Text 2: Bilder des Kosmos aus wissenschaftshistorischer Sicht 1. Klaus Fischer

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1 Text 2: Bilder des Kosmos aus wissenschaftshistorischer Sicht 1 Klaus Fischer Bereits die Menschen des Neolithikums haben Vorstellungen zu Raum, Zeit und Kosmos entwickelt. Vermutlich waren sie zumeist in Mythos und Religion eingebettet und mit politischen und sozialen Ideen zu einem komplexen System der Weltauffassung verknüpft, das außer erklärenden auch legitimatorische Funktionen hatte. Genau wissen wir es nicht, weil Schriftzeugnisse der uns gewohnten Art fehlen, aber die Ergebnisse der ethnologischen Forschung legen dies zumindest nahe. Bessere Kenntnisse haben wir von den Kosmosvorstellungen der Ägypter, der Mesopotamier und der anderen Hochkulturen des Altertums. Auch hier sehen wir eine so enge Verbindung kosmologischer Vorstellungen mit religiösen und mythologischen Systemen, daß es kaum Sinn macht, diese Aspekte zu trennen. Bereits in sehr früher Zeit gab es jedoch auch Bemühungen, gewisse Himmelserscheinungen wie die Sonnenwenden, die Mondphasen, die Auf- und Untergangszeiten und orte gewisser Sterne in einer Weise festzuhalten, daß man daraus zukünftige Phänomene der gleichen Art prognostizieren konnte. Als Beispiele nenne ich die steinzeitlichlichen Observatorien der Kelten (Stonehenge) oder die babylonische Astrologie. Noch die griechische Astronomie der Zeit Homers und Hesiods ist wenig mehr als eine unsystematische Sammlung singulärer Beobachtungen von Korrelationen astronomischer Phänomene mit praktisch wichtigen Handlungen. Man beobachtet zum Beispiel, daß just zu der Zeit, in der das Getreide ausgesät wird, ein bestimmtes Sternbild am Abendhimmel auftaucht oder daß zur Zeit der größten Sommerhitze ein bestimmter Stern sichtbar wird. Diese Beobachtungen und praktischen Fortschritte haben mit dem Beginn mathematischer Astronomie und wissenschaftlicher Kosmologie wenig oder nichts zu tun, obwohl sie für viele praktische Zwecke ausreichen. Mit Wissenschaft im modernen Sinn eines auf Erfahrung und Experiment begründeten methodischen Unternehmens haben auch die Kosmologien der frühen ionischen Naturphilosophen und der Pythagoräer wenig zu tun. Beispielsweise soll nach Anaximander ( ) die Erde ein flacher freischwebender Zylinder sein, dessen Höhe sich zum Durchmesser wie 1 : 3 verhält. Der Zylinder schwebt frei in der Mitte des unbegrenzten Raumes, der noch unzählige andere Welten enthält. Verlassen wir die gewölbte Deckfläche des Erdzylinders, dann folgen in einer seltsamen Ordnung die mit Feuer gefüllten durchlöcherten Räder der Sternensphäre, des Mondes und der Sonne in den Abständen von 9, 18 und 27 Erdhalbmessern. Dahinter dehnt sich das unendliche Apeiron aus. Wie die Interpretation dieser Zahlen auch lauten mag, sicher ist jedenfalls, daß sie nicht auf der Grundlage von Beobachtungen berechnet wurden. Der Altphilologe Hermann Diels vermutete, daß sie aus Vorstellungen über ideale Proportionen und Ordnungen abgeleitet waren. Wenn dies richtig 1 Erschienen in: Dokumentation zur 2. Offenen Universität, (Hg. von Christoph Klug, Knut Krusewitz und Josef Lutz, Gelsenkirchen 2006 ( www. offene-universitaet.de )

