Die Idee von Wirbel­strukturen im Universum ist nicht neu. René Descartes (1596-1650), Philosoph, Mathematiker und Natur­wissen­schaftler ent­wickelte bereits eine solche Idee. Er gilt als Begründer des modernen früh­neu­zeit­lichen Rationa­lismus und der analy­tischen Geometrie, welche die Algebra und die Geometrie mit­einander verbindet.

In seinen natur­wissen­schaft­lichen Arbeiten lehnte er das Gravita­tions­prinzip ab und plädierte mehr für die Wirbel­theorie. Newton übte aller­dings strenge Kritik an dieser Theorie, und es schien über viele Jahr­hunderte als bestätigt, dass die Newton'sche Physik diese Theorie tatsäch­lich widerlegt.^[1]

Allerdings darf man nicht über­sehen, dass Newtons Gravita­tions­gesetz durch die All­gemeine Relativi­täts­theorie (ART) erneut auf den Prüf­stand gestellt wurde. Und je aktueller unsere Forschungs­ergebnisse sind, desto mehr wackelt Newtons Physik, zumindest was die Gravi­tation angeht.

Aus diesem Grund möchten wir uns erneut dieser, für damalige Verhält­nisse spekta­kulären Idee, zuwenden. Doch so spekta­kulär ist sie in Wirk­lich­keit gar nicht, wenn man die Welt­anschau­ungen der damaligen Zeit zugrunde legt. Außer­dem kann man bei der Wirbel­theorie einen völlig neuen Denk­ansatz ver­folgen, der zu nicht minder starken Argumenten führt.

Im November 1619, kurz nachdem er in Prag die Arbeits­stätte des Astronomen Tycho Brahe (1546-1601) und in Regensburg die von Johannes Kepler (1571-1630) besichtigt hatte, ent­wickelte Descar­tes die Idee, dass es „eine universale Methode zur Erfor­schung der Wahr­heit” geben müsse.

Doch bevor wir uns mit der neu­artigen Wirbel­theorie auf Grund­lage der Wirbel­dynamik aus­einander setzen, möchten wir uns noch einmal kurz mit den kinetischen Theorien der Gravi­tation beschäf­tigen. Denn bevor die Newton'sche Physik als Erklärung Fuß fasste, gab es zahlreiche andere Ansätze.

Bei den mecha­nischen Erklä­rungen der Gravi­tation handelt es sich um Versuche, das Gravi­tations­gesetz mithilfe der einfachen mecha­nischen Phäno­mene wie Druck, Stöße und Reibung zu erklären. Auf eine Fernw­irkung, die ursprüng­lich als ein nicht zur Mechanik gehörendes Konzept galt, sollte verzichtet werden.

Diese vor allem vom 16. bis zum 19. Jahr­hundert im Zusammen­hang mit dem „Äther” ent­wickelten Theorien werden heute jedoch nicht mehr als brauch­bare Erklä­rungen der Gravi­tation angesehen. Das der­zeitige Standard­modell zur Beschreibung der Gravi­tation ist die All­gemeine Relativi­täts­theorie (ART).

Dennoch ist interessant, welche Anschau­ungen die Menschen früher vertraten.

Eines der bekanntesten^[1][2] mechanis­tischen Erklärungs­modelle basiert auf der Grund­annahme, dass man die Existenz eines Raums voraus­setzten kann. Dieser Raum ist weitest­gehend isotrop von einem aus diversen Teil­chen, die man Korpuskel nannte, durch­drungen. Alternativ könnte dieser Raum auch mit einem aus Wellen bestehenden Strahlungs­feld ausge­füllt sein. Diese bewegen sich mit konstanter, sehr hoher Geschwin­dig­keit gerad­linig in alle mög­lichen Richtungen.

Trifft ein Teil­chen auf einen Körper, über­trägt es einen Impuls auf diesen Körper. Ist nur ein Körper A vor­handen, ist dieser einem gleich­mäßigen Druck aus­gesetzt, d. h., er befindet sich auf­grund der in alle Rich­tungen wirkenden Stöße in einem Kräfte­gleich­gewicht und wird sich nicht bewegen.

