen von chemischen Stoffen. In der organischen Chemie werden kohlenstoffhaltige Verbindungen untersucht, die in lebenden Organismen eine wichtige Rolle spielen. Die Anorganische Chemie befasst sich dagegen mit kohlenstofffreien Verbindungen oder Elementen wie Metallen oder Salzen. Zu einer tiefergehenden Erklärung der Verbindungen werden Modelle des Atoms und der Elektronenhülle aus der Physik verwendet.

Die Physik (altgriechisch φυσική physikē ‚Naturforschung‘) ist die grundlegendste der Naturwissenschaften und untersucht allgemein Vorgänge von Materie und Energie in Raum und Zeit. Sie beschreibt die Dynamik von starren Körpern, Flüssigkeiten, Strömungen, Wärme und elektromagnetischen Phänomenen, indem sie sämtliche Beobachtungen auf mikroskopische Eigenschaften der Atome oder Elementarteilchen zurückführt. Die Experimentalphysik spezialisiert sich auf die Realisierung und Durchführung von Versuchen und schafft eine empirische Basis für das Verständnis physikalischer Vorgänge. Ergänzend dazu werden in der theoretischen Physik mathematische Modelle und Formalismen entwickelt, um eine präzise und vereinheitlichte Beschreibung der elementarsten Naturprozesse zu ermöglichen. Auf diese Weise schafft die Physik die Grundlage für viele angewandte und interdisziplinäre Wissenschaften.

Interdisziplinäre Fachbereiche

Mechanismen in der Natur sind oft so komplex, dass ihre Untersuchung ein fächerübergreifendes Wissen erfordert. Mit zunehmender Spezialisierung gewinnt die Kompetenz, verschiedene Fachbereiche effektiv miteinander zu verbinden mehr an Bedeutung. So entstehen interdisziplinäre Forschungsbereiche, für die mit der Zeit auch gesonderte Studiengänge angeboten werden. Neben dem klassischen, interdisziplinären Bereich der Biochemie haben sich in den letzten Jahrzehnten weitere fächerübergreifende Richtungen ausgebildet, die sich intensiv mit biologischen Prozessen auseinandersetzen. So werden in der Biophysik die Struktur und Funktion von Nervenzellen, Biomembranen sowie der Energiehaushalt der Zelle und viele andere Vorgänge untersucht, indem physikalische Verfahren und Nachweistechniken zum Einsatz kommen. Die Bioinformatik beschäftigt sich unter anderem mit der Aufbereitung und Speicherung von Information in biologischen Datenbanken, deren Analyse sowie der 3D-Simulation von biologischen Prozessen.

Ein weiteres interdisziplinäres Forschungsfeld wird in der Umweltwissenschaft erschlossen. Die Auswirkungen menschlicher Bewirtschaftung auf die Umwelt werden in einem breit gefächerten Kontext untersucht, der von der Umweltphysik und –chemie bis hin zur Umweltpsychologie und –soziologie reicht. In der Umweltmedizin werden Folgen für den physischen und geistigen Gesundheitszustand des Menschen im Zusammenhang mit der Umwelt erforscht, wobei nicht nur lokale Faktoren wie Wohn- und Arbeitsort, sonder auch globale Einflüsse wie Erderwärmung und Globalisierung berücksichtigt werden. Mit der Umweltbewegung hat das öffentliche Interesse dieser Studien zugenommen und fordert durch ihre politische Einflussnahme höhere Maßstäbe im Umweltrecht. Die Umweltingenieurwissenschaften entwickeln unter Berücksichtigung der Erkenntnisse dieser Teildisziplinen neue Konzepte zur Verbesserung der Infrastruktur bei gleichzeitiger Entlastung der Umwelt.

Angewandte Naturwissenschaften

Von der reinen Erforschung der Natur bis zur wirtschaftlichen Nutzung der Erkenntnisse wird ein langer Weg beschritten, der mit viel Aufwand verbunden ist. Unternehmen haben oft nicht die finanziellen Mittel und Ressourcen, um neue Forschungsgebiete zu erkunden, insbesondere wenn sie nicht wissen können, ob sich in der Zukunft für ihren Fachbereich eine Anwendung findet. Um diese Entwicklung zu beschleunigen, widmen sich die angewandten Naturwissenschaften einer Überbrückung von Grundlagenforschung und wirtschaftlicher Umsetzung in der Praxis. Besonders die Fachhochschulen in Deutschland legen Wert auf eine anwendungsorientierte Ausbildung von Akademikern und tragen des Öfteren die Bezeichnungen Hochschule für Angewandte Wissenschaften (HAW) oder University of Applied Sciences.

Eine weit reichende und an der Anwendung orientierte Wissenschaft ist die Medizin. Sie ist interdisziplinär und spezialisiert sich auf Diagnose und Therapie von Krankheiten, wobei sie Grundlagen von Physik, Chemie und Biologie verwendet. In der medizinischen Physik werden beispielsweise Geräte sowie Diagnose- und Therapietechniken wie Röntgendiagnostik, verschiedene Tomographieverfahren oder Strahlentherapien entwickelt. Starke Anwendung findet die Biochemie in der Pharmakologie und Pharmazie, die sich hauptsächlich mit der Entwicklung, Herstellung und Wirkung von Arzneimitteln auseinandersetzen. Die Agrarwissenschaften übertragen vor allem Kenntnisse der Geographie, Biologie und Chemie beim Anbau von Pflanzen und der Haltung von Tieren in die Praxis. In Überschneidung mit den Ingenieurwissenschaften gibt es zahlreiche Fachgebiete wie Materialwissenschaften, Halbleiter- und Energietechnik. Ein ungewöhnlicher Ansatz wird in der Bionik, einer Kombination von Biologie und Technik, verfolgt. Bei der Untersuchung von biologischen Strukturen und Prozessen wird dabei gezielt nach Möglichkeiten technischer Anwendung gesucht. So entdeckte man bei der Untersuchung der Lotospflanze, dass Wassertropfen auf ihrer Blattoberfläche abperlen und dabei gleichzeitig auch Schmutzpartikel entfernen (Lotuseffekt). Durch Nachahmung der Oberflächenstruktur konnte man wasserabweisende und selbstreinigende Beschichtungen und Materiale herstellen.

