Das Problem der Aristotelischen Physik war, dass für die Bewegung der Planeten um die Erde eine zusätzliche Annahme notwendig war: Aristoteles nahm an, dass die Himmelskörper aus einem unbekannten, fünften Element bestünden, das bestrebt ist im Kreis zu fliegen, der perfekten geometrischen Figur. Genaue Himmelsbeobachtungen ergeben aber, dass sich die Planeten von der Erde aus gesehen nicht auf Kreisbahnen bewegen und Ptolemäus erarbeitete ein kompliziertes Modell aus ineinanderlaufenden Kreisen, um die Planetenbahnen am Himmel zu beschreiben.

Das kopernikanische Bild war nicht ganz korrekt. Johannes Kepler (1571 - 1630) stellte mit den drei nach ihm benannten Gesetzen die Regeln auf, mit denen man die Planetenbahnen beschreiben kann. Das erste dieser Gesetze besagt, dass die Bahnen im allgemeinen keine Kreise sondern Ellipsen sind. Die Sonne befindet sich dabei nicht in der Mitte, sondern in einem der beiden Brennpunkte der Ellipse. Das zweite Keplersche Gesetz besagt, dass sich Planeten um so schneller bewegen, je näher sie der Sonne kommen und das dritte beschreibt die Umlaufzeiten in Abhängigkeit von der mittleren Entfernung zur Sonne. Diese Keplerschen Gesetze werden auch heute noch gelehrt und können in der Astronomie in unveränderter Form verwendet werden.

Sir Isaac Newton (1642 - 1727) konnte 1687 die Keplerschen Gesetze auf eine gegenseitige Anziehung der Himmelskörper zurückführen. Diese Anziehung wirkt nicht nur auf die Himmelskörper, sondern auf alle Körper, die Masse haben. Die Anziehung zweier leichter Körper ist jedoch sehr klein und war vorher noch nicht entdeckt worden. Newton erschuf so die erste Gravitationstheorie und beschrieb als erster die Physik des Weltalls mit Formeln, die auch auf der Erde gültig sind. Dass die Physik jenseits und diesseits des Mondes gleich ist, war eine grosse Sensation.

Ende des 19. Jahrhunderts wurde jedoch erkannt, dass die Maxwell-Gleichungen, die sehr erfolgreich die elektrischen, magnetischen und optischen Phänomene beschreiben, nicht Galilei-invariant sind. Das bedeutet, dass sich die Gleichungen in ihrer Form verändern, wenn eine Galilei-Transformation in ein relativ zum Ausgangssystem bewegtes System durchgeführt wird. Insbesondere wäre die Lichtgeschwindigkeit vom Bezugsystem abhängig, wenn man die Galilei-Invarianz als fundamental betrachtete. Die Maxwell-Gleichungen wären demnach nur in einem einzigen Bezugsystem gültig, und es sollte durch Messung der Lichtgeschwindigkeit möglich sein, die eigene Geschwindigkeit gegenüber diesem System zu bestimmen. Das berühmteste Experiment, mit dem versucht wurde, die Geschwindigkeit der Erde gegenüber diesem ausgezeichneten System zu messen, ist der Michelson-Morley-Versuch. Kein Experiment konnte jedoch eine Relativbewegung nachweisen.

Die Lösung des Problems ist das Postulat, dass die Maxwell-Gleichungen in jedem Bezugssystem unverändert gelten und stattdessen die Galilei-Invarianz nicht universal gültig ist. An die Stelle der Galilei-Invarianz tritt also die Lorentz-Invarianz. Dieses Postulat hat weitreichende Auswirkungen auf das Verständnis von Raum und Zeit, weil die Lorentztransformationen keine reinen Transformationen des Raumes (wie die Galilei-Transformationen) sind, sondern dabei Raum und Zeit gemeinsam verändert werden. Gleichzeitig müssen auch die Grundgleichungen der klassischen Mechanik umformuliert werden, weil diese nicht Lorentz-invariant sind. Für niedrige Geschwindigkeiten sind Galileitransformationen und Lorentztransformationen jedoch so ähnlich, dass die Unterschiede nicht messbar sind. Daher widerspricht die Gültigkeit der klassischen Mechanik bei kleinen Geschwindigkeiten der neuen Theorie nicht. Die Welt ohne Gravitation ist vier-dimensional und flach - Raum und Zeit bilden eine Einheit, die von Minkowski 1907 als Raumzeit bezeichnet worden ist.

