Heliozentrisches Weltbild

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

Das heliozentrische Weltbild (altgriechisch ἥλιος helios ‚Sonne‘ und κέντρον kentron Zentrum) ist ein Weltbild, in dem die Sonne als Zentrum gilt, um das sich die Planeten und die Erde herum bewegen, während die Fixsterne an einer festen äußeren Kugelschale angeheftet sind.

Das heliozentrische Weltbild löste das geozentrische Weltbild mit der Erde im Zentrum ab, das im 2. Jahrhundert von Claudius Ptolemäus standardisiert wurde und von der Antike bis ins Mittelalter in Europa vorherrschte, obwohl es die astronomischen Beobachtungen nur unzureichend zu beschreiben vermochte; im islamischen Raum wurde es partiell weiterentwickelt.[1] Unter prinzipieller Erhaltung des Kugelschalenmodell ersetzte Nikolaus Kopernikus die Erde als Zentralkörper durch die Sonne. Durch Aufgabe des Kugelschalenmodells sowie des Konzepts der Kreisbewegungen der Himelskörper mit konstanter Geschwindigkeit erzielte Johannes Kepler eine für seine Zeit akzeptable Übereinstimmung der Vorausberechnungen mit den empirischen Daten. Dennoch konnte sich das heliozentrische Weltbild nur gegen den Widerstand der christlichen Kirche im 16./17. Jahrhundert allmählich durchsetzen. Eine physikalische Grundlegung gelang erst Isaac Newton mit seinem Gravitationsmodell.

Vorläufer[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Heliozentrisches Weltbild (1708)

Antikes Griechenland[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Nur wenig ist darüber bekannt, was im alten Griechenland über ein Weltbild, in dem nicht die Erde im Zentrum steht, gedacht wurde. Für die pythagoräische Schule ab dem 6. Jahrhundert v. Chr. war das Feuer das wichtigste Element. So nahm etwa Philolaos (5. Jahrhundert v. Chr.) an, dass Sonne, Erde und die anderen Himmelskörper ein unter der Erde befindliches und daher unsichtbares Zentralfeuer umkreisen. Aristoteles (4. Jahrhundert v. Chr.) berichtet davon: „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.[2] Er lehnte dies Weltbild aber ab, gab Gründe für ein geozentrisches Weltbild an und blieb damit bis ins 17. Jahrhundert n. Chr. bestimmend.

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.), von dem ein Buch mit einem geozentrischen Weltbild erhalten ist, soll auch ein Buch mit einem heliozentrischen Weltbild verfasst haben. Darin soll erstmals die Bahnbewegung der Erde als natürliche Erklärung der zeitweise rückläufigen Bewegung der Planeten erschienen sein.[3] Aristarch wusste auch, dass die Sterne dann eine Parallaxe zeigen müssten. Diese wurde aber damals nicht beobachtet, was er mit der Annahme einer sehr großen Entfernung der Sterne erklärte.[4] Aristarch schätzte auch die Größe des Mondes und den Abstand der Erde zum Mond und zur Sonne. Die Berechnungen für den Mond waren akzeptabel, bei der Sonne verschätzte er sich aber um viele Größenordnungen. Zugleich konnte sein Zeitgenosse Eratosthenes den Erdumfang annähernd genau berechnen.

Seleukos von Seleukia (2. Jahrhundert v. Chr.) soll auch ein heliozentrisches Weltbild vertreten haben. Als er lebte, waren die Konsequenzen eines heliozentrischen Weltbilds wahrscheinlich bereits berechenbar, so dass das Weltbild anhand der Beobachtungen überprüft ("bewiesen") werden konnte.[4] Genaueres ist über Seleukos nicht bekannt.

Indien[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der indische Astronom und Mathematiker Aryabhata (476–550) nahm an, dass die Erde sich um ihre eigene Achse dreht, und entdeckte, dass Mond und Planeten das Licht der Sonne reflektieren. Es wird vermutet, dass er ein heliozentrisches Weltbild vertrat, denn in seinem Modell zur Berechnung der Planetenpositionen gab er für Venus und Merkur die Umlaufzeiten um die Sonne an, nicht um die Erde.[5]

Islamische Welt[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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

Die islamische Astronomie blieb im Mittelalter beim geozentrischen Weltbild und entwickelte das ptolemäische System weiter mit zusammengesetzten gleichförmigen Bewegungen auf Kreisbahnen. Der Äquant, ein Punkt, mit dessen Hilfe in der Epizykeltheorie Ptolemäus nichtgleichförmige Bewegungen erklärte, wurde als Problem erkannt.

