Das heliozentrische Weltbild

Das heliozentrische Weltbild (altgriechisch ἥλιος helios ‚Sonne‘ und κέντρον kentron ‚Mittelpunkt‘), auch kopernikanisches Weltbild genannt, basiert auf der Annahme, dass sich die Planeten um die Sonne bewegen. Es steht im Gegensatz zum älteren geozentrischen (ptolemäischen) Weltbild, in dem die Erde als Zentrum des Universums betrachtet wird. Der Übergang zum heliozentrischen Weltbild wird häufig auch als kopernikanische Wende bezeichnet.


Schematischer Vergleich: Geozentrisches (oben) und heliozentrisches Weltbild (unten)

Als das geozentrische und später das heliozentrische Weltbild entwickelt wurden, handelte es sich dabei um Versuche, den Aufbau des damals bekannten Universums zu beschreiben. Heute gilt die Ansicht als Weltbild für veraltet, denn die Erkenntnis, dass das Sonnensystem nur einen winzigen Teil des gesamten Universums darstellt, setzte sich erst ab dem 18. Jahrhundert durch.

Entwicklung

Altes Griechenland

Im 3. Jahrhundert v. Chr. kritisierte Aristoteles [1] die Lehre der Pythagoräer: „Im Zentrum, sagen sie (die Pythagoräer), ist Feuer und die Erde ist einer der Sterne und erzeugt Nacht und Tag, indem sie sich kreisförmig um das Zentrum bewegt.“ Die Grundlage für diese Einstufung waren die klassischen vier Elemente der Philosophie statt naturwissenschaftlicher Erkenntnisse. Nach Meinung der Pythagoräer war Feuer kostbarer als Erde und sollte aus diesem Grund zentral sein. Jedoch war für sie das zentrale Feuer nicht die Sonne. Die Pythagoräer glaubten, dass die Sonne zusammen mit allen anderen Himmelskörpern das zentrale Feuer umkreise. Aristoteles verwarf diese These und befürwortete das geozentrische Weltbild.


Heliozentrisches Weltbild (1708)


Aristarch (3. Jahrhundert v. Chr.): Berechnungen der Größen von Erde, Sonne und Mond (Abschrift aus dem 10. Jahrhundert)

Aristarch von Samos (3. Jahrhundert v. Chr.) soll als einer der ersten ein heliozentrisches Weltbild vorgeschlagen haben, beeinflusst durch die Überlegungen von Philolaos. Indessen sind Aristarchs Schriften verloren gegangen, und die genaue Natur seiner Argumente ist nicht bekannt. Als er seine Thesen niederschrieb, wurde gerade die Größe der Erde durch Eratosthenes exakt berechnet. Aristarch selbst maß die Größe und den Abstand des Mondes und der Sonne. Während seine Berechnungen für den Mond annehmbar waren, waren die, die er für die Sonne errechnete, sehr weit von modernen Standards entfernt, aber immerhin ein ernst zu nehmender Anfang. Möglicherweise haben auch andere Wissenschaftler es für sinnvoller gehalten, dass die Erde sich bewegt, als dass die sehr große Sonne um sie kreist.

Aristarchs Originalarbeit über das heliozentrische Weltbild ist nur bekannt über Sekundärquellen; so ergibt sich die Ungewissheit hinsichtlich seiner Argumentation. Es scheint, dass er auf das Problem der stellaren Parallaxe stieß: Wenn sich die Erde über sehr große Strecken bewegt, dann sollte ein näherer Stern in seiner Eigenbewegung schneller erscheinen als ein entfernterer (wie bei nahe gelegenen im Verhältnis zu entfernten Bergen, wenn man reist). Aristarch erklärte das Ausbleiben eines solchen Effekts richtig damit, dass die Sterne sehr fern seien: Es ist nicht feststellbar, ob er meinte, dass sie sich unendlich weit entfernt befänden, oder nur so weit, dass (mit damaligen Mitteln) keine Parallaxe beobachtbar war. Die stellare Parallaxe wurde dann korrekt im 19. Jahrhundert nachgewiesen.

