Flache Erde: Die Geburt der modernen Astronomie #5

Der Astronom Kopernikus oder Gespräche mit Gott
Künstler: Jan Matejko (1838–1893), Fertigstellungsdatum: 1873, Sammlung: Museum der Jagiellonen-Universität, Krakau, Polen

Wissenschaft in der Neuzeit

In der Neuzeit löste sich die Wissenschaft von den theologischen und autoritätsbasierten Denksystemen des Mittelalters und entwickelte sich zu einer Struktur, die auf Beobachtung, Experimenten und mathematischen Beweisen beruhte. Dieser Wandel, der mit der Renaissance begann, erreichte seinen Höhepunkt im 16. und 17. Jahrhundert mit den Arbeiten von Wissenschaftlern wie Kopernikus, Kepler, Galileo und Newton. Während im Mittelalter die Schriften von Aristoteles und Ptolemäus ohne Frage akzeptiert wurden, wurde die Natur in der Moderne als ein in mathematischer Sprache verfasstes Buch betrachtet und durch systematische Experimente untersucht. Die in dieser Zeit entwickelte wissenschaftliche Methode, deren Schwerpunkt auf der experimentellen Überprüfung von Hypothesen lag, brach vollständig mit der scholastischen Methode des Mittelalters.

In der Astronomie war diese Revolution noch auffälliger: Beginnend mit Kopernikus' Werk „Über die Umdrehungen der Himmelskörper“ aus dem Jahr 1543 wurde das ptolemäische Modell, das die Erde in den Mittelpunkt des Universums stellte, durch das heliozentrische (sonnenzentrierte) System abgelöst. Das mittelalterliche Verständnis des Himmels, das eher von geometrischen Konstrukten als von perfekten Kreisen, Kristallkugeln und physikalischen Prinzipien geprägt war, wurde durch Keplers elliptische Umlaufbahnen und mathematische Gesetze, Galileos Beobachtungen durch das Teleskop (Jupitermonde, Phasen der Venus, Gebirge auf dem Mond) und schließlich Newtons Gesetz der universellen Gravitation völlig verändert. Das mittelalterliche Verständnis, dass himmlische Ereignisse anderen Regeln unterliegen als Ereignisse auf der Erde, wurde zerschlagen; in der Moderne setzte sich die Idee universeller physikalischer Gesetze durch, die überall im Universum gelten, und Mathematik, Beobachtung und experimentelle Beweise wurden zur Grundlage der Wissenschaft und ersetzten die Autorität heiliger Texte.

Die Architekten der astronomischen Revolution

Die astronomische Revolution oder kopernikanische Revolution bezeichnet den grundlegenden Wandel in der Kosmologie und Astronomie, der sich im Laufe des 16. und 17. Jahrhunderts vollzog. Diese Revolution führte zum Sturz des geozentrischen (erdzentrierten) Modells von Ptolemäus, das über tausend Jahre lang akzeptiert war, und zu seiner Ablösung durch das heliozentrische (sonnenzentrierte) Modell. Ursprünglich nur als mathematische Hypothese vorgeschlagen, wurde dieses Modell nach und nach durch Beobachtungsdaten, Entdeckungen mit Hilfe des neu erfundenen Teleskops und die Entwicklung physikalischer Theorien untermauert. Diese Revolution war nicht nur eine astronomische Veränderung, sondern auch ein intellektueller Bruch, der die Wahrnehmung der Menschheit von ihrem Platz im Universum und die Grundlagen der wissenschaftlichen Methodik veränderte.

Nikolaus Kopernikus (1473–1543), der erste Architekt dieser Revolution, argumentierte in seinem Werk „Über die Umdrehungen der Himmelskörper“ (De Revolutionibus Orbium Coelestium) aus dem Jahr 1543, dass die Erde nicht der Mittelpunkt des Universums sei, sondern einer der Planeten, die sich um die Sonne drehen. Der in Polen geborene Geistliche, Arzt und Astronom Kopernikus war von der mathematischen Komplexität des ptolemäischen Systems beunruhigt und suchte nach einem einfacheren und ästhetischeren Modell. Sein System erklärte die Bewegungen der Planeten einfacher, indem es die Erde aus dem Zentrum entfernte und stattdessen die Sonne dorthin versetzte. Kopernikus konnte sich jedoch nicht vollständig vom Paradigma seiner Zeit lösen und begnügte sich damit, die Epizyklen zu reduzieren, während er die kreisförmigen Umlaufbahnen beibehielt. Sein Werk, das auf seinem Sterbebett veröffentlicht wurde, hatte zu seinen Lebzeiten keine große Wirkung, löste jedoch eine Revolution für zukünftige Generationen aus.