Der persische Wissenschaftler Nasir ad-Din at-Tusi (1201–1274) löste dieses und andere Probleme des ptolemäischen Systems mithilfe der Tusi-Paare, das sind zwei Kreisbewegungen, wobei ein Kreis auf der Innenseite des anderen abrollt. At-Tusi zeigte, dass daraus auch lineare Bewegungen entstehen können, womit er nebenher die aristotelische Lehre von dem unüberbrückbaren Unterschied zwischen Bewegungen im Kreis und geradeaus widerlegte.

Der Wissenschaftler Mu’ayyad ad-Din al-Urdi (ca. 1250) entwickelte das Urdi-Lemma, mit dessen Hilfe eine Kreisbewegung durch ein Epizykel zu einer exzentrischen Kreisbewegung gemacht werden kann. Urdi-Lemma und Tusi-Paar wurden später im Kopernikanischen Modell benutzt, allerdings ohne Hinweis auf ihre ursprünglichen Entdecker.

Ibn asch-Schatir (1304–1375) löste in seiner Abhandlung Kitab Nihayat as-Sulfi Tashih al-Usul die Notwendigkeit eines Äquanten auf, indem er in das ptolemäischen System einen zusätzlichen Epizykel einführte. In derselben Weise gelang es später auch Kopernikus, sein Modell ohne Äquanten zu konstruieren. Ansonsten blieb Ibn asch-Schatir aber beim geozentrischen System.

Etablierung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Krise des geozentrischen Weltbildes im Mittelalter[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Schon bei Aristarch im 3. Jahrhundert v. Chr. wurde das heliozentrische Weltbild als „antireligiös“ eingestuft. Das galt auch im christlichen Europa, weshalb dies Weltbild bis ins 16. Jahrhundert n. Chr. ohne Bedeutung blieb.

Nach dem 11. Jahrhundert wurden arabische Texte zunehmend in der Übersetzerschule von Toledo ins Lateinische übertragen. Der Franziskaner Bonaventura von Bagnoregio referierte über ein darin enthaltenes heliozentrisches Weltbild 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. Die meisten Gelehrten jedoch sahen in dem Weltbild mit einer rotierenden oder gar um die Sonne kreisenden Erde das Problem, dass Menschen und Gegenstände schräg fallen oder sogar in den Weltraum hinausfliegen sollten; ein vom Turm fallender Gegenstand sollte aufgrund der nach Osten gerichteten Erdrotation nicht genau senkrecht auf dem Boden auftreffen, sondern nach Westen abgelenkt werden.

Es galt das geozentrische Weltbild, das aber auch als in sich widersprüchlich angesehen wurde. Den Himmelskörpern darin musste aufgrund der aristotelischen Lehre gleichförmige Bewegung auf perfekten Kreisbahnen zugeschrieben werden, was aber schon seit der Antike mit genauen Beobachtungen nur sehr schlecht in Übereinstimmung zu bringen war. So musste in dem ptolemäischen System, das auf geozentrischer Grundlage seit dem 2. Jahrhundert n. Chr. fast unverändert zur Berechnung der Bewegungen von Sonne, Mond, Planeten und Sternen benutzt wurde, eigens die Epizykeltheorie entwickelt werden, um die Übereinstimmung zu verbessern. Diese Theorie sieht für die beweglichen Himmelskörper eine so komplizierte Konstruktion von bis zu 80 mehrstufig zusammengesetzten Kreisbewegungen fiktiver Punkte im Weltraum vor, dass sie kaum noch verträglich mit den aristotelischen Geboten erschien und trotzdem in der Genauigkeit immer noch viel zu wünschen übrig ließ.

Kopernikus[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

500 Jahre Kopernikus (1973): Deutsche Würdigung des heliozentrischen Systems (mit zwei Planeten auf der Erdbahn)

Auf der Suche nach Vereinfachung oder Verbesserung des ptolemäischenSystems stieß Kopernikus - wahrscheinlich unabhängig von den Vorgängern 1700 Jahre zuvor[6](S. 53) - auf das heliozentrische Modell. Er skizzierte es erstmals in seinem etwa um 1510 geschriebenen Commentariolus, der ungedruckt blieb, und führte es in seinem 1543 im Druck erschienenen Hauptwerk De revolutionibus orbium coelestium detailliert aus.