Aristarchs heliozentrisches Modell wurde von Archimedes im „Sandrechner“ analysiert. Der Zweck dieser Arbeit war der Nachweis, dass sehr große Zahlen (wie die Anzahl Sandkörner, die zum Füllen des Universums nötig wären) mathematisch ausgedrückt werden können und nicht vage als „unendlich“ bezeichnet werden müssen. Zu diesem Zweck nahm er das größte vorhandene Modell des Universums (das von Aristarch), um die Menge des Sandes zu errechnen, die sogar dieses Universum füllen würde. Er unterstrich, dass es mathematisch wenig sinnvoll sei, eine Beziehung herzustellen zwischen der Oberfläche einer Sphäre und ihrer Mitte, sofern diese keine Größe hat. Archimedes nahm an, dass der Abstand von Fixsternen im gleichen Verhältnis zum Durchmesser der Erdbahn steht wie diese Bahn in Beziehung zur Größe der Erde selbst. Unter diesen Bedingungen lässt sich zeigen, dass die stellare Parallaxe über die damaligen Beobachtungsfähigkeiten hinausging. Doch gibt es keinen Hinweis, ob Aristarch oder Archimedes ausdrücklich das Problem der stellaren Parallaxe ansprachen, um festzustellen, ob die Erde sich wirklich bewegte.
Indien im Mittelalter

Der indische Astronom und Mathematiker Aryabhata (476–550) schlug ein heliozentrisches Modell vor, in welchem die Erde sich um ihre eigene Achse dreht und die Umlaufzeiten der Planeten in Bezug auf eine stationäre Sonne gegeben werden. Er war der erste, der entdeckte, dass Mond und Planeten das Licht der Sonne reflektieren und die Planeten einer Umlaufbahn folgen, die um die Sonne herumführt.[2]

Islamische Welt


Nasir ad-Din at-Tusi entwarf im 13. Jahrhundert das fortschrittlichste Weltbild-Modell seiner Zeit.

Die islamische Astronomie des Mittelalters blieb bei einem geozentrischen Weltbild, entwickelte dieses aber gegenüber dem ptolemäischen System weiter. Ein Grundsatz dabei war, dass Bewegungen gleichförmig auf Kreisbahnen erfolgen, bzw. durch Zusammensetzungen von gleichförmigen Bewegungen auf Kreisbahnen beschrieben werden sollten. Insbesondere der Äquant, ein Punkt, mit dessen Hilfe in der Epizykeltheorie des Ptolemäus nichtgleichförmige Bewegungen erklärt werden sollten, wurde dabei als problematisch angesehen:

Der persische Wissenschaftler Nasir ad-Din at-Tusi (1201–1274) löste dieses und andere Probleme im ptolemäischen System durch die Entwicklung der Tusi-Paare. Durch die Kombination zweier Kreisbewegungen, wobei ein Kreis auf der Innenseite des anderen abrollt, können damit auch komplizierte Planetenbewegungen, z. B. angenäherte Ellipsenbewegungen beschrieben werden.

Der Wissenschaftler Mu’ayyad ad-Din al-Urdi (ca. 1250) entwickelte das Urdi-Lemma.

Ibn asch-Schatir (1304–1375) löste in seiner Abhandlung Kitab Nihayat as-Sulfi Tashih al-Usul die Notwendigkeit eines Äquanten auf, indem er einen zusätzlichen Epizykel einführte, was vom ptolemäischen System (in derselben Weise wie später auch Kopernikus) abwich. Ibn al-Shatir schlug ein System vor, welches approximativ geozentrisch war, nachdem trigonometrisch bewiesen worden war, dass die Erde nicht den Mittelpunkt des Universums darstellte.

Al-Urdis Verbesserungen der Epizykel wurde später im Kopernikanischen Modell benutzt, zusammen mit dem Urdi-Lemma und dem Tusi-Paar.