Ist jedoch ein zweiter Körper B vor­handen, wirkt dieser wie ein Schirm, denn aus Richtung B wird A von weniger Teil­chen getroffen, als von der anderen Seite, wobei das Gleiche auch umge­kehrt gilt. A und B „verschatten” ein­ander und dadurch ent­steht ein Unter­druck auf den ein­ander zuge­wandten Seiten. Es ent­steht somit eine schein­bar anziehende Kraft, welche genau in Rich­tung des jeweils anderen Körpers wirkt. So die damaligen Vor­stellungen.

Abb. 1: Durchdringung, Schwächung und Proportionalität zur Masse.

Das Abstands­gesetz wurde so erklärt: Stellt man sich um einen Körper eine Kugel­ober­fläche (Sphäre) vor, die sowohl von den reflek­tierten als auch von den ein­strömenden Teil­chen durch­quert werden muss, wird ersicht­lich, dass die Größe der Sphäre propor­tional zum Quadrat der Ent­fernung zunimmt. Die Anzahl der betref­fenden Teil­chen in diesen größer werdenden Abschnitten bleibt jedoch gleich und somit sinkt deren Dichte.

Und um die Propor­tionalität zur Masse zu erreichen, wurde ange­nommen, dass die Materie größten­teils aus leerem Raum besteht und die als sehr klein ange­nommenen Teil­chen die Körper mühe­los durch­dringen können. Das heißt, die Teil­chen durch­dringen die Körper, wechsel­wirken mit allen Bestand­teilen der Materie, werden teil­weise abge­schirmt oder absor­biert und treten geschwächt wieder hinaus.

Diese Theorie wurde vor allem aus thermo­dyna­mischen Gründen abge­lehnt, denn da eine Schatten­bildung nur auf­tritt, wenn die Teil­chen oder Wellen zumindest teil­weise absorbiert werden, müsste eine enorme nicht beobachtete Erwärmung auf­treten. Ebenso wie in der Äther­wirbel­theorie ist auch hier der Wider­stand in Bewegungs­richtung ein großes Problem, das zwar dadurch gelöst werden kann, dass man sehr viel größere Geschwin­dig­keiten der Teil­chen als die des Lichts annimmt, wodurch sich aber das thermische Problem verschlimmert.^[3][4]

Aufgrund philoso­phischer Erwä­gungen erklärte René Descartes 1644, dass kein leerer Raum existieren könne und folglich müsse der Raum mit Materie erfüllt sein. Die Teile dieser Materie bewegen sich prinzipiell gerad­linig, aber da sie eng bei­einander liegen, können sie sich nicht frei bewegen, und daraus zog Descartes die Schluss­folgerung, dass alle Bewegungen im Grunde kreis- bzw. wirbel­förmig seien.^[5][6]

Abb. 2: Wirbel flüssiger Himmels­materie − allgemein als Äther bezeichnet − um Fixsterne und Planeten nach René Descartes.

Descartes machte einen Unter­schied zwischen verschie­denen Formen und Größen der Materie, wobei die aus gröberen Teil­chen bestehende Materie der kreis­förmigen Bewegung stärker wider­steht als die feinere Materie. Durch eine Art Zentri­fugal­kraft tendiert nun die feinere Materie dazu, sich immer weiter vom Zentrum zu ent­fernen. Dadurch kommt es an den äußeren Rändern der Wirbel zu einer Verdichtung dieser Materie.