Einfluss auf Kultur und Gesellschaft

Der naturwissenschaftliche Fortschritt hat sowohl auf die Weltanschauung als auch auf praktisch jeden Bereich des alltäglichen Lebens Einfluss genommen. Unterschiedlich Denkrichtungen führten zu positiven und auch kritischen Bewertungen der gesellschaftlichen Folgen dieses Fortschritts. C. P. Snow postulierte 1959 die These der Zwei Kulturen. Dabei stehen die Naturwissenschaften den Geisteswissenschaften und den Sozialwissenschaften gegenüber, die durch schwer überwindbare Hindernisse voneinander getrennt sind. Allerdings gilt diese These heute als überholt, da sich durch die Aufwertung der Interdisziplinarität und des Pluralismus viele Zwischenbereiche gebildet haben.

Schule, Studium und Beruf

Die Vermittlung von naturwissenschaftlichen Kenntnissen in Schulen, Hochschulen und anderen Bildungsanstalten ist eine wichtige Voraussetzung für die Weiterentwicklung des Landes. In Deutschland wird schon in der Grundschule im Heimat- und Sachunterricht ein vereinfachtes Bild der Natur vermittelt und mit geschichtlichen und sozialen Inhalten in Verbindung gebracht. Nach dem gegliederten Schulsystem in der Sekundarstufe werden in Deutschland verschiedene Schulen besucht, deren Lehrpläne sich je nach Bundesland unterscheiden. In der Hauptschule wird neben der elementaren Mathematik meistens eine Synthese von Physik, Chemie und Biologie als ein Fach gelehrt (z. B. PCB in Bayern). Hier steht vor allem die praktische Anwendung im Ausbildungsberuf im Mittelpunkt. In weiterführenden Schulen wie den Gymnasien oder Realschulen werden Naturwissenschaften in eigenständigen Pflicht- und Wahlpflichtfächern wie Biologie, Chemie, Physik, Astronomie, Erdkunde und Informatik unterrichtet. Dazu werden im Fach Mathematik über das Grundwissen der Arithmetik und Geometrie hinaus Teilgebiete wie Trigonometrie, lineare Algebra, Stochastik sowie die Differential- und Integralrechnung behandelt, um den Schülern kreatives und problemlösendes Denken zu vermitteln und sie so auf das Studium einer Wissenschaft vorzubereiten.

Nach dem Erlangen der Hochschulreife (Abitur, Fachabitur) kann das Studium an der Universität oder Fachhochschule begonnen werden, wobei es je nach Studiengang weitere Voraussetzungen wie Numerus clausus, Motivationsschreiben oder Eignungstests gibt. Im Laufe des Studiums werden wesentliche Inhalte in Vorlesungen und Seminaren vermittelt, die dann in Tutorien und im Selbststudium vertieft und in verschiedenen Prüfungen abgefragt werden. Durch fachbezogene Praktika soll eine anwendungsorientierte Erfahrung vermittelt werden. Wird der Studiengang erfolgreich durchlaufen, erfolgt die Verleihung eines akademischen Grades (z. B. Bachelor, Master, Diplom, Staatsexamen für Lehramtsstudierende, etc.) an den Absolventen. Das Studium kann nach einem guten Abschluss weiter durch eine Promotion vertieft werden. Durch die Habilitation wird dem Akademiker die Lehrbefähigung in seinem wissenschaftlichen Fach erteilt.

Von den 361 697 Absolventen im Jahr 2010 an 386 Hochschulen in Deutschland legten 63 497 (17,6 %) ihre Abschlussprüfungen im mathematisch-naturwissenschaftlichen Bereich ab. Weitere 59 249 (16,4 %) beendeten ihr Studium erfolgreich im Bereich der Ingenieurwissenschaften. Der Frauenanteil unter den Absolventen im Bereich Mathematik und Naturwissenschaft lag bei 41,0 % und in den Ingenieurwissenschaften bei 22,2 %.

Das Berufsfeld des Naturwissenschaftlers ist sehr vielseitig. Er arbeitet in der Lehre an Hochschulen und Schulen, an Forschungseinrichtungen, für Unternehmen bei der Entwicklung von Produkten und Verfahren und oft als Unternehmensberater. Für Naturwissenschaftler bietet Deutschland mit zahlreichen Einrichtungen, Gesellschaften und Stiftungen gute Standortfaktoren, die auch international wahrgenommen werden. Dazu zählen insbesondere die Helmholtz-Gemeinschaft, die Max-Planck-Gesellschaft, die Fraunhofer-Gesellschaft sowie die Leibniz-Gemeinschaft. Die Staatsausgaben für Forschung und Entwicklung in wissenschaftlichen Einrichtungen des öffentlichen Sektors betrugen im Jahr 2009 gerundet 12,7 Mrd. Euro. Davon wurden 4,67 Mrd. Euro (36,7 %) für den mathematisch-naturwissenschaftlichen Bereich und 3,20 Mrd. Euro (25,2 %) für das Ingenieurwesen ausgegeben.

Naturwissenschaft und Ethik

Die Naturwissenschaften selbst treffen keine weltanschaulichen oder moralischen Aussagen. Jedoch wachsen mit der Zunahme an Wissen die Möglichkeiten, wissenschaftliche Erkenntnisse für ethisch fragwürdige Zwecke zu missbrauchen. An den beiden Weltkriegen ist zum ersten Mal das Ausmaß von verantwortungslosem Missbrauch des technischen Fortschritts klar geworden. Nach der Entdeckung der Kernenergie wurden verstärkt Massenvernichtungswaffen gebaut und am Ende des Zweiten Weltkriegs eingesetzt. Im Kontext des Wettrüstens ist besonders die Frage nach der Verantwortung des Wissenschaftlers für die Konsequenzen seiner Forschung in öffentliches Interesse getreten. In wie weit darf die Naturwissenschaft der Menschheit Wissen in die Hände geben, mit dem sie nicht oder noch nicht umgehen kann? Dürfen Technologien genutzt werden, deren potentielle Risiken noch nicht gut bekannt sind und deswegen der Gesellschaft schaden könnten? Heute werden vor allem folgende Fragen in den Medien kontrovers diskutiert:

Ist die Kernenergie sicher und effizient zu friedlichen Zwecken nutzbar?

Wie weit darf man bei der Embryonenforschung gehen? : Embryonenschutzgesetz

Inwiefern sind Tierversuche zu rechtfertigen?

Wie kann man Tier- und Pflanzenarten vor dem Aussterben schützen?

Wie kann der Schaden durch die Umweltverschmutzung kompensiert werden, um das ökologische Gleichgewicht der Erde nicht zu gefährden?

