Heliocentrische theorie

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
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[bewerken]

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' (antichthon) 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 bezwaren 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.
    • Die parallax is er wel, maar was te gering om in die tijd waar te nemen.
  • De afwezigheid van schijngestalten (fasen) van Venus en Mercurius, die volgens het copernicaanse model zichtbaar zouden moeten zijn.
    •  De schijngestalten zijn met een telescoop goed zichtbaar. Overigens zijn ze geen bewijs voor het stelsel van Copernicus, ook het geocentrische stelsel van Tycho Brahe voorspelt de schijngestalten.
  • 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.[1]
    • Johannes Kepler verving de cirkelvormige banen door elliptische, waarmee de epicykels vervielen.

Owen Gingerich toonde aan dat De Revolutionibus door elke astronoom met grote aandacht gelezen was (kanttekeningen), maar te veel 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[bewerken]

Men kan zich bij een beweging altijd afvragen wat er nu werkelijk beweegt. Als twee objecten A en B om elkaar heen draaien, wat gebeurt er dan werkelijk? Draait A om B, draait B om A, draaien A en B om elkaar heen, of staan ze beide stil en draait de rest van het universum om hen heen? Zo zou een lopend iemand kunnen beweren dat hij zelf op zijn plek blijft, terwijl de aarde onder hem door beweegt. Deze bewering is te ontkrachten door te bekijken hoe draaiende objecten zich gedragen. Neem als voorbeeld een klomp deeg in een lege ruimte. Stel nu dat er geen ruimte zou bestaan, dan kan de deeg enkel bewegen ten opzichte van zichzelf (oftewel vervormen), want er is verder niks. Een draaiende beweging kan dan geen vervorming veroorzaken, want de beweging ten opzichte van zichzelf is 0. We weten echter dat alle draaiende objecten een kracht ondervinden die hen probeert af te platten, ongeacht de omgeving. Een snel genoeg draaiende deegklomp wordt een pizza. Ook de aarde ondervindt een dergelijke kracht. Zo is de aarde afgeplat aan de polen en is de zwaartekracht bij de polen sterker dan bij de evenaar. En in de oceaan zijn er stromingen die mede worden veroorzaakt door de draaiïng van de aarde (het Corioliseffect). Deze verschijnselen zijn enkel te verklaren door uit te gaan van een aarde die om zichzelf in een ruimte draait, in tegenstelling tot het idee dat alles om de aarde draait.

Het wereldbeeld van Copernicus gaat uit van de posities van de zon en de planeten ten opzichte van elkaar en niet zozeer van de draaiïng van de aarde zelf. Toen was nog geen empirische onderbouwing van de door hem gelanceerde theorie. Ironisch genoeg was er ook geen empirische onderbouwing voor het geocentrisme. Eigenlijk zijn zowel het Coperincaanse als het Ptolemeïsche, geocentrische model enkel wiskundige beschrijvingen en geen theorieën. Ze verklaren beide de posities van de planeten, maar bieden geen antwoord op de vraag waarom de bewegingen zo zijn.

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 opkomst van het heliocentrisme kwam pas echt op dreef door de waarnemingen die Galileo Galilei in 1609 deed met de net uitgevonden telescoop en door de Wetten van Kepler.

  • de wetten van Kepler beschreven de posities van de planeten aan de hemel op veel eenvoudigere en nauwkeurigere manier dan de modellen van Ptolemaeus en Copernicus. Kepplers wetten beschrijven de elliptische planeetbanen om de zon.
  • Galilei nam de schijngestalten van Mercurius en Venus waar met zijn telescoop. Dit zou betekenen dat ze gedurende hun beweging voor, naast en achter de zon bevinden, vanuit de aarde gezien.
  • Galilei zag ook dat er manen om Jupiter heen draaien. Kennelijk konden hemellichamen ook om elkaar draaien in plaats van enkel om de aarde.

Deze drie waarnemingen maakte een heliocentrisch idee veel aannemelijker dan een geocentrisch idee, althans voor de objecten die in de buurt van de zon bewegen. Het heliocentrische idee is consistenter, terwijl het geocentrische idee de aarde een heel afwijkende positie geeft.

Het enige wat toen nog ontbrak is een antwoord op de vraag waarom objecten om elkaar lijken te draaien. Deze vraag beantwoordde Isaac Newton met zijn gravitatiewet. Newton kwam tot de conclusie dat hemellichamen elkaar aantrokken. De grootte van de kracht hangt af van de massa van beide hemellichamen en hun onderlinge afstand. Bij constante banen is de kracht precies groot genoeg om de baan stabiel te houden. Bij een te kleine kracht zouden de hemellichamen uiteindelijk uit elkaar drijven. Bij een te grote kracht zouden ze op den duur tegen elkaar botsen.

Buiten het zonnestelsel[bewerken]

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[bewerken]

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.

Moderne opvattingen[bewerken]

Vooropgesteld kan worden dat het niet gaat om wat waar of onwaar is in absolute zin, maar om de vraag wat de eenvoudigste beschrijving oplevert.

Om te beginnen is het zinvoller te spreken van massamiddelpunt dan van het vagere "middelpunt". Het massamiddelpunt van het zonnestelsel ligt wel in de Zon, maar niet in het middelpunt van de Zon. Dit massamiddelpunt beschrijft op haar beurt een baan in het melkwegstelsel, en het melkwegstelsel beschrijft eventueel op zijn beurt ook een baan door het heelal.

Referenties[bewerken]

  1. Henry, John (2001). Moving heaven and earth: Copernicus and the solar system. Cambridge: Icon. p. 87. ISBN 978-1-84046-251-7.

Zie ook[bewerken]