Dabei blieb er wie Ptolemäus dem Gesetz von Aristoteles treu, dass es am Himmel nur die vollkommenste Bewegung geben könne, nämlich die gleichförmige Kreisbewegung. Der unmittelbare Vorteil des heliozentrischen gegenüber dem geozentrischen System ist, dass es die veränderliche Geschwindigkeit der Planetenpositionen und insbesondere ihre zeitweise sogar rückläufige Bewegung einfach dadurch erklärt, dass dies nur von der Erde aus so erscheine, weil diese selbst um die Sonne laufe.

So führt dieser Gedanke in der Tat zu einer deutlichen Vereinfachung des ptolemäischen Systems, und es scheint, dass Kopernikus der Erste war, der dies so erkannte. Die Abweichungen der so berechneten Planetenpositionen gegenüber den Beobachtungen waren aber so groß, dass Kopernikus genau wie Ptolemäus im weiteren annehmen musste, die Bewegungen erfolgten auf Epizykel, d. h. auf Kreisen, deren Mittelpunkte sich auf anderen Kreisen bewegen. Schon der Mittelpunkt der Erdbahn - die "mittlere Sonne", die bei Kopernikus auch zum Mittelpunkt aller anderen Planetenbahnen wurde, - sollte die wahre Sonne auf zwei zusammengesetzten Kreisbewegungen umlaufen. Kopernikus genügten aber - bei insgesamt gleicher Genauigkeit - insgesamt 30 Kreisbewegungen anstelle von 80 bei Ptolemäus.[7] Beide Systeme führten zu Positionsfehlern von bis zu 10 Bogenminuten (1/3 Monddurchmesser), entsprechend einigen Tagen Fehler in der Vorhersage bestimmter astronomischer Ereignisse (z. B. des Zusammentreffens eines Planeten mit einem Fixstern[6](S. 58)).

Der Erstausgabe von De revolutionibus orbium coelestium war eine Einleitung von Andreas Osiander beigefügt, in der Kopernikus’ Vorgehen als eine rein mathematische Hypothese vorgestellt wurde, die nicht der Wirklichkeit entspräche. Zu dieser Zeit verstand man unter „Hypothese“ eine bloße Rechenmethode. Es gab noch keine Naturwissenschaft mit dem heutigen Erklärungsanspruch. Das Weltbild wurde im wesentlichen philosophisch-theologisch gedeutet und begründet, und daneben gab es Anleitungen zur praktischen Berechnung von Positionen der Sterne und Planeten.[8]

Widerstand gegen das heliozentrische Weltbild[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Gegen das heliozentrische Weltbild forderte der katholische Mönchsorden der Dominikaner ein Lehrverbot, das sich aber zunächst nicht durchsetzte. Auch Protestanten äußerten sich im 16. Jahrhundert entschieden gegen Kopernikus, z. B. Martin Luther:[9]

„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.“

Galileo Galilei (Porträt von Justus Sustermans 1636)

Als Kompromiss entwickelte Tycho Brahe ein System, in dem Erde stillsteht und von der Sonne und dem Mond umkreist wird, während die übrigen Planeten - wie im kopernikanischen System – die Sonne umkreisen. Die Astronomen der Jesuiten in Rom standen diesem System anfangs skeptisch gegenüber wie zum Beispiel Christophorus Clavius, der kommentierte, dass Tycho Brahe „die ganze Astronomie verwirrte, weil er den Mars näher als die Sonne haben möchte.“ Als die Kirche nach 1616 härter gegen kopernikanische Ideen vorging, adoptierten die Jesuiten Brahes System und nach 1633 war der Gebrauch dieses Systems verbindlich.

Tycho Brahe bestärkte aber auch die Zweifel am herrschenden Weltbild, weil er weder bei der Supernova von 1572 noch am Kometen von 1577 eine messbare Parallaxe feststellen konnte und daraus folgerte, dass beide sich weit außerhalb der Mondbahn befinden müssten. Dort sollte nach damaliger, von Aristoteles geprägter Lehre aber himmlische Perfektion herrschen, so dass es insbesondere keine Vorgänge von Entstehen und Vergehen geben dürfe.

