Newtons instabiles Universum

Bild: NASA

Von Newton zum Big Bang und der Ausdehnung des Raums

Im Jahr 1687 erschien Isaac Newtons Fundamentalwerk "Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica". Mit der ausführlichen Darlegung der Gravitationstheorie wurden zum ersten Mal die Planetenbewegungen und die Keplerschen Gesetze auf nachvollziehbare mathematische Grundlagen reduziert. Heute ist das Gravitationsgesetz Schulwissen: Die Gravitationskraft zwischen zwei Körpern ist proportional zum Produkt ihrer jeweiligen Massen und umgekehrt proportional zum Quadrat ihrer Entfernung.

Zum Gravitationsgesetz kam Newton nicht ohne Vorgänger. Kepler hat dafür einen entscheidenden Beitrag geliefert, als er u.a. postulierte, dass die Planeten elliptischen Bahnen, mit der Sonne in deren Brennpunkt, folgen. Dass unsere Sonne die Planeten durch die Wirkung einer Anziehungskraft in diese Bahnen zwingen würde, war Kepler einleuchtend. Allerdings dachte er, dass die Kraft umgekehrt proportional zum einfachen Abstand zwischen den Himmelkörpern und von "magnetischer" Art wäre.

Magnetische Fernwirkung war seit der Antike bekannt, d.h. eine ähnliche Kraft könnte Himmelkörper womöglich aneinander binden. Das war immerhin eine bessere Hypothese als Aristoteles Vorstellung der Himmelkörper als Feuer, das leichter als Erde und Wasser wäre, und deswegen am Himmel zu finden ist.

Sir Isaac Newton's eigene Erstausgabe seiner "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica" mit handschriftlichen Korrekturen. Bild: Andrew Dunn / CC-BY-2.0

Anscheinend war der Astronom Ismael Boulliau der erste, der das umgekehrte quadratische Anziehungsgesetz postulierte (im Jahr 1645). So, wie eine Lichtquelle proportional zum Quadrat der Entfernung schwächer wird, könnte eine ähnliche Regel die Anziehungskraft der Sonne auf die Planeten mit wachsendem Abstand reduzieren. Robert Hooke entwickelte diese Idee weiter und war ziemlich verbittert, als Newton, wenige Jahre später, seine eigene viel gründlichere Ausarbeitung publizierte - wobei Newton die vollständige Theorie bereits viele Jahre zuvor entwickelt hatte.

Aber mit Newtons Gravitationstheorie war ein neues Problem geboren, nämlich das der Stabilität des Universums. Anders als magnetische Kräfte, die anziehend und abstoßend wirken können, ist Gravitation eine ausschließlich anziehende Interaktion. Denkt man an das gesamte Universum, könnte diese Anziehung irgendwann zum "Verklumpen" aller Massen im All führen. Dies könnte aber evtl. durch eine gleichmäßige Verteilung der Massen im unendlichen Raum ausgeglichen werden.

Wenn aus allen Richtungen dieselbe Massenverteilung anziehend wirken würde, wäre das Universum statisch. Jedoch leider zu statisch! Eine kleine Umverteilung der Massen (und Planeten und Sterne sind ja immer in Bewegung) könnte das Gleichgewicht stören und wiederum das Verklumpen auslösen. Selbst Newton meinte in einem Brief an Richard Bentley, so eine homogene Verteilung auf Dauer zu halten. wäre so etwas, wie Tausende von Nadeln gleichzeitig auf der Spitze balancieren zu wollen.

Newton war es auch nicht klar, wie das Sonnensystem entstehen und wie es auf Dauer stabil sein konnte. Wären die Planeten ursprünglich durch die Sonne "abgefangen" worden, sollten ihre Bahnen so exzentrisch wie die der Kometen sein, dachte der Cambridge-Gelehrte. Auch die gegenseitige Anziehung der Planeten untereinander sollte die elliptischen Bahnen regelmäßig stören und das Sonnensystem ins Chaos stürzen lassen. Eine mathematische Erklärung dafür, mit dem Nachweis von stabilen Resonanzlösungen für die Planetenbewegungen im Sonnensystem, musste noch hundert Jahre auf Joseph-Louis Lagrange warten.

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