7.1 Frühe Weltbilder

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Bild 7.2: Langzeitbelichtung des Sternenhimmels

Der Nachthimmel mit seinen tausenden, mit freiem Auge erkennbaren, Lichtpunkten, dürfte schon die frühesten Menschen fasziniert haben. Doch alle Himmelsobjekte sind in Bewegung und nicht jeden Tag an der selben Stelle zu sehen (Bild 7.2). Nicht nur die Beobachtung, sondern vor allem das Vorausberechnen der Jahreszeiten für die Planung der Aussaat war für landwirtschaftliche Kulturen lebenswichtig (zum Beispiel der Eintritt der Nilschwemme in Ägypten). Meist waren damit auch religiöse Deutungen der Himmelsphänomene und ihrer möglichen Ursachen verbunden.

7.1.1 Bestimmung des Erdumfangs

Auch wenn es zu allen Zeiten vereinzelt Verfechter einer Erde in der Gestalt einer kreisrunde Scheibe gab, gingen die meisten Menschen spätestens seit der Antike von der Kugelgestalt der Erde aus. Einer davon war der griechische Gelehrte Eratosthenes von Kyrene (ca. 200 v. Chr.), der den Umfang der Erdkugel durch Messung und Berechnung abschätzte.

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Bild 7.3: Illustration der Berechnung des Erdumfangs

Das Verfahren des Eratosthenes zur Bestimmung des Erdumfangs setzt parallel einfallende Sonnenstrahlen voraus (Bild 7.3). Aus der Winkeldifferenz gleichzeitig gemessener Schatten an zwei unterschiedlichen Orten auf der Erde (Alexandria und Syene beide rund 5.000 Stadien (ca. \(800\;\mathrm{km}\)) von einander entfernt) konnte er den Erdumfangs über das Verhältnis

\[ U_{\text{Erde}}:800\;\mathrm{km} = 360^\circ:7^\circ \]

auf \(40.000\;\mathrm{km}\) abschätzen. Dieser Wert ist ziemlich genau. Der tatsächliche Wert liegt zwischen \(40.075{,}017\;\mathrm{km}\) (Äquatorumfang) und \(40.007{,}863\;\mathrm{km}\) (Polumfang).

7.1.2 Das geozentrische Weltbild

Das geozentrische Weltbild (engl. geocentric model) basiert auf der Annahme, dass der Mensch die zentrale Rolle im Universum einnimmt. Entsprechend befindet sich die Erde (gr. geo) im Zentrum des Universums. Eine ausführliche Beschreibung dieses Weltbildes findet sich zum Beispiel in den Werken des griechischer Gelehrten Aristoteles (ca. 350 v. Chr.).

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Bild 7.4: Geozentrisches Weltbild im Mittelalter

In diesem Weltbild umkreisen alle Himmelskörper (Mond, Sonne, die Planeten und die Fixsterne) die Erde auf Kugelschalen. Dieses einfache geozentrische Modell ermöglicht aber keine exakte Beschreibung der Planetenbahnen, die manchmal Schleifen und Kurven bilden (zum Beispiel die Bewegung des Mars in Bild 7.5).

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Bild 7.5: Scheinbare Bewegung des Planeten Mars

Um auch die Bahnen der Planeten exakt beschreiben zu können entwickelte der griechische Gelehrte Ptolemäus (ca. um 100) die Epizykeltheorie und verbesserte das Modell des geozentrischen Weltbildes. Nach dieser Theorie bewegen sich die Planeten auf kleinen Kreisbahnen (Epizykel), deren Mittelpunkte sich auf einem großen Kreisbahnen (Deferenten) um die Erde bewegt (Bild 7.6).

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Bild 7.6: Schleifenbahn eines Planeten nach der Epizykeltheorie

Das so verbesserte Modell des geozentrischen Weltbildes heißt auch Ptolemäisches Weltbild und war rund 1300 Jahre in Verwendung.

7.1.3 Das heliozentrische Weltbild

Das heliozentrische Weltbild (engl. heliocentric model) geht von der Sonne (gr. helios) im Zentrum des Universums aus. Entsprechend werden in diesem Modell alle Bewegungen der restlichen Himmelskörper (Mond, Erde, die anderen Planeten und die Fixsterne) relativ zur Sonne beschrieben.

Obwohl bereits in der Antike die Hypothese eines heliozentrischen Weltbildes überliefert ist (Aristarchos von Samos (ca. 300 v. Chr.) erhielt das Modell erst im 16. Jahrhundert wieder Beachtung.

Um 1550 veröffentlichte Nikolaus Kopernikus seine Ideen eines heliozentrischen Weltbildes. Darin wird die Bewegung der Sterne durch die Drehung der Erde und die Planetenbahnen als Kreisbahnen um die Sonne beschrieben. In diesem Modell lassen sich die Schleifenbahnen der Planeten auf einfache Weise ohne die Hilfe von Epizyklen beschreiben. In Bild 7.7 sieht man, wie die Schleifenbewegung des Mars dadurch entsteht, dass der Mars (Punkte \(M_x\)) von der Erde (Punkte \(T_x\)) innen überholt wird.

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Bild 7.7: Rückläufige Planetenbewegung nach dem heliozentrischen Weltbild

Das um 1600 erfundene Fernrohr ermöglichte Galileo Galilei die Entdeckung der vier größten Monde des Jupiters (sie sogenannten Galilei’schen Monde). Diese Entdeckung ließ weiter an der Sonderstellung der Erde und des Menschen im Universum zweifeln.

Trotz des Widerstands der Kirche setzte sich das heliozentrische Weltbild in der wissenschaftlichen Welt rasch durch (Kopernikanische Wende).

7.1.4 Das aktuelle Weltbild

Nachdem durch das Gravitationsgesetz von Isaac Newton die Ursache für die Bewegung der Himmelskörper bekannt war, erkannte man, dass auch die Sonne nicht still steht, sondern sich ihrerseits um das Zentrum unserer Galaxis (die Milchstraße) dreht (Bild).

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Bild 7.8: Position der Sonne in unserer Galaxie

Im Universum gibt es keinen ausgezeichneten Punkt und alle Bewegungen von Körpern können immer nur relativ zu einem anderen Objekt berechnet werden.