Im Gegensatz zu Kopernikus, der sich auf das vorhandene Beobachtungsmaterial stützte und dieses nur durch wenige eigene Beobachtungen ergänzte, verarbeitete Tycho Brahe seine Positionsbestimmungen an Planeten und an Sternen, die in ihrer Genauigkeit erstmals weit über die antiken Daten hinausgingen, die Ptolemäus und Kopernikus ihrem jeweiligen System zugrunde gelegt hatten. Damit regte er Johannes Kepler an, nach einer genaueren mathematischen Beschreibung der Marsbahn zu suchen. Dabei fand Kepler in seinem Werk Astronomia Nova von 1609, dass weitaus am besten eine elliptische Bahn passt, wenn man die Bewegung auf die wahre Sonne (als einen ihrer Brennpunkte) bezieht und ihre Geschwindigkeit je nach Abstand variieren lässt (1. und 2. Keplersches Gesetz). In dieser Form genügten im heliozentrischen Weltbild je eine Ellipse, mit der wahren Sonne im Brennpunkt, für eine Beschreibung der Bewegung der sechs Planeten und des Mondes (mit der Erde im Brennpunkt), und dies mit zehnfach höherer Genauigkeit als vorher.

Zu dieser Zeit wurden die physikalischen Auffassungen des Aristoteles und damit das von der Kirche vertretene Weltbild durch die ersten Ergebnisse der beginnenden Naturwissenschaft im heutigen Sinne in Zweifel gezogen oder sogar widerlegt. Zu nennen ist insbesondere Galileo Galilei mit seinen Experimenten zum freien Fall und zum schiefen Wurf sowie seine Entdeckungen der Venusphasen und der Monde des Jupiter. Die katholische Kirche begann, das geozentrische Weltbild streng zu verteidigen. Papst Urban VIII. hatte die Veröffentlichung von Galileis Arbeit Dialog hinsichtlich der zwei hauptsächlichen Weltsysteme (d. h. des geo- und des heliozentrischen Weltbilds) zwar noch genehmigt, stellte sich aber nun dagegen.

In einem viel beachteten Inquisitionsverfahren wurde Galilei beschuldigt, „…eine falsche Lehre, die durch viele unterrichtet wurde, nämlich, dass die Sonne in der Mitte der Welt unbeweglich ist und dass die Erde sich bewegt“ zu vertreten. Der abschließende Urteilsspruch war, er habe sich der „Ketzerei“ schuldig gemacht. Mit dem Fall Galilei wurde der Konflikt zwischen kirchlichem Autoritätsanspruch und freier Wissenschaft zum ersten Mal über die Kirche hinaus ins gesellschaftliche Bewusstsein gehoben.

Physikalische Grundlegung des heliozentrischen Weltbildes[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Nur ein halbes Jahrhundert später gelang es Isaac Newton, die Klassische Mechanik wissenschaftlich zu begründen und ihre Gültigkeit für Vorgänge auf der Erde und am Himmel gleichermaßen nachzuweisen. Insbesondere konnte Newton aus der Annahme eines universell wirkenden Gravitationsgesetzes die Keplerschen Gesetze der Planetenbewegung herleiten und damit das heliozentrische Weltbild auf eine feste theoretische Grundlage stellen. Darüber hinaus ergab sich in diesem Rahmen, dass die verbleibenden Abweichungen der Planetenbahnen von den exakten Keplerschen Ellipsen (Bahnstörungen) auf die Gravitation der übrigen Planeten zurückzuführen sind und im Einklang mit den immer genauer werdenden Beobachtungen berechnet werden können. Allerdings gilt im heliozentrischen System nun nach der klassischen Mechanik, dass die Planeten sich nicht um eine stillstehende Sonne herumbewegen, sondern um das Baryzentrum. Das ist der Massenmittelpunkt des Sonnensystems, der je nach Position der Planeten vom Sonnenmittelpunkt etwa einen Sonnenradius weit entfernt liegt und um den sich mit variierendem Abstand auch die Sonne selbst dreht.

Experimentelle Nachweise der Richtigkeit des heliozentrischen Systems erforderten wesentlich bessere astronomische Instrumente als es zu Galileis Zeiten gab. Die Bahnbewegung der Erde wurde erst 1725 von James Bradley durch die Entdeckung der Aberration und 1838 von Friedrich Wilhelm Bessel durch die Entdeckung der jährlichen Parallaxe der Sterne nachgewiesen. Der direkte Beweis der Erdrotation gelang 1851 mithilfe des Foucaultschen Pendels.

