Heliozentrisches Weltbild: Entwicklung und Belege

Ein astronomisches Weltbild beschreibt, wie Himmelskörper angeordnet sind und sich bewegen. Der Himmelsforscher, also Astronom, Claudius Ptolemäus arbeitete im zweiten Jahrhundert nach Christus ein geozentrisches Modell aus: Die Erde steht still. Sonne, Mond und die anderen Planeten bewegen sich um sie.

Der Astronom Nikolaus Kopernikus entwickelte im 16. Jahrhundert ein heliozentrisches Modell. Darin bewegt sich auch die Erde. Wie die anderen Planeten läuft sie um die Sonne. Sein ausführliches Werk dazu erschien 1543. Die Idee einer bewegten Erde widersprach dem alltäglichen Eindruck und vielen religiösen Vorstellungen vom Platz des Menschen im Universum.

Beide Astronomen arbeiteten mit Kreisbewegungen. Für ihre Berechnungen brauchten beide zusätzliche Kreise, deren Mittelpunkte sich auf anderen Kreisen bewegen. Diese Zusatzkreise heißen Epizykel. Kopernikus benötigte in seinem ausgearbeiteten System sogar mehr Kreisbewegungen als Ptolemäus und erreichte insgesamt die gleiche Genauigkeit. Sein Modell war also nicht schon bei den Berechnungen genauer. Es machte aber den Aufbau und bestimmte beobachtete Bewegungen verständlicher.

Mars, Jupiter und Saturn haben ihre Bahnen außerhalb der Erdbahn. Von der Erde aus gesehen bewegen sie sich zeitweise scheinbar rückwärts. Dabei kehren sie ihre tatsächliche Bewegungsrichtung auf der Bahn nicht um.

Die Erde bewegt sich schneller und überholt einen solchen Planeten auf ihrer inneren Bahn. Dabei zieht sie zwischen dem Planeten und der Sonne vorbei. Weil sich unser Beobachtungsort mit der Erde bewegt, erscheint uns die Bewegung des äußeren Planeten zeitweise rückwärtsgerichtet.

Im geozentrischen Modell wurde diese Richtungsumkehr mit zusätzlichen Kreisbewegungen erklärt. Im heliozentrischen Modell ergibt sie sich bereits aus dem Überholen durch die Erde. Für diese Erklärung braucht man keine Zusatzkreise. Für seine möglichst genauen Berechnungen verwendete Kopernikus sie trotzdem weiterhin.

Der Wandel geschah in mehreren Schritten. Kopernikus hatte noch keine merklich genaueren Berechnungen geliefert. Der Astronom Tycho Brahe sammelte gegen Ende des 16. Jahrhunderts über zwei Jahrzehnte hinweg wesentlich genauere Messungen von Planetenpositionen. Solche Daten ermöglichten eine strengere Prüfung der Modelle.

Der Astronom Galileo Galilei entdeckte 1609/1610 mit dem Fernrohr Monde des Jupiter. Diese Monde kreisen um Jupiter und nicht um die Erde. Außerdem beobachtete er die Phasen der Venus, also ihre wechselnden beleuchteten Gestalten. Ihr Verlauf passte nicht zu einer Venusbahn um die Erde. Die Beobachtungen widersprachen damit dem Modell von Ptolemäus. Dennoch gab es heftige Gegenwehr der christlichen Kirchen gegen das heliozentrische Weltbild. Die katholische Kirche verteidigte das geozentrische Weltbild streng und verurteilte Galilei wegen seiner Lehre.

Der Astronom Johannes Kepler nutzte Brahes Messungen. Die berechneten Positionen passten mit den bisherigen Kreismodellen nicht ausreichend zu den Beobachtungen. Um die Marsbahn genauer zu bestimmen, musste Kepler zuerst die Erdbahn besser erfassen. Schließlich fand er: Eine Ellipse, eine ovale Kurve, passte weitaus am besten zur Marsbahn. Er überprüfte seine Ergebnisse auch an den übrigen Planeten. Seine Gesetze beschrieben die Planetenbewegung mit etwa zehnfach verbesserter Genauigkeit gegenüber Kopernikus und Ptolemäus.

Der Naturforscher Isaac Newton gab 1687 eine physikalische Erklärung: Sein Gravitationsgesetz beschreibt die gegenseitige Anziehung von Körpern. Daraus konnte er Keplers Gesetze herleiten. Noch spätere Messungen belegten die Bewegung der Erde. So gelang 1851 mit dem Foucaultschen Pendel, einer Versuchsanordnung mit einem Pendel, ein direkter Beweis ihrer Drehung um sich selbst.

Nach Newton ziehen sich Körper gegenseitig an. Deshalb wirkt nicht nur die Sonne auf die Planeten. Auch die Planeten ziehen an der Sonne und aneinander. Besonders Jupiter, aber auch Saturn beeinflussen durch ihre große Masse die Lage des gemeinsamen Schwerpunkts. Das ist der Punkt, um den sich das Sonnensystem gemeinsam bewegt.

Dieser Schwerpunkt liegt meist innerhalb der Sonne, gelegentlich jedoch deutlich außerhalb. Auch die Sonne bewegt sich um ihn. Deshalb ist die Sonne nur näherungsweise das Zentrum des Sonnensystems: Ihr Mittelpunkt und der gemeinsame Schwerpunkt sind nicht genau derselbe Punkt.

Auch Keplers Ellipsen beschreiben die wirklichen Planetenbahnen nur näherungsweise. Die elliptische Form stimmt nur dann exakt, wenn man die Anziehungskräfte der Planeten untereinander vernachlässigt. Diese Kräfte verursachen kleine Abweichungen, die Bahnstörungen heißen.

Die Sonne ist außerdem nicht das Zentrum des Universums. Das heutige Verständnis des Universums hebt auf sehr großen Entfernungen keinen Ort als Zentrum hervor. Innerhalb eines kleineren Systems wie unseres Sonnensystems lässt sich dagegen ein gemeinsamer Schwerpunkt bestimmen.