Die Kopernikanische Wende

Die Kopernikanische Wende
Max Camenzind – Würzburg - 2017
Übersicht
• Das Weltbild der Griechen – der Himmel rotiert
•  Astronomisches Erbe der Griechen
• Georg von Peuerbach als Wegbereiter der
Kopernikanischen Revolution.
• Leben und Wirken des Nicolaus Kopernikus.
• Tycho Brahe – der geniale Beobachter.
• Johannes Kepler ordnet das Planetensystem.
• Galileo Galilei - der erste Experimentalphysiker
• Isaac Newton postuliert die Gravitationskraft.
Zur Zeit der Griechen bestand das
Universum nur aus Sonnensystem + Sternen
8. Sphäre: Fixsterne
Weltbild der Griechen
Plato & Aristoteles
Universum ist endlich
Argumente
Aristoteles
Alles fällt
zum
Zentrum
der Erde

Also ist die
Erde das
Zentrum
des Kosmos !
• Doch warum fallen Steine zur Erde, während eine
Flamme in die Höhe lodert? Warum stehen der
Mond und die Sonne am Himmel und stürzen nicht
auf die Erde herab? Diese Fragen beantworte
Aristoteles mit seiner Lehre von den vier (oder
fünf, unter Hinzurechnung des Äther) Elementen:
Ihre gesonderten Eigenschaften bestehen vor allem
in ihrem unterschiedlichen gravitativen Verhalten.
Zwei davon, Wasser und Erde, sind schwer, sie
fallen herab. Die beiden anderen, Luft und Feuer,
sind leicht, sie steigen auf, bewegen sich vom
Weltmittelpunkt weg. Es geht dabei also um die
Gravitation, die jedoch nicht verstanden wurde.
Griechen:
Alle Körper
bewegen sich
auf
Kreisbahnen
um die Erde
Das geozentrische
Weltbild in einer
Darstellung von 1661
Geozentrisches Weltbild – Kristallsphären
Geozentrisches
 Die Erde
steht still undWeltbild
das Universum rotiert
Claudius Ptolemäus, 100 - 170 AD  6 Planeten
Mond Erde Venus Sonne Mars Jupiter Saturn
FixsternSphäre
ist noch
heute in
Gebrauch
…“das ist die natürliche Bewegung der Erde ….ist in Richtung des
Zentrums des Universums; deshalb muss die Erde das Zentrum sein.”
Aristoteles, “De Caelo”
Das Problem mit der Marsbahn
Weltbild von Ptolemäus (145 n. Chr.)
Epizyklen bewegen sich entlang eines
grossen Kreises (Deferent)
 Video: Ptolemäisches Modell des Universums
Das Erbe der Griechen

Scheinbare Magnitude
Im alten Griechenland wurden die Sterne in sechs
Klassen aufgeteilt; die hellsten in Klasse 1, die
schwächsten noch von Auge sichtbaren Sterne
gehörten in Klasse 6 (Almagest von Ptolemäus).
Aus der Biologie: fast jede Sinnesempfindung des
Menschen ist dem Logarithmus des Reizes
proportional (Weber-Fechner-Gesetz)
 f1 
m1  m2  2,5log10 
f 2 
Für Stern 2 einen
Standard wählen
f: Energiefluss der Sterne 1 und 2
m: scheinbare Helligkeit auf der Erde der Sterne 1 & 2
Hellere Sterne haben einen kleineren
scheinbaren Magnitudenwert.
Das Erbe der Griechen
Absolute Magnitude - Distanzmodul
Scheinbare Magnitude m gibt an, wie hell
ein Stern dem Beobachter auf der Erde
erscheint.
Energiefluss f, der auf der Erde ankommt, hängt von der
intrinsischen Helligkeit und der Entfernung des Sterns ab.