Naturwissenschaft und Religion

Mit dem Aufkommen der philosophischen Strömungen des Naturalismus, Materialismus und deren Einfluss auf die Wissenschaftstheorie entstanden immer mehr Konfliktfelder zwischen Naturwissenschaft und Religion. Beide beanspruchten für sich, wahre Aussagen über die Welt zu treffen, die Religion aus der Offenbarung und die Naturwissenschaften durch das Experiment. Eine wichtige Forderung des logischen Empirismus ist eine konsequente Ablehnung aller metaphysischen oder transzendenten Konzepte mit der Folgerung, dass die ganze existente Welt nur aus Materie und Energie bestehe. Dies impliziert im Zusammenhang mit dem Reduktionismus, dass auch der Mensch in seinem Individuum nur ein Produkt aus Atomen ist, dessen Bewusstsein, Gedanken, Gefühle und Handeln durch chemische und physikalische Wechselwirkungen in seinem Gehirn zustande kommen. Folglich sei sein Glaube an einen Gott nur eine Projektion seines Bewusstseins und sein freier Wille, an den die Religion appelliert, eine Illusion. Solche Positionen wurden vor allem im 19. Jahrhundert von Anhängern des Positivismus und Physikalismus vertreten und in einigen Disziplinen wie der Religionsphilosophie, Erkenntnistheorie und den Sozialwissenschaften diskutiert.

Nach den neuen Erkenntnissen der Quantenmechanik zur Kausalität in atomarem Bereich mussten entscheidende Grundannahmen der Wissenschaftstheorie überarbeitet und neu formuliert werden. Die Vorstellung, dass die Welt unbeeinflussbar und in allen Details wie ein großes Uhrwerk nach strengen Naturgesetzen funktioniert (Determinismus) hat sich als unhaltbar erwiesen. Damit wurde auch der Anspruch der Naturwissenschaft, eine endgültige, objektive Wahrheit über die Welt liefern zu können, stark in Frage gestellt.

Heute wird unter vielen Wissenschaftlern und Theologen die Auffassung geteilt, dass Naturwissenschaft und Religion sich nicht in einem antagonistischen (widerstreitenden), sondern einem komplementärem (ergänzendem) Sinn gegenüberstehen. Dabei wird ihr Gegensatz aufgehoben, indem beide Betrachtungsweisen verschiedenen Teilen der Realität zugeordnet werden, einer subjektiven von innen und einer objektiven von außen. Dabei finden beide ihre Berechtigung und eine objektive Entscheidung, welche dieser Betrachtungsweisen nun die „wichtigere“ sei, ist grundsätzlich nicht möglich, weil jede Argumentation auf Fragen der Weltanschauung basiert.

Einfluss auf die Literatur

Der Naturforscher wird in der Literatur mit der Rezeption des Fauststoffes zu einem beliebten Thema. In Goethes Faust I wird der historische Johann Georg Faust als ein nach Erkenntnis strebender und sich aus religiöser Bevormundung befreiender, Intellektueller dargestellt, der jedoch an seine Grenzen stößt und so einen Teufelspakt schließt. Fortschreitende Entwicklung der Naturwissenschaft nimmt auf das philosophische Weltbild Einfluss und schlägt sich auch in der Literatur des Realismus nieder. Die Darstellung der Handlung konzentriert sich auf die äußere Welt und findet eine objektive, aber künstlerische Beschreibung. Weiterhin erfolgen auch kritische Auseinandersetzungen mit der Idee der Naturbeherrschung und deren gesellschaftlichen Folgen, die sich etwa in der industriellen Revolution manifestieren. In der Postmoderne werden Fortschritt und Vernunft stark in Frage gestellt und Denkrichtungen des Pluralismus und Relativismus beschritten. Der Zufall erlangt in vielen Werken zentrale Bedeutung. In Max Frischs Roman Homo Faber wird der Protagonist Walter Faber, ein Ingenieur mit technisch-rationaler Weltanschauung in seinem geordneten Lebensablauf vom Schicksal eingeholt. Durch eine Reihe zufälliger Ereignisse, die stark mit seiner Vergangenheit zusammenhängen, geht er eine Liebesbeziehung mit seiner eigenen Tochter ein, von deren Geburt er nichts wusste. Auf einer gemeinsamen Reise stirbt sie an den Folgen einer Kopfverletzung. Einige Zeit drauf wird bei Faber Magenkrebs diagnostiziert. Vor der Operation, deren Ausgang offen ist, reflektiert er über sein verfehltes Leben.

Ein bedeutendes Werk, das vom Kalten Krieg geprägt die Verantwortung des Naturwissenschaftlers im Atomzeitalter behandelt, ist die Tragikomödie Die Physiker des Schweizer Schriftstellers Friedrich Dürrenmatt. Der geniale Physiker Johann Wilhelm Möbius stellt bei seiner revolutionären Entdeckung der Weltenformel fest, dass deren Anwendung der Menschheit Mittel verleihen würde, die schließlich zu ihrer endgültigen Vernichtung führen könnten. Aus diesem Grund verlässt er seine Familie und gibt sich in einem Irrenhaus als Geisteskranker aus. Das Drama nimmt seine schlimmstmögliche Wendung, als sich am Ende herausstellt, dass die verrückte Chefärztin Möbius‘ Manuskripte kopiert hat und mit Hilfe der Formel die Weltherrschaft erlangen will. Dürrenmatt räumt in seinen 21 Punkten zu den Physikern dem Zufall wieder eine entscheidende Stellung ein: „Je planmäßiger die Menschen vorgehen, desto wirksamer vermag sie der Zufall zu treffen.“ Der internationale Erfolg des Werks führte zur verstärkten Auseinandersetzungen mit der Thematik in den Medien. Ein bekanntes Werk, das den Naturwissenschaftler historisch im Kontext der Gesellschaft darstellt, ist Leben des Galilei von Bertolt Brecht.

Eindrücklich ist der Einfluss der Naturwissenschaft in dem Genre der Science-Fiction zu erkennen. Zukünftige Welten mit weit entwickelter Technologie und radikal anderem Setting sind Merkmale zahlreicher Werke der Hoch- und Unterhaltungsliteratur. Der Naturwissenschaftler als Literarische Figur ist auch in der Gegenwartsliteratur sehr beliebt. Die naturwissenschaftliche Forschung selbst wird von Wissenschaftsjournalisten, Buchautoren und Bloggern in einer einfachen Sprache der Öffentlichkeit zugänglich gemacht (Populärwissenschaftliche Literatur).

