Einleitung
„We are explorers“ – diesen Spruch hört man manchmal von Astronautinnen und Astronauten. „Explorer“, das sind Menschen, die etwas entdecken. Früher waren damit oft die Seefahrer gemeint, die unbekannte Gebiete der Erde entdeckt und erforscht haben. Und so ähnlich ist das ja auch, wenn in der Raumfahrt andere Himmelskörper erkundet werden. Was vor Jahrhunderten die Schiffe waren, sind heute die modernen Raumschiffe. Natürlich gab und gibt es in den Naturwissenschaften auch ganz andere Entdeckungen, bei denen niemand ins All geflogen ist. Zum Beispiel mit Fernrohren und anderen Instrumenten. Hier begegnen wir auf einer kleinen Zeitreise einigen dieser berühmten Menschen.
Wie groß ist die Erde?
Eratosthenes (ca. 276-194 v. Chr.) war ein griechischer Gelehrter. Er fand heraus, wie groß die Erde ist – für die damalige Zeit eine ungeheure Leistung! Zwar war den Menschen auch schon lange vorher klar, dass unser Planet eine Kugel sein muss. Aber wie groß die Erde ist? Keine Ahnung! Bis Eratosthenes eine geniale Idee hatte. Er dachte sich ein Experiment aus, das gleichzeitig an zwei verschiedenen Orten im heutigen Ägypten stattfand. Dabei ging es um den Schatten, den zwei Säulen zur Mittagszeit werfen. An einem Ort war gar kein Schatten zu sehen, weil die Sonnenstrahlen dort genau senkrecht von oben auf die Erde fielen. Am anderen Ort war dagegen ein Schatten zu sehen. Das war der Beweis für die Kugelform der Erde – denn bei einer Scheibe könnte es diesen Unterschied nicht geben.
Das Experiment mit den Schatten kannst du ganz einfach nachmachen. Dabei wird auch klar, warum es die Kugelform der Erde beweist. Nimm zwei Zahnstocher und steck sie in eine Scheibe und zum Vergleich danach in eine Kugel aus Styropor. Wenn du mit einer Taschenlampe genau von oben darauf leuchtest, siehst du: Bei der Scheibe wirft keiner der beiden Zahnstocher einen Schatten, bei der Kugel wirft immer einer der beiden Zahnstocher einen Schatten – so wie bei dem berühmten Experiment von Eratosthenes. Kleiner Tipp: Das Zimmer muss natürlich dunkel sein und die Taschenlampe muss in mindestens einen Meter von der Scheibe oder der Kugel entfernt sein.
Noch mal kurz zurück in die Antike, also in die Zeit vor rund 2.000 Jahren: Aus der Länge des Schattens konnte Eratosthenes sogar den Umfang der Erde berechnen – auf wenige Kilometer genau. Wir wissen inzwischen, dass der Erdumfang am Äquator 40.075 Kilometer beträgt.
Übrigens: Heutzutage wird die Erde auch mithilfe von Satelliten vermessen. Und zwar in 3-D. Das heißt, dass dabei die Höhen und Tiefen der Oberfläche erfasst werden. Das betrifft nicht nur hohe Berge und tiefe Täler, sondern auch kleinere Unebenheiten. Solche 3-D-Karten sind für viele Anwendungen wichtig – etwa wenn ein Staudamm oder eine neue Straße gebaut werden soll. Satelliten erkennen sogar, ob sich in einer Stadt der Boden ein paar Zentimeter abgesenkt hat, weil unter den Häusern ein neuer Tunnel für die U-Bahn gebaut wird.
Wer dreht sich hier um wen?
Morgens geht die Sonne im Osten auf, steigt anschließend immer höher auf, wandert im Laufe des Tages über den Himmel und geht abends im Westen unter. Da könnte man meinen, dass sich die Sonne um die Erde bewegt. Kein Wunder, dass die Menschen das lange Zeit glaubten. Ein griechischer Mathematiker namens Claudius Ptolemäus (ca. 100-160 n. Chr.) schrieb das so in seinen Werken auf – und deshalb wird es das „Ptolemäische Weltbild“ genannt. Zwar gab es auch damals schon andere Meinungen, aber viele Jahrhunderte lang war es für die meisten Menschen klar: Die Erde wäre im Mittelpunkt des Universums und alles dreht sich um unseren Planeten.