Europa während der Renaissan

Im Westen war die Idee eines heliozentrischen Weltbildes vor Nikolaus Kopernikus durchaus bekannt, allerdings nicht in Form des späteren kopernikanischen Systems. Am bekanntesten war die antike Idee des Philolaos von Kroton, wonach alle Planeten mitsamt der Sonne um ein Zentralfeuer kreisten. Arabische Texte wurden nach dem 11. Jahrhundert in zunehmendem Maße ins Lateinische übersetzt (resultierend aus den Kreuzzügen und der Übersetzerschule von Toledo). Der später zum Kirchenlehrer erhobene Franziskaner Bonaventura von Bagnoregio referierte über ein heliozentrisches Weltbild bereits in seinen Collationes in Hexaemeron 1273 und deutete es theologisch auf Christus als die Mitte der Schöpfung. Ihm folgten in der Diskussion Nikolaus von Oresme und Nicolaus Cusanus. Für die meisten Gelehrten bot dieses Weltbild aber ein grundlegendes Problem: Sie nahmen an, wenn die Erde sich bewege und um die Sonne laufe, müssten Menschen und Gegenstände schräg fallen oder sogar in den Weltraum hinausfliegen; ein von einem Turm fallender Gegenstand würde aufgrund der Erdrotation weiter westlich auf dem Boden aufkommen. Eine Antwort darauf erforderte ein viel besseres Verständnis von Physik. Eine mathematische Beweisführung, die mit den zu dieser Zeit geläufigen Beobachtungen einigermaßen übereinstimmte, gelang erstmals Kopernikus mit seinem Werk De Revolutionibus. Mit seiner Theorie behob er das Problem der rückläufigen Planetenbewegung, indem er argumentierte, dass eine solche Bewegung nur wahrgenommen werde, jedoch nicht real sei (vgl. Scheinbare rechtläufige und rückläufige Bewegung und Epizykeltheorie). Erst im Jahr 1544 (ein Jahr nach dem Tode von Kopernikus) wurden mit der Veröffentlichung der Opera Archimedis auch Archimedes' Aussagen über die heliozentrische Sichtweise des Aristarch von Samos bekannt, was die Gegner des Kopernikus jedoch nicht daran hinderte, diesem zu unterstellen, er habe nur die Lehre Aristarchs wiederbelebt. Zu Lebzeiten von Kopernikus war jedoch nur die bis heute einzig erhaltene Schrift Aristarchs Über die Größen und Entfernungen der Sonne und des Mondes bekannt, die Aristarch in geozentrischer Sichtweise schrieb.
Religion und heliozentrisches Weltbild

Schon in der Zeit von Aristarch wurde die heliozentrische Idee als „antireligiös“ eingestuft. Dieses Thema war jedoch fast 2000 Jahre lang bedeutungslos.

Nicolaus Copernicus veröffentlichte zuerst 1507 in seinem handgeschriebenen kleinen Werk Commentariolus und 1543 endgültig in De revolutionibus orbium coelestium seine heliozentrische Auffassung. Copernicus arbeitete an letzterem bis 1530, publizierte es aber erst im Jahr seines Todes. Obwohl er ein gutes Verhältnis zur Kirche hatte und auch Papst Paul III. informiert hatte, enthielt die erschienene Auflage eine nicht unterzeichnete Einleitung von Andreas Osiander, in der steht, dass das System eine rein mathematische Hypothese sei und nicht die Wirklichkeit abbilden solle. Vielleicht hielt diese Einleitung die Debatte in Grenzen, ob Copernicus’ Arbeit ketzerisch sein könne.