Film und Fernsehen

Populärwissenschaftliche Sendungen wie etwa Meilensteine der Naturwissenschaft und Technik oder alpha-Centauri erfreuen sich bei Interessierten einer zunehmenden Beliebtheit. Dort werden wissenschaftliche Themenbereiche in einer für Laien nachvollziehbaren Darstellung vermittelt, die das Interesse wecken und zur weiteren Auseinandersetzung anregen soll. In Filmen und Serien ist die Naturwissenschaft noch weit über das Science-Fiction Genre ein beliebtes Motiv. In der US-amerikanischen Krimiserie Numbers – Die Logik des Verbrechens löst Charlie Eppes, ein Mathe-Genie in beratender Funktion für das FBI Verbrechen auf, indem er mathematisch-naturwissenschaftliche Methoden anwendet. In vielen Darstellungen nimmt so der geniale Wissenschaftler mit seinen besonderen Fähigkeiten die Rolle eines alternativen Helden ein. Der Konflikt zwischen persönlicher Identität und sozialer Rolle wird in dem Film Good Will Hunting thematisiert. Will Hunting ist ein Genie, der in sozial schwachem Milieu in einer Pflegefamilie aufgewachsen ist, einige Vorstrafen hat und sich mit Gelegenheitsjobs durchschlägt. Nachdem ein Professor seine Begabung entdeckt, stehen ihm alle Wege offen. Er kann jedoch seinen Identitätskonflikt nicht bewältigen, bis ein Psychologe sich seiner annimmt. Eine weitere Darstellung ist die im Film A Beautiful Mind – Genie und Wahnsinn verarbeitete, auf Fakten basierte Lebensgeschichte des bekannten Mathematikers John Nash. Als Außenseiter verfällt er in Schizophrenie und glaubt aufgrund seiner Tätigkeit als Codeknacker von Agenten verfolgt zu werden. Stereotypisch für den Naturwissenschaftler ist oft die fehlende Sozialkompetenz, die entweder zu tragischen Folgen führt oder etwa in Komödien zur Unterhaltung eingesetzt wird. So wird in der Sitcom The Big Bang Theory das Leben zweier junger Physiker und ihrer Nachbarin, die als Kellnerin arbeitet, in Kontrast gesetzt. Die Physiker zeichnen sich ganz klischeehaft durch ihre seltsamen Witze, Diskussionen, Kleidungsstil und andere Eigenarten aus und werden oft als Nerds oder Geeks bezeichnet. Manchmal erkennen sie die offensichtlichsten Zusammenhänge nicht oder missverstehen Redewendungen und Sarkasmus, was ins Lächerliche gezogen wird. Wenn sie mit ihren Freunden und der Nachbarin Penny etwas unternehmen, scheinen zwei verschiedene Welten amüsant aufeinander zu treffen. Die Charaktere werden stark karikiert, wobei sich jedes Vorurteil zu bestätigen scheint.

Literatur

Naturwissenschaft allgemein und Nachschlagewerke

Der Brockhaus Naturwissenschaft und Technik. ISBN 3-7653-1060-3.

Thomas Dickert: Naturwissenschaften und Forschungsfreiheit. Duncker & Humblot, Berlin 1991, ISBN 3-428-07081-X.

Tonke Dennebaum: Urknall, Evolution – Schöpfung: Glaube contra Wissenschaft?. Echter, 2008, ISBN 3-429-03034-X.

Hans Küng: Der Anfang aller Dinge: Naturwissenschaft und Religion. 3. Auflage. Piper, 2008, ISBN 978-1-59102-652-5.

Thomas S. Kuhn: Die Struktur wissenschaftlicher Revolutionen. Suhrkamp, Frankfurt/M. 2003 (stw; 25), ISBN 3-518-27625-5

Peter Mittelstaedt u.a. (Hrsg.): Was sind und warum gelten Naturgesetze? Klostermann, Frankfurt/M. 2000 (Philosophia naturalis; Bd. 37,2) ISBN 3-465-03118-0,

Karl Popper: Objektive Erkenntnis. Hoffmann und Campe, 1998, ISBN 3-455-10306-5.

Karl Popper: Logik der Forschung. Mohr Siebeck, 2005, ISBN 3-16-148410-X.

Karl-Heinz Schlote (Hrsg.): Chronologie der Naturwissenschaften Der Weg der Mathematik und der Naturwissenschaften von den Anfängen in das 21. Jahrhundert. Verlag Harri Deutsch, 2002, ISBN 978-3-8171-1610-2.

Erwin Schrödinger: Was ist ein Naturgesetz? Beiträge zum naturwissenschaftlichen Weltbild, Oldenbourg, München 1997, ISBN 3-486-46275-X (Scientia Nova).

C. F. v. Weizsäcker: Die Tragweite der Wissenschaft. Stuttgart 1990, ISBN 3-7776-1401-7.

C. F. v. Weizsäcker: Zeit und Wissen. Hanser, München 1992, ISBN 3-446-16367-0.

Zeitschriften

bild der wissenschaft

Nature

Philosophia naturalis. Archiv für Naturphilosophie und die philosophischen Grenzgebiete der exakten Wissenschaften und Wissenschaftsgeschichte, Klostermann, Frankfurt/M. 1. (1950/52) ff.

Science

Spektrum der Wissenschaft

Populärwissenschaftlich

Paul Davies, John Gribbin: Auf dem Weg zur Weltformel. Superstrings, Chaos, Complexity – und was dann?. Byblos, 1993 (Originaltitel: The Matter Myth).

Stephen Hawking: Eine kurze Geschichte der Zeit. Rowohlt, 1991 (Originaltitel: A brief history of time), ISBN 3-499-60555-4.

Harald Lesch: Über Gott, den Urknall und den Anfang des Lebens. GALILA Verlag, 2009. ISBN 978-3-902533-20-3

Essay zur wissenschaftlichen Methode

Max-Wissen der Max-Planck-Gesellschaft

Universum

Universum

Das Hubble Ultra Deep Field: ein sehr tiefer Blick ins Universum Physikalische Eigenschaften (bezogen auf das beobachtbare Universum) Ausdehnung > ca. 78 Mrd. LjMasse (sichtbar)

ca. 1053 kgMittlere Dichte

ca. 4,7 • 10−30 g/cm3Alter ca. 13,75 Mrd. Jahre Galaxien

ca. 100 Mrd.

Temperatur Hintergrundstrahlung 2,7 KAls Universum (von lateinisch universus „gesamt“, von unus und versus „in eins gekehrt“) wird allgemein die Gesamtheit aller Dinge bezeichnet. Im Speziellen meint man damit den Weltraum (veraltet auch Weltenraum), auch Weltall oder Kosmos (von griechisch κόσμος kósmos „(Welt-)Ordnung“, „Schmuck“, „Anstand“; das Gegenstück zum Chaos) und bezeichnet die Welt bzw. das Weltall sowohl als das sichtbare Universum, als auch als geordnetes, harmonisches Ganzes.