D 2
f    F
d 
Absolute Magnitude M ist die scheinbare Magnitude m bei
einer vorgegeben Entfernung von 10 pc

f 
 d 
m  M  2,5log10  5log

10 pc 
F 
Der Almagest
1. Sternkatalog
C. Ptolemäus
Kam über die
Arabische Welt zu
uns, und wurde
dann ins
Lateinische als
„Almagest“, der
Größte, übersetzt.
1. Lateinische
Ausgabe um 1515
1496 Regiomantanus
Sternbilder im Almagest 1532
Positionen von 1020 Sternen 1515
2 Sterne in Cassiopeia, dann in Perseus
Cassiopeia:
13 Sterne:
4 mit m=3
6 m=4
1 m=5
2 m=6
Perseus:
Beginnt
mit „Nebel“
= Sternhaufen
 Auch
Helligkeiten
m sind
verzeichnet
Weltbilder wurden entsäkularisiert
Spätmittelalterliche Astronomen unter der Anleitung der Muse Astronomia
Geozentrisches
Weltbild im
Mittelalter

Erweiterung
der
HimmelsSphären
Geozentrisches
Weltbild im
Mittelalter aus
der
Schedelschen
(Nürnberger)
Weltchronik
um 1493,
Blatt 5
Die Sphären wurden um HimmelsSphären erweitert
C. Flammarion
1842 - 1925
Sicht des 15. Jh.
Wanderer am
Rande der Welt
„Was ist da
draußen?“
Der „Beweger“
Die Kopernikanische Revolution
Sonne ins Zentrum gesetzt.
Fixsternsphäre rotiert nicht.
Kometen werden „entmystifiziert“,
gehören zum Sonnensystem
Protagonisten der Kopernikanischen
Revolution 1543 - 1687
Georg von
Peuerbach
* 30. Mai 1423
in Peuerbach
in
Oberösterreich
† 8. April 1461
in Wien
Wegbereiter
Georg von Peuerbach
Georg von Peuerbach war Astronom an der Wiener Universität
und einer der Wegbereiter des kopernikanischen Weltbilds. Er
baute innovative Messin-strumente und gilt als erster
Universitätsprofessor für Astronomie.
 Peuerbach erkannte die Mängel am Ptolemäischen System und
begann eine Überarbeitung der ptolemäischen Hauptschrift, dem
Almagest.
1460 kam der päpstliche Gesandte Kardinal Basilius Bessarion
nach Wien. Er beauftragte Peuerbach mit einer Erläuterung des
Almagest. Mit seinem Schüler Regiomontanus begann er die
Epitome zum Almagest zu schreiben, die dieser nach Peuerbachs
allzu frühem Tod zur Vollendung brachte. Die daraus entstandene
neue Planetentheorie, diente Nicolaus Copernicus als
Ausgangspunkt.
Georg von Peuerbach
Gemeinsam mit Regiomontanus führte er Messungen von
Okkultationen von Planeten durch den Mond und Mondfinsternissen
aus, um die astronomischen Tafelwerke zu überprüfen. Am 3.
September 1457 beobachteten sie eine Mondfinsternis in Melk. Zur
Bestimmung der Zeit vermaßen sie die Höhe des Sterns Alkione. Zur
Kontrolle der 1459 berechneten Finsternistafeln „Tabulae eclipsium“
beobachteten sie die Mondfinsternisse im Jahr 1460. Am 27.
Dezember 1460 verwandten sie den Stern Alramech zur
Zeitbestimmung und fanden, dass die Finsternis etwa 5 Minuten
später als errechnet auftrat, eine gute Übereinstimmung. Die
Planetenörter wichen von den Berechnungen ab. Peuerbach begann,
Korrekturen für die Alfonsinischen Tafeln zu erarbeiten, doch konnte
er die Arbeit nicht zu Ende führen.
1456 erschien der Halleysche Komet und alle Astrologen
veröffentlichten Schriften mit Vorhersagen kommenden Unheils,
darunter auch Peuerbach.
