Tom Jackson - Big Ideas. Das Astronomie-Buch

»Auf so vielfältige und bedeutende Weise sind die Planeten Zeugen der Mobilität der Erde. «

Nikolaus Kopernikus

Ptolemäus versuchte,einige der Anomalien in Aristoteles’ geozentrischem Modell zu beheben, indem er die These aufstellte, dass sich jeder Planet entlang eines kleinen Epizyklus-Kreises bewegte, der sich seinerseits entlang eines großen Kreises bewegt, der als Deferent bezeichnet wurde. Jeder Deferent eines Planeten umzirkelte ein Zentrum, das von der Position der Erde leicht abwich. Dieser Punkt wiederum drehte sich kontinuierlich um einen anderen Punkt, der als Ausgleichspunkt bezeichnet wurde. Jeder Planet hatte seinen eigenen Ausgleichspunkt oder Äquanten.

Ab dem 4. Jh. v. Chr. hatten einige Astronomen immer wieder die Theorie vorgeschlagen, das geozentrische Modell zu widerlegen. Eine dieser Ideen war, dass die Erde um ihre eigene Achse rotiert und dass diese Rotation einen großen Teil der täglichen Bewegungen von Himmelsobjekten verursachte. Dieses Konzept war bereits um etwa 350 v. Chr. von dem Griechen Herakleides Pontikos angestoßen worden und später von arabischen und indischen Astronomen. Unterstützer des Geozentrismus lehnten Herkleides’ Idee hingegen als absurd ab und glaubten, dass eine rotierende Erde gewaltige Winde erzeugen würde, sodass Gegenstände auf der Erdoberfläche einfach weggeweht würden. Eine andere Idee, die 250 v. Chr. zuerst von Aristarchos vorgeschlagen wurde, war, dass sich die Erde um die Sonne bewegen könnte. Diese These widersprach nicht nur Aristoteles, sondern auch den Geozentristen, die seit jeher zitiert hatten, was nun wie ein wissenschaftlicher Beweis galt: der »Mangel an Sternparallaxen«. Sie behaupteten, wenn die Erde um die Sonne kreisen würde, müssten Schwankungen in den relativen Positionen der Sterne zu beobachten sein. Doch hätte man derlei Schwankungen noch nie gesehen, sagten sie, folglich könne sich die Erde nicht bewegen. Angesichts solcher traditionellen Überzeugungen und aufgrund mangelnder Beweise durch Beobachtungen konnte man den theologischen Argumenten nichts entgegensetzen, und so überdauerte das geozentrische Weltbild mehrere Jahrhunderte. Erst um 1545 kamen in Europa Gerüchte über eine überzeugende These auf, die ein polnischer Gelehrter namens Nikolaus Kopernikus aufgestellt und schließlich in seinem Buch mit dem Titel De revolutionibus orbium coelestium niedergeschrieben hatte.

In seinem 1660er-Sternenatlasillustrierte der deutsche Kartenmacher Andreas Cellarius die kosmischen Systeme von Ptolemäus, Tycho Brahe und Kopernikus (hier dargestellt).

Die Arbeit war äußerst umfassend und schlug ein neues mathematisches und geometrisches Modell vor, wie das Universum organisiert war – begründet auf jahrelangen astronomischen Beobachtungen.

Kopernikus’ Theorie beruhte auf einer Reihe von Grundsätzen. Erstens dreht sich die Erde täglich um ihre Achse, und diese Rotation ist die Ursache für die meisten der täglichen Bewegungen von Sternen, Sonne und Planeten am Himmel. Kopernikus dachte, es sei sehr unwahrscheinlich, dass Tausende von Sternen sich alle 24 Stunden um die Erde drehten. Stattdessen hielt er sie für stationär und unbeweglich, ihre scheinbare Bewegung hielt er für eine Illusion, die durch die Eigendrehung der Erde verursacht würde. Um zu widerlegen, dass eine rotierende Erde riesige Winde erzeugen und Gegenstände wegblasen würde, wies Kopernikus darauf hin, dass die Ozeane und die Atmosphäre Teile des Planeten seien und sich natürlich mitdrehten.

Zweitens schlug Kopernikus vor, dass es die Sonne ist, die im Zentrum des Universums steht, nicht die Erde, die nur einer der Planeten ist, die die Sonne unterschiedlich schnell umkreisen.

