Die ersten astronomischen Theorien wurden im alten Griechenland entwickelt. Ein Grund dafür könnten die besseren mathematischen Werkzeuge gewesen sein, die den Hellenen zur Verfügung standen. Sicherlich war auch ihre Spekulationsfreude von Vorteil. Sie debattierten über die verschiedensten kosmologische Fragen: welche Form haben Himmel und Planeten, auf welche Weise finden die Bewegungen statt und wodurch werden die Bewegungen hervorgerufen?
Bevor die Frage nach den Himmelskörpern sinnvoll gestellt werden kann, muss über die Gestalt der Erde nachgedacht werden. Dabei stellte sich bei den Griechen spätestens ab dem 4. Jahrhundert v. Chr. Einigkeit ein.
Unter den Griechen waren viele Seefahrer. Das was sie auf dem Meer sahen, sprach für eine gekrümmte Oberfläche. Wenn ein Schiff auf Kreta oder eine andere bergige Landfläche zusteuert, ist es zuerst die Bergspitze, die am Horizont erscheint. Mit abnehmender Entfernung scheint der Berg aus dem Meer aufzusteigen.
In der antiken Literatur finden sich zahlreiche ähnliche Beobachtungen. Kleomedes, ein griechischer Philosoph und Astronom aus der römischen Kaiserzeit, beschreibt, wie bei wegfahrenden Schiffen zunächst der Rumpf verschwindet und später erst der Mast. Er bringt noch einen weiteren Aspekt der Krümmung ein: durch sie ist es für einen Seefahrer sinnvoll, auf einen Mast zu klettern, um weiter sehen zu können. Umso höher die Position, desto weiter kann über die Krümmung hinweg gesehen werden.
Besonders für die klassische Navigation war die Erdgestalt von großer Bedeutung.
Die Position an der ein Beobachter auf der Erde die Gestirne wahrnimmt, hängt von seiner geographischen Breite ab. Am einfachsten ist dies am Beispiel des Himmelspoles zu verdeutlichen. Schauen wir in einer klaren Nacht für viele Stunden an den Himmel, so entsteht der Eindruck, dass alle Sterne um einen festen Punkt rotieren. Dieser Punkt wird Himmelspol genannt. Für uns heutigen Bewohner der Nordhalbkugel liegt an dieser Stelle der Polarstern.
Aufgrund dieser visuellen Erscheinung wurde der Himmel als kugelförmig angenommen. Dennoch war das Modell der Himmelskugel keine Selbstverständlichkeit. Die Ägypter beispielsweise nahmen den Himmel als ein flaches Dach an, künstlerisch dargestellt durch die Himmelsgöttin Nut, die sich lang über das ganze Land ausstreckt.
Das Modell der Himmelskugel ist äußerst praktisch und deshalb wird es auch heute noch in der astronomischen Navigation genutzt.
Die Sterne sind an der Himmelskugel fixiert und drehen sich im Verlaufe des Jahres um die Erde. Ein Beobachter wird feststellen können, dass die Position der Sterne am Himmel mit seiner Position auf der Erde zusammenhängt.
Der Winkel in dem wir einen Stern am Himmel wahrnehmen können, hängt von der geographischen Breite ab, auf der wir uns befinden. Stehen wir heute am Nordpol, also auf 90° Nord, können wir genau über uns den Polarstern sehen, im 90° Winkel zur Eisfläche auf der wir stehen. Bewegen wir uns anschließend nach Athen, das auf ungefähr 38° nördlicher Breite liegt, dann werden wir den Winkel den der Nordstern einnimmt bei 38° messen können. Der Winkel an dem der Stern erscheint, ist also gleich unserer geographischer Breite.
Zur weiteren Verdeutlichung ziehen wir zum Äquator, also einen Punkt weit südlicher, als die griechischen Seefahrer in der Antike gelangen konnten. Dort gibt es keinen Punkt, um den sich die Sterne drehen, sondern der ganze Nachthimmel zieht komplett über uns hinweg.
