Kepler erkennt: Planeten umkreisen die Sonne auf elliptischen Bahnen
Der Umsturz des astronomischen Weltbildes begann 1543 mit Nicolaus Copernicus (1473 - 1543). Der Domherr aus Thorn an der Weichsel veröffentlichte in seinem Todesjahr die Theorie, dass nicht die Erde im Zentrum der Welt stehe, sondern die Sonne. Doch Copernicus konnte seine Idee nicht belegen. Ihm war nicht klar, wie genau Merkur, Venus, Erde, Mars und Co. um die Sonne laufen.
Dass die Planeten sich nicht auf Kreisen, sondern auf elliptischen Bahnen bewegen, erkannte erst Johannes Kepler, der fast dreißig Jahre später in Weil der Stadt, rund 30 km westlich von Stuttgart, auf die Welt kam. Erst damit war das moderne Weltbild mit der Sonne im Zentrum des Planetensystems vollendet.
Der Komet von 1577: Tychos Brahes Beobachtung
Johannes Kepler wuchs in eher bescheidenen Verhältnissen auf. Der Vater verdingte sich als Händler und Söldner. Die Mutter beschäftigte sich mit Kräutern und interessierte sich für die Abläufe am Firmament. Im Herbst 1577, Johannes war knapp sechs Jahre alt und die Familie inzwischen nach Leonberg umgezogen, ging sie mit ihrem Sohn vor die Tore der Stadt, um ein besonderes Himmelsschauspiel zu bestaunen.
Johannes Kepler war zu klein, um sich bewusst an das Ereignis zu erinnern. Aber ein Mann hatte den Kometen genau im Blick – und zwar von der damals besten Sternwarte der Welt aus, die sich auf der kleinen Insel Ven im Öresund befindet: der dänische Astronom Tycho Brahe (1546 - 1601). Dank Brahes Beobachtungsdaten gelangte Johannes Kepler Jahre später zur Erkenntnis über die elliptischen Umlaufbahnen der Planeten.
Studium in Tübingen, Lehre in Graz
Johannes Kepler tritt mit 18 ins theologische Stift der Universität Tübingen ein. Vor allem die Mathematik begeistern ihn. Einer seiner Lehrer ist Michael Mästlin (1550 - 1631). Er machte Johannes Kepler mit der Lehre des Nicolaus Copernicus bekannt. Kepler begeistert sich für das heliozentrische Weltbild:
"Ich ward von Copernicus, den mein Lehrer sehr oft in seinen Vorlesungen erwähnte, so sehr entzückt, dass ich häufig seine Ansichten in den physikalischen Disputationen mit den Studenten verteidigte."
Nach dem Studium geht Kepler 1594 nach Graz, wo er u. a. Mathematik unterrichtet. Doch sein Hauptinteresse gilt dem Aufbau der Welt. Er will Beweise finden für die heliozentrische Idee – also die Stellung der Sonne in der Mitte der Welt. Anfangs prägen ihn, wie Copernicus, idealistische Vorstellungen: Johannes Kepler ist überzeugt, dass die Himmelskörper auf kreisförmigen Bahnen laufen und sich immer völlig gleichmäßig bewegen – göttlich vollkommen eben.
1596: "Mysterium Cosmographicum" – "Weltgeheiminis" gelüftet?
In Graz veröffentlicht Kepler sein Buch "Mysterium Cosmographicum".
"Er hat gesagt, es gibt sechs Planeten, hatte also schon rein heliozentrisch gedacht. Es gibt sechs Planeten und wenn man die Bahnen betrachtet, dann passt immer genau einer von den fünf platonischen Körpern dazwischen.“
„Auf den Saturn kommt der Würfel, auf den Jupiter die Pyramide, auf den Mars das Dodekaeder, auf die Venus das Ikosaeder und auf den Merkur das Oktaeder. Ich schreckte vor keiner Berechnung zurück, wie schwierig sie auch sein mochte. Dann sah ich, wie ein Körper nach dem anderen genau zwischen die angemessenen Bahnen passte.“
Johannes Kepler und Tycho Brahe forschen ab 1600 gemeinsam in Prag
Keplers vermeintlich gelüftetes Weltgeheimnis sorgt europaweit für Aufsehen und begründet seinen Ruf als brillanter Mathematiker. Auch Tycho Brahe hört davon – und fordert Johannes Kepler auf, zu ihm nach Prag zu kommen. Brahe hatte seine Pflichten als Lehnsherr vernachlässigt, woraufhin ihm der neue dänische König die Insel Ven entzog und Brahe nach Prag ging.