Weltall und Weltraum – Abgrenzung

Der Ausdruck Universum wurde im 17. Jahrhundert von Philipp von Zesen durch den Ausdruck Weltall eingedeutscht. Obwohl der Begriff Universum alles, also auch Sterne und Planeten und damit auch die Erde einschließt, wird mit Weltraum oft nur der Raum außerhalb der Erdatmosphäre bezeichnet. Da der Übergang von der Erdatmosphäre zum Weltraum fließend ist, existieren mehrere festgelegte Grenzen. International am gebräuchlichsten ist die Definition der Fédération Aéronautique Internationale, nach der der Weltraum in einer Höhe von 100 Kilometern beginnt (Kármán-Linie). Dort ist die Geschwindigkeit, die benötigt wird, um Auftrieb zum Fliegen zu erhalten, gerade genauso hoch, wie die Umlaufgeschwindigkeit eines Raumflugkörpers, der durch die Schwerkraft der Erde auf einer Kreisbahn gehalten wird. Nach der Definition der NASA und der US Air Force beginnt der Weltraum bereits in einer Höhe von etwa 80 Kilometern (50 Meilen) über dem Boden. Eine völkerrechtlich verbindliche Höhengrenze gibt es nicht.

Allgemeines

Die heute allgemein anerkannte Theorie zur Beschreibung der großräumigen Struktur des Universums ist die allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein. Auch die Quantenphysik hat wichtige Beiträge zum Verständnis speziell des frühen Universums geliefert, in dem die Dichte und Temperatur sehr hoch waren und viele Prozesse unter Beteiligung von Elementarteilchen abliefen (Astroteilchenphysik). Wahrscheinlich wird ein erweitertes Verständnis des Universums erst erreicht, wenn die Physik eine Theorie entwirft, die die allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenphysik vereint. Diese wird T.O.E. (Theory Of Everything), G.U.T. (Grand Unified Theory) oder auch Weltformel genannt. In dieser Theorie der Quantengravitation sollen die vier Grundkräfte der Physik (elektromagnetische Kraft, Gravitation, starke und schwache Kernkraft) einheitlich erklärt werden. Schon Albert Einstein hat sich viele Jahre um die Aufstellung einer solchen allumfassenden Theorie bemüht – ohne Erfolg. Zudem waren in seinem Konzept die starke und schwache Wechselwirkung nicht enthalten, so dass seine Suche nach der Weltformel auch von daher – weil unvollständig – zum Scheitern verurteilt war. Erst in den 1960er Jahren standen die mathematischen Voraussetzungen für die Entwicklung einer Vereinigungstheorie zur Verfügung, womit die Suche der Physiker nach diesem großen einheitlichen Bild der Welt begann.

Die Kosmologie, ein Teilgebiet sowohl der Physik als auch der heutigen Philosophie der Naturwissenschaften, befasst sich mit dem Studium des Universums und versucht Eigenschaften des Universums wie beispielsweise die Frage nach der Feinabstimmung der Naturkonstanten zu beantworten.

Alter und Zusammensetzung

Die klassische und heute weithin anerkannte Urknalltheorie geht davon aus, dass das Universum in einem bestimmten Augenblick, dem Urknall (engl. Big Bang), aus einer Singularität heraus entstand und sich seitdem ausdehnt (siehe Expansion des Universums). Allerdings bleibt in diesem Modell offen, was vor dem Urknall war und wodurch er verursacht wurde. Zeit, Raum und Materie sind jedoch gemäß der Urknalltheorie erst mit dem Urknall entstanden. Dadurch wird der Frage nach dem „davor“ die Grundlage entzogen, denn einen Raum, in dem etwas hätte stattfinden können, gab es vor dem Urknall (per Definition) nicht. Hinzu kommt, dass ein Zeitpunkt vor dem Urknall rein physikalisch auch nicht definierbar ist. Da die naturwissenschaftlichen Gesetze für die extremen Bedingungen während der ersten etwa 10−43 Sekunden (Planck-Zeit) nach dem Urknall nicht bekannt sind, beschreibt die Theorie den eigentlichen Vorgang strenggenommen überhaupt nicht. Erst nach Ablauf dieser Planck-Zeit können die weiteren Abläufe physikalisch nachvollzogen werden. So lässt sich dem frühen Universum z. B. eine Temperatur von 1,4 • 1032 K (Planck-Temperatur) zuordnen.

Das Alter des Universums ist aufgrund von Präzisionsmessungen durch das Hubble-Weltraumteleskop mithilfe von Gravitationslinsen mit 13,75 Milliarden Jahren relativ genau berechenbar. Das Universum ist maximal 170 Millionen Jahre älter oder 150 Millionen Jahre jünger als dieser Wert. Eine frühere Ermittlung des Alters durch den Satelliten WMAP ergab das etwas ungenauere Ergebnis von 13,7 Milliarden Jahren.

Das Alter kann auch durch Extrapolation von der momentanen Expansionsgeschwindigkeit des Universums auf den Zeitpunkt, an dem das Universum in einem Punkt komprimiert war, berechnet werden. Diese Berechnung hängt aber stark von der Zusammensetzung des Universums ab, da Materie bzw. Energie durch Gravitation die Expansion verlangsamen. Die bisher nur indirekt nachgewiesene Dunkle Energie kann die Expansion allerdings auch beschleunigen. So können verschiedene Annahmen über die Zusammensetzung des Universums zu verschiedenen Altersangaben führen. Durch das Alter der ältesten Sterne kann eine untere Grenze für das Alter des Universums angegeben werden. Im aktuellen Standardmodell stimmen beide Methoden sehr gut überein.

Sämtliche Berechnungen für das Alter des Universums setzen voraus, dass der Urknall tatsächlich als zeitlicher Beginn des Universums betrachtet werden kann, was wegen Unkenntnis der physikalischen Gesetze für den Zustand unmittelbar nach Beginn des Urknalls nicht gesichert ist. Zwar kann ein statisches Universum, das unendlich alt und unendlich groß ist, ausgeschlossen werden, nicht jedoch ein dynamisches unendlich großes Weltall. Dieses wird unter anderem durch die beobachtete Expansion des Weltalls begründet. Des Weiteren wies schon der Astronom Heinrich Wilhelm Olbers darauf hin, dass bei unendlicher Ausdehnung und unendlichem Alter eines statischen Universums der Nachthimmel hell leuchten müsste (Olberssches Paradoxon), da jeder Blick, den man gen Himmel richtet, automatisch auf einen Stern fallen müsste. Ist das Universum allerdings unendlich groß, hat aber nur ein endliches Alter, so hat uns das Licht von bestimmten Sternen einfach noch nicht erreicht.

