mini|(a) Geozentrisches Weltbild (stark schematisiert, für die genauen Bahnen der Himmelskörper siehe nächste Abbildung), (b) heliozentrisches Weltbild
Das heliozentrische Weltbild ( und kentron Zentrum), auch kopernikanisches Weltbild genannt, ist ein Weltbild, in dem die Sonne das ruhende Zentrum des Universums darstellt. Die Erde gilt als ein Planet unter anderen und bewegt sich wie diese um die Sonne herum. Dabei dreht sich die Erde täglich einmal um sich selbst und wird ungefähr jeden Monat einmal von einem Mond umkreist. Die Fixsterne sind an einer ruhenden äußeren Kugelschale angeheftet.
In seinen Anfängen geht das heliozentrische Weltbild auf die griechischen Astronomen Aristarchos von Samos und Seleukos von Seleukia zurück. Archimedes verwendete es in seinem Werk Der Sandrechner, allerdings nur für die Abschätzung der Anzahl der Sandkörner im Universum. Erst im 16. Jahrhundert wurde das heliozentrische Weltbild von Nikolaus Kopernikus zu einer astronomischen Theorie ausgearbeitet, mit der die Positionen der Himmelskörper auf der Grundlage der Eigenbewegung der Erde berechnet werden konnten. Johannes Kepler und dann vor allem Isaac Newton entwickelten diese Theorie im 17. Jahrhundert entscheidend weiter.
Im strengen Sinn trifft die übliche Bezeichnung als heliozentrisches System nur auf den von Kepler erreichten Entwicklungsstand zu, denn Kopernikus (70 Jahre vor Kepler) musste die Planeten und sogar auch die Sonne selbst noch um einen gedachten Punkt etwas außerhalb der Sonne, genannt die „mittlere Sonne“, kreisen lassen, um die gewünschte Genauigkeit zu erreichen, und bei Newton (60 Jahre nach Kepler) kreisten alle Körper des Sonnensystems schon um dessen Baryzentrum, das bei bestimmter Position von Jupiter und Saturn ebenfalls außerhalb der Sonne liegt. Gleichzeitig reifte die moderne Vorstellung, dass das Weltall als Ganzes überhaupt keinen Mittelpunkt besitzt. Dijksterhuis (IV—12) argumentiert, dass der gewöhnlich verwendete Name „heliozentrisch“ noch weniger die Natur des kopernikanischen Systems ausdrückt als der von „geozentrisch“ das System von Ptolemäus. (Siehe auch Shapley-Curtis-Debatte.)
mini|Geozentrisches Weltbild nach Ptolemäus: Bahnen von Sonne (gestrichelter Kreis), Merkur und Venus (unperiodische Rosettenbahnen) für 7 Jahre. Gegenüber dem geozentrischen Weltbild ist das heliozentrische Weltbild nach geometrischen Aspekten einfacher (vgl. in der nebenstehenden Abb. die Bahnen, die den inneren Planeten in dem ausgearbeiteten Ptolemäischen Weltbild zugeschrieben werden). Es entspricht jedoch nicht der unmittelbaren alltäglichen Beobachtung von Ruhe und Bewegung und stand auch schon bei seiner Entstehung im Konflikt mit vielen religiösen Vorstellungen von der Rolle des Menschen und seinem Ort im Universum. Dass die Erde nicht im Zentrum stehe und darüber hinaus selbst in Bewegung sei, erschien lange Zeit nicht annehmbar. Das heliozentrische Weltbild traf auf heftige Gegenwehr seitens der christlichen Kirchen (siehe z. B. Galileiprozess), fand aber durch genauere astronomische Messungen und Beobachtungen – besonders mittels Teleskopen seit dem beginnenden 17. Jahrhundert – zunehmende Bestätigung. Die Entstehung und Verbreitung des heliozentrischen Weltbilds sind eng verbunden mit dem Aufkommen der modernen Naturwissenschaften und werden daher auch als kopernikanische Wende bezeichnet.Diese einleitende Skizze folgt u. a. Kuhn (1981), hier in der Literatur angegeben: Kap. 6 (Die Assimilation der kopernikanischen Astronomie); sowie Dijksterhuis (1983), Die Mechanisierung des Weltbildes, hier in der Literatur angegeben: Teil 4 (Die Geburt der klassischen Naturwissenschaft).