The Metropolitan Museum of Art
Sphaera Mundi: Sphaera cum Theorcis Disputationibus Johannis Regiomontani
contra Cremonensium Deliramenta
Autoren: Johannes de Sacrobosco (John Holybush, died 1256); Regiomontanus
Das heliozentrische Weltbild
Grafik: Wikimedia
Leben & Wirken Nicolaus Kopernikus
Das kopernikanische Weltbild löste im 16. Jahrhundert die
alte Vorstellung ab, dass sich die Erde im Zentrum unseres
Planetensystems befindet.
Nicolaus Kopernikus (1473-1543) gilt als Begründer des
heliozentrischen Weltsystems, bei dem die Sonne im
Mittelpunkt des "Sonnen"systems steht.
Allerdings konnte sich Kopernikus noch nicht von der
Jahrhunderte alten Vorstellung der vollkommenen
Kreisbewegung lösen, so dass die Planeten in seinem
System auf exakten Kreisbahnen um die Sonne laufen.
Das änderte sich erst 1609 mit Johannes Kepler.
Publiziert kurz vor seinem Tod 1543 in "De
Revolutionibus Orbium Coelestium“.
Ausgangsbasis im Werk Kopernikus
 Nicht alle Himmelskreise besitzen denselben Mittelpunkt.
Der Erdmittelpunkt ist lediglich Mittelpunkt der Mondbahn,
nicht aber Mittelpunkt des Weltalls.
Im Mittelpunkt des Weltalls steht die Sonne. Um sie bewegen
sich die Planeten einschließlich der Erde.
Die Bewegung des Himmelsgewölbes findet nur scheinbar
statt; sie ist nur eine Folge der Bewegung der Erde um ihre
Achse. Die Bewegung der Sonne unter den Sternen findet nur
scheinbar statt; sie ist eine Folge der Bewegung der Erde um
die Sonne.
Das Verhältnis der Entfernung Erde-Sonne ist verschwindend
klein im Verhältnis zur Entfernung der Fixsternsphäre, dies hat
zur Folge, dass sich die Fixsterne scheinbar nicht bewegen.
Ein
Vergleich
… löst das Problem der Marsbahn
Die Erde überholt den Mars, läuft schneller
 Scheinbar retrograde Bewegung
Das Problem der Marsbahn
Mit der Einführung der Erd- und Planetenbewegung
konnte Kopernikus die zweite Ungleichung der
Planetenbewegung erklären, indem die rückläufige
Bewegung der äußeren Planeten (Mars, Jupiter,
Saturn) nun als Widerspiegelung der Bewegung der
Erde um die Sonne erscheint. Da Kopernikus in
Anlehnung an die antiken Vorurteile den Kreis als die
einzig mögliche Form für die Planetenbahnen ansah,
gelang ihm die Beschreibung der ersten Ungleichung
nicht ohne eine Reihe von Zusatzhypothesen (u. a. der
Einführung von Epizykeln, so dass er in dieser Hinsicht
wieder an die ptolemäische Astronomie anknüpfte).
Das
heliozentrische
Weltbild des
Kopernikus:
«De
Revolutionibus»
1543 publiziert
 wichtige
Beiträge
zur
Kalenderreform
Papst Paul III.
Gesellschaftliche Bedingungen 16. Jh.
Dass es im 16. Jahrhundert zur Entstehung des
heliozentrischen Weltbilds kommen konnte, ist u.a. aus den
ökonomischen und gesellschaftlichen Bedingungen der
Renaissance zu erklären.
Die objektive Bedeutung des kopernikanischen
Weltbildes bestand darin, dass es einen qualitativen
Fortschritt in der Erkenntnis der wahren Struktur des
Planetensystems bedeutete und mit der Kühnheit seiner
Konzeption die Richtung für die astronomische Forschung
der kommenden Jahrhunderte bestimmte.
Im Streit um das kopernikanische Weltbild sind zwei
Komponenten zu unterscheiden: die Wissenschaft und
die Philosophie. Indem Kopernikus darauf verwies, dass
das ptolemäische Weltbild nicht zwischen Schein und
Realität unterscheide, vertrat er in dieser Hinsicht einen
materialistischen Standpunkt.
