even geduld...

29 juni 2020

De geleidelijke vorming van ons wereldbeeld

Vroege theorieën over het universum

In de duizenden jaren dat de mensen al naar de sterren kijken is het concept over hoe ons universum er uit ziet meerdere malen veranderd. De eerste overtuigingen waren die van een platte aarde: het idee dat de aarde een vlakte was en omgeven door de zon, maan en sterren. Door de hemellichamen te gaan bestuderen zagen vroege sterrenkijkers echter vreemde bewegingen tussen sommige sterren en groeide het besef dat bepaalde ‘sterren’ rond de aarde draaiden. Deze werden planeten genoemd. Aan de andere kant leidde de observatie van bijvoorbeeld maan- en zonsverduisteringen ertoe dat het concept van een bolvormige aarde meer en meer vorm kreeg.

In de 6e eeuw v.Chr. stelde Anaximander voor dat de aarde een deel van een cilinder was die omhoog gehouden wordt in het centrum van het universum. Onzichtbare wielen draaiden om de aarde. In die wielen zaten gaten, waardoor je het verborgen vuur kon zien en die gaten waren de zon, maan en sterren.

Vanuit dit idee groeide er mettertijd een consensus dat de aarde het middelpunt van de universum was en dat alle hemellichamen rond de aarde draaiden. Dit werd dan ook door de eerste wetenschappers als grondbeginsel genomen. De eersten die algemeen accepteerden dat de aarde bolvormig is, waren de Grieken.

De oude Grieken waren zich al bewust van het feit dat als de aarde beweegt, de sterren gedurende het jaar ten opzichte van de achtergrond moeten bewegen (het principe van parallax). Sterrenbeelden zouden dan moeten veranderen, bijvoorbeeld. Dit observeerden zij niet, dus concludeerden zij dat de aarde stil staat. Pas met de uitvinding van de telescoop duizenden jaren later, bleek dat de sterren wel degelijk parallax vertonen.

In de volgende twee eeuwen evolueerde er bij de aanhangers van Pythagoras een verder begrip.

Maar pas door het werk van Aristoteles uit de 4e eeuw v.Chr. dat hierop gebaseerd was, heeft grote invloed gehad op het natuurwetenschappelijk denken tot in de middeleeuwen.

Hij ging ervan uit dat de aarde in het centrum stond van het universum en dat de planeten, sterren en andere hemellichamen op 56 concentrische bollen vast zaten en om de aarde heen draaiden. De maan zat vast in de bol die het dichtst bij de aarde stond en de sterren zaten op de buitenste schil.

Geocentrisch wereldbeeld

Ptolemaeus

In de 2e eeuw n.Chr. zette Claudius Ptolemaeus in de Almagest op papier wat het definitieve geocentrische model zou worden in de daaropvolgende eeuwen. In het ptolemaeïsche systeem draaien de maan, de planeten en de sterren in cirkels rond de aarde. Hier komen de schillen of bollen van Aristoteles weer terug.

Als je uitgaat van cirkels of bollen als banen voor de hemellichamen, klopt het model niet met astronomische waarnemingen. Planeten maken bijvoorbeeld gedurende hun reis aan de hemel gezien vanaf de aarde een retrograde beweging: zij gaan eerst vooruit, dan weer een stukje terug en dan weer vooruit. Dit valt met enkel cirkelbanen niet te verklaren.

Om zijn model beter te laten overeenkomen met de werkelijkheid, introduceerde Ptolemaeus epicykels, hulpcirkels. Hierdoor was het systeem alsnog vrij ingewikkeld, maar er konden wel accurate astronomische voorspellingen mee gedaan worden.

Hiernaast zie je een demonstratie van hoe een ellips gevormd kan worden met twee eenparig bewegende cirkels. Het midden van de eerste cirkel (blauw) valt echter niet samen met het brandpunt van de ellips (geel) en de snelheid wijkt ook af.

Ptolemaeus zelf propageerde ook dat zijn model vooral gebruikt moest worden om berekeningen mee te doen en nam het niet aan als waarheid voor hoe het universum er in werkelijkheid uitzag. Het boek de Almagest werd tijdens de Middeleeuwen in Europa gezien als de culminatie van alle wijsheid die de Grieken hadden opgedaan in de oudheid en werd daarmee als bijna heilig gezien.

Heliocentrisch wereldbeeld

Copernicus

Het geocentrische wereldbeeld van Ptolemaeus hield stand totdat Nicolaas Copernicus zijn heliocentrische heelal presenteerde in 1543. In het model van Copernicus liepen de planeten en manen ook in cirkelbanen, dus hij had ook epicykels nodig om de theorie kloppend te maken.

