Tieteellinen vallankumous, joka tapahtui 1500- ja 1600-luvuilla, oli ennennäkemättömän oppimisen ja löytöjen aikaa. Tänä aikana luotiin modernin tieteen perusta fysiikan, matematiikan, kemian, biologian ja tähtitieteen aloilla tapahtuneiden läpimurtojen ansiosta. Ja mitä tulee tähtitiedettä, vaikutusvaltaisin tutkija oli ehdottomasti Nikolaus Kopernikus , mies, joka luonnehtii universumin heliosentrisen mallin luomista.
Jatkuvien planeettojen liikkeitä koskevien havaintojen sekä klassisen antiikin ja islamilaisen maailman teorioiden perusteella Kopernikus ehdotti maailmankaikkeuden mallia, jossa maa, planeetat ja tähdet kaikki kiertävät Auringon ympäri. Näin tehdessään hän ratkaisi klassisesta geosentrisestä mallista johtuvat matemaattiset ongelmat ja epäjohdonmukaisuudet ja loi perustan modernille tähtitiedelle.
Vaikka Kopernikus ei ollut ensimmäinen, joka ehdotti aurinkokunnan mallia, jossa maa ja planeetat pyörivät Auringon ympäri, hänen mallinsa heliosentrisestä universumista oli sekä uusi että ajankohtainen. Ensinnäkin se tapahtui aikana, jolloin eurooppalaiset tähtitieteilijät kamppailivat ratkaistakseen matemaattisia ja havainnointiongelmia, jotka syntyivät tuolloin hyväksytystä Ptolemaioksen maailmankaikkeuden mallista, geosentrisesta mallista, jota ehdotettiin 200-luvulla jKr.
Lisäksi Kopernikuksen malli oli ensimmäinen tähtitieteellinen järjestelmä, joka tarjosi täydellisen ja yksityiskohtaisen kuvauksen maailmankaikkeuden toiminnasta. Sen lisäksi, että hänen mallinsa ratkaisi Ptolemaioksen järjestelmästä johtuvia ongelmia, se tarjosi yksinkertaistetun kuvan maailmankaikkeudesta, joka poisti monimutkaiset matemaattiset laitteet, joita geosentrisen mallin toimimiseen tarvittiin. Ja ajan myötä malli sai vaikutusvaltaisia kannattajia, jotka vaikuttivat siihen, että siitä tuli hyväksytty tähtitieteen käytäntö.
Portugalilaisen kosmografin ja kartografin Bartolomeu Velhon kuva Ptolemaioksen geosentrisestä järjestelmästä, 1568. Luotto: Bibliothèque Nationale, Paris
Ptolemaioksen (geosentrinen) malli:
Geosentrinen malli, jossa planeetta Maa on maailmankaikkeuden keskus ja aurinko ja kaikki planeetat kiertävät sitä, on ollut hyväksytty kosmologinen malli muinaisista ajoista lähtien. Muinaisten kreikkalaisten ja roomalaisten tähtitieteilijöiden, kuten Aristoteleen (384–322 eaa.) – jonka fysiikan teorioista tuli planeettojen liikkeen perusta – ja Ptolemaios (noin 100–n. .?170 CE), joka ehdotti matemaattisia ratkaisuja.
Geosentrinen malli päätyi olennaisesti kahteen yleiseen havaintoon. Ensinnäkin muinaisten tähtitieteilijöiden mielestä tähdet, aurinko ja planeetat näyttivät kiertävän Maan ympärillä päivittäin. Toiseksi Maahan sidotun tarkkailijan näkökulmasta Maa ei näyttänyt liikkuvan, mikä teki siitä kiinteän pisteen avaruudessa.
Tähän järjestelmään liitettiin usko, että maa on pallomainen, ja siitä tuli hyväksytty tosiasia 300-luvulla eaa. Sellaisenaan Aristoteleen aikaan universumin geosentrisestä mallista tuli sellainen, jossa Maa, Aurinko ja kaikki planeetat olivat palloja ja jossa aurinko, planeetat ja tähdet kaikki liikkuivat täydellisin ympyräliikkein.
Kuitenkin vasta egyptiläis-kreikkalainen tähtitieteilijä Claudius Ptolemaios (alias Ptolemaios) julkaisi tutkielmansa Almagest 2. vuosisadalla eaa., kun yksityiskohdat standardisoituivat. Ptolemaios väitti, että maa oli maailmankaikkeuden keskellä ja tähdet olivat kaikki vaatimattomalla etäisyydellä maailmankaikkeuden keskustasta.