Bis heute hält sich hartnäckig die Meinung, Kopernikus habe aus
Angst vor der Kirche die Veröffentlichung seines Hauptwerks bis
an sein Lebensende hinausgeschoben. Tatsächlich aber brauchte
er die Reaktion zumindest der katholischen Kirche keineswegs zu
fürchten. Da der alte julianische Kalender im 16. Jahrhundert
bereits um ganze 10 Tage von der natürlichen Jahreslänge abwich
und damit die großen kultischen Feierlichkeiten wie z.B. Ostern
und Weihnachten immer weniger mit dem tatsächlichen
Sonnenstand übereinstimmten, bestand vonseiten der Kurie in
Rom das größte Interesse an einer Kalenderreform. Aus diesem
Grunde schrieb eine päpstliche Komission alle damals bekannten
Astronomen an, darunter auch Kopernikus, und bat um
Mitwirkung durch möglichst genaue Bestimmung der
tatsächlichen Jahreslänge. Diese Forschungsarbeiten sollten aber
noch einige Jahrzehnte in Anspruch nehmen. Vor diesem
Hintergrund ist verständlich, dass Kopernikus sein Hauptwerk "De
revolutionibus" im Vorwort gerade Papst Paul III. widmete.
Die protestantische Kirche war ebenfalls stark an einer
Veröffentlichung von "De revolutionibus" interessiert. Man brauchte
dringend genauere Berechnungsmöglichkeiten der Planetenstände,
um bessere astrologische Vorhersagen machen zu können. So wurde
von Witten-berg aus der junge Mathematiker Georg Joachim Rheticus
nach Frauenburg gesandt, mit der Absicht, Kopernikus endlich zur
Veröffentlichung seines Hauptwerkes zu bewegen, was schließlich
auch gelang. Die Protestanten wollten aber die heliozentrische Lehre
nur als reines Rechenmodell anerkennen. Zu diesem Zweck fügte ein
Drucker in Nürnberg ohne Befugnis und ohne Wissen von Kopernikus
dem Werk "De revolutionibus" eine Vorrede hinzu, die alle Aussagen
in dem Buch als rein mathematische Hypothesen erklärte. Von Luther
selbst ist uns überliefert, dass er gegen Kopernikus wetterte: "Der
Narr will die ganze Kunst Astronomiae umkehren! Aber wie die heilige
Schrift anzeigt, so hieß Josua die Sonne still stehen und nicht das
Erdreich." (aus Luthers Tischreden). Dies wurde als biblischer Beweis
angeführt, dass die Sonne sich bewegt haben müsse und die Erde still
stünde ganz im Sinne des alten geozentrischen Weltbildes.
Das Kopernikus-Denkmal erinnert an den grossen Wissenschaftler, der hier starb.
Kopernikus & Frauenburg in Ostpreussen
Im Jahre 1270 entstand Frauenburg auf einer Düne des
Frischen Haffs, wo damals schon eine Siedlung der Prussen
war. Der Lübecker Gerhard Fleming organisierte die rasche
Besiedlung. Der gotische Dom wurde zwischen 1342 und 1388
errichtet. Er ist von Wehrmauern mit Türmen und einem
grossen Haupttor umgeben. Der Frauenburger Dom galt als
bedeutendstes Werk der Kirchenbaukunst in Ostpreussen. Er
war seinerzeit der kleinste aber allgemein bekannte feinste
aller deutschen Dome. Berühmt war der Frauenburger Dom
auch dadurch, dass Lukas Watzenrode, der Onkel von
Nikolaus Kopernikus, hier Bischof war. Nach dem frühen Tod
von Kopernikus Vater, kümmerte sich der Onkel um den
jungen Nikolaus und wollte diesen auch in den Dienst der
Kirche holen. Kopernikus lebte und forschte viele Jahre in
Frauenburg und starb dort auch 1543. Er liegt seitdem im
Dom begraben.
