Nikolaus Kopernikus stieß das Tor zur neuen Zeit auf – Johannes Kepler und Galileo Galilei traten hindurch und wiesen vor 400 Jahren der modernen Physik den Weg

1609 ist ein eher stilles Jahr in Europa. Im endlosen Kampf der Niederlande um ihre Unabhängigkeit von Spanien schweigen gerade mal wieder die Waffen, Hugo Grotius veröffentlicht sein Buch Das freie Meer, das vom Papst sofort verboten wird – es ist die Grundlage unseres heutigen Völkerrechts –, und in England erscheinen Shakespeares Sonette. Sein Landsmann, der Kapitän Henry Hudson fährt zum dritten Mal aus, diesmal im Auftrag der holländischen Ostindien-Kompagnie, um Passagen durch das nördliche Eismeer zu finden, wieder vergeblich. Seine Matrosen meutern, er wendet sich zurück gen Süden, die amerikanische Ostküste entlang, und erkundet jenen Fluss, der an Manhattan vorbei in den Atlantik fließt und heute seinen Namen trägt: Hudson River.

Ach ja, da ist noch etwas: In der Universitätsstadt Padua, die damals zur Republik Venedig gehört, schleift der Mathematikprofessor Galileo Galilei aus Gläsern der Werkstätten von Murano optische Linsen, er will das in Holland erfundene Fernrohr nachbauen. Und im März desselben Jahres überreicht der kaiserliche Mathematiker Johannes Kepler in Prag Kaiser Rudolf II. ein dickes Buch: sein Werk Astronomia Nova, das im Untertitel den Namen Physica Coelestis trägt, zu Deutsch »Himmelsphysik«. Es markiert den Beginn eines neuen Zeitalters.

Beide, Kepler und Galilei, vollenden jene Revolution, die mit dem Werk ihres Vorgängers Nikolaus Kopernikus begonnen hat. Das antike Weltbild verblasst endgültig, ein neues tritt an seine Stelle.

Der wunderliche Kaiser Rudolf II. macht Kepler zu seinem Mathematicus

Die griechischen Denker hielten die Erde für den Mittelpunkt des Weltalls. Sonne, Mond, die damals bekannten Planeten Merkur, Venus, Mars, Jupiter, Saturn und die Fixsterne bewegen sich um sie. Ihre Bahnen sind Kreise, da diese die vollkommensten Kurven sind, und die Himmelskörper durchlaufen sie mit stets gleichbleibender Geschwindigkeit.

Aber schon die einfachsten Beobachtungen zeigten, dass etwa der Mars im Laufe der Zeit nicht gleichförmig über den Himmel zieht, ja dass er zwischendurch sogar seine Richtung umkehrt. Man nahm daher an, der Planet bewege sich gleichmäßig auf einem kleineren Kreis, dessen Mittelpunkt wiederum auf einem Kreis gleichförmig um die Erde wandert. Demnach hätte sich die ungleichmäßige Bewegung des Planeten aus zwei gleichförmigen Kreisbewegungen zusammengesetzt. Doch da auch dies nicht genau die Bahn des Planeten erklärte, musste man weitere Kreisbewegungen hinzunehmen. Um den beobachteten Lauf von Sonne, Mond und den Planeten einigermaßen befriedigend zu deuten, benötigten die griechischen Astronomen schließlich 40 zusätzliche Kreisbewegungen.

Dieses System war erschüttert, als 1543 das Werk des Domherrn von Frauenburg Nikolaus Kopernikus erschien. Er schlug ein ganz anderes Weltbild vor: Nur der Mond kreist um die Erde. Diese selbst ist ein Planet und bewegt sich mit den anderen Gestirnen um die Sonne. Nicht die Erde, sondern die Sonne bildet die Mitte der Welt. Dass Planeten wie der Mars manchmal ihre Richtung ändern und am Himmel eine Schleife machen, rührt daher, dass wir sie von der die Sonne umkreisenden Erde aus beobachten.