2 wäre, so könnten wir es als Einfluß eines Denkstils, eines Paradigmas oder einer Mode bezeichnen. Fast zweihundert Jahre später finden wir ein neues Paradigma, das nicht mehr auf arithmetischen, sondern auf geometrischen Denkformen beruhte. Dieser Wechsel der Grundanschauung war verursacht durch den Zusammenbruch der pythagoräischen Weltsicht, die durch die Entdeckung der Inkommensurabilität (etwa zwischen der Seite und der Diagonale eines Quadrats mit der Seitenlänge 1) herbeigeführt worden war. Die hierdurch ausgelösten Grundlagenkrise der griechischen Mathematik konnte nur durch eine radikale Geometrisierung gelöst werden. Im Einklang mit diesem Paradigmenwechsel stellte Platon ( ) den Astronomen die Aufgabe, alle Bewegungen am Himmel durch gleichförmige Kreisbewegungen zu erklären. Woher weiß Platon, daß diese beiden Prinzipien den Bewegungen der Himmelskörper zugrundeliegen? Er weiß es aufgrund einer Kosmo-Theologie, nach der bestimmte kosmische Bereiche in geordneter Reihenfolge aus einer göttlichen Ursache entstanden und je nach ihrer Perfektion bestimmte Eigenschaften aufweisen. Der Sphäre des Himmels konnten nur perfekte geometrische Figuren (Kreis, Kugel) und perfekte Bewegungen zugeordnet sein. Der Rest sind Details, die den Philosophen nicht mehr sonderlich zu interessieren brauchen. Einer der ersten, die die Aufgabe einer Erklärung der Planetenbewegungen tatsächlich in Angriff genommen haben, war der Mathematiker Eudoxos von Knidos ( ). Eudoxos wollte gerade die technischen Einzelheiten aufklären, die Platon für zu diffizil und zudem für uninteressant erklärt hatte. Es war dieser Weg des Eudoxos und nicht der des Platon, der die großen Fortschritte der mathematischen Astronomie in den folgenden Jahrhunderten ermöglichte. Erst der Versuch, die platonischen Prinzipien zur Konstruktion eines Modells zu benutzen, verlieh den Prinzipien Erklärungskraft und Prognoseleistung. Doch welche Probleme oder Anomalien mußte eine auf Astronomie basierte Kosmologie im vierten Jahrhundert v. Chr. erklären. Dies waren: 1) Die täglichen Bewegungen des Himmels. 2) Die ungleichmäßigen Geschwindigkeiten sowie die periodische Verschiebung der Bahnen von Sonne, Mond und Planeten. 3) Die eigenartigen Rückläufigkeiten und Schleifenbildungen an gewissen Punkten der Planetenbahnen. Als Anomalien bezeichnete man dabei nur die beiden letzten Probleme. Später bei dem Astronomen Hipparch im 2. Jh. v.chr. kam noch eine dritte Anomalie hinzu, nämlich die neuentdeckte Präzession der Äquinoktien. Daneben gab es noch das Problem der Helligkeitsänderungen etwa bei Mars, Venus und Merkur. Der Astronomie ist es vor dem 17. Jh. (Kepler und Newton) niemals gelungen, alle Anomalien durch ein Modell zufriedenstellend zu erklären. Bis zu diesem Zeitpunkt bildete die aristotelische Theorie die physikalische Basis jeder Erklärung. Im Gegensatz zu Platon glaubte Aristoteles, daß der Kosmos unvergänglich und unentstanden sei. Dies zeigt, daß der Konflikt zwischen genetischen und strukturellen Theorien des Kosmos schon sehr alt ist. Der materielle Kosmos des Aristoteles war ebenso begrenzt wie der Raum, in dem sich dieser Kosmos befindet. Dieser Raum hatte eine eindeutig definierte Mitte, das wie ein Sinkloch das schwerste Element, die Erde zu sich hin zieht. Die anderen Elemente Wasser, Luft und Feuer legen sich wie konzentrische Kugelschalen um die Erde. Nur