Tycho Brahe auf Insel Ven 1546 – 1601
gilt als der beste Beobachter
Der neue Stern
am 11.11.1572
[Flammarion 1880]
Tychos Supernova von 1572
430 Jahre später (Chandra)
Observatorium Stjerneborg
unweit von Uraniborg
Tycho Brahe
der Beobachter
ohne Fernrohr
1546-1601
Stjerneborg heute
König Friedrich II. von Dänemark und Norwegen finanzierte die
Sternwarten Uraniborg und Stjerneborg auf der damals noch dänischen
Öresundinsel Ven vor Landskrona, an denen Brahe 21 Jahre lang
forschte. Brahe baute nicht nur alle benötigten Instrumente selbst,
sondern druckte auch seine eigenen Bücher.
Tycho Brahes Mauerquadrant
Tycho Brahe in Hamburg Wandsbek
Tycho Brahe und Kepler in Prag
• Nach dem Tode von Frederick II. zankte
sich Tycho Brahe mit dem dänischen Hof.
• 1597 verließ er die Insel Ven  Wandsbek
• 1599 wurde er Hofmathematiker in Prag
• 1600 kam Kepler dorthin als sein Assistent
• Brahe starb am 22. Oktober 1601
• Zwei Tage später wurde Kepler zu seinem
Nachfolger ernannt.
Tycho Brahes Weltmodell
Zwei Welt-Systeme werden „abgewagt“
Die heliozentrische Theorie von Kopernikus wird für zu leicht befunden gegenüber
Ricciolis Modell, in dem der Mond, die Sonne, Jupiter und Saturn die Erde umkreisen
und Merkur, Venus und Mars die Sonne. [Almagestum novum von Giovanni Riccioli 1651]
Prag 1600
Kepler publiziert 1627 Tychos Daten
Johannes
Kepler,
1571-1630:
Platonist,
Mathematiker,
Astronom
s. Sterne & Weltraum
März 2016, S. 82
* Weil der Stadt
Keplers Wohnhaus in Linz
Das Kepler Museum
in Weil der Stadt
1. Die Ellipse
Großer Durchmesser
Entfernung zum
Brennpunkt = R2
Entfernung zum
Brennpunkt = R1
R1 + R2 = Großer Durchmesser 2a
2. Flächensatz
Die von der Sonne zum Planeten gezogene
Verbindungslinie überstreicht in gleichen
Zeiten gleiche Flächen.
Aus dem Energieerhaltungssatz folgt:
Je näher der Planet der Sonne ist, desto geringer
ist seine potenzielle Energie – also desto höher
ist seine kinetische Energie und damit seine
Geschwindigkeit.
Der Flächensatz
langsam
schnell
Die von der Sonne zum Planeten gezogene
Verbindungslinie überstreicht in gleichen
Zeiten gleiche Flächen.
Beweis: Bahn des Kometen Halley
 Lang gestreckte Ellipse: P = 76 Jahre
Komet Halley
3. Gesetz der Umlaufzeiten
Das Verhältnis aus den 3. Potenzen der
großen Halbachsen und den Quadraten der
Umlaufzeiten ist für alle Planeten konstant.
T1
T2
a1
a2
(a1 / a2)3 = (T1 / T2)2
 T2/a3 = C = Konstante für jedes Planetensystem
Gesetz der Umlaufzeiten
Die äußeren Planeten laufen langsamer:
Jupiter braucht 11,8 Jahre, Neptun 165 Jahre
Die 6 Bahnelemente der Planeten
Bahnelemente der 8 Planeten
Planet
Halbachse a
Merkur 0,387
Venus 0,723
Erde
1,0 AE
Mars
1,523
Jupiter 5,203
Saturn 9,537
Uranus 19,191
Neptun 30,068
Exzentrizität e
0,205
0,006
0,0167
0,093
0,048
0,054
0,047
0,0085
 Video: Planetenbewegung
BahnPeriode
0,2048
0,6152
1,0 a
1,8808
11,863
29,447
84,02
164,79
Inklination i
7,005 °
3,39 °
0,00005
1,850 °
1,305 °
2,484 °
0,777 °
1,769 °
Mittlere
Geschw
47,8
35,02
29,78
24,13
13,07
9,672
6,835
5,478
Bahnelemente Zwergplaneten
Ein Himmelskörper ist ein Planet, wenn er …
sich auf einer Bahn um die Sonne befindet
 eine ausreichende Masse hat (Eigengravitation)
 die Umgebung seiner Bahn bereinigt hat.