Afgezien van de religieuze en wetenschappelijke bezwaren die tegen Copernicus werden ingebracht is het dus ook zo dat zijn model eigenlijk niet veel handiger was dan het geocentrische wereldbeeld. Er moesten nog steeds ingewikkelde berekeningen worden uitgevoerd om de bewegingen van hemellichamen te voorspellen.

In die tijd was dat eigenlijk de enige reden voor het bestaan van de sterrenkunde. Het Copernicaanse model was volgens velen geen echte verbetering en Copernicus’ werk ondervond aanvankelijk welwillende onverschilligheid.

Kepler

In 1609 stelde Johannes Kepler het Copernicaanse model bij door ellipsbanen in te voeren, waardoor er een simpel model ontstond dat ook overeenkwam met de werkelijkheid en dat relatief makkelijke berekeningen mogelijk maakte. Hoewel het eigenlijk Kepler was die het heliocentrische model toepasbaar maakte, spreekt men van ‘Copernicaans model’.

De perkenwet:
Als een planeet in dezelfde tijd van A naar B gaat, als van C naar D, zijn de gearceerde oppervlakken even groot

Galileo

Eveneens in 1609 werd de telescoop uitgevonden, mede door Galileo Galilei. Via de telescoop werden ontdekkingen gedaan die tegen het geocentrische wereldbeeld in gingen. Via de telescoop kon men de schijngestalten van Venus zien, waarmee duidelijk werd dat Venus zich afwisselend voor, naast en achter de zon bevindt. Tevens werden er manen ontdekt die rondom Jupiter draaien.

Kennelijk bestonden er ook hemellichamen die niet om de aarde draaien. Ten slotte werd – meer dan 200 jaar na de ontdekking van de telescoop – ontdekt dat sterren toch een parallax vertonen, wat aantoont dat de aarde om de zon draait.

Newton

Maar het was uiteindelijk Isaac Newton die een sluitende wetenschappelijke verklaring vond voor het heliocentrische wereldbeeld met het concept van zwaartekracht: alle sterren en planeten trekken elkaar aan.

Overigens is het beter om te zeggen dat de aarde en de zon om een gemeenschappelijk middelpunt draaien. De aarde trekt namelijk ook aan de zon, maar omdat de zon veel zwaarder is dan de aarde, ligt dit gemeenschappelijke zwaartepunt diep in de zon, op slechts 600 km afstand van het middelpunt van de zon.

Einstein

De gravitatiewet van Newton blijkt niet helemaal te kloppen. De algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein kan planeetbanen nauwkeuriger voorspellen. Deze theorie stelt dat alle fysische processen in een willekeurig referentiestelsel worden verklaard door ruimte en tijd niet te zien als onafhankelijke grootheden, maar door ze met elkaar te verbinden.

Beter kan men spreken over ruimtetijd, een inertiaalstelsel waarin ruimte en tijd verweven zijn, en veranderen onder invloed van aanwezige materie of energie. Dit betekent ook dat er niet zoiets bestaat als een middelpunt, maar dat elke waarnemer zijn inertiaalstelsel van tijd en ruimte heeft. Iedere waarnemer mag zichzelf het middelpunt van alles noemen.

Er wordt hierop verder gebouwd in de kwantummechanica en -fysica, die het gedrag van materie en energie met interacties op atomaire en subatomaire schaal beschrijft. Er wordt ook gezocht naar een unificatietheorie die alle vakgebieden via een wiskundige formule zou kunnen verbinden.

Moderne opvattingen

In de 19e eeuw en 20e eeuw is duidelijk geworden dat ook de zon niet het middelpunt is van het heelal en dat ons zonnestelsel onderdeel is van een melkwegstelsel. Het zonnestelsel draait in een baan rond het middelpunt van de melkweg, die weer beweegt ten opzichte van andere melkwegstelsels. Wetenschappelijk gezien heeft zowel de aarde als de zon geen uitzonderingspositie ten opzichte van de rest van het heelal.

21ste eeuw: Visuele voorstelling van de beweging en plaats van ons zonnestelsel in het melkwegstelsel


BONUS

In dit filmpje van een populair YouTube-kanaal wordt mooi uitgelegd hoe onze aarde beweegt en wat dat heeft betekend voor onze tijdsmeting doorheen de geschiedenis.

Dit artikel staat gearchiveerd in de rubriek Geschiedenis, Klassieke oudheid, Middeleeuwen, Moderne Tijd, Natuurkunde, Nieuwe TijdKernwoorden: