Die Natur des wissenschaftlichen Wissens

Rotverschiebung und der Doppler-Effekt

Ungefähr zur gleichen Zeit studierte ein österreichischer Physiker namens Christian Doppler Astronomie und Mathematik. Doppler wusste, dass sich Licht wie eine Welle verhielt, und begann daher darüber nachzudenken, wie die Bewegung von Sternen das von diesen Sternen emittierte Licht beeinflussen könnte. In einem 1842 veröffentlichten Artikel schlug Doppler vor, dass die beobachtete Frequenz einer Welle von der relativen Geschwindigkeit der Wellenquelle in Bezug auf den Beobachter abhängen würde, ein Phänomen, das er als „Frequenzverschiebung“ bezeichnete (Doppler, 1842). Er machte eine Analogie zu einem Schiff bei sail on the ocean und beschrieb, wie das Schiff schneller (und damit häufiger) auf Wellen auf der Wasseroberfläche treffen würde, wenn es in die Wellen segelte, als wenn es in die gleiche Richtung wie die Wellen fahren würde.

Vielleicht kennen Sie die Frequenzverschiebung, die wir ihm zu Ehren jetzt den Doppler-Effekt nennen, wenn Sie jemals Verkehrsgeräusche gehört haben, während Sie am Straßenrand standen. Die bekannte Änderung der Tonhöhe von hoch nach niedrig ist ein Beispiel für den Effekt – die tatsächliche Frequenz der emittierten Wellen ändert sich nicht, aber die Geschwindigkeit des vorbeifahrenden Fahrzeugs beeinflusst, wie schnell diese Wellen Sie erreichen. Doppler schlug vor, dass wir den gleichen Effekt auf alle sich bewegenden Sterne sehen würden: Ihre Farbe würde sich zum roten Ende des Spektrums hin verschieben, wenn sie sich von der Erde wegbewegen (Rotverschiebung genannt), und zum blauen Ende des Spektrums hin, wenn sie sich näher bewegen (Blauverschiebung genannt) (siehe Abbildung 4). Er erwartete, diese Verschiebung in Doppelsternen oder Sternpaaren sehen zu können, die sich gegenseitig umkreisen. Schließlich würde Dopplers Arbeit von 1842 mit dem Titel „Über das farbige Licht der Doppelsterne und bestimmter anderer Sterne des Himmels“ die Art und Weise verändern, wie wir das Universum betrachten. Zu dieser Zeit waren Teleskope jedoch nicht empfindlich genug, um die von ihm vorgeschlagene Verschiebung zu bestätigen.

Dopplers Ideen wurden Teil der wissenschaftlichen Literatur und auf diese Weise anderen Wissenschaftlern bekannt. In den frühen 1900er Jahren holte die Technologie schließlich Doppler ein und leistungsfähigere Teleskope konnten verwendet werden, um seine Ideen zu testen. Im September 1901 hatte ein Amerikaner namens Vesto Slipher gerade seinen Bachelor-Abschluss in Mechanik und Astronomie an der Indiana University abgeschlossen. Er bekam einen Job als temporärer Assistent am Lowell Observatory in Flagstaff, Arizona, während er seine Abschlussarbeit in Indiana fortsetzte. Kurz nach seiner Ankunft erhielt das Observatorium einen Drei-Prisma-Spektrographen, und Slipher hatte die Aufgabe, ihn am 24-Zoll-Teleskop des Observatoriums zu montieren und zu lernen, damit die Rotation der Planeten im Sonnensystem zu untersuchen. Nach einigen Monaten der Probleme und Fehlerbehebung konnte Slipher Spektrogramme von Mars, Jupiter und Saturn aufnehmen. Aber Sliphers persönliche Forschungsinteressen waren viel weiter entfernt als die Planeten des Sonnensystems. Wie Doppler interessierte er sich für das Studium der Spektren von Doppelsternen, und er begann dies in seiner Freizeit am Observatorium zu tun.Im Laufe des nächsten Jahrzehnts absolvierte Slipher einen Master-Abschluss und einen Doktortitel an der Indiana University, während er seine Arbeit am Lowell Observatory fortsetzte, um die Spektren und Dopplerverschiebung von Sternen zu messen. Insbesondere konzentrierte Slipher seine Aufmerksamkeit auf Sterne in Spiralnebeln (Abbildung 5) und erwartete, dass die Verschiebung in den Spektren der Sterne darauf hindeuten würde, dass die Galaxien, zu denen diese Sterne gehörten, rotierten. In der Tat wird ihm zugeschrieben, dass er bestimmt hat, dass sich Galaxien drehen, und er konnte die Geschwindigkeiten bestimmen, mit denen sie sich drehen. Nachdem er 1914 15 verschiedene Nebel untersucht hatte, kündigte er auf einem Treffen der American Astronomical Society im August eine merkwürdige Entdeckung an:

In der großen Mehrzahl der Fälle treten die Nebel zurück; die größten Geschwindigkeiten sind alle positiv…Das auffallende Übergewicht des positiven Vorzeichens weist auf eine allgemeine Flucht vor uns oder der Milchstraße hin.

Slipher hatte herausgefunden, dass die meisten Galaxien eine Rotverschiebung in ihrem Spektrum zeigten, was darauf hindeutet, dass sie sich alle im Weltraum von uns entfernen oder zurücktreten (Slipher, 1915). Durch Messen der Größe der Rotverschiebung konnte er die Rezessionsgeschwindigkeit oder die Geschwindigkeit bestimmen, mit der Objekte „fliehen“.“ Slipher hatte aus seinen Beobachtungen eine Interpretation gemacht, die eine neue Perspektive auf das Universum eröffnete, und als Antwort erhielt er stehende Ovationen für seine Präsentation.

Slipher setzte seine Arbeit mit Rotverschiebung und Galaxien fort und veröffentlichte 1917 eine weitere Arbeit, nachdem er nun 25 Nebel untersucht und eine Rotverschiebung in 21 von ihnen gesehen hatte. Georges Lemaître, ein belgischer Physiker und Astronom, baute auf Sliphers Arbeit auf, während er am Massachusetts Institute of Technology promovierte. Er erweiterte Sliphers Messungen auf das gesamte Universum und berechnete mathematisch, dass sich das Universum ausdehnen muss, um Sliphers Beobachtung zu erklären. Er veröffentlichte seine Ideen in einem 1927-Papier mit dem Titel „Ein homogenes Universum mit konstanter Masse und wachsendem Radius, das die Radialgeschwindigkeit extragalaktischer Nebel berücksichtigt“ (Lemaître, 1927), aber sein Papier stieß auf breite Kritik aus der wissenschaftlichen Gemeinschaft. Der englische Astronom Fred Hoyle verspottete die Arbeit und prägte den Begriff „Urknall“ -Theorie als abfälligen Spitznamen für Lemaîtres Idee. Und kein geringerer als Albert Einstein kritisierte Lemaître und schrieb ihm: „Ihre Mathematik ist korrekt, aber Ihre Physik ist abscheulich“ (Deprt, 1984).Einsteins Kritik hatte eine persönliche und kulturelle Komponente, zwei Dinge, die wir in Bezug auf ihren Einfluss auf die Wissenschaft oft übersehen. Einige Jahre zuvor hatte Einstein seine allgemeine Relativitätstheorie veröffentlicht (Einstein, 1916). Bei der Formulierung der Theorie war Einstein auf ein bedeutendes Problem gestoßen: Die Allgemeine Relativitätstheorie sagte voraus, dass sich das Universum entweder zusammenziehen oder ausdehnen musste – es erlaubte kein statisches Universum. Aber ein sich zusammenziehendes oder expandierendes Universum konnte nicht ewig sein, während ein statisches, sich nicht bewegendes Universum es konnte, und der vorherrschende kulturelle Glaube zu dieser Zeit war, dass das Universum ewig war. Einstein war stark von seinem kulturellen Umfeld beeinflusst. Als Ergebnis erfand er einen „Fudge-Faktor“, den er die kosmologische Konstante nannte, die es der Allgemeinen Relativitätstheorie ermöglichen würde, mit einem statischen Universum konsistent zu sein. Aber Wissenschaft ist keine Demokratie oder Plutokratie; es ist weder die häufigste noch die populärste Schlussfolgerung, die akzeptiert wird, sondern die Schlussfolgerung, die dem Test der Beweise im Laufe der Zeit standhält. Einsteins kosmologische Konstante wurde durch neue Beweise in Frage gestellt.