Die Bezeichnung zu dieser Zeit für solch einen lediglich erfundenen Rechentrick war „Hypothese“. Die Debatten der folgenden 100 Jahre kann man nur verstehen, wenn man nachvollzieht, dass die moderne, naturwissenschaftliche Denkweise noch nicht existierte. Danach wird eine Idee durch ein Experiment entweder bestätigt oder widerlegt. Diese Sichtweise wurde jedoch erst über eine Generation später, zu Zeiten Galileo Galileis begründet. Auch Galilei selbst konnte das heliozentrische System aber nicht im streng wissenschaftlichen Sinne beweisen. Dafür waren die astronomischen Beobachtungsinstrumente seiner Zeit zu unausgereift, insbesondere gelang es Galilei, ebenso wie den alten griechischen Astronomen, nicht, eine Fixsternparallaxe (jährliche Parallaxe) nachzuweisen. Da Galilei aber, wie viele seiner Zeitgenossen, davon ausging, dass das Universum relativ klein ist und die nächsten Sterne nicht etwa Lichtjahre entfernt sind, hätte er nach seinen eigenen Prämissen eine solche Parallaxe beobachten müssen. Er machte sich deshalb nicht nur aus theologischer Perspektive, sondern auch innerhalb seines eigenen Gedankengebäudes angreifbar.

Es gab einen frühen Vorschlag unter Dominikanern, dass der Unterricht dieser Lehre verboten werden sollte, was aber nicht durchgesetzt wurde. Während des 16. Jahrhunderts äußerten sich einige Protestanten sehr nachdrücklich. Martin Luther sagte einmal:[3]

„Es ist die Rede von einem neuen Astrologen, der beweisen möchte, dass die Erde sich anstelle des Himmels, der Sonne und des Mondes bewegt, als ob jemand in einem fahrenden Wagen oder Schiff denken könnte, dass er stehen bleibt, während die Erde und die Bäume sich bewegen. Aber das ist, wie die Sachen heutzutage sind: Wenn ein Mann gescheit sein möchte, muss er etwas Besonderes erfinden, und die Weise, wie er etwas tut, muss die beste sein! Dieser Dummkopf möchte die gesamte Kunst der Astronomie verdrehen. Jedoch hat das heilige Buch uns erklärt, dass Josua die Sonne und nicht die Erde bat, still zu stehen.“

Dies wurde im Kontext eines Gespräches und nicht in einer formalen Aussage zum Glauben berichtet.

Später jedoch fing die katholische Kirche an, das geozentrische Weltbild unnachgiebiger zu schützen. Papst Urban VIII., der die Veröffentlichung von Galileis Arbeit über die zwei Theorien der Welt genehmigt hatte, stellte sich gegen Galilei. Er soll geglaubt haben, Galilei habe ihn in seinem Dialog hinsichtlich der zwei Hauptweltsysteme in der Figur des dumm-konservativen Simplicius verspottet; doch der Beweis hierfür fehlt. Mit der Zeit wurde die katholische Kirche zum Hauptgegner der heliozentrischen Ansicht.

Das von der Kirche bevorzugte System war das von Ptolemäus gewesen, in dem die Erde die Mitte des Universums ist und alle Himmelskörper sie umkreisen. (Die katholische Unterstützung des geozentrischen Systems sollte nicht mit der Idee einer flachen Erde verwechselt werden, welche die Kirche nie stützte.) Ein geozentrischer Kompromiss war das System von Tycho Brahe, in dem die Sonne die Erde umkreist, während – wie im kopernikanischen System – die Planeten die Sonne umkreisen. Die Astronomen der Jesuiten in Rom waren diesem System gegenüber anfangs skeptisch; Clavius kommentiert, dass Tycho Brahe „die ganze Astronomie verwirrte, weil er den Mars näher als die Sonne haben möchte.“ Aber als die Kontroverse sich entwickelte und die Kirche nach 1616 härter gegen die kopernikanischen Ideen vorgingen, wählten die Jesuiten doch Tycho Brahes System; nach 1633 war der Gebrauch dieses Systems fast vorgeschrieben.

Für das Erweitern der heliozentrischen Theorie wurde Galileo Galilei für die letzten Jahre seines Lebens unter Hausarrest gesetzt.