Mars-planeetta käy läpi 'takasuuntaista liikettä' – ilmiö, jossa se näyttää liikkuvan taaksepäin taivaalla – vuoden 2009 lopulla ja vuoden 2010 alussa. Kiitokset: NASA
Jokaista tämän järjestelmän planeettaa liikuttaa myös kahden pallon järjestelmä – a kunnioittava ja an episykli . Deferentti on ympyrä, jonka keskipiste on poistettu maasta ja jolla otettiin huomioon vuodenaikojen pituuksien erot. Episykli on upotettu puolustavaan palloon, joka toimii eräänlaisena 'pyöränä pyörässä'. Hänen episyklin tarkoitus oli ottaa huomioon taaksepäin suuntautuva liike , jossa planeetat taivaalla näyttävät hidastuvan, liikkuvan taaksepäin ja sitten taas eteenpäin.
Valitettavasti nämä selitykset eivät ottaneet huomioon kaikkia planeettojen havaittuja käyttäytymismalleja. Huomattavin on, että planeetan retrogradisen silmukan koko (etenkin Mars) oli joskus odotettua pienempi ja suurempi. Ptolemaios kehitti ongelman lievittämiseksi yhtälö – geometrinen työkalu, joka sijaitsee lähellä planeetan kiertoradan keskustaa ja saa sen liikkumaan tasaisella kulmanopeudella.
Tässä pisteessä seisovalle tarkkailijalle planeetan episykli näyttäisi aina liikkuvan tasaisella nopeudella, kun taas se näyttää liikkuvan epätasaisella nopeudella kaikista muista paikoista. Vaikka tämä järjestelmä pysyi roomalaisena hyväksyttynä kosmologisena mallina, keskiaikainen Eurooppalaisille ja islamilaisille maailmoille yli tuhat vuotta, se oli raskas nykyaikaisten standardien mukaan.
Se onnistui kuitenkin ennustamaan planeettojen liikkeitä kohtuullisella tarkkuudella, ja sitä käytettiin astrologisten ja tähtitieteellisten karttojen laatimiseen seuraaville 1500 vuodelle. 1500-luvulle mennessä tämä malli syrjäytettiin vähitellen heliosentrisellä universumin mallilla, jota kannattivat Kopernikus ja sitten Galileo ja Kepler.
Kuva George Trebizondin latinankielisestä Almagest-käännöksestä. Luotto: Public Domain
Kopernikaaninen (heliosentrinen) malli:
1500-luvulla Nicolaus Copernicus alkoi suunnitella versiotaan heliosentrisestä mallista. Kuten muutkin ennen häntä, Kopernikus rakensi kreikkalaisen tähtitieteilijän Atistarkoksen työn pohjalta sekä kunnioitti Maragha-koulua ja useita merkittäviä islamilaisen maailman filosofeja (katso alla). 1500-luvun alkuun mennessä Kopernikus tiivisti ajatuksensa lyhyeen tutkielmaan nimeltä Commentariolus ('Pieni kommentti').
Vuoteen 1514 mennessä Kopernikus alkoi levittää kopioita ystäviensä keskuudessa, joista monet olivat tähtitieteilijöitä ja tutkijoita. Tämä 40-sivuinen käsikirjoitus kuvaili hänen ajatuksiaan heliosentrisestä hypoteesista, joka perustui seitsemään yleiseen periaatteeseen. Näissä periaatteissa todettiin, että:
- Kaikki taivaankappaleet eivät pyöri yhden pisteen ympärillä
- Maan keskipiste on kuun pallon keskipiste - Kuun kiertorata Maan ympäri
- Kaikki pallot pyörivät Auringon ympäri, joka on lähellä maailmankaikkeuden keskustaa
- Maan ja Auringon välinen etäisyys on merkityksetön murto-osa Maan ja Auringon etäisyydestä tähtiin, joten parallaksia ei havaita tähdissä
- Tähdet ovat liikkumattomia – niiden näennäinen päivittäinen liike johtuu Maan päivittäisestä pyörimisestä
- Maata liikutetaan Auringon ympärillä olevassa pallossa, mikä aiheuttaa Auringon näennäisen vuotuisen vaeltavan. Maapallolla on enemmän kuin yksi liike
- Maan kiertoliike Auringon ympäri aiheuttaa näennäisen käänteisen planeettojen liikkeiden suunnan
Sen jälkeen hän jatkoi tietojen keräämistä yksityiskohtaisempaa työtä varten, ja vuoteen 1532 mennessä hän oli lähes valmis saamaan magnum opuksensa käsikirjoituksen. Kopernikus (Taivaan sfäärien vallankumouksista).Siinä hän esitti seitsemän pääargumenttiaan, mutta yksityiskohtaisemmassa muodossa ja yksityiskohtaisilla laskelmilla niiden tueksi.