Diese beiden zentralen Grundsätze der Kopernikus-Theorie waren von größter Wichtigkeit, weil sie die Bewegungen und die Veränderung der Helligkeit der Planeten ohne Rückgriff auf die komplizierten Anpassungen von Ptolemäus erklärten. Wenn die Erde und ein anderer Planet, wie der Mars, die Sonne umkreisen und dies mit verschiedenen Geschwindigkeiten tun und somit unterschiedlich lang für eine Umrundung der Sonne brauchen, werden sie einander manchmal auf der gleichen Seite der Sonne nahe sein und manchmal auf der gegenüberliegenden Seite der Sonne fern voneinander sein. Dies erklärt schlagartig die beobachteten Helligkeitsschwankungen des Mars und der anderen Planeten. Das heliozentrische System erklärte zudem die scheinbar retrograde Bewegung. Anstelle von Ptolemäus’ komplizierten Epizyklen erläuterte Kopernikus, dass eine solche Bewegung auf Veränderungen der Perspektive zurückzuführen sei, die durch die Erde verursacht würde, sowie auf die unterschiedliche Umlaufgeschwindigkeit der anderen Planeten.

Im ptolemäischen Weltbild(oben) befindet sich die Erde im Zentrum, und andere Himmelskörper bewegen sich um die Erde herum. Im kopernikanischen Weltbild (unten) hat die Erde zusammen mit dem Mond die Position mit der Sonne vertauscht, und die Sphäre der Fixsterne ist viel weiter entfernt.

Ein weiteres Prinzip von Kopernikus war, dass die Sterne viel weiter von der Erde und der Sonne entfernt sind, als bisher angenommen wurde. Er sagte, dass »… der Abstand zwischen Erde und Sonne nur ein Bruchteil der Entfernung von Erde und Sonne zu den Sternen ist«. Ältere Astronomen wussten, dass die Sterne weit entfernt waren, aber nur wenige, wie weit weg sie waren – und diese Forscher, wie Aristarchos, hatten es nie geschafft, jemanden davon zu überzeugen. Heute weiß man, dass die erdnächsten Sterne etwa 260 000-mal so weit von uns entfernt sind wie die Sonne. Aber Kopernikus’ Vermutung war bezüglich seiner Schlussfolgerungen über die Sternenparallaxe sehr wichtig. Seit Jahrhunderten hatten die Befürworter des Geozentrismus argumentiert, dass das Fehlen einer Parallaxe nur durch die Unbeweglichkeit der Erde zu erklären war. Nun gab es eine alternative Erklärung: Die Parallaxe war nicht abwesend, aber wegen der großen Distanz zu den Sternen war der Winkel einfach zu klein, um ihn mit den damaligen Instrumenten messen zu können.

»Die Dinge, die ich jetzt sage, sind vielleicht verwirrend, doch ich werde sie an der passenden Stelle verdeutlichen. «

Nikolaus Kopernikus

Kopernikus hatte zusätzlich postuliert, dass die Erde im Zentrum der Mondumlaufbahn stehe – dass also der Mond die Erde umkreise, wie im geozentrischen Weltbild. In seinem heliozentrischen Modell bewegt sich der Mond um die Erde, welche die Sonne umkreist. In diesem System war der Mond das einzige Objekt, das sich nicht primär um die Sonne bewegt. Obwohl das Werk von Kopernikus weit verbreitet wurde, dauerte es mehr als ein Jahrhundert, bis die meisten anderen Astronomen – nicht aber die breite Öffentlichkeit – seine Grundgedanken akzeptierten. Ein Wermutstropfen war, dass auch sein Modell – obwohl es viele der Probleme des ptolemäischen Systems löste – Fehler enthielt, die von späteren Astronomen korrigiert werden mussten. Manche dieser Fehler waren darauf zurückzuführen, dass Kopernikus aus philosophischen Gründen daran festhielt, dass alle Bewegungen der Himmelskörper mit den unsichtbaren Sphären zu tun hatten, in die sie eingebettet waren, und dass diese Bewegungen perfekte Kreise sein mussten. Dies zwang Kopernikus, einige der Ptolemäus-Epizyklen in seinem Modell beizubehalten. Später ersetzte Johannes Kepler die kreisförmigen Umlaufbahnen der Planeten durch elliptische Bahnen, wodurch die meisten der verbliebenen Fehler im Kopernikus-Modell beseitigt wurden. Erst in den 1580er-Jahren und durch die Erkenntnisse des dänischen Astronomen Tycho Brahe wurde die Idee der kreisförmigen Umlaufbahnen zugunsten freier Bahnen aufgegeben.