KAPITEL ZWEI

DIE ENTWICKLUNG UNSERES WELTBILDES

OBWOHL NOCH ZUR ZEIT von Christoph Kolumbus viele Menschen glaubten (und vereinzelt sogar heute noch glauben), die Erde sei flach, können wir die Ursprünge der modernen Astronomie bis ins antike Griechenland zurückverfolgen. Um 340 v. Chr. verfasste der griechische Philosoph Aristoteles die Schrift Vom Himmel. Darin brachte er gute Argumente für seine Überzeugung vor, dass die Erde keine flache Scheibe, sondern kugelförmig sei.

Ein Argument stützte sich auf die Mondfinsternis. Aristoteles hatte bemerkt, dass diese Verfinsterungen dadurch erzeugt werden, dass die Erde zwischen Sonne und Mond tritt. Dabei wirft die Erde ihren Schatten auf den Mond und verursacht die Verfinsterung. Aristoteles hatte bemerkt, dass der Schatten immer rund ist. Das kann nur der Fall sein, wenn die Erde eine Kugel und keine flache Scheibe ist. Wäre sie eine Scheibe, könnte der Schatten nur rund sein, wenn die Finsternis zu einem Zeitpunkt einträte, da die Sonne direkt unter dem Mittelpunkt der Scheibe stünde. Ansonsten wäre der Schatten länglich – in der Form einer Ellipse (eine Ellipse ist ein länglicher Kreis).

Die Griechen hatten noch ein weiteres Argument dafür, dass die Erde rund sein muss. Wäre die Erde flach, müsste ein Schiff, das sich vom Horizont her nähert, zuerst als winziger, unbestimmter Fleck erscheinen. Beim Näherkommen wären wir nach und nach in der Lage, Einzelheiten zu erkennen, etwa Segel und Rumpf. Das ist aber nicht der Fall. Wenn sich ein Schiff am Horizont zeigt, sehen wir zunächst die Segel des Schiffes. Erst später erblicken wir den Rumpf. Der Umstand, dass die Masten eines Schiffs, die hoch über den Rumpf aufragen, als erster Teil des Schiffs über dem Horizont auftauchen, ist ein Beweis dafür, dass die Erde eine Kugel ist.

Auch schenkten die Griechen dem Nachthimmel viel Aufmerksamkeit. Zur Zeit von Aristoteles hatte die Menschheit schon seit Jahrhunderten aufgezeichnet, wie sich die Lichter am Nachthimmel bewegten.

Sie hatten bemerkt, dass sich zwar fast all die vielen tausend Lichter, die sie sahen, gemeinsam über den Himmel zu bewegen schienen, fünf von ihnen aber (den Mond nicht mitgezählt) eigene Wege gingen. Sie wichen zwischenzeitlich von der regelmäßigen Ost-West-Route ab, um später zu ihr zurückzukehren. Diese Lichter nannte man Planeten – das griechische Wort für den «Umherschweifenden». Die Griechen beobachteten fünf Planeten, weil man nur fünf mit bloßem Auge sehen kann: Merkur, Venus, Mars, Jupiter und Saturn.

Heute wissen wir, warum die Planeten am Himmel so ungewöhnliche Bahnen ziehen: Während die Sterne sich im Vergleich zu unserem Sonnensystem kaum bewegen, kreisen die Planeten um die Sonne, daher ist die Bewegung der Planeten am Nachthimmel sehr viel komplizierter als die Bewegung der fernen Sterne.

Aristoteles glaubte, die Sonne, der Mond, die Planeten und die Sterne bewegten sich in kreisförmigen Umlaufbahnen um die Erde, während diese in einem unbewegten Zustand verharre, eine Auffassung, der seine mystische Überzeugung zugrunde lag, die Erde sei der Mittelpunkt des Universums und die kreisförmige Bewegung die vollkommenste. Aus dieser Vorstellung entwickelte Ptolemäus im 2. Jahrhundert n. Chr. ein vollständiges kosmologisches Modell. Er betrieb seine Studien mit Leidenschaft. «Wenn ich dem kreisförmigen Lauf der Sterne in ihrer dicht gedrängten Vielfalt voller Entzücken folge», schrieb er, «berühren meine Füße nicht mehr den Erdboden.»

Im ptolemäischen Modell umgaben acht Sphären die Erde. Jede Sphäre war etwas größer als die vorhergehende, ähnlich wie russische Puppen. Die Erde bildete den Mittelpunkt der Sphären. Was jenseits der letzten Sphäre lag, wurde nie deutlich erklärt; mit Sicherheit aber gehörte es nicht zu dem Teil des Universums, der menschlicher Beobachtung zugänglich war. Die äußerste Sphäre war also eine Art Grenze, oder Behältnis, für das Universum. Die Sterne nahmen feste Positionen auf dieser Sphäre ein. Wenn sich die Sphäre drehte, blieben die Sterne daher relativ zueinander in den gleichen Positionen und kreisten gemeinsam, als geschlossene Gruppe, über den Himmel – genauso, wie wir es beobachten. Die inneren Sphären trugen die Planeten. Diese waren auf den jeweiligen Sphären nicht fixiert wie die Sterne, sondern bewegten sich auf ihren Sphären in kleinen Kreisen, so genannten Epizyklen. Durch die Rotation der Planetensphären und die Bewegungen der Planeten auf ihren Sphären entstanden Planetenbahnen, die relativ zur Erde sehr komplex waren.