Vorläufer Antikes Griechenland
mini|Aristarch (3. Jahrhundert v. Chr.): Berechnungen der Größen von Erde, Sonne und Mond (Abschrift aus dem 10. Jahrhundert) Heliozentrische Entwürfe 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.“Aristoteles: De Caelo, Buch 2, Kapitel 13 Er lehnte dieses Weltbild aber ab und gab Gründe für ein geozentrisches Weltbild an, wie es bis ins 17. Jahrhundert n. Chr. bestimmend blieb.
Aristarchos 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 genannt worden sein. 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. Aristarch schätzte auch die Größe des Mondes und den Abstand der Erde zum Mond und zur Sonne. Das Ergebnis für den Mond war akzeptabel, bei der Sonne verschätzte er sich aber aufgrund von Messungenauigkeiten um mehr als eine Größenordnung.
Seleukos von Seleukia (2. Jahrhundert v. Chr.) soll auch ein heliozentrisches Weltbild vertreten haben, Genaueres ist aber nicht bekannt.
Geozentrisches System von Ptolemäus Stattdessen wurde im zweiten Jahrhundert n. Chr. durch Claudius Ptolemäus eine geozentrische Theorie ausgearbeitet, in der die Erde stillsteht und von Sonne, Mond und den anderen Planeten umrundet wird. Dieses ptolemäische System wurde im christlichen Abendland durch die folgenden mehr als tausend Jahre fast unverändert zur Berechnung der Bewegungen von Sonne, Mond, und Planeten benutzt. Um aber die variierenden Geschwindigkeiten der Himmelskörper auch nur annähernd wiederzugeben, musste Ptolemäus komplizierte Konstruktionen von je einem Hauptkreis (Deferent) und zusammengenommen bis zu 80 zusätzlichen Kreisbewegungen auf Epizykeln vorsehen. Wegen des aristotelischen Prinzips, wonach Himmelskörper ausschließlich gleichförmige Kreisbewegungen ausführen, musste Ptolemäus des Weiteren den Mittelpunkt des Deferenten in gewisser Entfernung von der Erde ansetzen und zudem annehmen, dass die Bewegung auf dem Deferenten nur dann gleichförmig erschiene, wenn man sie von einem Punkt aus betrachten würde, der doppelt so weit von der Erde entfernt ist (Äquant). Damit erschien das ptolemäische System einerseits kaum noch verträglich mit den aristotelischen Geboten und ließ andererseits an Genauigkeit doch immer noch viel zu wünschen übrig. Indien 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.
Islamische Astronomie im Mittelalter mini|Tusi-Paar (Cardanische Kreise) in einem Manuskript von Nasir ad-Din at-Tusi (13. Jahrhundert) Die islamischen Astronomen blieben im Mittelalter beim geozentrischen Weltbild, bemerkten aber die mangelnde Übereinstimmung mit den Beobachtungen. Als eine Schwachstelle in der Epizykeltheorie von Ptolemäus erkannten sie die Einführung von Äquanten. Das ist für jeden der Planeten ein fiktiver Punkt abseits des Weltmittelpunkts, von dem aus gesehen der Planet eine gleichförmige Kreisbewegung ausführt, damit seine Bewegung von der Erde aus gesehen so ungleichförmig wird, wie sie tatsächlich zu beobachten war. Die Annahme eines Äquanten stand damit in gewissem Widerspruch zum Prinzip der gleichmäßigen Kreisbewegung um den Weltmittelpunkt.Dijksterhuis (1983), hier in der Literatur, S. 67, 73.
Der persische Wissenschaftler Nasir ad-Din at-Tusi (1201–1274) löste dieses und andere Probleme des ptolemäischen Systems mithilfe der Tusi-Paare, bei denen ein Punkt auf einem Kreis liegt, der auf oder in einem anderen Kreis abrollt. At-Tusi zeigte, dass der Punkt bei einem bestimmten Verhältnis der Kreisradien eine lineare Bewegung ausführt, womit er nebenher die aristotelische Lehre von dem unüberbrückbaren Unterschied zwischen den irdischen linearen und den himmlischen kreisförmigen Bewegungen widerlegte.
