Die Grenzen des Himmels: Johannes Kepler und Isaac Newton

[Dieser Artikel entstammt der Recherche zu meinem Newton-Buch, haben dann aber aus verschiedensten Gründen keinen Platz mehr im fertigen Werk gefunden]

April 2015, Wien

„The sky is not the limit. Since 1365“. Als ich im Frühjahr 2015 nach langer Zeit wieder die Universitätssternwarte in Wien betrete, begrüßt mich dort ein großes Plakat, mit dem die Uni ihren 650. Geburtstag feiert: Der Himmel ist nicht die Grenze und das seit dem Jahr 1365, als sie gegründet wurde. Klingt gut und angemessen pathetisch und beeindruckend. Aber ich traue dem Plakat trotzdem nicht so ganz.

Denn als der Habsburger Herzog Rudolf IV am 12. März 1365 die Gründungsurkunde der Universität unterzeichnete, war man noch weit davon entfernt, den Himmel zu verstehen. Europa befand sich im Mittelalter, immer noch führten Kreuzfahrer ihre heiligen Kriege und die Kirche legte fest, wie die Welt beschaffen sein musste. Die Gelehrten hielten die Erde für das Zentrum des Universums, stellten sich die Planeten auf kristallenen Sphären montiert vor, die sich durch einen Äther-gefüllten Raum drehen. Das Universum des 14. Jahrhunderts war klein und auf die Erde zentriert. Egal was wir mir das Plakat einreden möchte: Der Himmel WAR damals das Limit und niemand hatte auch nur ansatzweise eine konkrete Ahnung, was dahinter vor sich ging!

Wie denn auch! Wer damals Zahlen aufschrieb, verwendete oft immer noch die absurden römischen Ziffern, die sich zwar wunderbar als Inschriften auf Statuten und Gebäuden machen aber völlig unbrauchbar für ernsthafte Mathematik waren. Die heute gebräuchlichen arabischen Ziffern und vor allem die so wichtige Zahl Null waren im 14. Jahrhundert gerade erst dabei, sich langsam durchzusetzen. Der Genueser Giovanni da Carignano veröffentlichte die erste Karte, auf der Skandinavien als Halbinsel abgebildet war. Die Entdeckung von Nord- und Südamerika lag noch ein Jahrhundert in der Zukunft. Heinrich von Langenstein, einer der ersten Professoren an der Universität Wien untersuchte ernsthaft die Frage, ob sich ein toter Hund in einen lebendigen Fuchs verwandeln kann. Nein, die Welt damals war weit davon entfernt, das Universum zu verstehen und immer noch in den irdischen Grenzen gefangen.

Der Forscher, dessen Gedanken wie die keines anderen dafür verantwortlich sind, dass wir es irgendwann doch noch geschafft haben, die Grenze des Himmels – buchstäblich – zu durchbrechen, war 1365 noch lange nicht geboren. Erst 278 Jahre nach der Gründung der Universität Wien kam im kleinen englischen Dorf Woolsthorpe-by-Colsterworth in Lincolnshire Isaac Newton auf die Welt. Als er 84 Jahre später starb, hatte er mit seinen Erkenntnissen über den Kosmos die Welt verändert. Dank Isaac Newton wissen wir, dass draußen im Universum die gleichen Gesetze herrschen wie auf der Erde. Ob ein Apfel von einem Baum fällt, eine Kanone eine Kugel abfeuert oder sich Himmelskörper im fernen All umeinander bewegen: alle gehorchen den selben Regeln. Und mehr noch: Newton zeigte uns die Methoden, mit der sich diese Gesetze verstehen lassen und heute benutzen wir sie tatsächlich, um die Grenzen des Himmels zu durchbrechen. Wenn Raketen in den Weltraum fliegen, wenn Raumsonden fremde Planeten erforschen und Weltraumteleskope tiefer in das Universum blicken als je zuvor, dann verdanken wir das dem, was Newton vor fast 400 Jahren getan hat.

