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

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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

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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