Dagegen erkannte der Astronom Nikolaus Kopernikus (1473-1543), wie es tatsächlich ist: Es sieht nur so aus, als ob die Sonne um die Erde kreist. In Wirklichkeit liegt es daran, dass sich die Erde im Laufe eines Tages um ihre Achse dreht. Und im Laufe eines Jahres kreist sie einmal um die Sonne. Als Kopernikus das veröffentlichte, sorgte es für ein neues Weltbild – und das nennt man die „Kopernikanische Wende“.
Heute wissen wir genau, wie weit die Sonne von der Erde entfernt ist (im Laufe eines Jahres schwankt die Distanz zwischen 149 und 152 Millionen Kilometern) und wie schnell sich die Erde um die Sonne bewegt (das Tempo beträgt 108.000 Kilometer pro Stunde).
Warum Amerika so heißt
Händler aus Europa brachen schon vor rund 1.000 Jahren nach Asien auf, um Gewürze, edle Stoffe wie Seide und andere Dinge zu kaufen und in die Heimat zu bringen. Besonders bekannt ist Marco Polo (1254-1324), ein Kaufmann aus Venedig. Er unternahm eine lange Reise quer durch Asien. Dabei führte ihn der Weg über Land immer weiter nach Osten, wo Länder wie Indien und China liegen. Diese fernen Gebiete waren auch das Ziel von Christoph Kolumbus (1451-1506). Aber statt auf dem Landweg in östlicher Richtung dorthin zu kommen, wollte er es auf dem Meer in westlicher Richtung versuchen. Denn wenn die Erde eine Kugel wäre, müsste man so ja auch irgendwann dorthin gelangen. Kolumbus kam zwar aus Genua, das heute in Italien liegt. Aber er segelte im Auftrag des spanischen Königshauses mit drei Schiffen über den Atlantik. Und tatsächlich erreichte er nach vielen Wochen eine Küste. Das waren zwar nicht Indien oder China – dazu hätte er noch viel weiter segeln müssen, was er nicht wusste. Sondern es waren Inseln, die vor Mittelamerika liegen – und bei späteren Reisen kam er auch am amerikanischen Festland an.
Oft wird gesagt, dass Kolumbus damals Amerika entdeckt hätte. Das stimmt allerdings nicht ganz, denn schon 500 Jahre zuvor waren Menschen aus Island bis nach Nordamerika gekommen. Diese erste Seefahrt von Europa nach Amerika ist übrigens oben auf dieser Seite in dem Gemälde dargestellt. Was man auch wissen muss: Kolumbus war nicht nur ein Entdecker. Sondern er war auch für viel Unrecht verantwortlich, das den amerikanischen Ureinwohnern angetan wurde. Viele starben, andere wurden als Sklaven nach Europa gebracht. Auf Kolumbus folgten weitere Seefahrer – ebenfalls Entdecker und ebenfalls Eroberer. Amerigo Vespucci (1451-1512) segelte an der amerikanischen Küste entlang, führte Vermessungen durch – und wurde damit in Europa so bekannt, dass der Kontinent nach ihm „Amerika“ genannt wurde.
Später unternahm der Portugiese Ferdinand Magellan (1485-1521) die erste Weltumseglung – wie Kolumbus im Auftrag der spanischen Krone. Er selbst starb unterwegs wie viele Männer aus seiner Mannschaft, von denen nur wenige nach rund drei Jahren wieder zu Hause ankamen. Heute braucht die Internationale Raumstation ISS gerade mal 92 Minuten, um unseren Planeten zu umkreisen.
Eine Sternstunde der Menschheit
Früher konnte man die Sterne nur mit bloßen Augen betrachten. Ferngläser oder Teleskope gab es noch nicht. Am 7. Januar 1610 änderte sich das. Da schaute zum allerersten Mal ein Mensch durch ein Fernrohr zum Himmel – eine echte Sternstunde der Menschheit! Er hieß Galileo Galilei (1564-1642) und lebte im heutigen Italien. Und was er sah, war eine Sensation: Da bewegten sich vier kleine Pünktchen um den Planeten Jupiter. Galilei hatte die vier großen Monde von Jupiter entdeckt, die heute nach ihm „Galileische Monde“ genannt werden.