Auf diese Weise konnte Ptolemäus erklären, dass die beobachteten Bahnen der Planeten viel komplizierter als einfache Kreise am Himmel waren.

Das ptolemäische Modell lieferte ein System, das hinreichend genau war, um die Positionen der Himmelskörper vorherzusagen. Doch zur präzisen Vorherbestimmung dieser Positionen musste Ptolemäus von der Voraussetzung ausgehen, der Mond folge einer Bahn, die ihn manchmal doppelt so nahe an die Erde heranführte wie zu den anderen Zeiten. Das wiederum bedeutete, der Mond müsste manchmal doppelt so groß erscheinen wie sonst! Ptolemäus war sich dieser Schwäche seines Systems bewusst. Dennoch wurde es allgemein, wenn auch nicht ausnahmslos, akzeptiert. Die christliche Kirche übernahm es als Bild des Universums, da es sich in Einklang mit der Heiligen Schrift bringen ließ, denn es hatte den großen Vorteil, dass es jenseits der Sphäre der Fixsterne noch genügend Platz für Himmel und Hölle ließ.

Doch 1514 schlug Nikolaus Kopernikus, Domherr zu Frauenburg (Polen), ein anderes Modell vor. (Vielleicht aus Angst, von seiner Kirche als Ketzer gebrandmarkt zu werden, brachte er seine Thesen zunächst anonym in Umlauf.) Kopernikus hatte die revolutionäre Idee, dass nicht alle Himmelskörper die Erde umkreisen müssen. Vielmehr glaubte er, die Sonne ruhe unbewegt im Mittelpunkt des Sonnensystems, während die Erde und die anderen Planeten sich in kreisförmigen Bahnen um die Sonne bewegten. Wie das ptolemäische so bewährte sich auch das kopernikanische Modell recht gut, deckte sich aber nicht vollkommen mit den Beobachtungen. Da es sehr viel einfacher als das ptolemäische Modell war, hätte man erwarten können, dass die Menschen es sich rasch zu Eigen machen würden. Doch es vergingen fast hundert Jahre, bevor die Idee ernst genommen wurde. Dann traten zwei Astronomen – der deutsche Johannes Kepler und der Italiener Galileo Galilei – öffentlich für die kopernikanische Theorie ein.

1609 begann Galilei, den Nachthimmel mit einem Fernrohr zu beobachten, das gerade erfunden worden war. Als er den Planeten Jupiter betrachtete, entdeckte er, dass dieser von einigen kleinen Satelliten oder Monden begleitet wird, die ihn umkreisen. Daraus folgte, dass nicht alle Himmelskörper die Erde direkt umkreisen müssen, wie Aristoteles und Ptolemäus gemeint hatten. Gleichzeitig verbesserte Johannes Kepler die kopernikanische Theorie, indem er vorschlug, dass sich die Planeten nicht auf Kreis-, sondern auf Ellipsenbahnen bewegten. Mit dieser Veränderung der Theorie deckten sich die Vorhersagen plötzlich mit den Beobachtungen. Das war der Todesstoß für das ptolemäische Modell.

Obwohl die elliptischen Bahnen das kopernikanische Modell verbesserten, waren sie nach Keplers Ansicht nur eine provisorische Hypothese. Hintergrund war, dass Kepler einige vorgefasste Ansichten über die Natur besaß, die nicht auf Beobachtungen beruhten: Wie Aristoteles glaubte Kepler einfach, dass Ellipsen weniger vollkommen seien als Kreise. Die Idee, dass sich Planeten auf so unvollkommenen Bahnen bewegen könnten, erschien ihm zu hässlich, um die endgültige Wahrheit sein zu können. Bekümmert war Kepler auch, weil er sie nicht mit seiner Vorstellung in Einklang bringen konnte, dass magnetische Kräfte die Planeten um die Sonne bewegten. Zwar täuschte sich Kepler in der Annahme, magnetische Kräfte seien der Grund für die Planetenbahnen, trotzdem verdanken wir ihm die Erkenntnis, dass es eine Kraft geben muss, die für die Bewegung verantwortlich ist. Warum die Planeten die Sonne wirklich umkreisen, wurde erst viel später erklärt, im Jahr 1687, als Sir Isaac Newton die Philosophiae naturalis principia mathematica veröffentlichte, das wahrscheinlich wichtigste physikalische Werk, das je erschienen ist.

In den Principia stellte Newton ein Gesetz auf, nach dem Gegenstände, die sich in Ruhe befinden, natürlicherweise immer weiter in Ruhe bleiben, es sei denn, dass eine Kraft auf sie einwirkt, und er beschrieb, wie die Kraftwirkungen einen Gegenstand veranlassen, sich zu bewegen oder seine Bewegung zu verändern. Also warum bewegen sich die Planeten in Ellipsen um die Sonne? Newton sagte, dafür sei eine bestimmte Kraft verantwortlich, und behauptete, es sei dieselbe Kraft, die dafür sorge, dass Gegenstände zur Erde fielen und nicht in Ruhe verharrten, wenn man sie loslasse. Diese Kraft nannte er Gravitation oder Schwerkraft. Außerdem entwickelte Newton eine mathematische Methode, die exakt beschrieb, wie Gegenstände reagieren, wenn eine Kraft wie die Gravitation auf sie einwirkt, und er löste die daraus resultierenden...