Het is niet moeilijk om te zeggen dat de Copernicaanse revolutie de manier waarop we over onze plaats in het heelal denken, fundamenteel heeft veranderd. In de oudheid geloofden de mensen dat de aarde het middelpunt van het zonnestelsel en het heelal was, terwijl we nu weten dat we ons slechts op een van de vele planeten bevinden die om de zon draaien.

Maar deze verschuiving in visie vond niet van de ene op de andere dag plaats. Het kostte bijna een eeuw van nieuwe theorie en zorgvuldige waarnemingen, vaak met behulp van eenvoudige wiskunde en rudimentaire instrumenten, om onze ware positie aan de hemel te onthullen.

We kunnen inzicht krijgen in hoe deze ingrijpende verschuiving zich ontvouwde door te kijken naar de aantekeningen die zijn achtergelaten door de astronomen die eraan hebben bijgedragen. Deze aantekeningen geven ons een aanwijzing voor de arbeid, de inzichten en de genialiteit die de Copernicaanse revolutie aandreven.

Zwervende sterren

Stel je voor dat je een astronoom uit de oudheid bent, die de nachtelijke hemel verkent zonder de hulp van een telescoop. In het begin onderscheiden de planeten zich niet echt van de sterren. Ze zijn iets helderder dan de meeste sterren en flonkeren minder, maar zien er verder uit als sterren.

In de oudheid was het werkelijke verschil tussen planeten en sterren hun beweging langs de hemel. Van nacht tot nacht bewogen de planeten zich geleidelijk ten opzichte van de sterren. Inderdaad is “planeet” afgeleid van het Oudgrieks voor “dwalende ster”.

De beweging van Mars gedurende vele weken.

En de beweging van planeten is niet eenvoudig. Planeten lijken te versnellen en te vertragen als ze langs de hemel trekken. Planeten keren zelfs tijdelijk van richting en vertonen “retrograde beweging”. Hoe kan dit worden verklaard?

Ptolemaeus epicykels

Een bladzijde van een Arabisch exemplaar van Ptolemaeus’ Almagest, ter illustratie van het Ptolemaeïsche model voor een planeet die rond de Aarde beweegt. Qatar National Library

De oude Griekse astronomen stelden geocentrische (op de aarde gerichte) modellen van het zonnestelsel op, die hun hoogtepunt bereikten met het werk van Ptolemaeus. Dit model, uit een Arabisch exemplaar van Ptolemaeus’ Almagest, is hierboven afgebeeld.

Ptolemaeus verklaarde de beweging van de planeten met behulp van de superpositie van twee cirkelvormige bewegingen, een grote “deferente” cirkel gecombineerd met een kleinere “epicycle” cirkel.

Daarnaast kon de referentie van elke planeet worden verschoven ten opzichte van de positie van de Aarde en kon de constante (hoek)beweging rond de referentie worden gedefinieerd aan de hand van een positie die bekend staat als een equant, in plaats van de positie van de Aarde of het middelpunt van de referentie. Heb je dat begrepen?

Het is nogal ingewikkeld. Maar Ptolemeus’ model voorspelde de posities van de planeten aan de nachtelijke hemel met een nauwkeurigheid van een paar graden (soms beter). En zo werd het de primaire manier om de beweging van planeten te verklaren voor meer dan een millennium.

Copernicus’ verschuiving

De Copernicaanse Revolutie plaatste de zon in het centrum van ons zonnestelsel. Congresbibliotheek

In 1543, het jaar van zijn dood, begon Nicolaus Copernicus zijn gelijknamige revolutie met de publicatie van De revolutionibus orbium coelestium (Over de omwentelingen van de hemelse sferen). Copernicus’ model voor het zonnestelsel is heliocentrisch, waarbij de planeten om de zon cirkelen in plaats van om de aarde.

Misschien wel het elegantste onderdeel van het Copernicaanse model is zijn natuurlijke verklaring van de veranderende schijnbare beweging van de planeten. De retrograde beweging van planeten als Mars is slechts een illusie, veroorzaakt door het “inhalen” van Mars door de aarde als ze beiden om de zon draaien.

