Es ist nicht übertrieben zu sagen, dass die kopernikanische Revolution unser Denken über unseren Platz im Universum grundlegend verändert hat. In der Antike glaubten die Menschen, die Erde sei das Zentrum des Sonnensystems und des Universums, während wir heute wissen, dass wir uns nur auf einem von vielen Planeten befinden, die die Sonne umkreisen.

Aber diese Veränderung der Sichtweise geschah nicht über Nacht. Vielmehr bedurfte es fast eines Jahrhunderts neuer Theorien und sorgfältiger Beobachtungen, die oft mit einfacher Mathematik und rudimentären Instrumenten durchgeführt wurden, um unsere wahre Position am Himmel zu enthüllen.

Wir können Einblicke in die Entwicklung dieses tiefgreifenden Wandels gewinnen, wenn wir uns die Aufzeichnungen der Astronomen ansehen, die dazu beigetragen haben. Diese Notizen geben uns einen Hinweis auf die Arbeit, die Einsichten und den Genius, die die kopernikanische Revolution vorantrieben.

Wandernde Sterne

Stellen Sie sich vor, Sie sind ein Astronom aus der Antike und erforschen den Nachthimmel ohne die Hilfe eines Teleskops. Auf den ersten Blick unterscheiden sich die Planeten nicht wirklich von den Sternen. Sie sind etwas heller als die meisten Sterne und glitzern weniger, sehen aber sonst wie Sterne aus.

In der Antike war das, was die Planeten wirklich von den Sternen unterschied, ihre Bewegung am Himmel. Von Nacht zu Nacht bewegten sich die Planeten allmählich im Verhältnis zu den Sternen. Tatsächlich leitet sich der Begriff „Planet“ vom altgriechischen Wort für „wandernder Stern“ ab.

Die Bewegung des Mars über viele Wochen.

Und die Planetenbewegung ist nicht einfach. Planeten scheinen sich zu beschleunigen und zu verlangsamen, während sie den Himmel überqueren. Planeten kehren sogar vorübergehend ihre Richtung um und zeigen eine „rückläufige Bewegung“. Wie lässt sich das erklären?

Ptolemäus‘ Epizykel

Eine Seite einer arabischen Kopie von Ptolemäus‘ Almagest, die das ptolemäische Modell für einen sich um die Erde bewegenden Planeten zeigt. Qatar National Library

Die griechischen Astronomen der Antike entwarfen geozentrische (erdzentrierte) Modelle des Sonnensystems, die mit der Arbeit von Ptolemäus ihren Höhepunkt erreichten. Dieses Modell, das aus einer arabischen Kopie von Ptolemäus‘ Almagest stammt, ist oben abgebildet.

Ptolemäus erklärte die Planetenbewegung durch die Überlagerung von zwei Kreisbewegungen, einem großen „Deferentenkreis“ und einem kleineren „Epizykelkreis“.

Außerdem konnte die Deferentenkreisbahn eines jeden Planeten von der Position der Erde abweichen, und die gleichmäßige (Winkel-)Bewegung um die Deferentenkreisbahn konnte mit Hilfe einer Position definiert werden, die als Äquante bezeichnet wurde, und nicht mit der Position der Erde oder dem Zentrum der Deferentenkreisbahn. Hast du das verstanden?

Es ist ziemlich komplex. Aber es ist Ptolemäus‘ Verdienst, dass er die Positionen der Planeten am Nachthimmel mit einer Genauigkeit von einigen Grad (manchmal besser) vorhersagen konnte. Und so wurde es für mehr als ein Jahrtausend das wichtigste Mittel zur Erklärung der Planetenbewegung.

Kopernikus‘ Wende

Die Kopernikanische Revolution stellte die Sonne in den Mittelpunkt unseres Sonnensystems. Library of the Congress

Im Jahr 1543, dem Jahr seines Todes, begann Nikolaus Kopernikus seine gleichnamige Revolution mit der Veröffentlichung von De revolutionibus orbium coelestium (Über die Umdrehungen der Himmelskörper). Kopernikus‘ Modell für das Sonnensystem ist heliozentrisch, wobei die Planeten um die Sonne und nicht um die Erde kreisen.

Das vielleicht eleganteste Element des kopernikanischen Modells ist seine natürliche Erklärung für die wechselnde scheinbare Bewegung der Planeten. Die rückläufige Bewegung von Planeten wie dem Mars ist lediglich eine Illusion, die dadurch entsteht, dass die Erde den Mars „überholt“, während beide die Sonne umkreisen.

