Ein historisch-genetischer Zugang 

Gerhard Rath, Astronomie im Physikunterricht

 

Übersicht:

Geometrisierung der Welt (Gnomon)
Die Form der Erde
Positionsbestimmung und Navigation
Die Rotation der Erde
Die Bewegung der Erde um die Sonne
Die sieben geozentrischen Planeten; unsere Woche
Astrologie (ausführliche Version)
Wie weit ist es zu den Himmelskörpern?
Woher kommt unser Wissen über Sterne und Milchstraße?
Ist unser Universum unendlich?

 

Die Form der Erde   

Sie war bereits in der Antike bekannt (wahrscheinlich ab 500 v. Chr., eventuell früher (Odyssee: Eine Weltumsegelung?) 

Aristoteles (384 - 322 v. Chr.) führt folgende Argumente an: 

  • Schiffe tauchen am Horizont zuerst mit der Mastspitze auf 
  • Bei Reisen nach Norden bzw. Süden verändern sich die Sternbilder 
  • Mondfinsternis: Der Umriß des Erdschattens ist immer ein Kreis, ca. 4 mal größer als der Mond 
Erdform - Mondschatten
(Quelle: (14))

Eine Messung des Erdumfangs gelang Eratosthenes (276 - 194 v. Chr.).

Ein schöner Text zur Problematik der Vermittlung der Kugelform der Erde ist der Bericht einer Missionarin (in: M. Wagenschein: Verstehen Lehren)

Genaugenommen ist die Erde aber keine Kugel. Wie konnte man darauf kommen?

Zwei Beobachtungen im 17. Jahrhundert führten zur Untersuchung dieser Frage:

Die Messung der Abplattung erfolgte durch zwei Expeditionen der Pariser Akademie der Wissenschaften (1735 - 1744). Dort versuchte man, in Peru und in Lappland Bögen gleich großer Winkel auf der Erdoberfläche zurückzulegen.
 
Erdform - 15000fach überhöht Diese Winkel maß man als Höhenwinkel von Sternen, wobei man feststellte, daß die zugehörige Bogenlänge in Lappland größer war als jene in Peru.   

Für die Berechnung von Satellitenbahnen benötigt man heute die exakte Form der Erde. 
 
 

In diesem Bild sind die Abweichungen von der Kugelform in 15.000-facher Überhöhung dargestellt (6) 

 

 
 

  Wie bestimmt man seine Postition auf der Erde?

 

Geographische Breite

Einfache Winkelmessung, z.B. Höhe des Polarsterns (j ); Mittagshöhe der Sonne (90-j +d ): Quadrant, Jakobsstab, Sextant. Fehler von 1': 1,85 km (eine Seemeile)

siehe dazu auch: Einfache Astronomische Instrumente

 

Geographische Länge

Schwieriger. Wegen Rotation der Erde ist eine genaue Zeitmessung bzw. Vergleich mit Normzeit (Greenwich) notwendig. 15 Grad pro Stunde, 1 Grad in 4 Minuten.
1714 wurde ein Preis für die Lösung des Längengrad-Problems ausgeschrieben. Gewinner war letztlich der Uhrmacher John Harrison, dessen Uhr H4 (1759) an Land nur eine Ungenauigkeit von einer Sekunde pro Monat aufwies. (1 s bedeutet 450 m Abweichung)
 
Umberto Eco behandelt dieses Problem in seinem Buch: Die Insel des vorigen Tages (Hanser Verlag 1995). 
Darin schildert er auch die heute abstrus anmutende Idee der "sympathischen Kräfte"
Ein Hund wurde mit einem glühend gemachten Spieß in London tagelang so behandelt, dass ihm dieser jeden Tag genau zu Mittag eine offene Wunde gehalten wurde. Der Hund wurde auf die Schiffsreise mitgenommen, der Spieß blieb aber in London und wurde jeden Tag pünktlich zu Mittag in die Glut gegeben. Auf Schiff beobachtete man den Hund (dessen Wunde offen gehalten wurde!) und meinte, er würde zum gleichen Zeitpunkt aufheulen, da er diesen Vorgang spüren konnte.
 

Die Rotation der Erde

Wie kann sich die Erde (sehr schnell!) drehen, und wir merken nichts davon?

G. Galilei diskutierte verschiedene Argumente gegen die Erddrehung, z.B.: Ein von einem hohen Turm fallengelassener Stein kommt genau am Fußpunkt des Turms auf. Sein Argument: Infolge der Trägheit folgt der Stein auch während des Falls der Bewegung der Erde.
 