Ptolemeïsche bagage

Het oorspronkelijke Copernicaanse model vertoont overeenkomsten met Ptolemeïsche modellen, waaronder cirkelbewegingen en epicykels. Library of the Congress

Ongelukkigerwijs was het oorspronkelijke Copernicaanse model beladen met de Ptolemeïsche bagage. De Copernicaanse planeten bewogen zich nog steeds rond het zonnestelsel met bewegingen die werden beschreven door de superpositie van cirkelvormige bewegingen. Copernicus ontdeed zich van de equant, die hij verachtte, maar verving deze door de mathematisch equivalente epicyclet.

Astronoom-historicus Owen Gingerich en zijn collega’s berekenden planetaire coördinaten met behulp van Ptolemeïsche en Copernicaanse modellen van die tijd, en ontdekten dat beide vergelijkbare fouten hadden. In sommige gevallen is de positie van Mars 2 graden of meer fout (veel groter dan de diameter van de maan). Bovendien was het oorspronkelijke Copernicaanse model niet eenvoudiger dan het vroegere Ptolemeïsche model.

Omdat de 16e eeuwse astronomen geen toegang hadden tot telescopen, Newtoniaanse natuurkunde en statistiek, was het voor hen niet duidelijk dat het Copernicaanse model superieur was aan het Ptolemeïsche model, ook al plaatste het de zon correct in het centrum van het zonnestelsel.

Toen kwam Galileo

Galileo’s telescopische waarnemingen van de planeten, waaronder de fasen van Venus, toonden aan dat planeten rond de zon reizen. NASA

Vanaf 1609 gebruikte Galileo Galilei de pas uitgevonden telescoop om de zon, de maan en de planeten te observeren. Hij zag de bergen en kraters van de maan, en liet voor het eerst zien dat de planeten op zichzelf staande werelden waren. Galileo leverde ook sterk observationeel bewijs dat planeten om de zon draaiden.

Galileo’s waarnemingen van Venus waren bijzonder overtuigend. In de Ptolemaeïsche modellen blijft Venus altijd tussen de aarde en de zon in staan, zodat we vooral de nachtzijde van Venus moeten bekijken. Maar Galileo was in staat om de overdag verlichte kant van Venus waar te nemen, wat aangeeft dat Venus aan de andere kant van de zon kan staan dan de aarde.

Kepler’s oorlog met Mars

Johannes Kepler trianguleerde de positie van Mars door gebruik te maken van waarnemingen van Mars wanneer deze terugkeerde naar dezelfde positie in zijn baan. University of Sydney

De cirkelvormige bewegingen van de Ptolemeïsche en Copernicaanse modellen leidden tot grote fouten, vooral voor Mars, waarvan de voorspelde positie enkele graden fout kon zijn. Johannes Kepler wijdde jaren van zijn leven aan het begrijpen van de beweging van Mars, en hij loste dit probleem op met een zeer ingenieus wapen.

Planeten volgen (ongeveer) hetzelfde pad als zij om de zon draaien, dus keren zij eenmaal per omlooptijd terug naar dezelfde positie in de ruimte. Mars keert bijvoorbeeld elke 687 dagen terug naar dezelfde positie in zijn baan.

Als Kepler de data kende waarop een planeet op dezelfde positie in de ruimte zou staan, kon hij de verschillende posities van de Aarde langs haar eigen baan gebruiken om de posities van de planeten te trianguleren, zoals hierboven geïllustreerd. Met behulp van de pre-telescopische waarnemingen van de astronoom Tycho Brahe kon Kepler de elliptische banen van de planeten in hun baan om de zon bepalen.

Hierdoor kon Kepler zijn drie wetten van de planeetbeweging formuleren en de posities van de planeten voorspellen met een veel grotere precisie dan voorheen mogelijk was. Hij legde daarmee de basis voor de Newtoniaanse natuurkunde van de late 17e eeuw, en de opmerkelijke wetenschap die daarop volgde.

Kepler zelf vatte het nieuwe wereldbeeld en de bredere betekenis ervan in 1609’s Astronomia nova (Nieuwe Astronomie):

Voor mij echter is de waarheid nog vromer, en (met alle respect voor de Doctoren van de Kerk) bewijs ik filosofisch niet alleen dat de aarde rond is, niet alleen dat zij helemaal rondom aan de antipoden bewoond is, niet alleen dat zij verachtelijk klein is, maar ook dat zij tussen de sterren wordt meegesleept.