Die Gelehrten des Altertums hatten die Planeten nach Jupiter und Mars und anderen Göttern benannt. In der Welt dort droben galten göttliche Regeln. Kopernikus war selbst nicht ganz frei von dieser Vorstellung. Auch für ihn gehörten die Himmelskörper zu einer göttlichen Sphäre, in der die Bewegungen nach den Regeln der Schönheit und Vollkommenheit bestimmt werden, und wie die antiken Astronomen war er davon überzeugt, dass die Planeten ihre Kreise um die Sonne mit stets gleichbleibender Geschwindigkeit ziehen. Und so musste auch er noch, um die beobachteten Bewegungen genauer zu erklären, die Bahnen der Himmelskörper durch zusätzliche Kreisbewegungen verkomplizieren.

Dieser Widerspruch blieb. Die Tür war aufgestoßen, doch der Schritt hindurch noch nicht getan. Denn wenn die Erde nur einer von mehreren Planeten ist, dann mussten – dies war der nahe liegende Schluss aus Kopernikus’ neuer Weltsicht – die Naturgesetze auf Venus und Mars dieselben sein wie die auf der Erde. »Solange die Erde still stand, stand alle wahre Astronomie still«, schrieb später der Göttinger Physiker und Selbstdenker Georg Christoph Lichtenberg. »So wie der Mann aber erschien, der die Sonne stille stehen ließ, in diesem Augenblick fing die Astronomie an fortzuschreiten.« Diesen Fortschritt nun begründete Johannes Kepler.

Der Mann, der im Jahre 1609 in Prag sein Buch dem Kaiser überreicht, ist 38 Jahre zuvor als ältestes von insgesamt sieben Kindern in Weil der Stadt am Rand des Schwarzwaldes, zur Welt gekommen. Er wurde katholisch getauft, aber später in protestantischen Schulen unterrichtet. Dank eines Stipendiums konnte er im Alter von 18 Jahren in Tübingen mit dem Studium der evangelischen Theologie beginnen. Dabei machte er sich auch mit dem Weltsystem des Kopernikus vertraut. Noch ehe er sein Studium abgeschlossen hatte, folgte er im Jahre 1594 einem Angebot der evangelischen Stiftsschule in Graz, dort Mathematik zu unterrichten.

Zu seinen Aufgaben gehörte es, einen Kalender herauszugeben, der den Lauf von Sonne und Mond durch die Sternbilder beschreibt. Dazu kamen Wettervoraussagen und natürlich auch astrologische Prophezeiungen. »Um das jährliche Gehalt, meinen Titel und Wohnort zu halten, muß ich törichtem Vorwitz willfahren«, schrieb er. »Die Dirne Astrologie muß ihre Mutter Astronomie aushalten – sonst könnten die Astronomen verhungern.«

In Graz schrieb Kepler sein Buch Mysterium Cosmographicum, in dem er versuchte, die Sonnenabstände der Planeten im kopernikanischen System geometrisch zu begründen. Das Werk wurde in Fachkreisen gut aufgenommen. Interesse zeigte vor allem der in Prag arbeitende dänische Astronom Tycho Brahe – aber mehr an dem ideenreichen Kepler als an dessen geometrischen Überlegungen. Brahe glaubte nicht an das kopernikanische Weltsystem, doch war er ein ausgezeichneter Beobachter, der den Lauf der Planeten, vor allem den des Mars, über lange Zeit präzise verfolgte.

Zu Beginn des Jahres 1600 reiste Kepler nach Prag. Es war das Jahr, in dem in Rom die Kirche den Dichter und Philosophen Giordano Bruno bei lebendigem Leibe auf dem Scheiterhaufen verbrennen ließ, hatte dieser doch behauptet, die Sterne seien Sonnen wie die unsere, um die vielleicht bewohnte Planeten kreisen. Kepler wünschte aus Brahes Beobachtungen mehr über die Bewegung des Mars zu erfahren. Aber der 25 Jahre ältere Kollege wollte die in ihnen verborgenen Geheimnisse der Planetenbewegung selbst enthüllen – was ihm nicht gelang.