Stein fällt vom Turm Stein fällt vom Schiffsmast

Text aus "Dialog über die beiden hauptsächlichen Weltsysteme"

Erläuterungen zu diesem Text aus wissenschaftstheoretischer und didaktischer Sicht

Dies zeigt die Möglichkeit der Erddrehung, stellt aber keinen Beweis dar.

Der erste Beweis war die Messung von fallenden Kugeln von hohen Türmen (nach einem Vorschlag I. Newtons, ausgeführt ab 1800). Da sich der Turm an seiner Spitze etwas schneller dreht als am Fußpunkt eilt die Kugel ein wenig in Richtung der Erddrehung voraus und landet etwas östlich vom Startpunkt.

Die Richtung von Passatwinden oder die Form von Tiefdruckgebieten läßt sich mit ähnlichen Überlegungen erklären.

 

Die Bewegung der Erde um die Sonne

Sie ist noch schneller als die Erddrehung, und wir merken noch weniger von ihr.

Bereits in der Antike wurde ein Gegenargument für diese Bewegung angeführt: Das Fehlen einer Fixsternparallaxe . Wenn wir uns in einer Sternenkugel bewegen, so müßten sich die Winkel der Gestirne im Jahreslauf ändern.

N. Kopernikus mußte den Durchmesser der Himmelskugel als sehr groß annehmen, um die Nicht-Beobachtbarkeit einer Parallaxe erklären zu können. Für Tycho Brahe (Meßgenauigkeit: 1' -> Abstand der Himmelskugel: größer als 3000 AE) war die riesige Lücke zwischen Saturn und den Fixsternen unlogisch.
 
Die Bewegung der Erde um die Sonne war vor jedem Beweis allgemein akzeptiert, da das Heliozentrische System als Ganzes dem alten System überlegen war.   

Erster gemessener Beweis war die Aberration des Sternenlichts (Bradley, 1748), die erste Fixsternparallaxe wurde von Bessel 1838 gemessen. (19) 
 
 

 
 
 

Die sieben geozentrischen Planeten

Im geozentrischen System gab es 7 Himmelskörper, die sich vor dem Sternenhintergrund bewegten. Bereits in der Antike war ihre Reihenfolge (aus den beobachteten Umlaufzeiten) klar. Von der Erde aus: Mond, Merkur, Venus, Sonne, Mars, Jupiter, Saturn.

Dieses System findet sich heute noch in der Anordnung der Wochentage , es geht auf die Babylonier zurück. Jedem Wochentag wurde ein Planet zugeordnet, was aus einem Sprachvergleich gut ersichtlich wird:

Wochentag Planet 
(röm. Gottheit)
Französich 
(Englisch)
Germanische 
Gottheit
Montag Mond (Luna) lun di  
Dienstag Mars mar di (tuesday) Tiu 
Mittwoch Merkur mercre di (wednesday) Wodan
Donnerstag Jupiter jeu di (thursday) Thor, Donar
Freitag Venus vendre di Freia
Samstag Saturn satur day  
Sonntag Sonne (Sol) sunday  
.
 
 
Wochentage Anordnung:   

Man teilt einen Kreis in sieben Teile und schreibt jedem Punkt einen der Planeten in der Reihenfolge des Geozentrischen Systems zu. 

Verbindet man diese Punkte durch gerade Linien in der Reihenfolge, die durch die entsprechenden Wochentage gegeben ist, so entsteht ein regelmäßiger siebenstrahliger Stern - ein altes magisches Symbol. 

 

Astrologie

(Hier gehts zu einer ausführlichen Abhandlung über Astrologie und Astronomie )

Auch sie verwendet die geozentrischen Planeten, ergänzt durch Uranus, Neptun und Pluto - damit gibt es in der Astrologie 10 Planeten.
Tierkreis

Ausgangspunkt für ein Horoskop sind astronomische Daten von Himmelsobjekten, allerdings bezogen auf einen anderen Hintergrund. Während die Astronomie mit (insgesamt 88) Sternbildern arbeitet, gibt es in der Astrologie nur 12 Sternzeichen . Sie bilden den Tierkreis, in ihnen bewegen sich die Planeten. Statt Tierkreis verwendet die Astronomie den Begriff Ekliptik : Die scheinbare Bahn der Sonne im Jahreslauf, bezogen auf den Sternenhintergrund.

