Die Erde ist keine Scheibe, aber…

Die Erde ist keine Scheibe. Zumindest gibt es hinreichend wenige Argumente, die eine solche Theorie stützen würden.

Kommen wir daher sogleich zum „Aber“ und damit in gewisser Weise zur vorweggenommenen Pointe dieser Geschichte – die Erde ist auch keine Kugel. Seit über 150 Jahren ist für die wissenschaftliche Gemeinschaft das „Geoid“ das gültige Erdmodell. Den Begriff des Geoids muss man sich nicht unbedingt merken, auch Günther Jauch hat meines Wissens noch nie danach gefragt. Was aber interessant ist, und deshalb möchte ich die Geschichte hier erzählen, ist die wissenschaftliche Auseinandersetzung, die über Jahrhunderte hinweg geführt worden ist, um zu dieser Erkenntnis zu gelangen. Die Suche nach der Erdfigur ist ein hervorragendes Beispiel dafür, was Wissenschaft bedeutet, wie ein wissenschaftlicher Diskurs funktioniert und welchen objektiven und subjektiven Einflüssen wissenschaftliche Forschungen unterliegen.

Die Vorgeschichte einer der größten wissenschaftlichen Auseinandersetzungen der Geschichte ist schnell erzählt. Nachdem im 6. Jahrhundert vor Christus nach Überlieferungen der bekannte griechische Philosoph Pythagoras die Kugelgestalt der Erde erstmals beschrieb, haben die meisten Gelehrten der Antike die Theorie von der Erde als Kugel vertreten. Doch wie war das im Mittelalter, welches wir, als vermeintlich rückständig, mit der Scheibengestalt gedanklich in Verbindung bringen? Im frühen christlichen Mittelalter, insbesondere auf dem Gebiet der Westkirche wurde durchaus die Erde als Scheibe postuliert, allerdings setzte sich spätestens im 13. Jahrhundert in Kenntnis und Anerkennung der Philosophie des Aristoteles auch hier die Vorstellung einer kugelförmigen Erdgestalt durch (Anm.1).

Neben der Form der Erde war seit jeher auch die Bestimmung der Größe der Erdkugel von Interesse. In der Antike hat sich insbesondere Eratosthenes von Kyrene im 3. Jh. v. Chr. ein Denkmal gesetzt, indem er zum einen den Erdumfang bestimmte (Anm.2), aber vor allem eine Methode – die sogenannte Meridianbogenmessung – erstmals nachweislich anwandte, welche für die nächsten zwei Jahrtausende als die Methodik schlechthin für die Erdmessung galt (Anm. 3). Nebenbei bemerkt ist die Eratosthensche Methode ein hervorragendes Beispiel für die praktische Anwendung der Bogenformel und somit für die Vermittlung dieser geometrischen Grundformel im Mathematikunterricht überaus geeignet.

Während im Mittelalter in Indien, China und Arabien zahlreiche Messungen zur Bestimmung des Erdumfangs durchgeführt wurden, spielte dieses Problem im christlichen Europa zunächst keine Rolle. Erst im Zuge der sich entwickelnden Seefahrt wurde die Frage nach der Erddimension drängender. Christoph Kolumbus, der sich bekanntlich, auf den karibischen Inseln gelandet, in Indien wähnte, war wohl das prominenteste Opfer und gleichzeitig Profiteur der seinerzeit mangelnden Kenntnisse um die Größe des Erdumfanges. Wahrscheinlich hätte er sich nicht auf die Reise begeben und wäre nie in die Geschichtsbücher eingegangen, hätte er auch nur annähernd den wahren Wert des Erdumfanges geahnt. Insofern kann in einigen seltenen Konstellationen Nicht-Wissen für den Einzelnen dennoch
von Vorteil sein.

Starten wir nun mit der eigentlichen Geschichte. Im Zuge des zum Beginn der Neuzeit durch gesellschaftliche Veränderungen hervorgerufenen Aufschwungs der Naturwissenschaften in Europa, wurden die Untersuchungen zur Bestimmung des Erdumfanges forciert. Unterstützt durch die neu gegründeten wissenschaftlichen Akademien in Frankreich und England wurden zahlreiche Meridianbogenmessungen in Europa durchgeführt. Die Wissenschaftler konnten sich dabei auf die, durch die rasante technische Entwicklung bedingte, deutlich höhere Genauigkeit der Messinstrumente stützen.

Während bis dato, also bis in die Mitte des 17. Jahrhunderts hinein, die Bestimmung der Erdfigur ausschließlich das Metier von Astronomen, Geometern und Mathematikern gewesen war, brachte erstmals Isaac Newton als Physiker mit seinen Forschungen zur Gravitationstheorie einen völlig neuen Aspekt in die zur damaligen Zeit heiß diskutierte Frage der Erdgestaltbestimmung ein. Dies ist aus epistemischer Sicht überaus interessant, weil es ein Beleg dafür ist, dass entscheidende Impulse in der Forschung durchaus aus einer völlig anderen Richtung kommen können. Aber was hat Newton nun im Speziellen beigetragen? Um es kurz zu fassen: Auf Basis seiner Pendelbeobachtungen in Paris und in Guyana und den daraus ermittelten Differenzen der Schwingungsdauer, verknüpft mit der Kenntnis der Erdrotation und der dadurch auf die Erde einwirkenden Kraft, leitete Newton die Notwendigkeit ab, dass der Radius der Erde in der Äquatoreben größer sein müsse als in der dazu senkrecht stehenden Richtung. Heute wird in den Grundschulen daher vermittelt: „Die Erde hat eine Kugelgestalt, die an den Polen abgeflacht ist.“ Dieses Modell der „an den Polen abgeflachten Kugel“, im korrekten fachlichen Ausdruck, das „Rotations-Ellipsoid“, wurde seiner Zeit als „Oblatum“ bezeichnet. Die Abschätzung der Größe der Abplattung stützte Newton auf ein hydrostatisches Gedankenexperiment, in dessen Folge er unter Berücksichtigung der sich aus Rotationskraft und Gravitation ergebenden Erdschwere eine Abplattung von 1:230 ermittelte.

Besonders bemerkenswert an Newtons Beitrag sind zwei Aspekte: zum einen, dass erstmals über die rein geometrischen Bestimmungen hinaus die physikalischen Ursachen für die geometrische Erdgestalt betrachtet und sogar quantifiziert worden sind. Zum anderen wird in Newtons Vorgehensweise die erkenntnistheoretische Wechselwirkung empirischer Untersuchungen und rationaler Überlegungen besonders verdeutlicht.

So weit so gut, man hätte sich nun mit der Newtonschen Erkenntnis zufriedengeben können und im Folgenden alle messtechnischen Bemühungen auf eine immer präzisere Quantifizierung der Ellipsoidgestalt konzentrieren können. Allerdings ließen geometrisch-astronomische Messungen in der zweiten Hälfte des 17. Jh., insbesondere durch verschiedene Generationen der Astronomenfamilie Cassini, eher einen konträren Schluss zu: Die Erde weise nicht wie von Newton postuliert einen kleineren Radius in Polrichtung, sondern in Äquatorrichtung auf, womit das Gegenmodell des „Oblongums“ entstand. Diese Theorie wurde vom Großteil der „Community“ der Mathematiker, Geodäten und Astronomen, aber auch von einzelnen Physikern unterstützt, während die newtonsche Sichtweise von ihnen weitestgehend ignoriert wurde.

Es standen sich somit zum ausgehenden 17. Jahrhundert zwei unversöhnliche wissenschaftliche Theorien gegenüber. Ob in dieser Konstellation der Begriff der Minderheitenmeinung oder der „False balance“ gefallen ist, ist nicht überliefert; es ist darüber hinaus auch ernsthaft zu bezweifeln. Pikanterweise wurde der wissenschaftliche Disput nicht nur zwischen den beiden Wissenschaftlergruppen ausgetragen, sondern übertrug sich durch deren Anbindung an die nationalen wissenschaftlichen Akademien auch auf die institutionelle Ebene. Für die Oblatum-Theorie stand sozusagen stellvertretend die Royal Society in London, für die Oblongum-Theorie die Académie des Sciences in Paris.

Es ist nicht einfach, sich mit unserem heutigen Wissen, mit unseren heutigen Möglichkeiten in diese Zeit der heftigsten wissenschaftlichen Auseinandersetzung des beginnenden 18. Jahrhunderts hineinzuversetzen. Es ging nicht nur um die Erdgestalt, es ging um entscheidende Theorien der Physik überhaupt, und es ging um gesellschaftliches Ansehen und um politische Vormachtstellung. In unserer Zeit, in der wissenschaftliche Publikationen quasi in Echtzeit auf entsprechenden Servern weltweit zur Verfügung stehen, kann man sich schwer vorstellen, wie mühsam ein wissenschaftlicher Austausch schon rein logistisch zur damaligen Zeit war, ganz abgesehen von den kriegerischen Auseinandersetzungen dieser Zeit, in die beide Nationen verwickelt waren. Letztere erschwerten es insbesondere den Vertretern der Oblongum-Theorie, ihre Meridianbogenmessungen in Frankreich mit entsprechender Ruhe und Sorgfalt durchzuführen, um damit Argumente für ihre Theorie zu liefern. Es gibt verschiedene Gründe, weshalb die Messungen und Berechnungen, auf die sie sich stützten, nicht die Fehlerhaftigkeit ihrer Theorie ans Tageslicht gebracht haben. Erkenntnistheoretisch haben die Oblongum-Vertreter alles richtiggemacht. Sie haben versucht, ihr Modell durch Argumente in Form von Daten zu rechtfertigen; das ist gelebte wissenschaftliche Praxis. Aber ihre Kenntnisse waren in mancher Hinsicht begrenzt.

Aus der Position des 21. Jahrhunderts mag man geneigt sein, etwas arrogant auf die Geschichte zurückzublicken. War die Idee vom Oblongum unberechtigt, war sie gar dumm? Nein, das war sie natürlich nicht. Genauso wenig war Newtons Gravitationstheorie, nach welcher Ebbe und Flut durch die Stellung des Mondes und die durch ihn einwirkenden Anziehungskraft verursacht werden, eine Verschwörungstheorie, obgleich dies seinen wissenschaftlichen Gegenspielern durchaus suspekt erschien. Wissenschaft lebt von der Kontroverse, dem Diskurs von These und Gegenthese, auf dass sich am Ende daraus zumindest zeitweilig eine konsistente Theorie ergibt, bis möglicherweise neue Argumente auch diese in Frage stellen. Aber dazu an späterer Stelle.
Zurück zum Streit über die Erdfigur.

Um das Problem zu lösen, schlugen Mitglieder der französischen Akademie vor, zwei Expeditionen in möglichst nördliche Gefilde bzw. in Äquatornähe zu schicken, welche dort jeweils Meridianbogenmessungen durchführen sollten. Ein Vergleich der Messergebnisse sollte den Streit dann ein für alle Male beilegen. Tatsächlich befürwortete die Akademie das Ansinnen und stattete die Expeditionen finanziell aus. Man kennt die Polarforscher Amundsen und Scott, Neil Armstrong und die Mondmission von Apollo 11, aber wer kennt schon Pierre Louis Moreau de Maupertuis, Jean Godin, Pierre Bouguer und Charles Marie de La Condamine? Sicher die wenigsten. Dabei waren sie diejenigen, welche in den folgenden Jahren die wohl aufwendigsten und bedeutendsten wissenschaftlichen Expeditionen in der Geschichte der Erdmessung leiteten.

Maupertius führte mit seiner Mannschaft 1736/37 in Lappland unter zwar schwierigen Bedingungen, aber dennoch recht zügig und erfolgreich die geodätischen und astronomischen Messungen durch, welche ergänzt wurden durch die bereits von Newton eingeführten Pendelmessungen. Somit standen nicht nur Ergebnisse aus mittleren und südlichen, sondern auch aus nördlichen Breiten zur Verfügung. Wesentlich aufwendiger als die Lappland-Expedition gestaltete sich die Peru-Expedition unter der Leitung von Godin, Bouguer und La Condamine, welche bereits im Mai 1735 mit der Überfahrt nach Ecuador, welches damals zum Vize-Königreich Peru gehörte, begann. Die Expedition dauerte sage und schreibe neun Jahre. Zum einen waren es die überaus komplizierten und widrigen Bedingungen im Hochland der Anden, die die Messungen extrem erschwerten. Zum anderen zerstritten sich die Wissenschaftler während ihrer Mission. Obwohl bereits während ihrer Abwesenheit in Europa die Auswertungen der Lapplandmessungen sowie Korrekturen von Meridianbogenmessungen in Frankreich die Newtonsche Oblatum-Theorie bestätigten, führten sie ihre vorgesehenen Messungen sowie weitere geophysikalische Beobachtungen zu Ende und kehrten ab 1744 einzeln und auf zum Teil sehr abenteuerlichen Wegen nach Europa zurück (Anm. 4). Es entbehrt nicht einer gewissen Ironie, belegt aber auch den Geist der Wissenschaft, dass die französische Akademie eine so kostenintensive Expedition finanzierte, die letzten Endes die Theorie ihrer eigenen Wissenschaftler widerlegte.

Neben den genannten Meridianbogenmessungen trugen zahlreiche Messungen in den Folgejahrzehnten in verschiedenen Teilen der Welt dazu bei, die Maße der nunmehr als Rotations-Ellipsoid beschriebenen Erdfigur immer genauer zu bestimmen. Die Erdmessung war zunehmend zu einer interdisziplinären und internationalen Aufgabe geworden. Unter den vielen Missionen sei hier nur die Meridianbogenmessungen durch Pierre-François-André Méchain und Jean-Baptiste Joseph Delambre von 1792 bis 1798 von Dünnkirchen nach Barcelona hervorgehoben. Diese Messungen auf dem Pariser Meridianbogen hatten eigentlich nicht zum Ziel, die Theorie der Erdgestalt zu untermauern. Ihr Sinn bestand vielmehr in der Bestimmung einer einheitlichen Längeneinheit, des Meters, als 10 Millionster Teil des Erdquadranten von Paris (Anm. 5). Nichts desto trotz konnten die Ergebnisse dieser ebenfalls unter schwierigen politischen und persönlichen Umständen durchgeführten Expedition neben der eigentlichen Zielsetzung einen wertvollen Beitrag zur Erdmessung leisten.

Ende gut, alles gut? Naja, Wissenschaft bedeutet Veränderung und ich hatte die Pointe ja bereits vorweggenommen: Im Zuge der weiteren Ausarbeitung physikalischer Theorien wie der Potentialtheorie, der wachsenden Möglichkeit immer präzisere Messinstrumente herzustellen und auch der Entwicklung stochastischer Auswerteverfahren kamen zunehmend Zweifel an der einstmals so schwer erkämpften Theorie der Erdgestalt als Rotations-Ellipsoid auf. Die aus verschiedenen weltweit durchgeführten Meridianbogenmessungen ermittelten Ellipsoidparameter wiesen Differenzen auf, die nunmehr nicht weiter durch Messungsungenauigkeiten und andere Effekte erklärbar waren. Hinzu kamen Widersprüche aus den weltweit in größerer Anzahl durchgeführten Pendelbeobachtungen.

Konnte es sein, dass die Vorstellung der recht einfachen geometrisch beschreibbaren ellipsoidischen Form nicht länger haltbar war? Newton war einstmals bei seinen theoretischen Überlegungen der Einfachheit halber von einem homogenen Erdkörper ausgegangen. Wir alle wissen, dass das natürlich nicht der Realität entspricht. Kurzum: die Konsequenz der wissenschaftlichen Untersuchungen zur Mitte des 19. Jahrhunderts war, dass am Modell des Rotationsellipsoides nicht weiter festgehalten werden konnte.

Modelle dienen in der Wissenschaft der generalisierten Beschreibung und der Erklärung realer Phänomene. Wenn sich herausstellt, dass die Widersprüche zwischen Realität und gewähltem Modell zu groß werden, ist es an der Zeit, die Modellvorstellung zu verwerfen oder wenigstens das Modell anzupassen. Im Jahre 1873 benutzte erstmal Johann Benedict Listing die Bezeichnung Geoid für die natürliche, unregelmäßige, durch das Erdschwerefeld definierte Erdfigur. Bis zum heutigen Tage gilt das Geoid als Bezugsfläche für den Großteil geodätischer Messungen, wenngleich
aus Gründen der Praktikabilität oftmals das vereinfachte Modell des Rotationsellipsoides als Ersatzoberfläche verwendet wird, so es die jeweiligen Genauigkeitsanforderungen gestatten. Die immer präzisere Bestimmung des Geoides ist auch heute noch Gegenstand internationaler Forschungsmissionen.

Wissenschaft bedeutet Auseinandersetzung, mit der Umwelt, mit gegensätzlichen Auffassungen, bedeutet systematische und beharrliche, teilweise akribische Arbeit, bedeutet Argumentation und Diskurs. Ihre Ergebnisse sind eingebunden in die Umstände, unter denen sie erzielt werden, sie sind nicht frei von gesellschaftlichen Rahmenbedingungen und auch nicht von persönlichen Konstellationen. Aber die Wissenschaft muss frei sein im Denken und ihrer Artikulation.

Und ja: Die Erde ist keine Scheibe.