Johannes Kepler, damals noch keine 30 Jahre alt, trifft am 4. Februar 1600 Tycho Brahe – den Topstar unter Europas Astronomen. 21 Jahre lang hatte Brahe in Dänemark den Kosmos vermessen. Er sitzt auf einem Schatz aus einzigartigen Beobachtungsdaten. Kepler musste schnell einsehen, dass sein Ansatz mit den Platonischen Körpern doch nicht genau auf das Weltall zutrifft.
Das Verhältnis der beiden Astronomen ist schwierig, da Brahe in Kepler eher einen Assistenten sieht. Aber beide brauchen einander:
- Tycho Brahe ist ein exzellenter Beobachter und Instrumentenbauer, allerdings mathematisch nicht so bewandert
- Johannes Kepler ist zwar ein brillanter Rechner, kann jedoch wegen schlechter Augen in Folge einer Pockenerkrankung als Kind kaum bedeutende Beobachtungen anstellen.
Der eine hat die Daten, der andere das Können.
"Wenn Gott mich am Leben erhält, werde ich eines Tages einen wunderbaren Bau des Universums errichten. Mit seinen Planetenbeobachtungen besitzt Brahe das Material dazu, aber er selbst sieht nicht, dass die Wahrheit darin tief verborgen liegt.“
Johannes Kepler findet 1609 die Lösung: keine Kreisbahn, sondern eine Ellipse
Schon 1601 stirbt Tycho Brahe – und Johannes Kepler erhält alle Beobachtungsdaten des Dänen. 1609 hat er endlich die Lösung und veröffentlicht in der „Astronomia Nova“ seine Ergebnisse. Dass Planeten auf elliptischen Bahnen um die Sonne laufen, heißt heute 1. Keplersches Gesetz.
"Ich gebe eine Himmelsphysik anstelle der Himmelstheologie des Aristoteles. Die Schlussfolgerung ist ganz einfach. Die Bahn des Planeten ist kein Kreis. Sie ist eine Ellipse."
Die Planeten bewegen sich also nicht in göttlicher Vollkommenheit stets gleich schnell auf ihrer Bahn, sondern mal schneller und mal langsamer – je nach Abstand zur Sonne. Dieser Zusammenhang heißt heute 2. Keplersches Gesetz. Das Tempo unserer Erde schwankt zwischen 29 und 30 Kilometern pro Sekunde – je nachdem, wie nah oder fern wir der Sonne sind.
Das Prager Glück währt nicht lange. Kurz nach der Veröffentlichung der „Astronomia Nova“ stirbt Keplers Ehefrau Barbara, bald darauf Kaiser Rudolf II. Der Astronom zieht wieder um und begibt sich 1612 nach Linz, um als Landschaftsmathematiker zu arbeiten. 1613 heiratet er erneut.
Das Planetensystem lässt ihn nicht los. Zwar weiß er nun, wie Erde, Mars und Co. über ihre Bahnen laufen – aber Kepler will endlich die Abstände der Planeten verstehen. 1618 hat er die Lösung: In seinem Werk „Harmonices Mundi“, Weltharmonik, veröffentlicht er die Rechenregel, um die Entfernungen der Planeten zu ermitteln – heute als 3. Keplersches Gesetz bekannt,
Und so wusste Johannes Kepler nun, dass der Mars knapp doppelt so weit von der Sonne entfernt ist wie die Erde – Jupiter etwa fünfmal. Diese Entdeckung gelang ihm nur Tage vor dem Prager Fenstersturz und dem Ausbruch des Dreißigjährigen Krieges. Kepler selbst war als Protestant etliche Male in die Wirren der Gegenreformation geraten, hatte mehrfach umziehen und zudem sich über Jahre mit einem Hexenprozess gegen seine Mutter beschäftigen müssen. Welch eine Genugtuung für ihn, nun sein großes Ziel erreicht zu haben.
Anfang der modernen Physik
Johannes Kepler war noch kein rationaler Astronom. Seiner Überzeugung nach lagen dem Abstand der Planeten musikalische Harmonien zugrunde. Tatsächlich hatte er nun die Weltharmonien gefunden – aber letztlich die Bedeutung seines Dritten Gesetzes nicht erfasst. Es taucht in seinem Werk erst als achter von dreizehn astronomischen Hauptsätzen auf – dabei markiert es den Anfang der modernen Physik
Am 15. November 1630 stirbt Johannes Kepler im Alter von 58 Jahren in Regensburg.
SWR 2021