Die Planeten weichen um bis zu 6 Grad; von der Ebene der Ekliptik ab (am stärksten der Mond).

(Quelle: (15))

Sternbilder und Sternzeichen: Infolge der Präzession der Erdachse haben sich die astrologischen Sternzeichen gegenüber den Fixsternen (um ca. eineinhalb Sternbilder) verschoben. Wie unser Kalendersystem wurde das System der Astrologie bereits im Altertum an den Lauf der Sonne (Jahreszeiten) gekoppelt. Am 21. März beginnt der Frühling und es beginnt das Sternzeichen Widder; jedes Sternzeichen belegt dann genau 30 Grad; des Tierkreises.

Zum Zeitpunkt der Geburt wird die Stellung der Planeten im Tierkreis auf Grundlage astronomischer Daten errechnet. Wichtigster Planet: Die Sonne - sie bestimmt unser Geburtssternzeichen. Für die Interpretation spielt dann eine Rolle, welcher Planet in welchem Sternzeichen steht und welche Winkelstellungen die verschiedenen Planeten zueinander einnehmen ( Aspekte ). Die wichtigsten davon sind die Konjunktion (0 Grad; - stehen am Himmel nebeneinander), die Opposition (180 Grad; - Gegenüberstellung) sowie Quadrat (90 Grad;), Trigon (120 Grad;) und Sextil (60 Grad;).

Dieser Teil des Horoskops ist unabhängig vom Geburtsort

 
Horoskop

Infolge der täglichen Drehung der Erde geht etwa alle 2 Stunden ein anderes Tierkreiszeichen am Osthimmel auf (auch am Tage, allerdings dann nicht sichtbar). Jenes Zeichen (genauer: Winkelgrad) das zum Zeitpunkt der Geburt am Horizont des Osthimmels aufgeht heißt Aszendent (abgekürzt AC). Er hängt auch von der geographischen Länge und Breite des Geburtsortes ab. In der Astrologie wird ihm große Bedeutung beigemessen. Von ihm aus werden 12 "Häuser" gezählt, die das sogenannte innere Horoskop bilden.

Dem Aszendenten gegenüber steht der Deszendent (DC), also jenes Sternzeichen (bzw. Winkelgrad) das zum Zeitpunkt der Geburt gerade am Westhimmel untergeht. (Bild: (15)

Geburtshoroskop mit der Sternkarte:
(siehe auch: Sternkarten)

Position der Sonne : Stellt man den Geburtstag ein, so ist auf der Ekliptik die Position der Sonne abzulesen. Meist steht sie im Sternbild, das dem Geburtssternzeichen vorausgeht.

Aszendent : Stellt man die Uhrzeit der Geburt ein, so ist der Aszendent am Schnittpunkt der Ekliptik mit dem östlichen Horizont zu finden.
Keplers Geburtshoroskop
 

Dieses Bild zeigt das Geburtshoroskop Johannes Keplers (von seiner eigenen Hand). Statt der heute üblichen Kreisform war es damals üblich, zuerst die zwölf Häuser als dreieckige Felder zu zeichnen. Deren Grenzen sowie die Stellungen der Planeten wurden dann mit Sternzeichen und Winkelgrad eingeschrieben. So etwa steht der Mond bei Kepler 4 Grad;10' in den Zwillingen.
(Quelle:(7), S. 135))
 

Ausführliche Abhandlung über Astrologie und Astronomie
 

Wie weit sind Himmelskörper von uns entfernt? Wie groß sind sie?

Bekannt sind die ersten Abschätzungen Aristarchs zu Größenverhältnissen bzw. Abständen Erde/Mond/Sonne. Aus dem rechtwinkeligen Dreieck bei Halbmond bestimmte er den Winkel Erde-Sonne zu 87 Grad, was für die Entfernungen ES:EM 19:1 ergab. Aus der Zeitdauer einer Mondfinsternis schloß er auch auf die Größen: Mond ca. 1/3 der Erde, Sonne ca. 7 mal Erde. Damit war die Mondentfernung 9,5 Erddurchmesser, die Entfernung zur Sonne 180.

In der Folge wurden diese Werte durch genauere Messungen nach oben korrigiert - Poseidonis (1. Jhd. v. Chr) erhielt als Sonnendurchmesser ca. 40 mal die Erde, als Entfernung Erde-Sonne 6550 Erddurchmesser.
Jakobsstab

Wie weit ist der Mond entfernt?