Ausgelöst durch die allgemeine Anerkennung, die Newton mit seinen Ergebnissen in der wissenschaftlichen Welt fand, hob Papst Benedikt XIV. am 17. April 1757 den Bann gegen die Werke auf, die das heliozentrische Weltbild vertraten. Am 11. September 1822 entschied die Kongregation der römischen und allgemeinen Inquisition, dass der Druck und die Publikation von Werken, die die Bewegung von Planeten und Sonne in Übereinstimmung mit der Auffassung der modernen Astronomen darstellten, erlaubt sei.

Moderne Sicht[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Vom Sonnensystem zum Standardmodell[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Giordano Bruno spekulierte, dass die Sonne nicht die Mitte des Universums ist, sondern nur einer von zahllosen Sternen. Galilei war der gleichen Ansicht, sagte aber nur wenig dazu. Im Laufe des 18. und 19. Jahrhunderts setzte sich diese Auffassung als Lehrmeinung durch, noch vor der Entdeckung von Galaxien außerhalb der Milchstraße im 20. Jahrhundert. Das heliozentrische Weltbild wurde ab etwa 1930 durch das Standardmodell der Kosmologie allmählich ersetzt, das durch das beobachtbare Universum, die Beobachtungen der Expansion des Universums, der Isotropie und dem Relativitätsprinzip gestützt wird.

Massenschwerpunkt des Sonnensystems[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Auch bei alleiniger Betrachtung des Sonnensystems steht die Sonne nicht genau fest in seiner geometrischen Mitte, sondern schwankt um dessen Baryzentrum, den jeweils momentanen Schwerpunkt, der je nach Stellung von Jupiter und Saturn mal innerhalb, mal außerhalb der Sonnenoberfläche liegt. Planeten und Sonne beeinflussen sich zudem gegenseitig auf ihren nur scheinbar elliptischen Bahnen. Die Bahnstörungen können durch störungstheoretische Ansätze oder numerische Verfahren präzise berechnet werden, so nach der Methode VSOP. Für die Zeitrechnung am Baryzentrum gilt die Baryzentrische Dynamische Zeit TDB, bzw. seit 1991 Baryzentrische Koordinatenzeit TCB, die relativistische Effekte berücksichtigt.

Relativitätsprinzip[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Relativitätsprinzip, heute eine der Grundlagen des physikalischen Weltbildes, geht davon aus, dass es prinzipiell keinen Ort gibt, der vor einem anderen ausgezeichnet ist, also auch kein Zentrum. Das deckt sich gut mit der Beobachtung, dass das beobachtbare Universum großräumig isotrop erscheint.

Insofern ist das heliozentrische System als Weltbild heute überholt. Im Zusammenhang mit der Koordinatenwahl werden noch Adjektive wie „geozentrisch“ oder „heliozentrisch“ verwendet, jedoch ohne tiefere physikalische Bedeutung.

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.“[10]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: Heliozentrisches Weltbild – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Die Bezeichnungen helio„zentrisch“ und geo„zentrisch“ besagen nicht, dass die Sonne bzw. die Erde nach diesen Modellen exakt im mathematischen Zentrum des jeweiligen Systems stehen.
  2. Aristoteles: De Caelo, Buch 2, Kapitel 13
  3. Jeffrey O. Bennett, Harald Lesch: Astronomie: die kosmische Perspektive. Addison Wesley in Pearson Education Deutschland, 2010, ISBN 978-3-8273-7360-1, S. 68.
  4. a b Bartel Leendert van der Waerden: The Heliocentric System in Greek, Hindu and Persian Astronomy. In: Annals of the New York Academy of Sciences. Band 500, 1987, S. 525–545.
  5. Hugh Thurston: Early Astronomy. Springer-Verlag, New York 1993, ISBN 0-387-94107-X.
  6. a b Robert Wilson: Astronomy through the Ages. Taylor and Francis, London 1997, ISBN 0-7484-0748-0.
  7. Jürgen Hamel: Astronomiegeschichte in Quellentexten. Spektrum Akad. Verlag, Heidelberg 1996, ISBN 3-8274-0072-4, S. 30 ff.
  8. Eduard Jan Dijksterhuis: Die Mechanisierung des Weltbildes. Springer, Heidelberg 1966, S. 330 ff.
  9. Nicolaus Copernicus, Andreas Kühne (Bearbeiter): Nicolaus Copernicus Gesamtausgabe, Band 2, S. 372. ISBN 978-3-05-003009-8
  10. Fred Hoyle: Nicolaus Copernicus. Heinemann Educational Books, London 1973, ISBN 978-0-435-54425-6, S. 78 (übers. unbekannt)