Galileo Galilei (1564–1642), der zweite Architekt der astronomischen Revolution, machte revolutionäre Beobachtungen, indem er das von ihm 1609 entwickelte Teleskop auf den Himmel richtete. In seinem Werk „Sidereus Nuncius“ (Sternenbote) beschrieb der italienische Physiker und Astronom die bergige Struktur des Mondes, die Monde des Jupiter, die dem Mond ähnlichen Phasen der Venus und die Milchstraße als aus Tausenden von Sternen bestehend. Diese Beobachtungen versetzten dem aristotelischen Verständnis, dass Himmelskörper „vollkommen” und „unveränderlich” seien, einen schweren Schlag, und die Phasen der Venus konnten nur mit dem kopernikanischen Modell konsistent erklärt werden. Galileos Verteidigung des kopernikanischen Modells brachte ihn in Konflikt mit der katholischen Kirche, und in dem berühmten Prozess von 1633 wurde er gezwungen, seine Ansichten zu widerrufen. Seine Beobachtungen und die von ihm entwickelten mechanischen Theorien bildeten jedoch die Beobachtungsgrundlage des kopernikanischen Systems.

Porträt von Galileo Galilei
Künstler: Justus Sustermans (1597–1681), Entstehungszeit: um 1636, Sammlung: Uffizien, Florenz, Italien

Johannes Kepler (1571–1630), der dritte Architekt, der die mathematische Struktur der Revolution vollendete, formulierte drei grundlegende Gesetze, die die Bewegung der Planeten anhand der präzisen Beobachtungen von Tycho Brahe beschreiben. In seinen Werken „Neue Astronomie“ (Astronomia Nova, 1609) und „Harmonien des Universums“ (Harmonices Mundi, 1619) zeigte Kepler, dass sich die Planeten in elliptischen statt in kreisförmigen Bahnen um die Sonne drehen (erstes Gesetz), dass gleiche Flächen in gleichen Zeiten durchlaufen werden (zweites Gesetz) und dass die Kubikzahlen der Umlaufzeiten proportional zu den Quadraten der mittleren Entfernungen von der Sonne sind (drittes Gesetz). Mit seinem Ansatz, der nach mathematischer Harmonie und physikalischen Ursachen suchte, begründete Kepler die von Kopernikus initiierte Revolution auf einer physikalischen Grundlage und ebnete den Weg für Newtons Gesetz der universellen Gravitation. Sein Verständnis der elliptischen Umlaufbahnen stellt einen endgültigen Bruch mit der griechischen Kosmologie dar, die auf perfekten Kreisen basierte.

Heliozentrisches (sonnenzentriertes) Modell

Das heliozentrische (sonnenzentrierte) Modell ist ein kosmologisches System, in dem die Sonne im Zentrum des Universums steht und die Planeten (einschließlich der Erde) um sie kreisen. Dieses Modell wurde im 16. Jahrhundert von Nikolaus Kopernikus in seinem Werk „Über die Umdrehungen der Himmelskörper” aus dem Jahr 1543 vorgeschlagen und stellte das geozentrische (erdzentrierte) Modell in Frage, das über zweitausend Jahre lang akzeptiert war. In Kopernikus' Modell wurde die Erde auf den Status eines gewöhnlichen Planeten reduziert, der sich sowohl um seine eigene Achse als auch um die Sonne dreht, was einen Paradigmenwechsel einleitete, der sowohl aus wissenschaftlicher als auch aus philosophischer Sicht revolutionär war. 

Johannes Kepler entwickelte das Modell von Kopernikus erheblich weiter und entdeckte, dass sich die Planeten nicht auf kreisförmigen, sondern auf elliptischen Bahnen bewegen und dass ihre Geschwindigkeit je nach ihrer Entfernung von der Sonne variiert. Die drei Gesetze, die er in seinen 1609 und 1619 veröffentlichten Werken vorstellte (elliptische Bahnen, gleiche Flächen in gleichen Zeiten und das Verhältnis zwischen den Kubikzahlen der Umlaufzeiten und den Quadraten der Entfernungen), konnten die Bewegungen der Planeten mit großer mathematischer Genauigkeit beschreiben. Galileo Galilei lieferte unterdessen mit seinen bahnbrechenden Beobachtungen durch ein Teleskop im Jahr 1610 (die Phasen der Venus, die Monde des Jupiter, die Berge auf der Mondoberfläche) wichtige Beobachtungsbelege für das heliozentrische Modell.

