Pierre-Simon Laplace

Bedeutung und wissenschaftliches Profil

Pierre-Simon Laplace (23. März 1749–5. März 1827), seit 1817 Marquis de Laplace, war ein französischer Mathematiker, Physiker und Astronom. Er zählt zu den wichtigsten Forschern seiner Zeit. Besonders bedeutend waren seine Arbeiten zur Himmelsmechanik, also zur mathematischen Beschreibung der Bewegungen von Himmelskörpern, sowie zur Wahrscheinlichkeitstheorie und zu Differentialgleichungen.

Laplace führte viele Erkenntnisse seit Isaac Newton zusammen, entwickelte sie weiter und beschrieb das Sonnensystem mit mathematischen Methoden. Mathematik war für ihn vor allem ein Werkzeug zur Lösung physikalischer Probleme. Mehrere von ihm entwickelte oder verwendete Verfahren tragen bis heute seinen Namen, darunter der Laplacesche Entwicklungssatz, der Laplace-Operator, die Laplace-Gleichung und die Laplace-Transformation. 1816 fand er außerdem eine Formel zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit.

Ausbildung, Karriere und Politik

Laplace wurde 1749 in Beaumont-en-Auge in der Normandie als Sohn eines wohlhabenden Landwirtes und Cidre-Händlers geboren. Ab 1766 studierte er am Jesuiten-Kolleg von Caen zunächst Theologie und Philosophie. Die Professoren Christoph Gadblet und Pierre Le Canu erkannten jedoch sein mathematisches Talent.

1768 ging Laplace mit einem Empfehlungsschreiben nach Paris, um bei Jean-Baptiste le Rond d’Alembert Mathematik zu studieren. Eine bekannte, aber nicht sicher belegte Erzählung berichtet, Laplace habe zwei von d’Alembert gestellte Aufgaben jeweils ungewöhnlich schnell gelöst. Sicher ist, dass d’Alembert ihn förderte und ihm 1771 eine Lehrstelle für Geometrie, Trigonometrie, elementare Analysis und Statistik an der Pariser Militärakademie verschaffte.

Zwischen 1770 und 1773 schrieb Laplace 13 wichtige Abhandlungen über Extremwertprobleme, Astromechanik, Differentialgleichungen, Wahrscheinlichkeits- und Spieltheorie sowie Integralrechnung. Nach zwei erfolglosen Bewerbungen wurde er 1773 im Alter von 24 Jahren als Adjunkt in die wissenschaftliche Akademie aufgenommen; 1785 folgte die ordentliche Mitgliedschaft in der Académie des sciences. Als Examinateur für die Königliche Artillerie prüfte er 1785 auch den sechzehnjährigen Napoleon Bonaparte.

Während der Französischen Revolution arbeitete Laplace ab 1792 im Komitee für Maße und Gewichte mit, das später an der Einführung von Meter und Kilogramm beteiligt war. Unter Robespierre verlor er seine Ämter und floh mit seiner Familie nach Melun. Nach Robespierres Tod am 28. Juli 1794 kehrte er nach Paris zurück. Er wurde Prüfer an der École polytechnique, übernahm erneut Aufgaben im Komitee für Maße und Gewichte und wirkte als Gründungsmitglied, Vizepräsident und später Präsident des Institut de France. Außerdem leitete er das Pariser Observatorium und dessen Forschungsbereich.

Nach Napoleons Staatsstreich wurde Laplace 1799 Innenminister, aber bereits nach sechs Wochen durch Lucien Bonaparte ersetzt. Danach gehörte er dem Senat an und wurde 1803 dessen Vizepräsident. Napoleon erhob ihn 1806 zum Grafen. Laplace gründete mit dem Chemiker Claude-Louis Berthollet die Société d’Arcueil, in der Wissenschaftler wie Jean-Baptiste Biot und Alexander von Humboldt Experimente durchführten.

1814 stimmte Laplace für Napoleons Absetzung und unterstützte anschließend die bourbonische Restauration. Ludwig XVIII. ernannte ihn 1815 zum Pair von Frankreich und 1817 zum Marquis. 1816 wurde er Mitglied der Académie française, 1822 Mitglied der American Academy of Arts and Sciences. Seine häufige politische Anpassung an die jeweils Mächtigen schadete seinem Ansehen.

Himmelsmechanik und Kosmologie

Laplaces Hauptwerk war der fünfbändige Traité de Mécanique Céleste, der zwischen 1799 und 1823 entstand; die Editionsangaben nennen für das Gesamtwerk den Erscheinungszeitraum 1798–1825. Auf Deutsch wurde es als Himmelsmechanik beziehungsweise Mechanik des Himmels bekannt. Darin stellte Laplace die seit Newton gewonnenen Erkenntnisse und seine eigenen Forschungen umfassend dar. Er gab einen rechnerischen Beweis für die Stabilität der Planetenbahnen. Dies war wichtig, weil Unregelmäßigkeiten der Bahnen damals den Verdacht geweckt hatten, das Sonnensystem könne zusammenbrechen. Zudem behandelte er das Drei-Körper-Problem und postulierte die Existenz Schwarzer Löcher. Das mathematisch sehr anspruchsvolle Werk wurde zur Pflichtlektüre angehender Astronomen und galt noch 50 Jahre später als weitgehend vollständig.