Universumin geosentristen ja heliosentristen mallien vertailu. Luotto: history.ucsb.edu
Sijoittamalla Merkuriuksen ja Venuksen kiertoradat Maan ja Auringon väliin Kopernikus pystyi ottamaan huomioon muutokset niiden ulkonäössä. Lyhyesti sanottuna, kun ne ovat Auringon toisella puolella suhteessa Maahan, ne näyttävät pienemmiltä mutta täynnä. Kun ne ovat samalla puolella aurinkoa kuin maa, ne näyttävät suuremmilta ja 'sarvimaisilta' (puolikuun muotoisilta).
Se selitti myös Marsin ja Jupiterin kaltaisten planeettojen taaksepäin suuntautuvan liikkeen osoittamalla, että Maan tähtitieteilijöillä ei ole kiinteää vertailukehystä vaan liikkuva. Tämä selitti edelleen, kuinka Mars ja Jupiter voivat näyttää tiettyinä aikoina huomattavasti suuremmilta kuin toisinaan. Pohjimmiltaan ne ovat huomattavasti lähempänä Maata oppositiossa kuin ollessaan yhtymäkohdassa.
Kuitenkin, koska hän pelkäsi, että hänen teorioidensa julkaiseminen johtaisi kirkon tuomitsemiseen (sekä kenties huolissaan siitä, että hänen teoriassaan oli joitain tieteellisiä puutteita), hän pidätti tutkimuksensa vuoteen ennen kuolemaansa. Vasta vuonna 1542, kun hän oli lähellä kuolemaa, hän lähetti tutkielmansa Nürnbergiin julkaistavaksi.
Historialliset esikuvat:
Kuten jo todettiin, Kopernikus ei ollut ensimmäinen, joka puolusti heliosentristä näkemystä universumista, ja hänen mallinsa perustui useiden aikaisempien tähtitieteilijöiden työhön. Ensimmäiset tallennetut esimerkit tästä juontavat klassiseen antiikin aikaan, jolloin Aristarkos Samoslainen (n. 310 – 230 eaa.) julkaisi kirjoituksia, jotka sisälsivät aikalaistensa (kuten Arkhimedes) viittauksia.
Aristarkoksen 3. vuosisadalla eKr. laskelmat Auringon, Maan ja Kuun suhteellisista kooista vasemmalta. Luotto: Wikipedia Commons
Hänen tutkielmassaan Hiekkalaskija ,Arkhimedes kuvaili toista Aristarkoksen työtä, jossa hän esitti vaihtoehtoisen hypoteesin heliosentrisesta mallista. Kuten hän selitti:
Nyt olet tietoinen, että useimmat tähtitieteilijät ovat antaneet 'universumi' pallolle, jonka keskipiste on maan keskipiste ja jonka säde on yhtä suuri kuin auringon ja maan keskipisteen välinen suora viiva. Tämä on yleinen kertomus… kuten olet kuullut tähtitieteilijiltä. Mutta Aristarkus Samos toi esille kirjan, joka koostui muutamista hypoteeseista, joiden lähtökohdat johtavat siihen tulokseen, että maailmankaikkeus on monta kertaa suurempi kuin nykyinen ns. Hänen hypoteesinsa ovat, että kiinteät tähdet ja aurinko pysyvät liikkumattomina, että maa pyörii auringon ympäri ympyrän kehällä, aurinko on kiertoradan keskellä ja että kiinteiden tähtien pallo sijaitsee suunnilleen samalla tavalla. Keskipiste kuin aurinko, on niin suuri, että ympyrä, jossa hän olettaa maan pyörivän, on sellaisessa suhteessa kiinteiden tähtien etäisyyteen kuin pallon keskipiste on sen pintaan nähden.
