Discover Entdecke Découvrir Astronomie - Apokalypse Der Weg in die Geheimnisse des Anfangs und des Ende E-Book

Heinz Duthel

• Herausgeber: neobooks
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2018

Seitenzahl: 711

Beschreibung

Discover Entdecke Découvrir Astronomie - Apokalypse Der Weg in die Geheimnisse des Anfangs und des Ende Einleitung in astronomische Beobachtungen. Grundlagenwissen über Teleskope und dessen Bedienung. 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

Leseprobe

Discover Entdecke Découvrir

Astronomie - Apokalypse

Der Weg in die Geheimnisse des Anfangs und des Ende

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

Heinz Duthel

Copyright © 2018 Heinz Duthel

All rights reserved.

Widmung

Dr. Joachim Koch, Universitaet Regensburg

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

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.