Berühmt wurde ein in verschiedenen Fassungen überliefertes Gespräch mit Napoleon. Auf die Frage, warum Gott in seinem Werk nicht vorkomme, soll Laplace geantwortet haben: „Bürger und Erster Konsul, ich habe dieser Hypothese nicht bedurft.“ Die Aussage wurde oft als radikaler Atheismus verstanden. Wahrscheinlicher bezog sie sich darauf, dass Newton ein regelmäßiges ordnendes Eingreifen Gottes angenommen hatte, während Laplace die Störungen der Himmelskörper mathematisch erklären konnte. Sie muss daher nicht als vollständige Verneinung Gottes verstanden werden.

Bereits 1796 veröffentlichte Laplace die Exposition du système du monde, eine ebenfalls fünfbändige, nichtmathematische Einführung in die Himmelsmechanik. Darin stellte er das damalige astronomische Weltbild dar. Er zeigte, dass eine Kollision eines Kometen mit der Erde zwar nur eine geringe Wahrscheinlichkeit besitzt, über astronomisch lange Zeiträume aber wahrscheinlich wird. Im letzten Kapitel entwickelte er auf 19 Seiten eine Theorie zur Entstehung des Sonnensystems, die heute Nebularhypothese heißt. Nach dieser Vorstellung entstand das Sonnensystem aus einer nebelartigen Ausgangsmasse. 1799 vermutete Laplace außerdem, dass sich auf der Rückseite des Mondes eine größere „Beule“ befinden müsse, die seine Bewegung beeinflusse.

Wahrscheinlichkeit, Determinismus und Experimente

Laplaces zweites großes Forschungsgebiet war die Wahrscheinlichkeitsrechnung. Sie sollte es ermöglichen, trotz unvollständiger Kenntnisse zu bestimmten Ergebnissen zu gelangen. In der zweibändigen Théorie Analytique des Probabilités von 1812 definierte er Wahrscheinlichkeit und untersuchte abhängige und unabhängige Ereignisse, besonders im Zusammenhang mit Glücksspielen. Er behandelte auch den Erwartungswert, die Sterblichkeit und die Lebenserwartung. Damit widersprach er der damals verbreiteten Ansicht, Wahrscheinlichkeit könne nicht streng mathematisch behandelt werden.

1814 erschien der Essai philosophique sur les Probabilités für einen breiteren Leserkreis. Er verzichtete zwar auf Formeln, war inhaltlich aber nicht wesentlich einfacher. Laplace beschrieb darin einen hypothetischen „Weltgeist“, der sämtliche Einzelheiten der Gegenwart kennt und daraus Vergangenheit und Zukunft vollständig bestimmen könnte. Die menschliche Intelligenz könne diesen Wissensstand jedoch niemals erreichen. Diese Vorstellung wurde später als Laplacescher Dämon bezeichnet und steht für einen vollkommenen Determinismus: die Annahme, dass jeder Zustand der Welt durch vorherige Bedingungen vollständig festgelegt ist. Daraus entstand die Frage, ob ein solcher Determinismus mit Willensfreiheit vereinbar ist. Das Weltbild gilt häufig auch als schwer vereinbar mit statistischen Deutungen der modernen Quantenmechanik.

1780 führte Laplace mit Antoine Laurent de Lavoisier Versuche mit einem Eiskalorimeter durch, einem Gerät zur Messung von Wärmemengen. Sie bestätigten die Äquivalenz zwischen tierischer Atmung und der Verbrennung von Holzkohle: In beiden Fällen wird mithilfe von Sauerstoff Kohlenstoff zu Kohlendioxid verbrannt. Die Forscher betrachteten zufällige Schwankungen der Ergebnisse als grundsätzlich vermeidbar, wenn alle Versuchsbedingungen bekannt wären.

Familie, Tod und Nachwirkung

Laplace heiratete 1788 Marie-Charlotte de Courty de Romanges. Ihr Sohn Charles-Emile Laplace (1789–1874) wurde später General und starb kinderlos. Die Tochter Sophie-Suzanne (1792–1813) starb im Kindbett; von ihrer Tochter stammen die späteren Nachkommen Laplaces ab. Laplace starb am 5. März 1827 in Paris.

Sein Name wurde unter anderem auf dem Eiffelturm verewigt. Nach ihm benannt sind Mondstrukturen wie das Promontorium Laplace, der Asteroid (4628) Laplace, die Île Laplace in der Antarktis und die Pflanzengattung Laplacea aus der Familie der Teestrauchgewächse.

Zu seinen wichtigsten Büchern gehören die Exposition du système du monde, der Traité de mécanique céleste, die Théorie analytique des probabilités und der Essai philosophique sur les probabilités. Die maßgebliche Gesamtausgabe sind die von der Académie des sciences herausgegebenen Œuvres complètes in 14 Bänden, die von 1878 bis 1912 erschienen.