Das heliozentrische Modell erhielt seine physikalischen Grundlagen durch das universelle Gravitationsgesetz und die Bewegungsgesetze, die Isaac Newton in seinem Werk „Principia“ von 1687 darlegte. Newton erklärte den Grund für die von Kepler mathematisch definierten Planetenbewegungen und machte das heliozentrische Modell damit zu einer wissenschaftlichen Realität. Diese physikalischen Theorien stärkten die Konsistenz des Modells, indem sie erklärten, warum Planeten um die Sonne kreisen und wie sie in ihren Umlaufbahnen bleiben.

Das heliozentrische Modell wurde in den folgenden Jahrhunderten mit dem Fortschritt der Beobachtungstechnologie endgültig bestätigt. Im Jahr 1729 entdeckte James Bradley die Aberration (Ablenkung) des Sternenlichts und lieferte damit einen indirekten Beweis für die Bewegung der Erde, während Friedrich Bessel 1838 durch die Messung der Parallaxe des Sterns 61 Cygni direkt bewies, dass sich die Erde um die Sonne dreht. Im Jahr 1851 demonstrierte Léon Foucaults Pendelexperiment sichtbar die Rotation der Erde um ihre eigene Achse. Diese Beobachtungsbeweise, kombiniert mit physikalischen Beweisen wie der Ausbuchtung am Äquator und dem Coriolis-Effekt, bewiesen endgültig die Richtigkeit des heliozentrischen Modells.

Die Akzeptanz des heliozentrischen Modells symbolisiert nicht nur einen Wandel in der Astronomie, sondern auch in der wissenschaftlichen Methode. Das moderne Verständnis von Wissenschaft, das auf Beobachtung, Experimenten, mathematischer Konsistenz und kritischem Denken statt auf Autorität und Tradition basiert, nahm mit dieser Revolution Gestalt an. Die Verwandlung der Erde vom Zentrum des Universums zu einem gewöhnlichen Planeten erschütterte das anthropozentrische Weltbild und legte den Grundstein für das moderne wissenschaftliche Denken und das Zeitalter der Aufklärung. Heute wird das heliozentrische Modell als Teil umfassenderer galaktischer und kosmologischer Modelle akzeptiert und beschreibt genau die grundlegende Struktur unseres Sonnensystems.

Merkmale des heliozentrischen Modells:

1. Die Sonne befindet sich im Zentrum des Systems (oder nahe dem Zentrum).
2. Die Planeten (einschließlich der Erde) umkreisen die Sonne.
3. Der Mond umkreist die Erde als ihr Satellit.
4. Die Erde dreht sich täglich um ihre eigene Achse und umkreist jährlich die Sonne.
5. Die Umlaufbahnen der Planeten sind elliptisch, und die Sonne befindet sich in einem der Brennpunkte dieser Ellipse (Keplers 1. Gesetz).
6. Die Planeten beschleunigen, wenn sie sich der Sonne nähern, und verlangsamen sich, wenn sie sich von ihr entfernen (Keplers zweites Gesetz).
7. Die Quadrate der Umlaufzeiten der Planeten sind proportional zu den Kubikwerten ihrer durchschnittlichen Entfernungen von der Sonne (Keplers drittes Gesetz).
8. Die Bewegung der Planeten unterliegt dem universellen Gravitationsgesetz (Newtons Beitrag).
9. Die scheinbare Rückwärtsbewegung der Planeten lässt sich einfach als perspektivischer Effekt erklären, der dadurch entsteht, dass die Erde Planeten überholt, die sich schneller oder langsamer bewegen.
10. Das Fehlen einer Parallaxebewegung bei Fixsternen lässt sich durch ihre große Entfernung vom Sonnensystem erklären.
11. Die Jahreszeiten lassen sich durch die Neigung der Erdachse und ihre Rotation um die Sonne erklären.
12. Venus und Merkur erscheinen immer in der Nähe der Sonne, und ihre Vollphasen können relativ zur Erde beobachtet werden.