Im intergalaktischen Raum (Galaxie) beträgt die Materiedichte etwa ein Wasserstoff-Atom pro Kubikmeter, innerhalb von Galaxien ist sie jedoch wesentlich höher. Desgleichen ist der Raum von Feldern und Strahlung durchsetzt. Die Temperatur der Hintergrundstrahlung beträgt derzeit 2,7 Kelvin (also etwa −270 °C). Sie entstand 380.000 Jahre nach dem Urknall und wird auch als Geburtsschrei unseres Universums bezeichnet. Das Universum besteht nur zu einem kleinen Teil aus uns bekannter Materie und Energie (4 %), von der wiederum nur 10 % Licht aussendet und dadurch sichtbar ist; den größten Teil macht eine, durch eine Vielzahl von Beobachtungen indirekt nachgewiesene, aber bis heute weitgehend unverstandene „dunkle Materie“ (23 %) und die „dunkle Energie“ (73 %) aus, die für die beschleunigte Expansion verantwortlich ist. Auf die dunkle Energie wurde aus den Daten von weit entfernten Supernovaexplosionen geschlossen, ihre Existenz wird durch Satelliten wie COBE und WMAP und Ballonexperimente wie BOOMERANG sowie Gravitationslinseneffekte und die Galaxienverteilung im Universum bestätigt. Die Gesamtmasse des sichtbaren Universums liegt zwischen 8,5 • 1052 und 1053 kg. Arthur Eddington vermutete bereits 1938, dass es genau 136 • 2256, oder ungefähr 1,57 • 1079 Protonen und Elektronen gibt, mit einer Masse von 2,64 • 1052 kg. Zu dieser Masse kommt noch die Masse der Neutronen. Man nimmt an, dass es zusätzlich Dunkle Energie gibt, die dann auch eine Masse trägt. In der Theorie wird diese durch ihre antigravitative Wirkung (Massenabstoßung) ausgezeichnet. Mit ihr versucht man zu erklären, warum es nicht zum gravitativen Kollaps kommt (siehe „Big Crunch“). Bei entsprechend hoher Anfangstemperatur und niedriger Dichteverteilung kann aber auch die kritische Expansionsgeschwindigkeit erreicht werden (siehe Fluchtgeschwindigkeit), so dass eine unendliche Ausdehnung gegen die Schwerkraft möglich wäre.

Form und Volumen

Die Anschauung könnte die Vermutung nahelegen, dass aus der Urknalltheorie eine „Kugelform“ des Universums folge; das ist jedoch nur eine von mehreren Möglichkeiten. So wurden neben einem flachen unendlichen Universum viele andere Formen vorgeschlagen. Darunter beispielsweise eine Hypertorusform, oder auch die in populärwissenschaftlichen Publikationen als „Fußballform“ und „Trompetenform“ bekannt gewordenen Formen. Einige Daten des Satelliten WMAP sprechen auch dafür, dass das Universum ein Ellipsoid ist.

Im CDM-Standardmodell (CDM von engl. Cold Dark Matter, „kalte dunkle Materie“) sowie dem aktuelleren Lambda-CDM-Standardmodell, das die gemessene Beschleunigung der Expansion des Universums berücksichtigt, ist das Universum flach, das heißt, der Raum wird durch die euklidische Geometrie beschrieben. Ein solches Universum muss nicht zwingend ein unendliches Volumen haben, da auch kompakte Topologien für den Raum möglich sind. Auf der Basis der verfügbaren Beobachtungen kann derzeit nur eine grobe untere Grenze für die Ausdehnung des Universums angegeben werden. Daten des Satelliten WMAP schließen nach Neil Cornish die meisten Beschreibungsmodelle des Universums, die einen Radius kleiner als 78 Milliarden Lichtjahre besitzen, aus. Im Lambda-CDM-Standardmodell wird daher meist eine flache Geometrie mit unendlicher Ausdehnung betrachtet.

Wichtig ist der Unterschied zwischen Unendlichkeit und Unbegrenztheit: Auch wenn das Universum ein endliches Volumen besitzen würde, so könnte es dennoch unbegrenzt sein. Leicht anschaulich lässt sich dieses Modell folgendermaßen darstellen: eine Kugeloberfläche (Sphäre) ist endlich, besitzt aber keinen Mittelpunkt und ist unbegrenzt (man kann sich auf ihr fortbewegen, ohne jemals einen Rand zu erreichen). So wie eine zweidimensionale Kugeloberfläche eine dreidimensionale Kugel umhüllt, kann man, falls das Universum nicht flach, sondern gekrümmt ist, sich den dreidimensionalen Raum als „Rand“ eines höherdimensionalen Raums vorstellen. Wohlgemerkt dient dies lediglich der Veranschaulichung, denn das Universum ist in der klassischen Kosmologie nicht in einen höherdimensionalen Raum eingebettet.

Astrophysiker Stephen Hawking fasst seine Erkenntnisse allgemeinverständlich in einer aktuellen Fernsehdokumentation zusammen: Das Universum habe 100 Milliarden Galaxien, jede von ihnen mit Millionen Sternen (und ergänzt, dass es bei diesem Volumen unwahrscheinlich sei, dass nur die Erde Lebewesen aufweise).

Zusammenhang zwischen Massendichte, lokaler Geometrie und Form

Obwohl die lokale Geometrie sehr nahe an einer flachen, euklidischen Geometrie liegt, ist auch eine sphärische oder hyperbolische Geometrie nicht ausgeschlossen. Da die lokale Geometrie mit der globalen Form (Topologie) und dem Volumen des Universums verknüpft ist, ist letztlich auch unbekannt, ob das Volumen endlich ist (mathematisch ausgedrückt: ein kompakter topologischer Raum) oder ob das Universum einen unendlichen Rauminhalt besitzt. Welche Geometrien und Formen für das Universum möglich sind, hängt gemäß den Friedmann-Gleichungen, welche die Entwicklung des Universums im Standard-Urknallmodell beschreiben, wiederum wesentlich von der Energiedichte bzw. der Massendichte im Universum ab:

Ist diese Dichte kleiner als ein bestimmter, als kritische Dichte bezeichneter Wert, so wird die globale Geometrie als hyperbolisch bezeichnet, da sie als das dreidimensionale Analogon zu einer zweidimensionalen hyperbolischen Fläche angesehen werden kann. Ein hyperbolisches Universum ist offen, d. h., ein gegebenes Volumenelement innerhalb des Universums dehnt sich immer weiter aus, ohne jemals zum Stillstand zu kommen. Das Gesamtvolumen eines hyperbolischen Universums kann sowohl unendlich als auch endlich sein.