Inzwischen haben Raumsonden diese Monde aus der Nähe untersucht und Erstaunliches festgestellt: Während Io von aktiven Vulkanen übersät ist, sind die anderen drei mit einer dicken Eiskruste überzogen, unter der sich ganze Ozeane aus flüssigem Wasser befinden. Vielleicht hat sich dort sogar einfaches Leben entwickelt. Das will man mit weiteren Raumfahrtmissionen herausfinden.
Jedenfalls war mit Galileis Beobachtung endgültig klar, was Kopernikus erkannt hatte: nämlich dass nicht alle Himmelskörper um die Erde kreisen! Denn ganz eindeutig bewegen sich die von ihm entdeckten Monde ja um einen anderen Planeten. Später bemerkte Galilei auch, dass sich die Venus um die Sonne bewegt. Es gab keinen Zweifel mehr: Die Sonne ist im Mittelpunkt unseres Sonnensystems und alle Planeten kreisen um sie herum.
Irgendetwas stimmte da nicht …
Aber wie bewegen sich die Planeten um die Sonne? „Kreisen“ sie wirklich um sie herum? Sind ihre Bahnen also „Kreise“? Das nahmen viele berühmte Astronomen an. Denn der Kreis ist die perfekte Form. Auch der berühmte Astronom Tycho Brahe (1546-1601) war dieser Ansicht. Das Dumme war nur, dass die Planeten nicht genau an der Stelle waren, wo sie auf ihren Kreisbahnen hätten sein müssen. Erst der deutsche Astronom und Mathematiker Johannes Kepler (1571-1630) erkannte: Die Bahnen der Planeten sind gar keine perfekten Kreise, sondern leichte Ellipsen. Er berechnete auch, wie schnell sich die Planeten bewegen – je näher sie an der Sonne sind, umso schneller, und je weiter weg, umso langsamer.
Bis heute sind diese „Keplerschen Gesetze“ gültig. Bei jeder Raumfahrtmission, die durchs Sonnensystem führt, sind sie eine wichtige Grundlage für die Berechnung der Flugbahn.
Hier findest du mehrere interaktive Animationen zu den berühmten „Keplerschen Gesetzen“. Sie sind aber nicht ganz einfach zu verstehen. Je nachdem, ob ihr das schon in der Schule durchgenommen habt, muss euch dabei vielleicht eure Lehrerin bzw. euer Lehrer noch etwas erklären.
Geistesblitz beim „Homeschooling“
Isaac Newton (1643-1727) studierte an einer englischen Universität. Aber weil gerade eine große Pestepidemie in England wütete, war die Uni geschlossen und so etwas wie „Homeschooling“ angesagt. Also saß er im Garten seiner Eltern und las ein Buch, als ihm angeblich ein Apfel auf den Kopf fiel. Vielleicht fiel der Apfel auch knapp neben ihm vom Baum – das ist nicht ganz sicher. Auf jeden Fall begann er darüber nachzudenken, warum Dinge überhaupt nach unten fallen. Heute wissen wir, dass das an der Anziehungskraft der Erde – auch Gravitation genannt – liegt. Dazu hatten auch vorher schon Gelehrte wie Galileo Galilei viele Versuche gemacht. Aber Newton war der erste, der das genau berechnete und dazu auch mathematische Formeln aufstellte. Sie gelten nicht nur für Äpfel, die auf der Erde von Bäumen fallen, sondern im ganzen Universum!
Bis heute ist Newton einer der bedeutendsten Wissenschaftler aller Zeiten. Seine vielen Berechnungen und Formeln werden noch heute verwendet, wenn eine Rakete startet. Dabei muss die Rakete ja die Anziehungskraft der Erde überwinden – und dafür muss man genau berechnen, wie viel Treibstoff nötig ist, um einen Satelliten in die Umlaufbahn um die Erde oder eine Raumsonde bis zum Mond zu befördern.
