Wanneer je ‘s nachts op een onbewolkte plek ver weg van de beschaving gaat staan en naar boven kijkt, kun je bijna drieduizend sterren aan de hemel zien (de Jong, 1990). Misschien dat je ook een paar planeten en zelfs de melkweg ziet. Onze voorouders, die beduidend een stuk minder last hadden van luchtvervuiling dan wij, keken ook omhoog en vroegen zich af wat al die lichtende puntjes nu allemaal zouden zijn en waarom ze de nachthemel sieren. Ze hadden alleen niet de beschikking over de apparatuur die we nu hebben, dus ze konden alleen maar gissen naar wat er zich daarboven in dat grote en onbekende heelal allemaal afspeelt. De afgelopen duizenden jaren zijn er verschillende theorieën ontwikkeld om dat hemelse schouwspel te beschrijven en dat onbekende te verklaren, welke in diverse boeken zijn opgeschreven. Twee werken met verschillende wereldbeelden steken er echter met kop en schouders boven uit: de Almagest, die in de tweede eeuw was geschreven, en Principia, uit de zeventiende eeuw. In dit artikel kijk ik naar hoe de wereld lanzgaam maar zeker het ene wereldbeeld achter zich liet, om het volgende te omarmen.

Almagest

Al die rare objecten in de hemel maakten een enorme indruk op onze voorouders. Ze identificeerden ze met mythen en goden, en deelden ze in volgens patronen die ze sterrenbeelden noemden (Morrison, 1993). Verschillende volkeren deden dit op diverse wijzen, vandaar dat we tegenwoordig naast de westerse ook bijvoorbeeld de Chinese sterrenbeelden hebben. Sommige volkeren, zoals de Babyloniërs, Chinezen en Maya’s, ontwikkelden rekenmethodes om te voorspellen waar de planeten op een willekeurig tijdstip aan de hemel zouden staan, en wanneer bijvoorbeeld de volgende zonsverduistering plaats zou vinden (Aaboe, 1974). De oude Grieken namen daar echter geen genoegen mee: ze stelden modellen op om dezelfde fenomenen te verklaren. Zo beredeneerden ze aan de hand van de schaduw die er op de Maan wordt geworpen tijdens een maansverduistering, en aan de hand van de masten van schepen die aan de horizon verdwijnen, dat de Aarde een bol moest zijn (Henrichs, 2000). Deze kennis kwam in de tweede eeuw na Christus samen in het monumentale werk van Claudius Ptolemaeus: de Almagest.

In de Almagest, die oorspronkelijk De mathematische ordening heette maar dankzij vertalingen vanuit het Grieks en Latijn naar het Arabisch en tenslotte weer naar het Latijn zijn huidige naam kreeg, beschrijft Ptolemaeus een onveranderlijk wereldbeeld waarbij de Aarde in het centrum van het universum staat, en de maan, zon en planeten daar in perfecte cirkels omheen draaien. Om de afwijkingen in de banen van deze planeten te verklaren, bedacht hij een ingewikkeld epicykelmodel waarbij de planeten niet alleen perfecte cirkelbanen om de Aarde beschrijven, maar zelf ook nog eens in kleinere cirkels draaien (Liddle, 1999). Ook beschreef hij de omtrek van de Aarde. Dit baseerde hij op het werk van de wijsgeer Eratosthenes van Syene, die een paar eeuwen eerder al vrij nauwkeurig de omtrek van de Aarde kon bepalen. Dit deed hij aan de hand van het verschil tussen de schaduw in een put in Alexandrië en de schaduw in een put ergens ver in zuid-Egypte (Goldstein, 1984). Later kwam er echter een andere wijsgeer die het foutief naar beneden bijstelde, om te corrigeren voor de lichtbreking in de atmosfeer. Deze laatste waarde nam Ptolemaeus op in zijn Almagest.