Ptolemäisches Gedankengut

Das ursprüngliche kopernikanische Modell weist Ähnlichkeiten mit ptolemäischen Modellen auf, einschließlich Kreisbewegungen und Epizyklen. Library of the Congress

Unglücklicherweise wurde das ursprüngliche kopernikanische Modell mit dem ptolemäischen Gepäck beladen. Die kopernikanischen Planeten bewegten sich immer noch mit Bewegungen durch das Sonnensystem, die durch die Überlagerung von Kreisbewegungen beschrieben wurden. Kopernikus verzichtete auf die von ihm verachtete Äquante und ersetzte sie durch das mathematisch gleichwertige Epizyklet.

Der Astronomiehistoriker Owen Gingerich und seine Kollegen berechneten die Planetenkoordinaten anhand der ptolemäischen und kopernikanischen Modelle der damaligen Zeit und stellten fest, dass beide vergleichbare Fehler aufwiesen. In einigen Fällen weicht die Position des Mars um 2 Grad oder mehr ab (weit mehr als der Durchmesser des Mondes). Außerdem war das ursprüngliche kopernikanische Modell nicht einfacher als das frühere ptolemäische Modell.

Da die Astronomen des 16. Jahrhunderts keinen Zugang zu Teleskopen, Newtonscher Physik und Statistik hatten, war es für sie nicht offensichtlich, dass das kopernikanische Modell dem ptolemäischen überlegen war, auch wenn es die Sonne korrekt in den Mittelpunkt des Sonnensystems stellte.

Galileo

Galileis teleskopische Beobachtungen der Planeten, einschließlich der Phasen der Venus, zeigten, dass die Planeten um die Sonne kreisen. NASA

Ab 1609 benutzte Galileo Galilei das neu erfundene Fernrohr, um Sonne, Mond und Planeten zu beobachten. Er sah die Berge und Krater des Mondes und entdeckte zum ersten Mal, dass die Planeten eigenständige Welten sind. Galilei lieferte auch den eindeutigen Beobachtungsbeweis, dass die Planeten um die Sonne kreisen.

Galileos Beobachtungen der Venus waren besonders überzeugend. In den ptolemäischen Modellen befindet sich die Venus immer zwischen Erde und Sonne, so dass wir hauptsächlich die Nachtseite der Venus sehen sollten. Galilei konnte jedoch die Tagseite der Venus beobachten, was darauf hindeutet, dass sich die Venus auf der der Erde gegenüberliegenden Seite der Sonne befinden kann.

Keplers Krieg mit dem Mars

Johannes Kepler triangulierte die Position des Mars, indem er Beobachtungen des Mars nutzte, als dieser in dieselbe Position seiner Umlaufbahn zurückkehrte. University of Sydney

Die Kreisbewegungen der ptolemäischen und kopernikanischen Modelle führten zu großen Fehlern, insbesondere beim Mars, dessen vorhergesagte Position um mehrere Grad abweichen konnte. Johannes Kepler widmete Jahre seines Lebens dem Verständnis der Bewegung des Mars, und er knackte dieses Problem mit einer höchst genialen Waffe.

Planeten wiederholen (ungefähr) dieselbe Bahn, wenn sie die Sonne umkreisen, so dass sie einmal pro Umlaufperiode zur selben Position im Raum zurückkehren. Zum Beispiel kehrt der Mars alle 687 Tage an dieselbe Position seiner Umlaufbahn zurück.

Da Kepler die Daten kannte, an denen sich ein Planet an der gleichen Position im Raum befand, konnte er die verschiedenen Positionen der Erde entlang ihrer eigenen Umlaufbahn verwenden, um die Positionen der Planeten zu triangulieren, wie oben dargestellt. Mit Hilfe der vorteleskopischen Beobachtungen des Astronomen Tycho Brahe konnte Kepler die elliptischen Bahnen der Planeten auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne nachzeichnen.

So konnte Kepler seine drei Gesetze der Planetenbewegung formulieren und die Positionen der Planeten mit weitaus größerer Genauigkeit vorhersagen, als dies zuvor möglich war. Damit legte er den Grundstein für die Newtonsche Physik des späten 17. Jahrhunderts und die bemerkenswerte Wissenschaft, die darauf folgte.

Kepler selbst fasste das neue Weltbild und seine weitreichende Bedeutung 1609 in seiner Astronomia nova (Neue Astronomie) zusammen:

Für mich ist die Wahrheit jedoch noch frommer, und (mit allem Respekt vor den Doktoren der Kirche) beweise ich philosophisch nicht nur, dass die Erde rund ist, nicht nur, dass sie rundherum an den Antipoden bewohnt ist, nicht nur, dass sie verächtlich klein ist, sondern auch, dass sie zwischen den Sternen mitgeführt wird.