Ist die Energiedichte exakt gleich der kritischen Dichte, ist die Geometrie des Universums flach (euklidisch). Das Gesamtvolumen eines flachen Universums ist im einfachsten Fall, wenn man einen euklidischen Raum als einfachste Topologie annimmt, unendlich. Es sind aber auch Topologien mit endlichem Rauminhalt mit einem euklidischen Universum zu vereinbaren. Beispielsweise ist ein Hypertorus als Form möglich. Auch ein flaches Universum ist wie das hyperbolische Universum offen, ein gegebenes Volumenelement dehnt sich also immer weiter aus. Seine Expansion verlangsamt sich jedoch zusehends, so dass nach unendlicher Zeit eine endliche Ausdehnung erreicht ist.

Ist die Energiedichte größer als die kritische Dichte, wird es als „sphärisch“ bezeichnet. Das Volumen eines sphärischen Universums ist endlich. Im Gegensatz zum euklidischen und zum hyperbolischen Universum kommt die Ausdehnung des Universums irgendwann zum Stillstand und kehrt sich danach um. Das Universum „stürzt“ also wieder in sich zusammen.

Gegenwärtige astronomische Beobachtungsdaten erlauben es nicht, das Universum von einem euklidischen Universum zu unterscheiden. Die bisher gemessene Energiedichte des Universums liegt also so nahe an der kritischen Dichte, dass die experimentellen Fehler es nicht ermöglichen, zwischen den drei grundlegenden Fällen zu unterscheiden.

Dunkle Energie beeinflusst weiterhin die Expansionseigenschaften des Universums. So führt ein großer Anteil von Dunkler Energie dazu, dass ein sphärisches Universum nicht in sich zusammenstürzt, oder ein flaches Universum immer weiter beschleunigt. Bestimmte Formen der Dunklen Energie können sogar dazu führen, dass das Universum lokal schneller als Lichtgeschwindigkeit expandiert und so in einem Big Rip auseinandergerissen wird, da keine Wechselwirkungen zwischen Teilchen mehr stattfinden können.

Konsequenzen eines unendlichen Raumzeitvolumens

Die Annahme eines Universums mit einem unendlichen Raumzeitvolumen wirft einige Fragen nach den erkenntnistheoretischen Konsequenzen dieser Annahme auf. Hier spielt besonders das Anthropische Prinzip eine Rolle, wie es z. B. von Brandon Carter formuliert wurde. Danach muss – in der vorsichtigsten Interpretation – zumindest die Notwendigkeit der Existenz eines Beobachters bei der Interpretation astronomischer Daten berücksichtigt werden; d. h. Beobachtungsdaten sind nicht notwendigerweise repräsentativ für das gesamte Universum.

Beispiele für Folgerungen, welche verschiedentlich daraus geschlossen wurden, sind etwa, dass ein lokal scheinbar lebensfreundliches Universum im Ganzen extrem lebensfeindlich sein kann, oder dass selbst extrem unwahrscheinliche, aber mögliche Ereignisse sich in einem solchen Universum unendlich oft ereignen müssten. In neuerer Zeit hat der Physiker Max Tegmark darauf hingewiesen, dass aus dem gegenwärtigen Standardmodell des Universums zusammen mit der Quantentheorie folge, dass im Durchschnitt alle Meter eine „Zwillingswelt“ existieren müsse. Einige der genannten Konsequenzen ergäben sich allerdings schon bei Universen mit endlichem, aber hinreichend großem Volumen.

Strukturen innerhalb des Universums

Auf der derzeit größten beobachtbaren Skala findet man Galaxienhaufen, die sich zu noch größeren Superhaufen zusammenfinden. Diese bilden wiederum fadenartige Filamente, die riesige, blasenartige, praktisch galaxienfreie Hohlräume (engl. Voids, void = leer) umspannen. Man spricht mitunter auch von der wabenartigen Struktur (engl. cosmic web) des Universums. Es ergibt sich die folgende Rangfolge von den größten zu den kleinsten Strukturen des beobachtbaren Universums:

1. Filamente und Voids (Bsp.: Große Mauer, Durchmesser: etwa 1 Mrd. Lichtjahre)

2. Superhaufen (Bsp.: Virgo-Superhaufen, Durchmesser: etwa 200 Millionen Lichtjahre)

3. Galaxienhaufen (Bsp.: Lokale Gruppe, Durchmesser: etwa 10 Millionen Lichtjahre)

4. Galaxien (Bsp.: Milchstraße, Durchmesser: etwa 100.000 Lichtjahre)

5. Sternhaufen (Kugelsternhaufen, Offene Sternhaufen, Durchmesser: dutzende bis hunderte Lj.)

6. Planetensysteme (Bsp.: Unser Sonnensystem, Durchmesser: etwa 300 AE = 41 Lichtstunden)

7. Sterne (Bsp.: Sonne, Durchmesser: 1.392.500 km)

8. Planeten (Bsp.: Erde, Durchmesser: 12.756,2 km)

9. Monde (Bsp.: Erdmond Durchmesser: 3.476 km)

10. Asteroiden, Kometen (Durchmesser: wenige Kilometer bis mehrere 100 km)

11. Meteoroiden (Durchmesser: vom Meter- bis herab zum Millimeterbereich)

12. Staubpartikel

13. Moleküle, Atome, Elementarteilchen

Anmerkung: Die Größenskalen sind stark ineinander übergehend, so existieren beispielsweise Monde, die Planeten an Größe übertreffen, Asteroiden, die wesentlich größer als manche Monde sind, usw. Tatsächlich ist die Klassifizierung von Himmelsobjekten aufgrund ihrer Größe in der Astronomie derzeit sehr umstritten, so zum Beispiel die Frage, welche Sonnentrabanten zu den Planeten gezählt werden sollen und welche nicht (Plutinos, Transneptune, usw.). Pluto, der seit seiner Entdeckung 1930 als Planet galt, wird seit dem 24. August 2006 per Definition der Internationalen Astronomischen Union (IAU) zu den Zwergplaneten gezählt.