Das Plakat hängt direkt am Ende der großen Prachttreppe, die in den ersten Stock der Sternwarte führt. Dort beginnt der Gang, der in den Rundsaal mit dem Aufgang zum Teleskop führt. Dieses wirklich große und imposante Instrument habe ich zwar oft genug gesehen. Aber ehrlich gesagt war ich immer nur dort, um bei Freunde und Gäste mit diesem großen Gerät Eindruck zu schinden. Gearbeitet habe ich dort nie (Echte wissenschaftliche Arbeit ist mit dem Teleskop auch nicht mehr möglich. Die Sternwarte liegt heute mitten in der Stadt wo der Himmel dafür durch die künstlichen Lichter viel zu hell ist). Ich war immer mehr von der mathematisch-theoretischen Seite der Astronomie fasziniert und mein Arbeitsplatz befand sich in den Räumen der Himmelsmechanik-Gruppe (Gleich vor dem Eingang zum Rundsaal rechts; die Räumlichkeiten sind allerdings bei weitem nicht so beeindruckend wie das Teleskop. Dafür steht dort ein bequemes Sofa und einen eigenen Kühlschrank gibt es auch!). Dort habe ich mich während meiner Zeit als Astronom an der Universitätssternwarte intensiv mit dem beschäftigt, was Newton im 17. Jahrhundert entdeckt hat. Ich habe berechnet, wie sich Asteroiden durch das Weltall bewegen und probiert herauszufinden, ob sie mit der Erde kollidieren werden. Ich habe studiert, wie sich fremde Planeten um ferne Sterne bewegen und versucht zu verstehen, ob es dort auch Himmelskörper geben kann, die unserer Erde ähnlich sind. Ich wollte die Vergangenheit unseres Planeten erforschen und seine Zukunft. Und all das wäre ohne die Erkenntnisse von Isaac Newton nicht möglich gewesen.

Die Sternwarte in Wien hat sich kaum verändert, seit ich sie vor mehr als 10 Jahren verlassen habe. Nur die Mitarbeiter haben gewechselt und von meiner alten Arbeitsgruppe ist mittlerweile kaum noch jemand dort. Das Büro, in dem ich früher jeden Tag gearbeitet habe, ist bei meinem heutigen Besuch leer aber das alte Gebäude ist immer noch so prachtvoll wie es während seiner langen Geschichte war. Und da ich heute ja auf historischer Spurensuche unterwegs bin, möchte ich mir diese Geschichte nun ein wenig genauer ansehen.

Ich treffe mich daher mit Thomas Posch. Thomas hat einen Doktortitel in Philosophie, einen in Astronomie und ist Experte für Astronomiegeschichte. Außerdem ist er so nett, mir das kleine Museum der Sternwarte und dessen außergewöhnliche Sammlung alter Bücher zu zeigen. Dort finden sich viele wertvolle historische Geräte und Texte. Wen man dort aber nicht findet, ist Isaac Newton.

Der Engländer hat zwar wie kein anderer die komplette Welt geprägt und verändert, selbst seine Heimat aber nie verlassen. Er hat sich kaum 200 Kilometer von seinem Geburtsort in Lincolnshire entfernt und war daher auch nie in Wien zu Besuch. Aber dafür einer seiner Zeitgenossen und wissenschaftlichen Vorgänger, dessen großes Werk Thomas gerade vorsichtig aus dem Tresor des Museums holt. Es ist zwar „nur“ ein Buch, aber als Astronom kann man kaum anders, als ein klein wenig ehrfürchtig auf die Originalausgabe von Johannes Keplers „Astronomia Nova“ aus dem Jahr 1609 blicken.

Den Titel trägt das Werk zu Recht. Kepler hat mit seiner Arbeit tatsächlich eine völlig „neue Astronomie“ geschaffen. Seine mathematische Beharrlichkeit hat der Welt gezeigt, dass sich die Planeten tatsächlich um die Sonne herum bewegen anstatt um die Erde. Natürlich war Kepler nicht der Erste, der dieser Meinung war. Schon im antiken Griechenland beobachteten einige Gelehrte richtig, dass die Sonne viel größer als die Erde sein musste und schlossen daraus, dass sie das Zentrum darstellte. Religiöse und philosophische Dogmen verhinderten aber, das sich diese Idee dauerhaft durchsetzen konnte.

