Grösste Grössen messen

- wie fängt das an?

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Unsere Wohn- und Arbeits-Räume haben Abmessungen mit denen wir Gegenstände leicht erreichen können. Ohne Verkehrsmittel bleibt ein natürlicher Um-Bereich, den der Mensch innert nützlicher Frist durchschreitet.

Können wir je wirklich zum nächsten Stern proxima centauri reisen? 4 Lichtjahre (LJ) Distanz, siehe unten.

Sind wir denn sicher, astronomische Distanzen anzugeben, wenn wir keinen Meter direkt anlegen können?

Astronomie hat wie kaum eine anderes Gebiet der Wissenschaft mit Aufgabe intuitiver menschlicher Haltungen zu tun. Schrittweise lernt der Wissenschafter, seinen Standort so einzunehmen, dass die Messungen und Berechnungen für alle Beobachter gelten.

Weg von sich selbst, weg vom unmittelbaren Beobachtungsstandort, weg vom Erdmittelpunkt, weg vom Zentrum der Sonne, weg vom Zentrum der Milchstrasse.

Und das ist immer noch absolut in Raum und Zeit gedacht - nicht wie es sein sollte in Raumzeit. Letztlich weg von einem Zentrum (der Kosmos ist grossräumig homogen und isotrop).

Zurück zur Länge:

Englische Masseinheiten haben sich recht lange gehalten: Der Fuss (feet) misst 30.48 cm.  Das ist Bezug auf den Menschen.

In der Astronomie hält sich eine andere Englische Längeneinheit hartnäckig: inch (Zoll) misst 2.54 cm.

Das Meter wurde auf den den Erdmeridian bezogen (... auf Meereshöhe, vom Pol zum Äquator), d.h. als Massverkörperung im Urmeter als zehn-millionsten Teil des Erdmeridian-Quadranten. Solche Bezüge haben sich als variabel herausgestellt - das ist ungünstig, denn wenn die Referenz nicht konstant ist (und damit die Massverkörperung), dann werden mit der Zeit präzise Messungen unvergleichbar.

Mit dem Verständnis der Quantenphysik sind viele Massverkörperungen bedeutend konstanter. Dadurch können kleinere Variationen in der Natur zuverlässig gemessen werden.

Und auch das hat natürliche Grenzen, welche kein Mensch verschieben kann.

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Für die Mechanik reichen die Grössen Länge und Zeit aus.

Grössen geben wir an als Masszahl mal Einheit (z.B. 20 Meter) Mega 10⁶  Giga 10⁹  Tera 10¹²

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Ohne gute Zeitmessung können geometrisch nahe astronomische Distanzen nicht genau gemessen werden.

Zeit wurde seit Urzeiten terrestrisch (künstlich) gemessen, recht unterschiedlich: Mit Feuer, mit Wasser, mechanisch.

Von den Babyloniern wissen wir, dass sie die Sterne und Sternzeichen als Kalender verwendet haben: Astrolab.

Es gibt aber eine natürliche recht konstante Referenz: die Sternzeit. Der Stundenwinkel des Frühlingspunkts erlaubt die Definition des Sterntags: Dauer zwischen zwei nacheinander folgenden oberen Kulminationen des Frühlingspunkts. Der Sterntag ist ungefähr 0.008 Sekunden kürzer als die Dauer einer Erdumdrehung wegen der Verschiebung der Erdachse im Raum (Präzession in einem Jahr 50"). Wichtig ist also nicht die Dauer der Erdrotation, sondern die Sternzeit (weil sie Himmelsbeobachtung ist und nicht Erdbeschreibung).

Der Aequatorwulst der Erde wird von Mond und Sonne angezogen; daraus ergibt sich eine Kreiselbewegung der Erdachse (Präzession). Die Umlaufzeit beträgt 25800 Jahre. Das macht ungefähr 50" / Jahr - (ein heute leicht messbarer Winkel) Vorrücken des Frühlingspunktes und damit aller Sternbilder. Wir korrigieren unsere irdische Zeit nicht.