Tästä syntyi ajatus, että 'kiinteiden tähtien' kanssa pitäisi olla havaittava parallaksi (eli tähtien havaittu liike suhteessa toisiinsa, kun maa liikkui Auringon ympäri). Archimedesin mukaan Aristarchos väitti, että tähdet olivat paljon kauempana kuin yleisesti uskotaan, ja tämä oli syy siihen, ettei parallaksia ollut havaittavissa.
Ainoa antiikin filosofi, joka on säilynyt heliosentrisistä kirjoituksista, on Seleukialainen Seleukia (noin 190-150 eaa.). Lähi-idän seleukidivaltakunnassa asunut hellenistinen tähtitieteilijä Seleucus oli Aristarchuksen heliosentrisen järjestelmän kannattaja, ja hänen sanotaan todistaneen heliosentrisen teorian.
Nykyisten lähteiden mukaan Seleucus saattoi tehdä tämän määrittämällä geosentrisen mallin vakiot ja soveltamalla niitä heliosentriseen teoriaan sekä laskemalla planeettojen sijainnit (mahdollisesti trigonometrisin menetelmin). Vaihtoehtoisesti hänen selityksensä saattoi liittyä vuorovesi-ilmiöön, jonka hän arveli liittyvän Kuun vaikutukseen ja Maan vallankumoukseen Maan ja Kuun 'massakeskuksen' ympärillä.
Roomalainen filosofi Martianus Capella Karthagosta ilmaisi 500-luvulla eKr. näkemyksen, että planeetat Venus ja Merkurius pyörivät Auringon ympäri, selittääkseen niiden ulkonäön erot. Capellan mallista keskustelivat varhaiskeskiajalla useat nimettömät 800-luvun kommentaattorit, ja Kopernikus mainitsee hänet vaikuttajana omaan työhönsä.
Myöhäiskeskiajalla piispa Nicole Oresme (noin 1320-1325-1382 jKr.) keskusteli mahdollisuudesta, että maa pyörii akselinsa ympäri. Vuoden 1440 tutkielmassaan Opetusta tietämättömyydestä (On Oppinut Tietämättömyys) Kardinaali Nicholas of Cusa (1401 – 1464 jKr.) kysyi, oliko syytä väittää, että aurinko (tai mikä tahansa muu piste) oli maailmankaikkeuden keskus.
Intialaiset tähtitieteilijät ja kosmologit vihjasivat myös heliosentrisen universumin mahdollisuuteen myöhään antiikin aikana ja keskiajalla. Vuonna 499 jKr. intialainen tähtitieteilijä Aaryabhata julkaisi magnum opuksensa Aryabhatiya , jossa hän ehdotti mallia, jossa Maa pyörii akselinsa ympäri ja planeettojen jaksot annettiin suhteessa aurinkoon. Hän laski myös tarkasti planeettojen jaksot, auringon- ja kuunpimennysten ajat sekä Kuun liikkeen.
Ibn al-Shatirin malli Merkuriuksen esiintymisestä, joka näyttää episyklien lisääntymisen Tusi-parin avulla eliminoiden siten Ptolemaioksen eksentrit ja ekvantin. Luotto: Wikipedia Commons
1400-luvulla Nilakantha Somayaji julkaisiAryabhatiyabhasya, joka oli kommentti AryabhatalleAryabhatiya.Siinä hän kehitti laskennallisen järjestelmän osittain heliosentriselle planeettamallille, jossa planeetat kiertävät aurinkoa, joka vuorostaan kiertää maata. Vuonna Tantrasangraha (1500), hän tarkisti planeettajärjestelmänsä matematiikkaa edelleen ja sisällytti Maan pyörimisen akselinsa ympäri.
Myös universumin heliosentrisellä mallilla oli kannattajia keskiaikaisessa islamilaisessa maailmassa, joista monet inspiroivat Kopernikusta. Ennen 1000-lukua Ptolemaioksen maailmankaikkeuden malli oli Länsi- ja Keski-Aasian tähtitieteilijöille hyväksytty standardi. Ajan mittaan alkoi kuitenkin ilmestyä käsikirjoituksia, jotka kyseenalaistivat useita sen säädöksiä.
Esimerkiksi 10. vuosisadalla elänyt iranilainen tähtitieteilijä Abu Sa’id al-Sijzi kiisti Ptolemaioksen mallin väittäen, että maa pyörii akselinsa ympäri, mikä selittää näennäisen vuorokausikierron ja tähtien pyörimisen suhteessa Maahan. 1000-luvun alussa egyptiläis-arabialainen tähtitieteilijä Alhazen kirjoitti arvostelun otsikollaEpäilykset Ptolemaiosta(n. 1028), jossa hän kritisoi monia mallinsa puolia.