Sechs Monate später kehrte Kepler nach Graz zurück, doch dort hatte die Gegenreformation die Stadt erreicht. Die protestantische Stiftsschule war geschlossen worden, und im Sommer musste Kepler innerhalb von 45 Tagen Graz verlassen. Im Oktober 1600 traf er, hoch verschuldet, mit Frau und Tochter wieder in Prag ein. Ein Jahr später starb Brahe, ob eines natürlichen Todes oder durch Mord, wird zurzeit wieder einmal diskutiert. Bald darauf berief der wissenschaftsbegeisterte, kunstsüchtige, stets ein wenig wunderliche Habsburger Rudolf II. Kepler als Nachfolger zum kaiserlichen Mathematicus und vertraute ihm den Nachlass des Vorgängers an. Aber die Erben gaben dessen Aufzeichnungen lange Zeit nicht heraus, da der Kaiser Brahes Gehalt noch nicht vollständig ausbezahlt hatte.

Im Jahre 1609 ist das Werk vollendet, in dem Kepler die mühsam aus Brahes Beobachtungen gewonnenen Erkenntnisse über die Bewegung der Planeten veröffentlicht. Erstens: Der Mars bewegt sich in einer Ellipse um die Sonne, die nicht im Mittelpunkt, sondern in einem Brennpunkt der Bahn steht. Dadurch verändert sich sein Abstand zur Sonne ständig. Zweitens: Er durchläuft die Bahn nicht mit gleichbleibender Geschwindigkeit, sondern mit größerer, wenn sein Abstand zur Sonne kleiner, und mit geringerer, wenn er weiter entfernt von der Sonne ist. Kepler gibt sogar die mathematische Formel an, nach der Geschwindigkeit und Entfernung zusammenhängen. Diese Ergebnisse heißen heute die beiden ersten Keplerschen Gesetze. Neun Jahre später findet er das dritte, das eine Beziehung zwischen Umlaufdauer und Durchmesser einer Planetenbahn definiert.

Es ist eine Provokation. »Wie kann man Astronomie und Physik, die so gar nichts miteinander zu tun haben, in einen Topf werfen?«, schallt es ihm entgegen. »Im Bereich der Himmelskörper wirken Gott und Teufel!«, ruft der friesische Pfarrer David Fabricius aus, einer der Entdecker der Sonnenflecken. Wie töricht sei es doch, »alles auf natürliche Ursachen zurückführen zu wollen«.

Etwa ein halbes Jahrhundert später gelingt es Isaac Newton in England, aus den drei Keplerschen Gesetzen die Grundgesetze der Mechanik zu entwickeln. Die Kräfte, die den Mond an die Erde und die Planeten an die Sonne binden, sind dieselben, die auf der Erde den Apfel zu Boden fallen lassen. Das ist der Anfang der Astrophysik.

Keplers Mutter wird als Hexe angeklagt und in die Folterkammer geführt

Keplers Gönner Rudolf stirbt im Jahre 1612. Kepler zieht als Landschaftsmathematicus und Lehrer an der Landschaftsschule nach Linz. In diese Zeit fallen Ereignisse, die typisch sind für eine Epoche, in der selbst Gelehrte glauben, bei der Bewegung der Planeten hätte der Teufel die Hand im Spiel.

1617 muss Kepler nach Württemberg reisen, weil seine Mutter dort als Hexe angeklagt wird; auch in den protestantischen Landen erreicht der Wahn zu jener Zeit einen Höhepunkt. In Leonberg, dem Heimatort Katharina Keplers, sterben 1615 und 1616 innerhalb weniger Monate sechs Frauen auf dem Scheiterhaufen. Nur wenige Verdachtsgründe, oft eine Denunziation, genügen, um einen Prozess einzuleiten. Die Beschuldigungen gegen die Keplerin sind so lächerlich wie die gegen all die anderen Opfer, doch haben sie schreckliche Folgen. Sechs Jahre dauert das Verfahren, über ein Jahr lang liegt sie angekettet im Gefängnis. Dann endlich das Urteil: Die Indizien reichen zwar nicht aus, die Folter anzuwenden, sie lassen aber auch keinen Freispruch zu. Die Frau wird in die Folterkammer geführt, wo man ihr die Instrumente zeigt. Sie gesteht trotzdem nicht. Erst im Herbst 1621 wird die 73-Jährige aus der Haft entlassen, kurz darauf stirbt sie.