: Astronomisches Objekt

Parallelwelt

Viele-Welten-Theorie

Position der Erde im Universum

Literatur

David Deutsch: Die Physik der Welterkenntnis. Auf dem Wege zum universellen Verstehen. Birkhäuser, Berlin 1996. ISBN 3-7643-5385-6

J. Richard Gott III u. a.: A Map of the Universe. In: Astrophysical Journal. Chicago 624.2005, 463. ISSN 0004-637X

Stephen Hawking: Eine kurze Geschichte der Zeit. rororo. Rowohlt, Reinbek 1991. ISBN 3-499-60555-4

Stephen Hawking: Das Universum in der Nussschale. Dtv, München 2003. ISBN 3-423-33090-2

Lucy und Stephen Hawking: Der geheime Schlüssel zum Universum. Kinderbuch. cbj, München 2007. ISBN 3-570-13284-6

Lisa Randall: Verborgene Universen - Eine Reise in den extradimensionalen Raum. S. Fischer, Frankfurt 2006 (3. Aufl.). ISBN 3-10-062805-5

Steven Weinberg: Die ersten drei Minuten. Piper, München 1977. ISBN 3-492-22478-4

Steven Weinberg: Der Traum von der Einheit des Universums. Bertelsmann München 1993. ISBN 3-570-02128-9

Charles H. Lineweaver, Tamara M. Davis: Der Urknall - Mythos und Wahrheit. In: Spektrum der Wissenschaft. Heidelberg 2005, 5 (Mai), S. 38–47. ISSN 0170-2971

Brian Greene: Der Stoff, aus dem der Kosmos ist. Alfred A. Knopf, New York 2004. ISBN 3-88680-738-X

Harry Nussbaumer: Das Weltbild der Astronomie. vdf Hochschulverlag, Zürich 2007 (2. Aufl.). ISBN 3-7281-3106-7

Rüdiger Vaas: Tunnel durch Raum und Zeit. Franckh-Kosmos, Stuttgart 2006 (2. Aufl.). ISBN 3-440-09360-3

Brian May, Patrick Moore, Chris Lintott: Bang! A Complete History of the Universe. Carlton Books, London 2006. ISBN 1-84442-552-5

Alex Vilenkin: Kosmische Doppelgänger, Wie es zum Urknall kam - Wie unzählige Universen entstehen. Springer, Heidelberg 2007. ISBN 3-540-73917-3

Visualisierte Karten des Universums des Sloan Digital Sky Survey Projekts

Videos

The Known Universe erstellt von dem American Museum of Natural History

Wie groß ist das Universum? aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri. Erstmalig ausgestrahlt am 6. Dez. 1998.

Wird sich das Universum wieder zusammenziehen? aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri. Erstmalig ausgestrahlt am 30. Jan. 2000.

Wie sieht die Zukunft des Universums aus? aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri. Erstmalig ausgestrahlt am 19. Aug. 2001.

Die Geschichte des Universums, Vortrag von Prof. Matthias Bartelmann vom Zentrum für Astrononmie der Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg

Astronomisches Objekt

Ein astronomisches Objekt ist ein Objekt, das von der Astronomie und der Astrophysik untersucht wird.

Astronomische Objekte umfassen Himmelskörper, Raumflugkörper, kosmologische Objekte und astronomische Elemente der Himmelsmechanik.

Himmelskörper

Himmelskörper ist eine Sammelbezeichnung für alle außerirdischen natürlichen Körper, wie Planeten, Satelliten, Asteroiden, Kometen, Meteoroiden, Sterne (z. B. die Sonne) und Sternsysteme. Im weiteren Sinne auch für alle kosmischen Objekte einschließlich der Erde.

Beobachtung im Sonnensystem Beobachtung außerhalb des Sonnensystems

Einzelobjekte Systeme Strukturen

Sonne

Exoplaneten

Planetensysteme

Nebel

1. Emissionsnebel

2. H-II-Gebiete

3. Planetarische Nebel

4. Reflexionsnebel

Planeten

1. Merkur

2. Venus

3. Erde

4. Mars

5. Jupiter

6. Saturn

7. Uranus

8. Neptun

Planemos

Doppelsternsysteme

Dunkelwolken (Dunkelnebel)

Zwergplaneten

1. Ceres

2. Pluto

3. Eris

Sterne

1. Hauptreihensterne

2. Weiße Zwerge

3. Gelbe Zwerge

4. Rote Zwerge

5. Braune Zwerge

6. Schwarze Zwerge

7. Rote Riesen

8. Blaue Riesen

9. Rote Überriesen

10. Neutronensterne

1. Pulsare

2. Magnetare

11. Liste der Sterne

Sternhaufen

Molekülwolken

Kleinkörper

1. Kometen

2. Asteroiden

3. Meteoroide

Veränderliche Sterne

1. Bedeckungsveränderliche

2. Pulsationsveränderliche

3. Eruptionsveränderliche

Halo

Globulen

Monde

Schwarze Löcher

Galaxien

Filamente und Voids

Planetenringe

Novae

1. Zwergnovae

Quasare

Kuipergürtel/

Transneptunische Objekte

1. Quaoar

2. Sedna

Supernovae

Galaxienhaufen

Oortsche Wolke

Superhaufen

Raumflugkörper

Objekte im Sinne der Raumfahrt sind Raumflugkörper. Damit sind alle Objekte gemeint, die auf technischem Wege (von der Oberfläche der Erde, anderen Himmelskörpern oder anderen Raumflugkörpern) in den Weltraum gelangen und dort nach den Gesetzen der Himmelsmechanik und egal ob mit oder ohne zusätzliche Antriebssysteme, bemannt oder unbemannt einen Flug durch das Weltall ausführen.

Satelliten

Raumsonden

Raumfahrzeug, darunter im fiktiven oder übertragenen Sinne auch Raumschiffe oder Raumkapseln

1. Raumfähren

2. Raumflugzeug

3. Raumtransporter

4. Raumanzug

Raumstationen: Saljut 1–7 (UdSSR) (1971 bis 1986, †1991), Skylab (USA) (1973–1974, †1979), Mir (UdSSR) (1986–1999, †2001), ISS (international) (ab 1998)

Einen Überblick über dieses Thema gibt: Raumfahrtmission

Kosmologische Objekte

Dies sind Objekte der Kosmologie, wie die prinzipiellen Strukturen des Universums (Filamente und Voids) und – bisher – noch hypothetische oder in ihrer Natur noch nicht hinreichend geklärte Objekte, wie Schwarze Löcher, Dunkle Materie; : Urknall, Stringtheorie.

Die Metagalaxis, auch Hypergalaxis, bezeichnet die Gesamtheit der Galaxien in einem hypothetischen Hyperraum.

Einteilung nach der Entfernung

Eine Orientierung einzelner Fachgebiete der Astronomie:

Objekte in Erdnähe:

Atmosphärische Objekte: bis zur Exosphäre (500 und 1000 km)

1. Meteore, Sternschnuppen, Boliden, Meteoriten, Low-Earth-Orbit-Satelliten

Erdorbitale Objekte: etwa bis zur Entfernung einer geostationären Umlaufbahn (ca. 36.000 km)

1. höhere Erdsatelliten, Orbitalmissionen