Heliocentrische theorie

Heliocentrisch zonnestelsel uit Andreas Cellarius' Harmonia Macrocosmica, 1708

De heliocentrische theorie of heliocentrisme stelt dat de zon het middelpunt van het universum is, waar alles om heen draait, of op z'n minst het middelpunt van het zonnestelsel, waar de planeten omheen draaien.

Algemeen

Volgens de theosofie bevatten de oudste geschriften, de veda's, Shatapatha Brahmana (rond de 9de-7de eeuw v.Chr.), Aitareya Brahmana (rond de 9de-7de eeuw v.Chr.) en de Vishnu Purana (rond de 1e eeuw v.Chr.) vroege elementen van een heliocentrisch model. De oude Griekse filosofen, zoals Pythagoras en zijn volgeling Philolaos van Croton, kwamen ook reeds op het idee dat de aarde niet het middelpunt was. Vaak bevatten hun theorieën echter wel eigenaardigheden, zoals het bestaan van een 'tegenaarde' en de 'haard van het heelal'. Aristarchus (320-250 v.Chr.) wordt dikwijls vermeld als grondlegger van het heliocentrisme. Hij had gesteund op de theorie van Heracleides (387-312 v.Chr.).

Het heliocentrisme is in het Westen op wiskundige basis gevestigd door het werk van Nicolaas Copernicus. De theorie van Copernicus was evenwel strijdig met de toenmalige stand van de wetenschap. Copernicus' boek, De Revolutionibus Orbium Coelestium (Over de omwentelingen der hemellichamen) werd in 1543 gepubliceerd toen hij op zijn sterfbed lag. Aanvankelijk veroorzaakte het geen grote opschudding, omdat de theorie werd opgevat als een wiskundige hypothese, en geen wetenschappelijk betoog. De belangrijkste objecties die men vanuit de stand der toenmalige wetenschap en waarnemingen kon maken waren:

• de afwezigheid van sterrenparallax, die men zou moeten waarnemen als de aarde om de zon draait.
• de afwezigheid van schijngestalten (fasen) van Venus en Mercurius, die volgens het copernicaanse model zichtbaar zouden moeten zijn.
• de gebrekkige theoretische onderbouwing van de "zwaartekracht". De enig voorhanden zijnde theorie van Aristoteles liet alle voorwerpen naar het midden van het universum vallen. Als de aarde zich niet in het midden bevond, waarheen vielen dan alle voorwerpen? Copernicus bleef een afdoend antwoord schuldig.
• het copernicaanse model was nog ingewikkelder dan het Ptolemeïsche (48 epicykels in plaats van 40), en leverde in ruil daarvoor vrijwel geen extra precisie op.

Owen Gingerich toonde aan dat De Revolutionibus door elke astronoom met grote aandacht gelezen was (kanttekeningen), maar teveel bezwaren opriep om gezien te worden als méér dan een wiskundige constructie. Het heliocentrische wereldbeeld is pas echt populair geworden door de ontwikkeling van wetenschap en waarneming, 70 jaar ná de dood van Copernicus: Johannes Kepler formuleerde in 1609 zijn bewegingswetten voor de planeten, waardoor de vele epicykels uit het model vervangen konden worden door ellipsen. Galileo Galilei nam in 1610 met een telescoop de fasen van Venus waar. Gravitatie werd in 1687 door Isaac Newton beschreven als een kracht tussen massa's. De parallax bleef nog steeds een probleem, bij gebrek aan nauwkeurige meetinstrumenten. Toen de belangrijkste wetenschappelijke bezwaren door Kepler en Galilei uit de weg geruimd waren, en Galilei publiekelijk een lans brak voor Copernicus, brak de controverse los, waarbij Copernicus' boek in 1616 op de Index geplaatst werd, in afwachting van correcties door de kerk (die beschikbaar kwamen in 1620).

Wetenschappelijke onderbouwing

Dat Copernicus met een nieuw wereldbeeld kwam wilde nog niet zeggen dat het algemeen aanvaard werd. De kerk had grote bezwaren en er was nog geen empirische onderbouwing van de door hem gelanceerde theorie.

Tycho Brahe, die een geocentrisch wereldbeeld aanhing, trachtte de theorie van Copernicus te falsificeren door waarnemingen te doen. Op basis van zijn gegevens, die zonder telescoop werden gedaan, kwam hij tot een nieuwe theorie: de maan en de zon draaiden in concentrische cirkels rond de aarde. De planeten op hun beurt draaiden om de zon. Dit wereldbeeld kan als overgang gezien worden van het geocentrisme naar het heliocentrisme. Brahe's assistent en opvolger Kepler gebruikte later zijn observaties van Mars als basis voor de formulering van zijn beroemde wetten van Kepler.

De uiteindelijke overwinning van het heliocentrisme werd behaald door de waarnemingen die Galileo Galilei in 1609 deed met de net uitgevonden telescoop en door de wetten van Kepler, die binnen een heliocentrisch wereldbeeld de planeetbanen op veel eenvoudiger manier beschreven dan tot dan toe mogelijk was geweest. Galilei moest zich in 1616 voor de Inquisitie verantwoorden. Omdat hij geen onomstotelijk zichtbaar bewijs kon leveren dat de aarde bewoog, werd hem verboden het heliocentrische model van Copernicus nog in het openbaar te verdedigen. Na de publicatie van zijn Dialogo, in 1632, waarin hij uiteindelijk toch het copernicaanse model verdedigde, werd hij opnieuw naar Rome ontboden. In juli 1633 werd hij voor zijn opvattingen door de Inquisitie tot levenslange gevangenisstraf veroordeeld, een vonnis dat een dag later in huisarrest werd omgezet.