Doch zurück ins Jahr 1609. Während Kepler noch mit seinen Berechnungen beschäftigt ist, hat sich in Italien sein sieben Jahre älterer Kollege Galileo Galilei auf eigene Weise in den Weltraum begeben – per Fernrohr. 1564 in Pisa geboren, entstammt Galilei einem adeligen, inzwischen verarmten Geschlecht. Als der Junge 18 Jahre zählte, schickte ihn sein Vater zum Medizinstudium auf die Universität von Pisa. Es blieb ohne Abschluss, wahrscheinlich weil der Student plötzlich sein Interesse für die Mathematik entdeckt hatte, und dazu zählten damals auch die Physik und die Astronomie. Nach einigen Semestern setzte er seine Studien in Florenz fort. 25 Jahre alt, wurde er Professor in Pisa, und drei Jahre später erhielt er den Lehrstuhl für Mathematik in Padua. Dort bekannte er sich in einem Brief an den damals in Graz lebenden Kepler – Galilei hatte gerade dessen Buch Mysterium Cosmographicum erhalten – zum ersten Mal zur Lehre des Kopernikus.

Just im Oktober jenes Jahres 1609 nun, in dem Kepler seine Astronomia Nova vollendet hat, überreicht Galilei in Florenz dem Großherzog Cosimo aus dem Hause Medici ein eigens für den Fürsten angefertigtes Fernrohr und richtet es auf den Mond. Cosimo ist begeistert.

Auch Galilei selber kann sich nicht sattsehen. Tief beeindruckt schreibt er, wie sehr der Mond mit seinen Bergen doch der Erde ähnele. Nach der bisherigen Meinung war der Mond eine Kristallkugel, denn er gehörte wie Sonne und Sterne zu einer höheren Welt. Nun aber, durch das Fernrohr betrachtet, zeigt er Berge, die ihre Schatten in Täler werfen. Das passt so gar nicht zu den kirchlichen Vorstellungen einer den irdischen Gesetzen völlig enthobenen himmlischen Sphäre.

Davon erzählt Galilei auch seinem Freund, dem römischen Maler Ludovico Cigoli. Dieser bekommt 1610 den Auftrag für ein Deckenfresko in der Paulinischen Kapelle von Santa Maria Maggiore in Rom. Cigoli malt die Himmelfahrt Mariens, und er legt der Gottesmutter eine Mondsichel zu Füßen, die Galileis Krater zeigt. Es ist die erste künstlerische Darstellung der fernen Landschaft des Mondes! Doch auch andere, wie zum Beispiel der Frankfurter Adam Elsheimer, malen jetzt den Himmel neu.

Beim Blick durch das Fernrohr entdeckt Galilei, dass um den Jupiter Monde kreisen. Er sieht, dass das weiße Band der Milchstraße aus zahllosen Sternen besteht, die wir mit dem unbewaffneten Auge nicht einzeln erkennen können. Er bemerkt, dass der Planet Venus einmal als Sichel, dann wieder vollständig erscheint, dass es gleich dem Mond »Vollvenus« und »Neuvenus« gibt. Auch dieser Planet dreht sich also um die Sonne.

Das alles spricht gegen das antike Weltbild – wie schon die Lehre des Kopernikus im Widerspruch zu den Lehren des Aristoteles stand. Galileis Erkenntnisse aber widerlegen nun auch den Wortlaut der Heiligen Schrift. Rief nicht Josua den Herrn während einer Schlacht an, Sonne und Mond stillstehen zu lassen? Beweist das nicht, dass sich die Sonne bewegt? Und dass die Erde stillsteht?

Nach jahrelangen Auseinandersetzungen mit der Kirche wird Galilei 1633 der Prozess gemacht. Der inzwischen zu Ruhm gelangte Gelehrte muss schließlich im Kollegiensaal des Klosters Santa Maria sopra Minerva – jener Marienkirche in Rom, die einst über dem gestürzten Tempel der Minerva, der Göttin der Weisheit, errichtet worden ist – der Lehre des Kopernikus abschwören, will er der Folter oder gar dem Scheiterhaufen entgehen. Als gebrochener Mann verbringt er den Rest seines Lebens unter Hausarrest in seiner Villa in Arcetri bei Florenz. Im fünften Jahr seiner Gefangenschaft erblindet er, 1642 stirbt er. Da ist sein großer deutscher Kollege Johannes Kepler schon zwölf Jahre tot, gestorben 1630 in Regensburg, mitten im Wahn des Dreißigjährigen Krieges.