Theologe und Pastor Thomas Schirrmacher (* 1960) argumentiert allerdings:

„Im Gegenteil zur Legende wurden Galileo und das Kopernikanische System von den Kirchenbeamten intensiv geprüft. Galileo wurde das Opfer seiner eigenen Arroganz, des Neides seiner Kollegen und der Politik des Papstes Urban VIII. Er wurde nicht der Kritik an der Bibel, sondern des Ungehorsams gegenüber dem Papst beschuldigt.“

Katholische Wissenschaftler meinen auch:

„Ich schätze, dass der Hinweis auf Ketzerei in Zusammenhang mit Galileo oder Copernicus keine allgemeine oder theologische Bedeutung hatte.“[4]

In den formalen Anklagen der Inquisition wurde Galilei nicht der Verletzung einer päpstlichen Verordnung beschuldigt, sondern eher für seine Haltung: „…einer falschen Lehre, die durch viele unterrichtet wurde, nämlich, dass die Sonne in der Mitte der Welt unbeweglich ist und dass die Erde sich bewegt“. Während der mehrtägigen Befragung durch die Inquisition wurde Galilei am ersten Tag gefragt, welche Befehle er 1616 erhalten habe; erst am vierten Tag wurde er nach seiner kopernikanischen Überzeugung befragt. Der abschließende Urteilsspruch war: Er habe sich der „Ketzerei“ schuldig gemacht, aber es gab keine Erwähnung der Missachtung einer spezifischen Anweisung.

Kardinal Robert Bellarmin (1542–1621) selbst betrachtete das Modell Galileis als „ausgezeichnet sinnvoll“ wegen der mathematischen Einfachheit:[5]

„Wenn es einen realen Beweis gäbe, dass die Sonne in der Mitte des Universums ist, dass die Erde sich in der dritten Sphäre befindet und dass die Sonne feststeht, aber die Erde ringsum die Sonne geht, dann sollten wir mit großer Umsicht fortfahren, wenn wir Passagen von Büchern erklären, die das Gegenteil zu unterrichten scheinen, und wir sollten eher sagen, dass wir es nicht verstanden, anstatt es als falsch zu deklarieren. Aber ich denke nicht, dass es so einen Beweis gibt, da mir bisher keiner gezeigt wurde.“

Der Kardinal wollte den Unterricht nur für den Fall verbieten, wenn sie nicht als Hypothese bezeichnet wird. 1616 erteilte er Galilei den päpstlichen Befehl, „die heliozentrische Idee nicht zu verteidigen.“ Die Dominikaner konnten sich jedoch mit ihrer Forderung durchsetzen, das heliozentrische System in jeder Hinsicht zu verbieten.

Die offizielle Opposition der Kirche zum Heliozentrismus erstreckte sich nicht auf die gesamte Astronomie. Es wurde ihr erlaubt, die Kathedralen quasi als Sonnensystemwarten zu nutzen, als gigantische Lochkameras, in denen das Bild der Sonne durch ein Loch in den Kuppel auf eine Mittagslinie projiziert wurde.

Papst Benedikt XIV. hob am 17. April 1757 den Bann gegen Werke auf, die ein heliozentrisches Weltbild vertraten. Ausgelöst wurde diese Entscheidung durch die allgemeine Anerkennung, die die Werke Isaac Newtons in der wissenschaftlichen Welt gefunden hatten. Am 11. September 1822 entschied die Kongregation der römischen und allgemeinen Inquisition dann, dass der Druck und die Publikation von Werken, die die Bewegung von Planeten und Sonne in Übereinstimmung mit der Auffassung der modernen Astronomen darstellten, generell erlaubt sei. Diese Entscheidung wurde kurz darauf durch Papst Pius VII. ratifiziert.
Moderne Sicht
Vom Sonnensystem zu den Galaxien