Jede Form von Materie krümmt die Raumzeit. Die Vorstellungen über den Aufbau der Materie haben sich in den letzten 100 Jahren gewaltig verändert. Die atomare Struktur der Materie ist ja allgemein bekannt - die bekannten Bausteine sind das Proton, das Neutron und das Elektron. Protonen und Neutronen sind jedoch nicht elementar, sondern aus Quarks zusammengesetzt, die durch die Gluonen zusammengehalten werden. Alle diese Teilchen bilden das sog. Standard-Modell der Teilchenphysik (SM), das in den 60er und 70er Jahren entwickelt worden ist und in vielen Beschleunigerexperimenten erfolgreich getestet worden ist.

Das SM ist eine Quantenfeldtheorie: ihre fundamentalen Objekte sind Felder in der Raumzeit (sog. Feldtheorie), die nur in diskreten Paketen verändert werden (Quantentheorie). In einer passenden Darstellung entsprechen die diskreten Pakete gerade den beobachteten Teilchen. Das SM ist insbesondere relativistisch, d.h. es gehorcht den Gesetzen der Speziellen Relativitätstheorie. Die Voraussagen des SM sind durch teilchenphysikalische Experimente recht gut bestätigt. Allerdings bezieht das SM die Gravitation nicht mit ein und kann einige Beobachtungen nicht erklären. Ausserdem müssen immerhin 18 Parameter, deren Werte nicht aus der Theorie hervorgehen, anhand von experimentellen Ergebnissen festgelegt werden. Es wird dadurch recht biegsam, so dass es sich in einem gewissen Rahmen den tatsächlich gemachten Beobachtungen anpassen kann. Obwohl das Standardmodell die Grundlage der modernen Teilchenphysik darstellt, reicht es zur Erklärung der Welt nicht aus. Es gibt deshalb zahlreiche Bemühungen, es zu erweitern oder abzulösen (Stichwort: supersymmetrische Theorien).

Ein Schwarzes Loch ist ein Objekt, an dessen Oberfläche die Schwerkraft so stark ist, dass nichts dieses Objekt verlassen kann - noch nicht einmal Licht. Daher kann man Schwarze Löcher auch nicht direkt beobachten, sondern kann nur durch ihre Auswirkungen auf ihre Umgebung auf ihre Existenz schliessen, zum Beispiel durch intensive Röntgenstrahlung, die von der extrem erhitzten Materie abgestrahlt wird, die gerade in ein Schwarzes Loch hineinspiralt. Ein Schwarzes Loch ist das einfachste Objekt des Universums - zu seiner Konstruktion wird keine Materie benötigt, es besteht nur aus Feld (sprich Geometrie). Wie alle Objekte des Universums rotieren auch Schwarze Löcher, sie haben zwei unabhängige Parameter: die Masse M und den Drehimpuls J.

Als Gravitationswellen bezeichnet man Wellen in der Raumzeit, die den Raum durchqueren und ihn dabei stauchen und strecken. Gravitationswellen sind eine Folge der kausalen Formulierung einer Gravitationstheorie von Einstein im November 1915. Bereits 1916 hat Einstein gezeigt, dass es in seiner Theorie auch Wellen geben muss, in Analogie zur Maxwellschen Theorie der Elektrodynamik. Es ist jedoch bis heute nicht gelungen, die Existenz dieser Wellen direkt nachzuweisen. Jeder Physiker geht davon aus, dass es diese Wellen gibt. Damit eröffnet sich ein neues Fenster zur astronomischen Beobachtung. In dieser Vorlesung diskutieren wir drei Aspekte dieses Phänomens:
1. Was sind Gravitationswelllen? In der Allgemeinen Relativitätstheorie wirken Änderungen des Gravitationsfeldes nicht sofort, wie in der Newtonschen Himmelsmechanik, sondern breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Demnach werden von jedem System beschleunigter Massen (z. B. einem Doppelsternsystem oder einem um die Sonne kreisenden Planeten) Gravitationswellen erzeugt. Dieser Mechanismus ist dem der elektromagnetischen Strahlung vergleichbar, die durch beschleunigte elektrische Ladungen hervorgerufen wird.
2. Warum gibt es Gravitationswellen im Kosmos?
3. Wie kann man Gravitationswellen detektieren? Wie ist der Stand dieser Experimente und was ist zu erwarten? Das Einstein-Teleskop (ET) ist ein geplanter europäischer, interferometrischer Gravitationswellendetektor der dritten Generation, der eine 100-fach höhere Empfindlichkeit aufweisen soll als bisherige Detektoren der ersten Generation. Die Entwurfsstudie wurde am 20. Mai 2011 am European Gravitational Observatory (EGO) im italienischen Pisa vorgestellt.