Thomas hat mittlerweile ein weiteres Buch aus dem Tresor geholt. Auch dieses Werk ist eine Originalausgabe und noch ein bisschen älter als das von Kepler. Es handelt sich um „De revolutionibus orbium coelestium“, das 1543 erschien und von Nikolaus Kopernikus geschrieben wurde. Dieses Werk brachte die Idee der Sonne als Zentrum des Universums wieder zurück in die Gedankenwelt der Gelehrten. Kopernikus‘ Weltbild, in dem sich die Erde als ein Planet von vielen um die Sonne bewegt, war eleganter und einfacher als das von der Kirche favorisierte erdzentrierte Universum. Aber leider war es nicht besser – die Bewegung der Himmelskörper ließ damit zwar auch berechnen, die Übereinstimmung mit den Beobachtungen war aber nicht genauer als beim alten Modell. Kopernikus‘ Gedanken waren zwar einerseits revolutionär, andererseits aber auch konservativ. Er ging ganz selbstverständlich davon aus, dass sich die Planeten auf kreisförmigen Bahnen um die Sonne bewegen müssen. Und zwar aus rein philosophischen Gründen – der Kreis wurde damals als die perfekte Form angesehen und da der Himmel immer noch als eine „überirdische“ und „bessere“ Region angesehen wurde, sollte dort auch die beste aller Formen dominieren.

Erst Johannes Kepler war in der Lage, sich von diesem Dogma zu lösen. Seine jahrelange mathematische Auswertung unzähliger Beobachtungsdaten führte ihn zu der Erkenntnis, dass die Planeten keine Kreise um die Sonne beschreiben, sondern sie auf Ellipsenbahnen umlaufen. Erst mit diesem Modell war das heliozentrische Weltbild den alten Vorstellungen überlegen und lieferte deutlich bessere Vorhersagen. Kepler war außerdem als erster in der Lage, genaue Regeln für die Bewegung der Himmelskörper anzugeben. Je näher ein Planet auf seiner Bahn der Sonne kommt, desto schneller wird er. Und je größer die Bahn insgesamt ist, desto länger dauert ein kompletter Umlauf. Damit stand Kepler ganz kurz davor, ein fundamentale Naturgesetz zu finden.

Thomas und ich blättern vorsichtig durch die Astronomia Nova und versuchen, in dem lateinischen Text die Stelle ausfindig zu machen, in der Kepler darüber nachdenkt, welche Kräfte die Bewegung der Planeten um die Sonne steuern. Mein Latein ist schlecht. Genauer gesagt ist es nicht existent, denn ich habe diese Sprache nie gelernt. Nur ab und zu entdecke ich in dem alten Buch ein paar Wörter, die ich dank meiner Italienisch- und Französischkenntnisse ein wenig entschlüsseln kann. Zum Glück beherrscht Thomas die alte Sprache gut und wir haben bald einen Absatz gefunden, in dem Kepler feststellt, dass die Kraft die die Planeten bewegt, aus jenem Punkt stammen muss „den wir als Weltmittelpunkt angenommen haben“; also irgendwie aus der Sonne kommen muss. Der Text ist verwirrend und voll mit Zeug, das aus heutiger Sicht kaum anders als unwissenschaftlicher Unsinn betrachtet werden kann. Da taucht zum Beispiel die „Quelle des Lebens“ auf oder eine „seelische Kraft“, die in den Planeten steckt. Trotzdem: Kepler bemüht sich, die Sache möglichst rational zu betrachten und schreibt in Kapitel 36. seines Buchs: „Nun aber scheint die von der Sonne ausströmende Kraft im quadratischen oder kubischen Verhältnis der Abstände zu- und abnehmen zu müssen.“

So knapp! Ein klein wenig hätte Kepler noch nachdenken müssen. Ein bisschen noch forschen; die Daten noch ein bisschen genauer auswerten und dann hätte er den Durchbruch geschafft, für den dann doch erst wieder Newton nötig war!