ZwergPlanet
Ceres
Pluto
Humaea
Makemake
Eris
Halbachse a
2,766
39,499
43,342
45,660
68,146
Exzentrizität e
0,078
0,248
0,189
0,156
0,432
BahnPeriode
4,601
248,246
285,3 a
308,54
562,55
Inklination i
10,58 °
17,16 °
28,19 °
28,99 °
43,74 °
Mittlere
Geschw
17,88
4,75
4,52
4,40
3,43
Isaac
Newton
1687
Isaac Newton erklärt Kepler-Gesetze
Isaac Newton 
Gravitation 1687
Alle Körper ziehen sich an
• Das Jahr 2009 war das Internationale
Jahr der Astronomie. Anlass war das 400jährige Jubiläum von zwei Ereignissen, die
die moderne Astronomie begründet
haben:
•  Im Jahr 1609 nutzte Galileo Galilei
zum ersten Mal ein Fernrohr zur
Himmelsbetrachtung
•  Im selben Jahr veröffentlichte
Johannes Kepler sein Buch "Astronomia
Nova", in dem er grundlegende Gesetze der
Planetenbewegung aufzeigte.
Galileo Galilei
* 15. Februar 1564 in Pisa;  1592-1610 Padua;
† 8. Januar 1642 in Arcetri bei Florenz
• Teleskope 
neue Erkenntnisse:
• Struktur der
Mondoberfläche
• Sonne hat Flecken (!)
• Venus zeigt Phasen
• Jupiter hat Monde
• Milchstraße aus Sternen
Die ersten Refraktoren
Kepler Fernrohr
Galilei Fernrohr
Galilei´s
erste Teleskope
Vertreter der Kirche weigerten sich
durchs Teleskop zu schauen
Galileo Galilei –
der erste Experimentalphysiker
Zum Nachdenken:
Was hat Galilei bei
der schiefen Ebene
herausgefunden?
Zum
Nachdenken:
Was hat Galilei
beim
Pendel
herausgefunden?
Sidereus
Nuncius
(Sternenbote)
1610
Autor: Galileo
Galilei
Die erste Publikation
von Daten,
die mit Teleskopen
erfasst worden sind.
Sonnenflecken:
Illustration
von
Attanasius
Kircher
(1664)
Die
Sonne
vom
3.3.2016

Aktivität
klingt
ab
Solarer Fleck 2015
Venus
Phasen
Die Phasen der Venus
von der Erde aus gesehen.
Nur mit dem Fernrohr
erkennt man, dass Venus
Phasen wie der Mond zeigt.
Wir sehen sie als große,
schmale Sichel, wenn sie
zwischen Erde und Sonne
steht, und als kleine, wenn
sie jenseits der Sonne steht.
Venus Phasen (Amateur)
Die Galilei`schen Monde
Die Galileischen Monde
(v. l. n. r.: Io, Europa, Ganymed und Kallisto)
Was unsere Vorfahren nicht wussten
 Das Sonnensystem ist viel größer!
Erde
Sonne
Planetare
Region < 50 AE
Kuiper Gürtel
Oortsche Wolke
10.000 AE
Was unsere Vorfahren nicht wussten
 Millionen kleine Körper im Sonnensystem
Erde
Mars
Vollendung durch Isaac Newton 1687
 „3 Newtonsche Gesetze der Bewegung“
Isaac
Newton
1687
Nächster Montag: Universum Milchstraße