Ein Beobachter sieht den Mond z.B. von Berlin aus im Süden, ca. 60 Grad; über dem Horizont. Gleichzeitig sieht man den Mond in Kapstadt im Norden, ca. 28 Grad; über dem Horizont. (Wagenschein, (8)). Die beiden Städte sind etwa 1/4 des Erdumfangs voneinander entfernt. Der Mond wird "in die Zange" genommen. (Parallaxenmessung). Schon zeichnerisch kann man daraus die Entfernung zu etwa 30 Erddurchmessern ermitteln.

(Das Bild zeigt eine Messung mit dem Jakobsstab. (20), S. 122)

 

Wie weit ist es bis zur Sonne?

Parallaxenmessungen mit Strecken auf der Erde als Basis ermöglichten auch die Bestimmung der Entfernungen zu den Planeten, insbesondere aber zur Sonne (Astronomische Einheit). Das dritte Keplersche Gesetz ermöglicht, alle Entfernungen im Planetensystem auszurechnen, aber eine muss gemessen werden.

Die erste genauere Werte lieferten Parallaxenmessungen am Mars (Ende 17. Jhd., auf Expeditionen), man kam auf maximal 140 Millionen km. Bessere Werte bekam man durch Venusdurchgänge.

 

Wie weit ist es bis zu den Sternen?

F. W. Bessel gelang es 1838 die Parallaxe des schwachen Sterns 61 im Schwan zu 0,3" zu bestimmen. Dies bedeutete eine damals unglaubliche Entfernung von 10 Lichtjahren.

 
 

 Woher kommt unser Wissen über die Sterne?

Die Sterne liegen nicht auf einer Kugelschale .

Hinweise dafür:

Sterne sind Sonnen , nur weiter weg

Spektralanalyse (19. Jhd.): Sternspektren zeigen die gleichen Elemente, wie sie auf der Sonne bzw. auf der Erde vorkommen. Auch die Temperaturen lassen sich abschätzen.

Sterne haben einen " Lebenslauf "

Wir können die vielen verschiedenen Erscheinungsformen von Sternen in ein Sternmodell einfügen, das eine dynamische Entwicklung beinhaltet. Prinzipiell wird ein Stern von zwei Kräften beherrscht: Der Gasdruck aus seinem Inneren (Folge der Kernfusion) und dem Gravitationsdruck.

 

Wie entstand das Wissen über unsere Milchstraße?

Das Band unserer Milchstraße zeigt im Teleskop betrachtet immer mehr Einzelsterne.

Alle Sterne die wir sehen gehören zu dieser Galaxie (ca. 100 Milliarden). Wenn wir in das Band schauen, sehen wir in die Scheibe hinein, in Richtung höherer Sternenkonzentration.

Unsere Sonne liegt eher am Rand . H. Shapley vermaß zu Beginn unseres Jahrhunderts die Verteilung von Kugelsternhaufen. Aus dieser Verteilung schloß er die Randstellung unseres Sonnensystems.

Bereits vor unserem Jahrhundert gab es Vermutungen, dass viele der " Nebel " nicht in unserer Milchstraße sind, sondern eigene Sternsysteme darstellen. Die Bestätigung erfolgte durch E.P. Hubble, der Teile des Andromedanebels in Einzelsterne auflösen konnte und auch eine erste Entfernungsabschätzung zustande brachte. (ca. 1925).

 
 
 

Ist unser Universum unendlich?
 

 
Die mittelalterliche Welt war begrenzt (eine Kugel), der Sternenhimmel rotierte (im 24 Stunden-Rhythmus) um die Erde.   

Mit Kopernikus entstand die Möglichkeit der Unendlichkeit, die Sterne standen nun still. (siehe Bild: (19), S. 63) 

Newtons Problem : Ein unendliches statisches Universum mit gleichmäßiger Sternverteilung kann nicht stabil sein, es muss infolge der Gravitation in sich zusammenstürzen. 

offener Sternhimmel
 

Olbers Paradoxon : Ein unendliches statisches Universum mit gleichmäßiger Sternverteilung müßte auch in der Nacht taghell sein.

Heutiges (Standard-) Modell : Das Universum ist dynamisch, es dehnt sich aus. Es ist nicht geklärt, ob mit konstanter Geschwindigkeit, verzögert oder sogar beschleunigt. Der Raum muss nicht eben sein (allgemeine Relativitätstheorie), er kann auch in sich gekrümmt sein. Damit wäre ein endliches, aber unbegrenztes Universum möglich.