3 in diesem durch die vier Elemente bestimmten Bereich gibt es echte Veränderungen, Werden und Vergehen, nur hier gibt es geradlinige Bewegungen. Um die Sphären der vier genannten Elemente, die den irdischen Bereich bilden, hat Aristoteles noch ein weiteres System von Sphären gesetzt, das aus einer fünften Substanz (quinta essentia) besteht und sich von den anderen fundamental unterscheidet. Dieses System von Sphären bewegt sich in natürlicher Weise und völlig gleichförmig und reibungslos in kreisförmigen Bahnen. In ihnen gibt es keine Veränderungen, kein Werden und Vergehen, und auch keine geradlinigen Bewegungen. Dennoch sind auch die Bewegungen der ätherischen Sphären nicht ganz einfach. Die Bewegung der Venus zum Beispiel setzt sich bereits aus drei verschiedenen Einzelbewegungen zusammen: Aus der täglichen Drehung, aus ihrem Zurückbleiben gegenüber der Sphäre der Sterne und aus ihrem zyklischen Pendeln um die Sonne, das sich vor dem Hintergrund der Fixsternsphäre als schleifenförmige und manchmal rückläufige Bewegung zeigt. Das Instrumentarium von Eudoxos und Kallippos erlaubte Aristoteles, diese Gesamtsicht des Kosmos durch eine dazu passende Astronomie zu vervollständigen. Diese beruhte auf einem komplizierten System konzentrischer Sphären, die ineinander geschachtelt und bei der jede Sphäre an zwei Drehpunkten mit den jeweils nächsten Sphären verbunden war. Aristoteles benötigte schließlich nicht weniger als 64 dieser Sphären, um die Bewegungen der Himmelskörper wenigstens grob erklären zu können. Eine Verbesserung der Erklärungssituation ergab sich erst mit Hilfe des von Apollonius entwickelten Instrumentariums der Epizyklen und Exzenter. Ein Epizykel ist ein zweiter Kreis, der auf einem Grundkreis (Deferent) sitzt und von dessen Rotation mitgetragen wird. Der Himmelskörper ist dabei fest an den Epizykel geheftet, der mit einer individuellen Geschwindigkeit um seinen Befestigungspunkt auf dem Deferenten rotiert. Bei einem Exzenter dagegen dreht sich ein Kreis mit seinem Himmelskörper nicht um seinen Mittelpunkt, sondern um irgendeinen anderen Punkt innerhalb des Kreises. Hinzu kam bei Ptolemäus ( ) noch ein dritter Kunstgriff, die sogenannte Ausgleichsbewegung (punctum aequans). Dies ist ein fiktiver Punkt innerhalb des Kreises, von dem aus gesehen sich der Himmelskörper tatsächlich gleichförmig (also mit gleicher Winkelgeschwindigkeit) bewegt. Technisch gesehen ist das punctum aequans ein Punkt auf dem Durchmesser (speziell: der Apsidenlinie ) des Deferenten, der sich im gleichen Abstand wie die Erde jenseits des Exzentermittelpunktes befindet. Damit trugen die griechischen Astronomen der Tatsache Rechnung, daß sich die Himmelskörper, abgesehen von der äußersten Sphäre der Fixsterne, entgegen den theoretischen Prinzipien Platons und Aristoteles eben nicht von der Erde ausgesehen gleichförmig und kreisförmig bewegten. Mathematisch gesehen kann man diese Konstruktion (Exzenter, Epizykel, Ausgleichspunkt) als Simulation einer elliptischen Bewegung betrachten, die sich allerdings von der späteren Theorie Keplers dadurch unterschied, daß die physikalische Bahn eben nicht auf eine elliptische beschränkt wurde, sondern daß diese nur die Resultante einer komplizierten Kombination wirklich existierender kreisförmiger Bewegungen war. Dennoch erwies sich dieses Modell in der Folge als äußerst anpassungsfähig an verbesserte Beobachtungsergebnisse. In Form des ptolemäischen Systems blieb es die Grundlage der Astronomie bis nach Kopernikus. De facto bedeutete es allerdings eine Absage an die aristotelische Himmelsphysik, weil die Postulate der Mittelpunktslage der Erde, der Konzentrizität und der Gleichförmigkeit der Bewegung nur noch dem Schein nach bewahrt wurden. Die