Lernten die Astronomen vor 400 Jahren, dass im Weltall dieselben Gesetze gelten wie auf der Erde, so beginnen sie heute, aus den Vorgängen im Weltall etwas über die Physik auf der Erde zu erfahren. Die ungeheuren Entfernungen, der extrem verdünnte Raum zwischen den Sternen, die extrem hohen Dichten in manchen Sternen, bei denen Milliarden Tonnen in einen Fingerhut passen würden, die Temperaturen von vielen Millionen Grad im Inneren der Sterne – im Weltall laufen Vorgänge ab, die es auf der Erde nicht gibt. Es ist ein ideales Laboratorium für die Physik unter extremen Bedingungen.

Gelten die Naturgesetze für immer oder ändern sie sich mit der Zeit?

So behauptete 1926 der englische Astrophysiker Arthur Eddington, die Energie der Sonne sei nichts anderes als Kernenergie. Das widersprach dem physikalischen Wissen der damaligen Zeit. Doch zwei Jahre später entdeckten die Physiker die Quantenmechanik, die heute unser Leben ganz wesentlich bestimmt. Seither wissen wir, dass die Sonne tatsächlich ein Kernreaktor ist. Wenn aber die Sonnenmodelle der Astronomen richtig sind, müssen bei den Kernprozessen in der Sonne Teilchen entstehen, sogenannte Neutrinos, die bis zur Erde gelangen. Als man nach ihnen suchte, fand man viel weniger, als die Astronomen vorausgesagt hatten. Waren ihre Modelle falsch? Nein, wir lernten, dass wir die Physik der Neutrinos noch nicht verstanden hatten.

Ändern sich die Naturgesetze, die wir erst seit einigen Hundert Jahren kennen, im Lauf der Zeit, oder gelten sie für alle Ewigkeit? Wir beobachten weit entfernte Sterne, deren Licht seit Milliarden von Jahren unterwegs ist, und es sieht so aus, als ob die das Licht aussendenden Atome damals denselben Gesetzen gehorchten wie die Atome heute. Auch die Schwerkraft scheint selbst in großen Entfernungen den Gesetzen zu folgen, die Kepler und später Newton aus den Bewegungen der Planeten ablesen konnten und die dann von Einstein noch verbessert wurden. Warum aber gleiten die beiden ausgedienten Raumsonden Pioneer 10 und 11, die in den siebziger Jahren wunderbare Bilder von Jupiter und Saturn zur Erde funkten und nun außerhalb der Bahn des Pluto in den Raum hinausfliegen, langsamer durchs All, als es die Gesetze der Mechanik erwarten lassen?

Merkur ist der einzige Planet, dessen Bewegung von den Effekten der Relativitätstheorie merklich beeinflusst wird. Soweit wir es von der Erde aus beobachten können, stimmt seine Bahn bestens mit Einsteins Theorie überein. Jetzt aber wird von den Japanern und den Europäern eine Raumsonde vorbereitet, die Merkurs Bewegung aus der Nähe vermessen soll. Verhält sich Merkur wirklich so, wie es Einstein vorschreibt? Oder wird der Planet uns zeigen, dass die Relativitätstheorie nur die Näherung an eine viel genauere Theorie ist, die wir noch nicht kennen?

Wie auch immer: Was dort gilt, auf dem Merkur, muss auch auf Erden gelten. Es war vor genau 400 Jahren, als Kepler und Galilei das entdeckten. Dieses Jubiläum bewog die Unesco, 2009 zum Jahr der Astronomie auszurufen. Sie will daran erinnern, dass diese Wissenschaft keine »Götterlehre« ist, keine esoterische Sternenkunde, sondern ein Zweig der Physik, der schon immer dazu beitrug, zu erkennen, was die Welt – und den Himmel! – im Innersten zusammenhält.

Der Autor war von 1975 bis 1991 Direktor des Max-Planck-Instituts für Astrophysik in Garching und lebt in Göttingen