Der Wissenschaftler Mu’ayyad ad-Din al-Urdi (ca. 1250) entwickelte das Urdi-Lemma, mit dessen Hilfe eine reine Kreisbewegung durch einen Epizykel zu einer exzentrischen Kreisbewegung gemacht werden kann. Urdi-Lemma und Tusi-Paar wurden später auch von Kopernikus genutzt, allerdings ohne Hinweis auf ihre Entdecker.
Ibn asch-Schatir (1304–1375) machte in seiner Abhandlung Kitab Nihayat as-Sulfi Tashih al-Usul den Äquanten überflüssig, indem er in das ptolemäische System für jeden Himmelskörper je einen zusätzlichen Epizykel einführte. Damit kam er Kopernikus, der selber die Abschaffung der Äquanten für seinen größten Erfolg hielt,Dijksterhuis 1983, hier in der Literatur angegeben: S. 321. um zwei Jahrhunderte zuvor. Ansonsten blieb Ibn asch-Schatir aber beim geozentrischen System.
Aufstellung mini|Vergleich des geozentrischen mit dem heliozentrischen Weltbild nach Aristarchos gemäß Darstellung von Johann Christoph Sturm, 1667 Die Unzulänglichkeiten des ptolemäischen Systems wurden auch in Europa zunehmend erkannt. Georg von Peuerbach und Regiomontanus äußerten im 15. Jahrhundert vorsichtige Zweifel an seiner Richtigkeit und fanden einige Verbesserungen.Herrmann 1979, S. 54.
Der Durchbruch zum heliozentrischen Weltbild erfolgte hauptsächlich in drei Entwicklungsstadien: Anfang des 16. Jahrhunderts untersuchte Nikolaus Kopernikus erstmals eine astronomische Theorie,Theorie meint hier die Gesamtheit von Hypothesen samt Beobachtungsdaten, die zu einem mathematischen Modell der Astronomie ausgearbeitet wurde und die Kopernikus in seinen Schriften vorrangig für Fachleute vorgestellt hat. Siehe dazu etwa T. Kuhn (1981), hier in der Literatur: S. V u.134; A. Koestler (1959), hier in der Literatur: S. 147. in der die Erde nicht mehr das Zentrum des Universums ist. Als gemeinsamen Bewegungsmittelpunkt aller noch als kreisförmig angenommenen Planetenbahnen, einschließlich der Erde, bestimmte er die Sonne. In Bezug auf die Erdbahn wurden Merkur und Venus zu unteren Planeten, Mars, Jupiter und Saturn zu oberen. Wegen der mangelhaften Genauigkeit, mit der auf diese Weise die Planetenpositionen berechnet werden konnten, musste er später etliche zusätzliche Kreisbewegungen (Epizykel) überlagern. Anfang des 17. Jahrhunderts setzte sich Johannes Kepler über den Lehrsatz von der gleichförmigen Bewegung der himmlischen Körper auf mehreren miteinander kombinierten Kreisbahnen hinweg. Er ging für jeden Planeten von einer einzigen elliptischen Bahn aus, bei der die Sonne in einem Brennpunkt steht und die Geschwindigkeit des Planeten durch den direkten Einfluss der Sonne ständig verändert wird. Zur physikalischen Erklärung der Ellipsenbahnen wurde erstmals eine Zentralkraftwirkung erwogen.T. Kuhn (1981), hier in der Literatur: S. 250–253. Ende des 17. Jahrhunderts beendete Isaac Newton endgültig die Trennung zwischen himmlischer und irdischer Mechanik und begründete die heutige Klassische Mechanik, in der die Planetenbahnen am Himmel und die Wurfbewegung auf der Erde auf der gleichen Grundlage berechnet werden können. Newton fand eine einheitliche Formulierung mittels neugefasster Begriffe von Masse und Kraft.T. Kuhn (1981), hier in der Literatur: S. 258–260.
Kopernikanisches System Überblick mini|500 Jahre Kopernikus (1973): Deutsche Würdigung des heliozentrischen Systems (mit zwei Planeten auf der Erdbahn)