4 dadurch ausgelöste Grundlagenkrise der griechischen Astronomie wurde erst von Johannes Kepler in seiner Neuen Astronomie (1609) bewältigt. Die antike astronomische Forschung hörte mit Ptolemäus nicht auf, doch sie kam über das hier erreichte Niveau kaum hinaus. In der römischen Zeit wurde die dafür nötige Grundlagenforschung verdrängt vom Bemühen um didaktische Aufbereitung des bisher Geleisteten zum Zwecke der Lehre und von den Bedürfnissen der Römer nach technischen Anwendungen. Man machte keine Fortschritte in der Grundlagenforschung mehr, weil man an ihnen nicht interessiert war; die grundlegenden Probleme hatten sich ebenso geändert wie die kulturellen, sozialen und ökonomischen Bedingungen, unter denen man Wissenschaft betrieb. Dabei hätte alles ganz anders kommen können. Die so lange Geschichte der Überwindung des aristotelisch-ptolemäischen Kosmos beginnt nämlich schon sehr früh, nicht lange nach Aristoteles, und sie hätte bereits in der Spätantike abgeschlossen sein können, wenn diese Zeit eine gute Zeit für naturphilosophische Innovationen gewesen wäre. Aber dies war sie nicht, und so gerieten viele gute, ja sogar potentiell revolutionäre Ansätze wieder in Vergessenheit, bis sie viele Jahrhunderte später ein günstigeres Umfeld für ihre Wirkung fanden. Die Überwindung des aristotelischen Weltbildes ist dennoch in vielen Punkten anders verlaufen, als sie unter besseren Bedingungen Tausend Jahre vorher hätte verlaufen können. Was alles an fruchtbaren antiken Ansätzen in den Jahrhunderten zwischen der Schließung der Athener Akademie durch Justinian und der Renaissance des 12. Jhs. verloren ging, wissen wir nicht. Sehr vieles war wohl bereits mit der Vernichtung der großen Bibliothek von Alexandria durch die Römer und durch andere unwiederbringlich verloren gegangen. Aber selbst das wenige, was erhalten ist, zeigt, daß die Naturphilosophie bereits um die Zeitenwende das aristotelische System weit hinter sich gelassen hatte. Wir können hier nur wenige Seiten dieser Geschichte aufschlagen. Bereits im dritten Jahrhundert v. Chr. stellte nach einem Bericht von Archimedes ein gewisser Aristarch von Samos ein Weltsystem vor, das auf den gleichen Hypothesen beruhte wie das System, das uns heute als das kopernikanische bekannt ist. Obwohl man heute weiß, daß Aristarch durchaus kein Einzelgänger war, sondern es es eine Schule heliozentrischer Astronomie gab, deren Spuren wir noch im Almagest des Ptolemäus finden, konnte sich das von ihr propagierte System nicht durchsetzen. Warum war dies so? Warum wurde die heliozentrische Theorie des Aristarch von Samos (3. Jh. v. Chr.) nicht akzeptiert? Der Grund der Ablehnung des antiken heliozentrischen Systems lag - soweit wir wissen - nicht in seiner mangelnden Fähigkeit zur Erklärung der Phänomene. Vermutlich wäre die heliozentrische Hypothese selbst dann abgelehnt worden, wenn sie besser mit den Beobachtungen übereingestimmt hätte als die akzeptierte Theorie. Sie erforderte nämlich eine völlig neue Kosmologie, eine neue Physik und eine neue Theorie der Elemente. Sie implizierte, daß sich das schwerste Element (Erde) zusammen mit den Elementen Wasser und Luft um das leichte Element (Feuer) bewegte, während das allerleichteste Element, der Äther, nunmehr völlig unbeweglich sein sollte. Selbst die irdische Physik hätte ihre Grundlage, die Theorie des natürlichen Ortes als causa finalis und causa efficienz aller ungezwungenen Bewegungen, verloren, da die Erde, damit auch alle ihre Teile, ständig ihren Ort wechseln müßten. Aufgrund dieser Umstände hätte das heliozentrische System des Aristarch nur dann eine Chance haben, wenn dieser gleichzeitig eine neue konsistente Physik und Kosmologie angeboten hätte.