Die gröbere Materie kann auf­grund ihrer Träg­heit dieser Bewegung nicht nur nicht folgen, sondern wird durch den Druck der verdich­teten, an den Außen­rändern der Wirbel befind­lichen feineren Materie in das Zentrum des Wirbels gedrückt. Dieser Druck ins Zentrum sei nach Descartes Ansicht nichts anderes als die Schwerkraft. Descartes verglich diesen Mecha­nismus flüssiger Himmels­materie^[7] mit der Tat­sache, dass wenn man in einem mit Wasser gefüllten Gefäß die Flüssig­keit in Drehung versetzt, und man kleine Stücke leichter Materie (z. B. Holz) in das Gefäß fallen lässt, sich diese in der Mitte des Gefäßes sammeln werden.^[8][9]

Den grund­legenden Prämissen Descartes folgend, entwarf Christiaan Huygens zwischen 1669 und 1690^[10] ein sehr viel genaueres Wirbel­modell bzw. die erste mathe­matisch ausge­ar­beitete Gravi­tations­theorie über­haupt. Er ging davon aus, dass sich die Äther­materie gleich­mäßig in alle Rich­tungen bewegt, jedoch an den Außen­grenzen des Wirbels zurück­geworfen wird und dort wie bei Descartes in größerer Konzen­tration bzw. Dichte auftritt. Das führte dazu, dass auch bei ihm die feinere Materie die gröbere Materie nach innen drängt. Dabei fand Huygens heraus, dass die Zentri­fugal­kraft, welche auf einen Körper wirkt, gleich der Schwere (Zentri­petal­kraft) sei.

Auch postulierte er, dass normale Materie größten­teils aus leerem Raum bestehen müsse, damit die Äther­materie diese gleich­mäßig durch­dringen kann. Er folgerte, dass sich die feine Äther­materie sehr viel schneller bewegt als die Erde rotiert. Zu dieser Zeit ent­wickelte Newton seine auf Anziehung beruhende Gravi­tations­theorie, welche Huygens aufgrund des Fehlens einer mecha­nischen Begrün­dung unzu­reichend erschien. Die Erkenntnis Newtons, dass die Schwer­kraft dem Abstands­gesetz unter­liegt, über­raschte Huygens, und er versuchte dem Rechnung zu tragen, indem er an­nahm, dass die Geschwin­dig­keit des Äthers in größerer Ent­fernung immer kleiner würde, d. h., im Grunde dem 3. Kepler'schen Gesetz gehorcht.^[11][9][12]

Newton wandte gegen die Theorie ein, dass hier der Strömungs­wider­stand in Bewegungs­richtung zu merk­lichen Abwei­chungen von den Orbits führen muss, was jedoch nicht beobachtet wird.^[13] Auch bewegen sich Monde oft in unter­schied­liche Richtungen, was gegen die Wirbel­auf­fassung spricht. Nach Horst Zehe zerstört sich auch die Huygens'sche Theorie selbst, weil eine Gravi­tations­theorie die Kepler'schen Gesetze aus dem Gravi­tations­mechanismus erklären soll und nicht voraus­setzen darf.^[14][9]

Isaac Newton nahm um 1675 an, dass Gravi­tation dadurch ent­steht, dass der Gravi­tations­äther einer Flüssig­keit ver­gleich­bar ist, die an der Ober­fläche normaler Materie konden­siert. Dadurch ent­steht ein Strom, der die umlie­genden Massen propor­tional zu 1/r² mit­reißt.^[15]

Ähn­lich wie Newton, aber mathe­matisch detail­lierter ausge­arbeitet, ging Bernhard Riemann um 1853 davon aus, dass der Gravi­tations­äther ein inkompres­sibles Fluid dar­stellt und normale Materie als „Senken” in diesem Äther auf­zufassen ist. Das heißt, Äther­materie wird von den Körpern propor­tional zu deren Massen ver­nichtet oder absorbiert und somit in eine andere Welt oder Dimension trans­feriert, sodass um jeden Körper ein Strom entsteht, der alle umliegenden Körper in Richtung Massen­zentrum mit­reißt.^[16]

Iwan Ossipowitsch Jarkowski nahm 1888 an, dass der absor­bierte Äther weder ver­nichtet noch ver­flüssigt, sondern in neue chemische Elemente umge­wandelt wird, was eine Expansion der Erde ver­ursachen soll.^[17]

Wie bei der Le-Sage-Gravitation verletzt das spur­lose Ver­schwinden von Energie in den Körpern den Energie­erhaltungs­satz, ebenso müsste ein Strömungs­widerstand in Bewegungs­richtung vor­handen sein. Auch eine Kreation von neuer Materie wird nicht beobachtet.