Kepler hatte entdeckt, dass es möglich ist, die Bewegung der Himmelskörper durch konkrete Gesetze zu beschreiben, machte für diese Bewegung eine Kraft verantwortlich, die mit der Sonne zu tun hat und stellt auch richtigerweise fest, dass die Stärke dieser Kraft mit dem Abstand zur Sonne zusammenhängt. Aber erst Newton war in der Lage, zu zeigen, wie fundamental diese Kraft tatsächlich ist. Für Kepler war die Ursache für die Bewegung der Planeten eine Art „magnetischer“ Strahlung die von der Sonne ausgeht und die Planeten mit sich durch den Kosmos reißt. Newton dagegen zeigte, dass die Kraft nicht speziell mit der Sonne zu tun hat, sondern immer und überall gilt und die Bewegung aller Objekte beeinflusst. Es gibt keine besonderen Gesetze für den Himmel; dort gelten die gleichen Regeln wie auf der Erde und es gibt auch keine besondere „himmlische“ Kraft, sondern nur die fundamentale Gravitation, die für fallende Äpfel genau so zuständig ist wie für Planeten im Weltall. Eine einzige mathematische Gleichung, eine einzige physikalische Theorie reicht aus, um alles zu beschreiben, was sich bewegt und Newton hat sie gefunden (Aber wer weiß: Vielleicht war es auch ganz gut so. Newton hat wenigstens eine klar definierte Nationalität. Kepler wurde im Herzogtum Württemberg geboren, lebte und lehrte in Graz, Linz und Prag und starb in Regensburg. Wäre er so berühmt geworden wie Newton, würden sich heute wahrscheinlich Deutschland, Österreich und Tschechien darüber streiten, wer sich mit seiner Prominenz schmücken darf).

Selbst wenn das die einzige Leistung des englischen Forschers gewesen wäre, hätte es gereicht, ihn zu einem der großen Genies der Menschheitsgeschichte zu erklären. Aber selbst wenn Kepler ihm die Sache mit der Gravitation doch noch weggeschnappt hätte: Newton hat so viel mehr gemacht, als eine mathematische Gesetzmäßigkeit für das Wirken der Gravitation zu entdecken. Der ganze Rest hätte immer noch gerecht, ihm zu einem der größten Forscher aller Zeiten zu machen. So wie nur ganz wenige Menschen vor oder nach ihm, hat er mit seiner Arbeit die komplette Welt verändert. Wir stehen heute immer noch auf den Grundlagen, die er damals gelegt hat.

Vor 400 Jahren konnte Newton zeigen, dass wir Menschen in der Lage sind, das Universum auf eine fundamentale Art und Weise zu verstehen. Ich habe es mittlerweile zu meinem Beruf gemacht, diese fundamentale Bedeutung der Wissenschaft zu vermitteln. Ein Beruf, der zuhause in Jena schon auf mich wartet. Mein nostalgischer Kurzbesuch in Wien ist leider schon wieder zu Ende – aber er hat sich gelohnt. Die Betrachtung der alten Bücher hat mir wieder einmal gezeigt, welchen langen Weg wir schon zurück gelegt haben, bei unserem Versuch, die Welt zu verstehen. Genau so wie das Jubel-Plakat der Universität Wien. 650 Jahre lang probieren wir nun schon, das Universum zu durchblicken und wir sind schon weit gekommen.

Der Himmel ist schon lange nicht mehr die Grenze, die er damals noch war. Grenzen gibt es aber noch. Während ich im Museum war, hat jemand den Text des Plakats mit einem selbstgedrucktem Zusatz versehen. Nun steht dort zu lesen „The sky is not the limit. Since 1365. Funding is the limit. Always.“