5 Alle Elemente, die man für diese neue Physik und Kosmologie benötigte, waren bereits vor der Zeit Ptolemäus vorhanden: die atomistische Theorie des unendlichen leeren Raumes und seine prinzipielle experimentelle Bestätigung durch Straton, die Impetusidee mit einer Vorahnung des Trägheitsbegriffs (Chrysippos, Hipparch), die Vorstellung, daß im leeren Raum alle Körper gleich schnell fallen (Lukrez), die Idee eines unendlichen kosmischen Kraftfeldes, das alle Körper miteinander verbindet (Poseidonios) und eine Vorahnung der Gravitationsidee bedeutet, die Idee vieler kosmischer Zentren, von denen jedes als Anziehungszentrum für seine Teile wirken kann, und als vielleicht erstaunlichste physikalische Idee in diesem Zusammenhang, die Vorstellung, daß die kreisförmiger Bewegung nicht natürlich ist, sondern als Resultante einer zu einem Anziehungszentrum hinstrebenden und einer durch die Fliehkraft bewirkten wegstrebenden Bewegung betrachtet werden muß. Ein fernes Echo solcher und weiterer vorwärtsweisender Ideen erreicht uns in Form einer kleinen Schrift des Plutarch mit dem Titel Über das Mondgesicht (De facie in orbe lunae), in der sich der Autor in lockerer literarischer Form zur Unterhaltung gebildeter Römer mit der Ansicht einiger Stoiker auseinandersetzt, die die gesamte Kosmologie umstürzen wollen. Der Platonist Plutarch läßt in seiner Schrift einen der Dialogpartner eine Art polyzentrische Gravitationstheorie vortragen, in der nicht nur die Erde, sondern auch alle anderen Himmelskörper in gleicher Weise zum Zielpunkt der natürlichen Bewegungen fallender Körper werden könnten. In allen Himmelskörpern könnte dann konsequenterweise auch die gleiche Art von Materie vorhanden sein. Daß dann die aristotelische Unterscheidung zwischen irdischer und himmlicher Region ihren Sinn verliert, ist eine weitere logische Folgerung. Obwohl Plutarch sich nicht zwischen den möglichen Alternativen entscheidet, ist ihm vollkommen bewußt, welche Implikationen seine Diskussionen haben können, denn Aristarch wird an mehreren Stellen genannt so etwa, wenn ein gewisser Lucius seinen Dialogpartner ironisch auffordert: Mein Lieber, verklage uns nur nicht vor Gericht wegen Gottlosigkeit, so wie (der Stoiker - K.F.) Kleanthes meinte, die Hellenen müßten Aristarch von Samos wegen Gottlosigkeit vor Gericht stellen, weil er den Herd des Kosmos bewege (Plutarch, Über das Mondgesicht, Zürich 1968, 22). Die von Plutarch diskutieren Ideen gehen weit über alles hinaus, was Kopernikus zu denken wagte. Erst bei Giodano Bruno finden wir wieder ähnliches. Die Schrift Plutarchs dokumentiert einen unerwarteten Reichtum der kosmologischen Diskussionen im ersten Jahrhundert unserer Zeitrechnung. Sie zeigt, daß die Naturphilosophie bereits anderthalb Jahrtausende vor Galilei in allen wesentlichen Punkten über Aristoteles hinausgelangt war. Die Zusammensetzung der Himmelskörper, die Zweiteilung der Welt, die Theorie des Raumes und der natürlichen Bewegungen der Körper, die Endlichkeit des Kosmos, die Mittenstellung der Erde all dies war nicht nur zweifelhaft geworden. Nein, die Diskussion Plutarchs läßt erkennen, daß nur noch Starrköpfe und enge Geister an solche Märchen glaubten, während der informierte, weltmännische Geist verschiedene Alternativen zur Auswahl hatte, zwischen denen er sich nicht unbedingt entscheiden mußte. Er wußte, daß jede Erklärungsmöglichkeit ihre Stärken und Schwächen hatte und daß es noch zu früh war, eine von ihnen als Wahrheit zu verkünden. Symptomatisch für den offenen Geist dieser Zeit im Vergleich noch zum Anfang des 17. Jh. ist jene Stelle, in der Plutarch das Gesicht im Mond auf die zerklüftete Oberfläche des Mondes zurückführt. Als Galilei im Jahre 1609 zum ersten Mal den Mond mit dem Fernrohr beobachtet,