Tegenwoordig zijn mensen die denken dat de aarde in het centrum van het universum staat zeldzaam, en het zijn nooit wetenschappers. Een van de bekendste filosofen van de moderne tijd, Friedrich Nietzsche (1844-1900), was echter fel gekant tegen de copernicaanse theorie: hij vond dat zij indruiste tegen de zintuiglijke waarneming . Zie hierover ook geocentrisme.

Buiten het zonnestelsel

Reeds in de 16e eeuw werd door Giordano Bruno het idee geopperd dat de zon een ster was, net zoals de vele andere. Om die sterren zouden weer planeten draaien, zoals om onze zon. Hij beschreef deze gedachte in zijn boek De l'Infinito, Universo e Mondi.

Later bleek dat de zon niet in het middelpunt van het heelal stond. Een belangrijke rol speelde hierin het werk van William Herschel uit 1802. Hij ontdekte dat de zon bewoog ten opzichte van sterren. Gedurende 20 jaar had hij 90.000 sterren bestudeerd, en hij kwam tot de conclusie dat de Melkweg een platte schijf van sterren was, en dat de zon niet meer dan één van die sterren was.

Nog later bleek ook het melkwegstelsel slechts één van de vele sterrenstelsels te zijn, en volgens de huidige ideeën is er geen deel van het heelal dat meer bijzonder zou zijn dan de andere zodat het als het 'middelpunt' zou kunnen gelden.

Copernicus versus Tycho Brahe

Men zou zich kunnen afvragen waarom de zeventiende-eeuwse geleerden, zoals Johannes Kepler en Galileo Galilei, de voorkeur gaven aan het heliocentrische model van Copernicus in plaats van het geocentrische model van Tycho Brahe.

Het model van Tycho Brahe is niet zo erg bekend. Dit model moet niet verward worden met het (eveneens geocentrische) model van Claudius Ptolemaeus. Tycho Brahe stelt dat de aarde in het midden staat, dat de maan en de zon om de aarde draaien, en de overige planeten om de zon.

Het is niet moeilijk in te zien dat de onderlinge bewegingen van de hemellichamen precies kloppen met het model van Tycho Brahe. Het bezwaar van de epicykels bestaat niet, de door Galilei ontdekte fasen van Venus kloppen precies, evenals het feit dat Venus en Mercurius altijd in de buurt van de zon staan. En het feit dat Jupiter manen heeft, hoeft ook geen bezwaar te zijn.

Maar Kepler en Galilei hielden vast aan het heliocentrische model. Kepler kreeg daardoor een conflict met Tycho Brahe, en de kerkelijke autoriteiten maakten Galilei het leven zuur. Toch hielden deze mensen voet bij stuk.

Tegenwoordig weten we dat de massa van de zon veel groter is dan die van de rest van het zonnestelsel, en dat op grond daarvan de zon wel in het midden moet staan. Bovendien zien we in de loop van het jaar dat de sterren een parallactische beweging uitvoeren, en het is wel erg onwaarschijnlijk dat de zon in haar jaarlijkse beweging om de aarde alle sterren meesleept. Maar in de zeventiende eeuw wist men dat allemaal nog niet.

Een meer technisch argument voor het heliocentrisme is te vinden in de Wetten van Kepler. De derde wet geeft een relatie tussen de omlooptijd T van een hemellichaam om de zon en de lengte van de halve lange as a. Deze is: T²/a³ = constant. Alleen de omlooptijd van de maan was op deze manier niet te bepalen.

Galilei ontdekte de manen van Jupiter. Hij stelde vast dat deze manen zich onderling wel houden aan de derde wet, maar met een andere constante dan de planeten. Kennelijk is de derde wet van Kepler wel geldig, maar heeft de constante niet altijd dezelfde waarde. Maar dan is de aardse maan niet zo dissident meer: voor de aardse maan geldt wéér een andere constante.

Waardoor wordt nu die constante bepaald? Laten we eens kijken naar de drie verschillende constanten:

Een constante van $\scriptstyle 9,83 \cdot 10^{-19}\ s^2 / m^3$ voor het stelsel

• Aarde-maan

Een constante van $\scriptstyle 2,95 \cdot 10^{-19}\ s^2 / m^3$ voor de stelsels

• Aarde-zon
• Zon-Mercurius
• Zon-Venus
• Zon-Mars
• Zon-Jupiter
• Zon-Saturnus

Een constante van $\scriptstyle 1,7 \cdot 10^{-13}\ s^2 / m^3$ voor de stelsels

• Jupiter-Io
• Jupiter-Europa
• Jupiter-Ganymedes
• Jupiter-Callisto

Wat kunnen we hieruit concluderen? Bekijken we de drie rijtjes, dan blijkt dat in ieder rijtje alle waarden een hemellichaam gemeenschappelijk hebben. In het tweede rijtje is dat de zon, en in het derde is het Jupiter. Kennelijk is er in ieder stelsel één hemellichaam dat dicteert hoe groot de constante is. In het geval van Jupiter is het bovendien duidelijk zichtbaar dat Jupiter groter is dan de vier manen, en dat Jupiter in het midden staat (dat wil zeggen dat Jupiter een gelijkmatiger beweging maakt tussen de sterren dan de vier manen). In het tweede rijtje dicteert de zon hoe groot de constante is, en wellicht kan daaruit geconcludeerd worden dat de zon verreweg het grootst is, en bovendien dat de zon in het midden staat.

Zie ook

• Geocentrisme