Im Gegen­satz zu seiner ersten Erklärung schlug Newton später (1717) einen statischen Äther vor, der in der Nähe der Himmels­körper immer dünner wird, und es ergibt sich analog zum statischen Auftrieb in Flüssig­keiten eine in Richtung der Erde wirkende Kraft. Newton gab aller­dings keinen Grund an, warum die Dichte mit dem Abstands­gesetz abnehmen sollte. Den in Flüssig­keiten üblichen Wider­stand in Bewegungs­richtung für bewegte Körper minimierte er dadurch, indem er eine extrem geringe Dichte des Gravi­tations­äthers annahm.^[18]

Wie Newton setzte Leonhard Euler um 1760 voraus, dass der Gravi­tations­äther gemäß dem Abstands­gesetz in der Nähe der Körper an Dichte verliere, jedoch auch er gab keinen Grund für diese Dichte­abnahme an. Wie Huygens, Fatio und Le Sage setzte er voraus, dass die Materie sehr feine Poren besitze, welche der Äther mühelos durch­dringen kann, um die Massen­propor­tionalität aufrecht­zuerhalten.^[19]

Wie von Newton und Euler selbst zugegeben wurde, fehlte hier eine Begrün­dung, warum die Dichte des Äthers sich über­haupt ändern sollte. James Clerk Maxwell wies darüber hinaus darauf hin, dass in diesem „hydro­statischen” Modell eine ungeheure Belastung des als starr zu definie­renden Äthers auftritt, welche ca. 3000-mal stärker sei, als der wider­stands­fähigste damals bekannte Stahl aus­halten könnte.^[20]

Robert Hooke spekulierte 1671, dass Gravi­tation mög­licher­weise dadurch ent­steht, dass die Körper Wellen erzeugen, die in alle Rich­tungen den Äther durch­eilen. Andere Körper, die mit diesen Wellen wechsel­wirken, bewegen sich darauf­hin auf die Quelle der Welle zu. Hookes sah darin eine Analogie zu der Tat­sache, dass sich kleine Objekte auf einer gestörten Wasser­ober­fläche auf das Zentrum der Störung hin bewegen.^[21]

Mathe­matisch ausge­arbeitet wurde eine ähn­liche Theorie von James Challis von 1859 bis 1876. Er errechnete, dass der eine Anziehung dann eintritt, wenn die Wellen­länge groß ist im Ver­gleich zum Abstand zwischen den gravi­tierenden Körpern. Ist die Wellen­länge klein, stoßen sich die Körper ab. Durch eine Kombi­nation dieser Effekte ver­suchte er auch alle anderen Kräfte zu erklären.^[22]

Maxwell wandte ein, dass diese stetige Neu­erzeu­gung von Wellen mit einem unend­lichen Ver­brauch von Energie einher­gehen muss, was mit dem Energie­erhaltungs­satz nicht ver­träg­lich ist.^[20] Challis selbst gab zu, auf­grund der Komplexi­tät der Prozesse nicht zu einem end­gültigen Resultat gelangt zu sein.^[21]

Hier wird z. B. von Kelvin (1871) und Carl Anton Bjerknes (1871-1880) der Äther als eine Flüssig­keit auf­gefasst, wobei normale Materie inner­halb dieser Flüssig­keit pulsieren soll. Wie bei Experi­menten in Flüssig­keiten fest­gestellt wurde, ziehen sich zwei Körper an, wenn ihre Pulsa­tionen in Phase sind, und es ergibt sich eine abstoßende Kraft, wenn ihre Pulsa­tionen nicht in Phase sind. Diese Hypothese ist unter anderem auch von George Gabriel Stokes und Woldemar Voigt unter­sucht worden.^[23]

Um die univer­selle Gravi­tation zu erklären muss ange­nommen werden, dass alle Pulsa­tionen des Universums in Phase sind, was sehr künst­lich anmutet. Auch müsste der Äther praktisch inkom­pressibel sein, um die Anziehung über eine größere Distanz hinweg zu gewähr­leisten.^[23] Und es müsste, wie Maxwell meinte, die stän­dige Neu­erzeu­gung als auch Ver­nich­tung des Äthers erklärt werden.^[20]