Bewegen wir uns tiefer auf die Südhalbkugel lässt sich wieder ein Punkt ausmachen, um den sich die Sterne drehen. Der Unterschied zum Nordpol ist allerdings, dass kein Stern genau auf dem Pol liegt, so dass alle Himmelskörper in Bewegung scheinen.
Den Griechen, die ihr Wissen durch das der phönikischen Seefahrt und der babylonischen Astronomie erweiterten, war dieses grundsätzliche Prinzip bereits bekannt und sie nutzten es, um ihre Positionen auf hoher See bestimmen zu können. Da sich die Sternbilder im Verlaufe der Jahrhunderte verschieben, befand sich der Polarstern während der Antike nicht auf dem Himmelspol. Als Alternative wurde im 5. Jahrhundert v. Chr. der Schnittpunkt der Hinterachsen des Großen und des Kleinen Bären genommen. Damit konnte die Nordrichtung mit einer Abweichung von unter 1° bestimmt werden. [Wer sich für die Veränderung des Sternenhimmels im Verlaufe der Zeit interessiert, der kann mit kostenloser Software, wie „Stellarium“, einen Blick auf den antiken Sternenhimmel werfen.]
Um das theoretische Wissen nutzen zu können, benötigten die antiken Seefahrer Instrumente. Ein besonders eindrucksvolles war das Astrolabium, das angeblich von Eratosthenes von Kyrene, einem Astronom, der im 3. Jahrhundert v. Chr. in Alexandria wirkte, erfunden wurde. Eratosthenes war ein Universalgelehrter, der auch als Geograph, Mathematiker, Dichter, Grammatiker und Philosoph Beträchtliches vorzuweisen hatte. Einige nannten ihn daher den „Fünfkämpfer“, doch dieser Spitzname hat einen unfairen, negativen Beiklang. Wie ein Sportler im Pentathlon nicht die Leistung der Spezialisten erbringen kann, haftet auch dem geistigen Fünfkämpfer an, dass er sich keiner Disziplin mit der gebotenen Genauigkeit widmen kann. Eratosthenes hingegen konnte es in seinen Fächern mit den Fachleuten aufnehmen. Ein Zeuge dafür war der berühmte sizilianische Wissenschaftler Archimedes, der Eratosthenes lobte und seine Fähigkeiten in der Philosophie und Mathematik hervorhob.
Doch zurück zu seiner Erfindung: Das Astrolabium war ein Kreisring mit Gradeinteilung und einem drehbaren Meßarm, mit dem der Winkel eines Sterns gemessen werden konnte. Mit diesem Hilfsmittel war es möglich, die Uhrzeit anhand der Sternenkonstellation zu bestimmen.
Ein weiteres gebräuchliches Instrument war das Gnomon. Es war, grob gesagt, eine Art Sonnenuhr. Anhand des Sonnenschattens lässt sich nicht nur die Uhrzeit ablesen, sondern auch die Höhe der Sonne. Ähnlich wie bei den Gestirnen ändert sich der Winkel an dem die Sonne am Himmel steht, mit der geographischen Breite des Beobachters und der Jahreszeit.
Auch die reinen Theoretiker sammelten Argumente für die Kugelgestalt der Erde. Aristoteles führte mehrere wahrnehmbare Beweise an. So kann bei Mondfinsternissen der kugelförmige Schatten der Erde beobachtet werden. Und die oben erklärten Argumente waren ihm bekannt. Er wusste, dass sich bei Bewegung von Süden nach Norden und umgekehrt der Anblick des Sternenhimmels veränderte und dementsprechend können in Ägypten und Zypern andere Gestirne als in Griechenland gesehen werden.
Ptolemäus sieht u.a. in der Art wie Sonne und Mond auf- und untergehen einen Beweis der Kugelgestalt. Er arbeitet zusätzlich mit einem Ausschlussverfahren, indem er überlegt, dass auf einer konkaven Welt die Sterne bei Sonnenuntergang zuerst im Westen gesehen werden müssten, bei einer flachen Erde allerorts zeitgleich und bei einer vieleckigen Form müssten alle Flächen zur gleichen Zeit die Gestirne wahrnehmen.
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