6 sah er die Berge und Täler des Mondes deutlicher als jeder Beobachter der Antike. Aber welche Entrüstung rief sein kurz darauf erschienenes Buch "Sidereus Nuncius" noch hervor, in dem er in Bezug auf den Mond nicht mehr sagte als das, was Plutarch 1500 Jahre vorher sehr viel gelassener wie folgt ausgedrückt hatte. Wir brauchen es (..) nicht für anstößig zu halten, wenn wir den Mond als eine Erde betrachten. Und was jenes Gesicht betrifft, das auf ihm sichtbar ist, so dürfen wir behaupten, daß, wie bei uns die Erde große Höhlungen hat, so auch der Mond von großen Vertiefungen und Klüften zerrissen ist, die Wasser oder finstere Luft enthalten, Schluchten, die das Sonnenlicht nicht durchdringt und nicht einmal berührt; es setzt an diesen Stellen aus und läßt die Reflexion nur lückenhaft zu uns gelangen (Plutarch 1968, 51). 400 Jahre nach Plutarch, am Ausgang der Antike, taucht wie aus dem Nichts ein weiterer unzeitgemäßer Revolutionär auf, dessen Ideen erst Jahrhunderte später zur Frucht kamen, Johannes Philoponos. Philoponos war der erste Wissenschaftler und Naturphilosoph der Antike, der Himmelsphysik und irdische Physik (einschließlich Mechanik) nicht nur programmatisch, sondern inhaltlich vereinte. Philoponos lehnte die aristotelische Auffassung ab und übernahm stattdessen von Straton die Idee, daß der Kosmos in einem absoluten dreidimensionalen Raum schwebt. Der Verzicht auf die aristotelische Raumtheorie hatte logische Konsequenzen. Nach der Annahme eines rein dimensionalen Ortsbegriffs konnte Philoponos dem Ort selbst keine kausale oder finale Wirkung mehr zuschreiben. Damit wurde jedoch auch die aristotelische Theorie der natürlichen sublunaren Bewegung unannehmbar. Nicht der Ort selbst war die Ursache der natürlichen Bewegungen, sondern die Verdrängung der Körper durch Druck und Stoß. Damit fiel wiederum die Unterscheidung zwischen natürlichen und gewaltsamen Bewegungen in sich zusammen. Am Ende ist von der aristotelischen Physik nichts mehr übrig. Es ist wie bei einer Reihe hochgestellter Dominosteine. Wenn man den ersten antippt, fällt die ganze Reihe um. Philoponos begnügt sich nicht damit, Widersprüche des aristotelischen Systems aufzuzeigen. Er zieht aus seiner Einsicht auch radikale Folgerungen. Eine dieser Konsequenzen ist, daß er himmlischen und irdischen Körpern die gleiche physikalische Natur zuschreibt und den Äther als Grundsubstanz der Sterne aufgibt. Die drei aristotelischen Erklärungen in den drei Bereichen der Physik: natürliche sublunare, supralunare und gewaltsame Bewegungen ersetzt Philoponos durch eine einzige, nämlich die Bewegung durch eine eingepflanzte oder übertragene kinetische Kraft, den (später so genannten) Impetus. Den Sternen und Planeten hat Gott gleich bei ihrer Erschaffung eine Bewegungskraft gegeben, ebenso den schweren und leichten Körpern ihre Gravitation hin zu dem ihnen vom Demiurgen zugeschriebenen Platz; die gewaltsam bewegten Körper erhalten ihren Impetus dagegen vom jeweiligen Beweger. Dies gilt selbst für die Lichtemission, die Philoponos durch einen Impetus erklärt, den das Licht von der Lichtquelle erhält und der schließlich dem beleuchteten Objekt mitgeteilt wird. Auch dies ist ein für diese Zeit außergewöhnlich moderner Gedanke. Die Fortsetzung der Geschichte ist bekannt. Das Mittelalter bedeutete zunächst einen gewaltigen Rückschritt für die Wissenschaft. Es dauerte bis zum 14. Jh. oder sogar, wenn man die Ideen, über die Plutarch in seiner Schrift über das Mondgesicht berichtet, bis zum 17. Jh. - bis die Naturphilosophie dort weitermachen konnte, wo Philoponos oder die Quellen Plutarchs aufgehört hatten. Daraus kann man ersehen, daß die Entwicklung des Wissens nicht linear nach oben verläuft. Es gibt Rückschritte, ja sogar den den Verlust von bereits Erreichtem. Niemand

7 weiß, welche Wissensschätze in der unwiderbringlich verlorenen Bibliothek von Alexandria gehortet waren. Unsere Beispiele zeigen auch, daß falsche Theorien über lange Zeit sehr erfolgreich sein können, wenn sie auf flexiblen Grundprinzipien beruhen. Zwei falsche und darüberhinaus auch noch inkompatible Theorien wie die aristotelische Physik und die ptolemäische Astronomie konnten sich wechselseitig stützen und (im Verein mit religiösen Bedenken) die Durchsetzung alternativer und besserer Theorien über eineinhalb Jahrtausende verhindern.