Ulug'Beg-observatorion sisäänkäynti Samarkandissa (Uzbekistan). Luotto: Wikipedia Commons / Sigismund von Dobschütz
Samoihin aikoihin iranilainen filosofi Abu Rayhan Biruni 973 – 1048) keskusteli mahdollisuudesta, että maa pyörii oman akselinsa ympäri ja Auringon ympäri – vaikka hän piti tätä filosofisena eikä matemaattisena. Maraghan ja Ulugh Begin (alias Samarkandin) observatoriossa useat tähtitieteilijöiden sukupolvet keskustelivat Maan pyörimisestä 1200- ja 1400-luvuilla, ja monet esitetyt väitteet ja todisteet muistuttivat Kopernikuksen käyttämiä väitteitä ja todisteita.
Heliosentrisen mallin vaikutus:
Huolimatta hänen peloistaan hänen argumenteistaan, jotka synnyttivät halveksuntaa ja kiistoja, Kopernicun teorioiden julkaiseminen johti vain lievään tuomitsemiseen uskonnollisilta auktoriteilta. Ajan myötä monet uskonnontutkijat yrittivät vastustaa hänen malliaan. Mutta muutaman sukupolven aikana Kopernikuksen teoria yleistyi ja hyväksyttiin ja sai sillä välin monia vaikutusvaltaisia puolustajia.
Nämä mukana Galileo Galilei (1564-1642), jonka taivaiden tutkimukset kaukoputkella antoivat hänelle mahdollisuuden ratkaista heliosentrisen mallin puutteina pidetyt asiat sekä löytää taivaisiin liittyviä näkökohtia, jotka tukivat heliosentristä. Esimerkiksi Galileo löysi Jupiteria kiertävät kuut , Auringonpilkkuja , ja Kuun pinnan epätäydellisyydet – jotka kaikki auttoivat horjuttamaan käsitystä, että planeetat olivat täydellisiä palloja Maan kaltaisten planeettojen sijaan. Vaikka Galileon Kopernikuksen teorioiden puolustaminen johti hänen kotiarestiinsa, muut seurasivat pian.
Myös saksalainen matemaatikko ja tähtitieteilijä Johannes Kepler (1571-1630) auttoi jalostamaan heliosentristä mallia esittelemällä elliptiset kiertoradat . Ennen tätä heliosentrisessä mallissa käytettiin vielä ympyräkiertoradat, mikä ei selittänyt, miksi planeetat kiertävät aurinkoa eri nopeuksilla eri aikoina. Kepler ratkaisi tämän osoittamalla, kuinka planeetta kiihtyi tietyissä kohdissa kiertoradalla ja hidastui toisissa.
Lisäksi Kopernikuksen teoria maapallon kyvystä liikkua inspiroi koko fysiikan alan uudelleenarviointia. Kun aiemmat liikkeen ideat riippuivat ulkopuolisesta voimasta, joka yllytti ja ylläpitää sitä (eli purjetta työntävä tuuli), Kopernikuksen teoriat auttoivat inspiroimaan painovoiman ja inertian käsitteitä. Nämä ajatukset ilmaisivat Sir Isaac Newton , kuka on periaatteet muodosti perustan modernille fysiikan ja tähtitieteen.
Vaikka sen eteneminen oli hidasta, heliosentrinen malli lopulta korvasi geosentrisen mallin. Lopulta sen käyttöönoton vaikutus oli vain vallankumouksellinen. Tästä eteenpäin ihmiskunnan käsitys maailmankaikkeudesta ja paikastamme siinä muuttuisi ikuisesti.
Olemme kirjoittaneet monia mielenkiintoisia artikkeleita heliosentrisestä mallista täällä Universe Today -sivustolla. Aluksi, tässä Galileo palaa Vatikaaniin ja Maa kiertää Aurinkoa , Kuka oli Nikolaus Kopernikus? ja Mitä eroa on geosentristen ja heliosentristen mallien välillä?
Lisätietoja heliosentrismistä saat näistä NASAn artikkeleista Kopernikus tai galaksin keskusta .
Astronomy Castilla on myös jakso aiheesta, nimeltään Jakso 77: Missä on universumin keskus ja Jakso 302: Planetary Motion in the Sky .