Die Schlussfolgerung, dass die heliozentrische Ansicht nicht zutreffend war, wurde in Schritten erzielt. Dass die Sonne nicht die Mitte des Universums, aber einer von unzählbaren Sternen war, wurde stark vom Philosophen Giordano Bruno befürwortet. Galilei war der gleichen Ansicht, sagte aber zu dieser Angelegenheit sehr wenig, wahrscheinlich aus Angst vor dem Zorn der Kirche. Im Laufe des 18. und 19. Jahrhunderts wurde der Status der Sonne als ein Stern unter vielen in zunehmendem Maße offensichtlich, im 20. Jahrhundert, noch vor der Entdeckung, dass es viele Galaxien gibt, war dies bereits einhellige Meinung.
Rechengenauigkeit im Sonnensystem

Selbst wenn die Diskussion auf das Solarsystem begrenzt wird, steht die Sonne nicht in der geometrischen Mitte der Planetenbahnen. Auch die Planeten ziehen sich in einem sehr geringen Maße gegenseitig an und verursachen dadurch gegenseitige Bahnstörungen. Die Massen dieser Himmelskörper sind zwar bei weitem kleiner als die Masse der Sonne (zum Beispiel besitzt der Jupiter als größter Planet im Sonnensystem nur 0,14 Prozent der Masse der Sonne), verursachen aber eine Verlagerung des gemeinsamen Massenschwerpunkts (Baryzentrum) aus dem Mittelpunkt der Sonne. Infolgedessen bewegen sich die Planeten auf ihren elliptischen Bahnen nur ungefähr „um die Sonne“, präzise formuliert jedoch – wie auch die Sonne selbst – um das Baryzentrum des Sonnensystems. Diese Effekte können heute durch störungstheoretische Ansätze oder exakte numerische Verfahren mit hoher Präzision berechnet werden. Die Baryzentrischen Referenzsysteme bilden heute sowohl die Grundlage der gesamten Himmelsmechanik im Sonnensystem (etwa der Variations Séculaires des Orbites Planétaires, aktuell VSOP2002), wie auch für die Zeitrechnung (Baryzentrische Dynamische Zeit TDB, bzw. seit 1991 Baryzentrische Koordinatenzeit TCB).
Relativitätsprinzip

Das Relativitätsprinzip, das heute im Rahmen der Relativitätstheorie etabliert ist, geht davon aus, dass es prinzipiell keinen Punkt gibt, der vor anderen ausgezeichnet ist. Daher wird das heliozentrische Weltbild kaum mehr für kosmologische Anschauungen herangezogen, sondern ist – wie ursprünglich von Copernicus vorgesehen und dann von Kepler ausgeführt, um die Epizykeltheorie zu ersetzen – rein rechentechnischer Natur: Die Formelsätze für die Bewegungsgleichungen der Himmelskörper des Sonnensystems sind in ihrer heliozentrischen Fassung wesentlich leichter zu handhaben, als dies aus einem in Bezug zur Sonne rotierenden Bezugssystem möglich wäre, wie ihn etwa der Erdmittelpunkt mit einem erdfesten Koordinatensystem darstellt (geozentrischer Standpunkt) oder gar ein Punkt der Erdoberfläche (topozentrischer Standpunkt). In diesem Zusammenhang werden dann die Adjektive „geozentrisch“ oder „heliozentrisch“ verwendet, doch hat eine solche Wahl von Koordinaten keine philosophische oder physikalische Bedeutung mehr.

Fred Hoyle schrieb:

„Die Beziehung der zwei Systeme (Geozentrismus und Heliozentrismus) ist reduziert auf die bloße Umwandlung der Koordinaten, und es ist die Hauptlehre von Einsteins Theorie, dass alle Möglichkeiten, die Welt zu betrachten, vom physikalischen Gesichtspunkt aus völlig äquivalent sind, sofern sie miteinander über eine Koordinatenumwandlung verbunden sind.“[6]

Weiterführende Informationen hierzu gibt der Abschnitt Relativitätsprinzip im Artikel Allgemeine Relativitätstheorie.

Siehe auch

Heliografische Koordinaten





Quelle - Literatur& einzelnachweise