Das gekrümmte Weltall
Bei der Schwerkraft gab es nur ein Problem: Man konnte sie zwar dank Newton sehr exakt berechnen, aber man wusste nicht, warum es sie überhaupt gibt und wie sie funktioniert. Wieso zieht ein Himmelskörper wie die Sonne andere Himmelskörper wie die Planeten an? Sind da unsichtbare Teilchen im Spiel, wie das bei anderen Kräften der Fall ist? Anscheinend nicht – jedenfalls hat man sie nie entdeckt. Eine Erklärung lieferte erst ein Mann, der wahrscheinlich der berühmteste Wissenschaftler der Geschichte ist: Albert Einstein (1879-1955). Und zwar mit seiner Relativitätstheorie. Kurz gesagt erkannte er, dass im Weltall vieles ganz anders ist, als man es sich bis dahin vorgestellt hatte. Das All ist nicht einfach ein leerer Raum mit Sternen und anderen Himmelskörpern. Sondern diese Himmelskörper „verbiegen“ den Raum um sich herum. Als ob man eine schwere Eisenkugel auf eine weiche Matratze legt, die sich dadurch nach unten verbiegt und eine Kuhle bildet. Legt man in diesem Beispiel eine kleinere Kugel an den Rand der Kuhle, kullert sie hinein – so als ob die große Kugel die kleinere anzieht. Genau so sorgt auch die Sonne mit ihrer großen Masse für eine unsichtbare Kuhle um sich herum. Warum die Planeten da nicht hineinkullern? Das würde tatsächlich im nächsten Moment passieren, wenn sie einfach stillstehen würden. Nur weil die Planeten schnell genug um die „Sonnen-Kuhle“ herumflitzen, stürzen sie nicht in die Sonne. Kurz und gut: Einstein erklärte die Anziehungskraft mit der Krümmung des Raumes.
Außerdem hat Einstein noch viele andere Dinge entdeckt: Zum Beispiel, dass Masse in Energie verwandelt werden kann – das passiert im Inneren der Sonne andauernd, die deshalb so hell leuchtet und Wärme ausstrahlt. Oder dass sich nichts schneller als das Licht fortbewegen kann.
Und er hat eine ganz verrückt klingende Sache entdeckt: nämlich, dass die Zeit nicht immer gleich schnell vergeht. Warum das alles so ist, haben wir hier ausführlicher erklärt. Kurz gesagt gibt es da zwei Effekte, die inzwischen durch viele Experimente bewiesen wurden: An Bord eines schnell fliegenden Raumschiffs vergeht die Zeit langsamer als auf der Erde. Und je weiter ein Raumschiff von der Erde entfernt ist, umso schneller vergeht an Bord die Zeit. Würde man das nicht genau berechnen, würden Navigationssatelliten überhaupt nicht funktionieren – und das Navi im Auto oder Smartphone würde uns völlig in die Irre führen.
Ende der Zeitreise
An dieser Stelle beenden wir mal diese Zeitreise. Viele große Entdecker und Naturforscher haben wir hier nicht erwähnt. Zum Beispiel Alexander von Humboldt, der mehrere lange Expeditionen unternahm und dabei auch erkannte, wie wichtig es ist, die Umwelt zu schützen. Oder Charles Darwin: Er war fünf Jahre lang an Bord eines Schiffes auf Weltreise – und seine Beobachtungen zeigten ihm, wie sich die verschiedenen Lebewesen an ihre Umgebung anpassen und so über Generationen hinweg verändern. Eine wichtige Sache aber noch zum Abschluss: Du hast dich vielleicht gewundert, warum auf dieser Seite nur Männer auftauchen. Tja, gute Frage! Früher waren Naturwissenschaften, Technik und Entdeckungsreisen tatsächlich oft reine „Männersache“ und Frauen die große Ausnahme. Gut, dass sich das inzwischen geändert hat. Einigen berühmten Frauen, die in der Forschung Großartiges geleistet haben, haben wir dir deshalb extra eine andere Seite gewidmet, die du hier findest.
Quiz
Und hier noch ein kleines Quiz mit einigen Fragen zu dem Text auf dieser Seite. Mal sehen, ob wir das alles verständlich erklärt haben. Die Antworten findest du hier – aber nicht gleich nachgucken! Sonst macht das Quiz ja keinen Spaß mehr.