Aller Kritik zum Trotz werden wir im weiteren Verlauf die Wirbel­theorie in modifi­zierter Form noch­mals auf­greifen. Dieses Mal verbinden wir aller­dings die Goldenen Prinzipien, wie wir sie bereits in früheren Kapiteln abge­handelt haben mit der Wirbel­dynamik bzw. den Wirbel­strukturen. Wir werden auf verblüf­fende Ergebnisse und Gesetz­mäßig­keiten stoßen, die sich sowohl auf unser Sonnen­system als auch auf unser Universum über­tragen lassen.

Quellen

[1] Taylor (1876), Literatur
[2] Drude (1897), Literatur
[3] Maxwell (1875, Atom), Literatur
[4] Poincaré (1908), Literatur
[5] René Descartes: Prinzipien der Philosophie: Von der sichtbaren Welt, Figur 8 zu Abschnitt 23, auf die sich Descarte in vielen weiteren Abschnitten seiner Abhandlungen "Von der sichtbaren Welt" immer wieder bezieht.
[6] Siehe auch: Shmuel Sambursky: Der Weg der Physik : 2500 Jahre physikalischen Denkens Texte von Anaximander bis Pauli - Artemis Zürich / München 1975. - S. 324 im Teil der Texte von Descartes S. 311 ff.
[7] Descartes: Siehe Abschnitt 24., wo Descartes annimmt, dass nicht nur die Materie der Sonne und der Fixsterne, sondern des ganzen Himmels flüssig sei.
[8] Descartes: Siehe Abschnitt 30., wo Descartes als Beispiel einen in einem Wirbel schwimmenden Grashalm erwähnt
[9] Zehe (1980), Literatur
[10] Ch. Huygens, Traité de la lumière ..., Leyden 1690; (Engl. Übersetzung S. P. Thomson, Dover Edition, New York 1962)
[11] C. Huygens: Discours de la Cause de la Pesanteur (1690). In: Société Hollandaise des Sciences (Hrsg.): Oeuvres complètes de Christiaan Huygens. Band 21. Den Haag 1944, S. 443-488.
[12] Van Lunteren (2002), Literatur
[13] Isaac Newton: über die Gravitation ... .: Texte zu den philosophischen Grundlagen der klassischen Mechanik; Text lateinisch-deutsch, übers. und erl. von Gernot Böhme. - Klostermann, cop., Frankfurt/M. 1988. (Klostermann Texte. Philosophie) - Ein Fragment, in dem Newton sich mit der Wirbelphysik von Descartes auseinandersetzt.
[14] I. Newton: Newton's Principia, The mathematical Principles of Natural Philosophy (1687). Daniel Adee, New York 1846 (archive.org).; Neuübersetzung von Bedrnard Cohen und Ann Whitman, University of California Press, Berkley 1999, The circular motion of fluids. S. 779-790, "End of Book 2"
[15] Aiton (1969), Literatur
[16] B. Riemann: Neue mathematische Prinzipien der Naturphilosophie. In: R. Dedekind, W. Weber (Hrsg.): Bernhard Riemanns Werke und gesammelter Nachlass. Leipzig 1876, S. 528-538.
[17] I. O. Yarkovsky: Hypothese cinetique de la Gravitation universelle et connexion avec la formation des elements chimiques. Moscow 1888.
[18] I. Newton: Opticks. 4. Auflage. William Innys, St. Pauls 1730.
[19] L. Euler: Fünfzigster Brief (30. August 1760). In: Briefe an eine deutsche Prinzessin. Band 1. Leipzig 1776, S. 173-176.
[20] Maxwell (1875), Literatur
[21] Taylor (1876), siehe Literatur
[22] J. Challis: Notes of the Principles of Pure and Applied Calculation. Cambridge 1869 (archive.org).
[23] Zenneck (1903), Literatur

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