Die Erde Bewegt sich nicht auf einem Kreis um die Sonne. Die wahre Sonnenzeit entspricht dem Stundenwinkel des Sonnenmittelpunktes. Der wahre Mittag ist der Durchgang des Sonnenmittelpunktes durch den Meridian (Breitenkreis im Süden).

Die Beobachtung des Sonnenmittelpunktes zeigt gesetzmässige Veränderungen während einem Jahr (Sonnenuhr). Das kann bis ca. +- 1/4 Stunde betragen.

Der mittlere Sonnentag ist 3 min 57 sec länger als der Sterntag.

Während das tropische Jahr (Sonne von Frühlingspunkt zu Frühlingspunkt) 365.2422 Sonnentage hat (mit  Berücksichtigung des Vorrückens des Frühlingspunktes wegen Präzession), hat es 366.2422 Sterntage. - welches ist jetzt das "bessere" Jahr?

Weshalb muss Natur so reichhaltig sein - wenn wir doch nur auf unsere Uhr schauen, um die Zeit abzulesen? Und die Zeitzonen?

Um vom Beobachtungsort unabhängige Zeitangaben zu verwenden, bezieht der Astronom die Zeit auf den Nullmeridian und nennt dies Weltzeit. Weltzeit gibt es nur eine, während Sonnen und Sternzeit abhängig sind vom Ort, wo das Fernrohr aufgestellt ist.

Die genaue Zeit zu kennen ist nützlich, um zu wissen, wann die Halbachse der Erdbahn erreicht ist, um im richtigen Zeitpunkt mit der Methode der Parallaxbestimmung die Entfernung der erdnahen Himmelsobjekte zu messen. Damit begann historisch die Ahnung, wie weit Sterne und Galaxien vom Planeten Erde entfernt sind (waren).

Es ergeben sich dann grosse  Distanz-Zahlen, wenn der Kilometer als Längeneinheit genommen wird.

Distanz Erde-Mond: etwa 384'000 Km; 38 x 104 Km

Distanz Erde-Jupiter: ca. 5.9 AE, d.h. 882'000'000 Km; 88.2 x 107 Km

206 265 AE entsprechen einem Parallaxwinkel von 1" (1pc); 30 x 1012 Km

Proxima Centauri ist 4.26 Lichtjahre entfernt, etwa 1.3 pc, d.h. 40 x 1012 Km; 40 Tera-Kilometer

Ein naher Teil unserer Milchstrasse kann parallaktisch vermessen werden (ca. bis 200 pc)  (Sonne zum Zentrum 25'000 Lichtjahre) etwa 7'700 pc; 23 x 1016 Km

Jupiter ist etwa 2000 x weiter als der Mond

proxima centauri ist etwa 50000 x weiter als Jupiter

bis zum Zentrum der Milchstrasse ist es 5000 x weiter als die Distanz zu proxima centauri

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Eine Reise zum Mars kann etwa 1/2 Jahr dauern, wenn das Raumschiff immer mit 15'000 Km / Stunde sich bewegt (Distanz etwa 75 000 000 Km) -- wir müssen in Gedanken zu den Sternen reisen.

Doch bremsen im Weltall ist trickreich.

Auch wenn der Mars nahe bei uns ist, kann seine Distanz direkt physikalisch etwa auf den Meter genau ausgemessen werden. Die Lichtgeschwindigkeit und die kürzest messbare Zeit setzt Grenzen in der messtechnischen Auflösung des Raumes. Je weiter weg die Himmelsobjekte, desto grösser wird diese räumliche Unschärfe.

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Der "Durchmesser" der Sonne beträgt 1 392 000 Km; (zu vergleichen mit Erde-Mond und Erde-Mars). Eigentlich gar nicht so gross, wenn wir es mit dem Durchmesser der Milchstrasse vergleichen. Doch, wie tun dies Astronomen, wenn sie kein Metermass hinlegen können?

Hier bewährt sich die Annahme, physikalische Gesetze seien überall und zu jedem Zeitpunkt unveränderlich gültig. Das glauben wir und wissen es nicht absolut.

SN 2002 AP Supernova

Sonne NASA

Masseinheiten

Astrolab

Präzession

Distanzen

Meridian