Het idee dat de zon om de Aarde draait, was niet het enige model dat in de oudheid circuleerde. De Griekse filosoof Aristarchus van Samos bedacht al een paar eeuwen voor Christus dat de Aarde misschien wel eens om de zon zou kunnen draaien, maar zijn idee werd al snel verworpen (Heath, 1913). Toen de Almagest bij de Arabieren belandde, raakten die geïnspireerd en bouwden diverse observatoria. Bij de huidige Iraanse plaats Maragha werd de grootste gebouwd. Hier werden inconsistenties die niet rijmden met de perfecte cirkels van Ptolemaeus waargenomen, dus ontstond er een stroming die een alternatief aan begon te hangen: dat de Aarde om de zon heen draait (Saliba, 1991). Dit idee sijpelde ook door naar Europa, waar het onder andere door de veertiende eeuwse priester en wiskundige Nicolaas van Oresme onder de loep werd genomen. Het werd echter op diverse gronden verworpen (Johnson, 1956). Toch is de Almagest bijna 1400 jaar lang het belangrijkste sterrenkundige werk geweest.

Over de omwentelingen der hemellichamen

Eind vijftiende en begin zestiende eeuw begon het wereldbeeld te veranderen. Columbus ontdekte Amerika in 1492, en later zeilde de Portugese ontdekkingsreiziger Maggelaan zelfs om de hele Aarde. Hierdoor kwam men erachter dat de waarde voor de omtrek van de Aarde zoals die in de Almagest stond, niet klopte. En als een waarde incorrect was, was de rest dan nog wel zo goed als men altijd dacht? In de tijd van Columbus zijn ontdekking studeerde een jonge Poolse student genaamd Nicolaas Copernicus naast medicijnen ook astronomie/astrologie, iets wat in die tijd essentieel werd geacht voor de geneeskunde. Hij raakte geboeid door al die nieuwe ontdekkingen, en door het besef dat de Almagest niet zaligmakend was (Gingerich en MacLachlan, 2004). Hij besloot om zich verder te richten op het verbeteren van de waarden uit dit eeuwenoude werk. In deze tijd van verandering, waarbij ook nog eens het protestantisme aan het opkomen was, kwam hij op het idee om niet de Aarde, maar de zon in het centrum van het universum te zetten. Hij kon geen harde bewijzen voor dit idee leveren omdat de waarneemapparatuur nog onvoldoende nauwkeurig waren (telescopen bestonden bijvoorbeeld nog niet), maar hij wist een overtuigende casus te maken. Na zijn dood in 1543 werd zijn idee, met de beargumentering, gepubliceerd in het boek De revolutionibus orbium coelestium, wat Over de omwentelingen der hemellichamen betekend. Aangezien hij geen referenties gaf, is het niet duidelijk of hij geïnspireerd was door de Griekse Aristarchus of de Arabische Maraghaschool (Morrison, 1993).

Het boek van Copernicus deed in het begin niet zoveel stof opwaaien. Het was wel bekend in wetenschappelijke kringen, maar daarbuiten kende vrijwel niemand het. Daarnaast waren er geen harde bewijzen voor zijn gedachtegoed. De kerk beschouwde het daarom ook als een vrij ongevaarlijk boek. Zestig jaar later, gedurende het eerste decennium van de zeventiende eeuw, zou alles echter veranderen.

Dit begon in 1572, toen er een opzienbarende gebeurtenis plaats vond: er ontstond een nieuwe ster aan de hemel die na een paar maanden weer verdween (Christianson, 2000). Tegenwoordig weten we dat dit een supernova, een ontploffende ster, was. De Deense edelman en hofastronoom Tycho Brahe besefte hierdoor dat de hemel niet onveranderlijk was. Nadat hij echter in 1601 plotseling overleed, kwam alles in een stroomversnelling terecht. De Duiste astronoom en wiskundige Johannes Kepler volgde Brahe op, en nam in 1604 ook een nieuwe ster waar. Dit was niet alleen een bevestiging voor Brahes idee dat de hemel kon veranderen, maar ook een inspiratiebron voor heel veel wetenschappers uit die tijd, zoals Galilei, om zich met astronomie bezig te houden (Clayton, 1979). Ook had Brahe inconsistencies in de baan van Mars waargenomen die niet overeen kwamen met de waarden uit de Almagest. Kepler gebruikte niet alleen de ideeën van Copernicus om deze afwijkingen te verklaren, maar leverde er ook nog eens wiskundig bewijs voor. Hij maakte een kleine aanpassing: in plaats van perfecte cirkelbanen beschreef hij de planeetbanen als ellipsen (Gentner et al, 1997). Dit publiceerde hij in 1609. Datzelfde jaar nam de Italiaanse astronoom Galileo Galilei met een nieuwe Nederlandse uitvinding, de ‘Hollandse kijker’, oftewel de telescoop, voor het eerst manen van Jupiter waar. Dit was duidelijk een bewijs dat niet alles om de Aarde heen draaide (Morrison, 1993). Kepler en Galilei leverden dus het bewijs voor het idee dat Copernicus naar voren bracht: de Aarde draait om de zon, en niet andersom.

De wiskundige beginselen van de natuurfilosofie

Dankzij Copernicus, Brahe, Kepler en Galilei was het idee van een onveranderlijk heelal dat om de Aarde heen daait overhoop gegooid. Maar ondanks de nieuwe inzichten kon er niet verklaard worden waarom alles in ellipsbanen rond de zon draaide. Kepler had die banen dan wel empirisch bepaald, maar er was geen theoretische basis voor. Bovendien waren er ook nog steeds onverklaarbare objecten: kometen gaven wetenschappers hoofdbrekers. Waarom beschreven ze die rare banen dwars door het zonnestelsel? Men kwam er niet uit.

Driekwart eeuw na de spectaculaire ontdekkingen van Kepler en Galileo kwam de Britse natuurkundige Isaac Newton met de oplossing. Geïnspireerd door de vraag ‘waarom valt een appel wel naar beneden en de Maan niet’, ontwikkelde hij een nieuw soort wiskunde, de Calculus, om de oplossing hiervoor uit te werken. Hij kwam hierdoor op drie simpele wetten: de zogenaamde wetten van Newton. Hiermee kon hij niet alleen de ellipsvormige planeetbanen verklaren, maar ook een verklaring geven voor kometen, én uitrekenen hoe ze zich gedroegen (Savonije, 2003). Aangespoord door de Britse astronoom Edmond Halley schreef Newton tussen 1684 en 1686 een van de meest invloedrijke boeken uit de geschiedenis: Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, oftewel De wiskundige beginselen van de natuurfilosofie in het Nederlands (Cunningham, 1991). Vaak wordt het kortweg Principia genoemd. Dit boek legde de basis voor een nieuw soort natuurkunde: de klassieke mechanica. Hij leverde hiermee eenzelfde soort werk als Ptolemaeus ruim anderhalf millennium eerder had gedaan: het schrijven van een boek dat de basis voor de wetenschap van de komende eeuwen zou zijn.

De Almagest was de samenkomst van alle theorieën over het heelal van de klassieke oudheid. Ptolemaeus werkte hierin een model uit dat bijna anderhalf millennium stand hield. Toen eind vijftiende en begin zestiende eeuw de wereld groter en anders bleek te zijn dan men dacht, legde Copernicus met zijn werk de basis voor een nieuw wereldbeeld. Meer dan een eeuw na zijn publicatie werkte Newton met zijn Principia dit nieuwe wereldbeeld uit met een nieuw soort natuurkunde, en legde hiermee de basis voor de moderne natuurkunde. Met Newtons werk was het nieuwe wereldbeeld definitief omarmd. In de eeuwen die volgden zouden er nog meer onregelmatigheden worden gevonden, en nieuwe verschijnselen en objecten worden ontdekt, waardoor de zon niet meer in het midden van het universum zou staan, maar tot de dag van vandaag houdt Newtons werk nog steeds stand.