ROZWÓJ POGLĄDÓW NA BUDOWĘ WSZECHŚWIATA
Od najdawniejszych czasów ludzie interesowali się niebem. Pierwotny człowiek był myśliwym, pasterzem a potem i rolnikiem. Zmiany dnia i nocy regulowały jego zajęcia. Słońce i gwiazdy umożliwiały rozpoznawanie stron świata. Ścisła zależność od pór roku wywołała potrzebę ustalenia jak długi jest rok, jaka jest pora roku, jak długo potrwa, co i kiedy po niej nastąpi. Coraz bardziej potrzebna była rachuba czasu. W ten sposób tryb życia człowieka pierwotnego został ściśle uzależniony od zjawisk astronomicznych. Za najważniejsze ciała niebieskie uznał Słońce i Księżyc. Pierwotny człowiek wątpił w to, że Ziemia jest nieruchoma. Nie odczuwał bowiem najmniejszych objawów ruchu, przyjął więc, że wraz z Ziemią znajduje się w środku wszechświata, a dokoła tego środka poruszają się wszystkie ciała niebieskie. Pogląd ten nazywamy poglądem geocentrycznym, który bezpodstawnie utrzymywał się prze długie wieki.
W zamierzchłych czasach powstał również fałszywy pogląd, że cały świat dzieli się na dwa zupełnie odrębne światy: niedoskonały, którym jest Ziemia, i doskonały, którym jest niebo i ciała niebieskie. Na niedoskonałej Ziemi wszystko jest zniszczalne, śmiertelne, nie ma nic wiecznego. Przeciwnie jest na niebie. Ciała zbudowane są z materii doskonałej, dlatego są wieczne i niezniszczalne. Doskonałe niebo uważano za siedlisko bóstw i innych istot nadprzyrodzonych.
Szczególnie duży wkład w rozwój astronomii wnieśli Grecy. W pierwotnych, naiwnych poglądach filozofów greckich panowało przekonanie, że Ziemia jest płaska. Już jednak w VI wieku p.n.e. zerwał z tym Pitagoras. Głosił, że Ziemia podobnie jak ciała niebieskie ma kształt kuli. Uważał też, że spoczywa ona nieruchomo, niczym nie podtrzymywana, w środku świata.
Trudno dziś orzec na czym opierał swe twierdzenie o kulistości Ziemi. Może tłumaczył to tym, że kula jest najdoskonalszą bryłą spotykaną w przyrodzie? Pitagoras dał też model budowy świata, według którego okrągła Ziemia tkwiła nieruchomo w środku świata otoczona ośmioma przezroczystymi, koncentrycznymi sferami, na których znajdowały się Słońce, Księżyc i planety. Poglądy jego stały się podstawą dalszych pojęć o budowie świata i ogólne ich zasady przetrwały do czasów kopernikowskich.
Jednak prawdziwym twórcą podstaw całej starożytnej i średniowiecznej nauki był Arystoteles. Jego poglądy na budowę wszechświata można uważać za dalsze rozwijanie myśli Pitagorasa. Uważał Ziemią za kulę i na dowód przytaczał fakt, że widoczny w czasie zaćmienia Księżyca cień Ziemi ma kształt koła. Głosił ideę kulistości nie tylko Ziemi, ale także wszystkich ciał niebieskich. Kulę uważał za najdoskonalszą bryłę, a koło za najdoskonalszą krzywą. Podobnie też za najdoskonalszy, najidealniejszy ruch uważał jednostajny ruch po kole. Dodał do tego zasadę, że ruchy ciał niebieskich są również doskonałe i odbywają się po kołach z jednostajną szybkością. Arystoteles odróżniał materię ziemską od substancji niebieskiej. Do podziału materii na ziemię, wodę, powietrze i ogień dodał piąty pozaziemski, który nazwał eterem.
Zbudowana z tych czterech pierwszych elementów Ziemia jest światem zniszczalnym, natomiast zbudowane z eteru ciała niebieskie są wieczne i niezniszczalne. Z geocentrycznego światopoglądu Arystotelesa wynikało, że świat był ograniczony.
Jednym z najwybitniejszych uczonych starożytnych był Klaudiusz Ptolemeusz, żyjący w latach 100-178 n.e w Aleksandrii. Zbudował on geocentryczny model budowy wszechświata wyzyskując do tego kombinację deferentów i epicykli. Model ten tworzy pewną całość i przez całe wieki był podstawą astronomii. Swoją teorię Ptolemeusz podał w dziele pt.\”Megale Syntaksis\” (znanym później po nazwą \”Almagest\”). Według tej teorii budowa świata była następująca: środkiem świata jest oczywiście Ziemia i to zupełnie nieruchoma. Dookoła niej krąży Księżyc. Dalej znajdują się deferenty Merkurego i Wenery, czyli tzw. planet dolnych. Merkury krąży po mniejszym, Wenera po większym epicyklu. Za deferentem Wenery znajduje się droga Słońca. Dalej są deferenty tzw. planet górnych – Marsa, Jowisza i Saturna. Za obszarem zajętym przez planety położona jest sfera gwiazd stałych, obracająca się raz na dobę i udzielająca tego ruchu wszystkim poprzednio wymienionym sferom
. Taka zasada modelu budowy wszechświata okazała się jednak niewystarczająca. Przekonano się, że nie można wytłumaczyć ruchów planet przyjmując jednostajny ruch środków ich epicykli po deferentach. Ptolemeusz wprowadził więc pojęcie tzw. ekwantów, będących pewną przeróbką ekscentryków. Jest rzeczą ciekawą, że pomimo wielowiekowej pracy astronomów, zasada nieruchomości Ziemi pozostała niewzruszona. Robiono wszystko, co było możliwe, aby tylko nie być zmuszonym do przyjęcia twierdzenia, że ziemia nie leży w środku wszechświata i że ma też swój odrębny ruch. Była to z jednej strony pozostałość po poglądach człowieka pierwotnego, z drugiej zaś strony zasady tej broniły religie i związane z nimi klasy panujące.
W V wieku p.n.e. pitagorejczyk Filolaos głosił już, że Ziemia nie jest nieruchomą bryłą spoczywającą w środku wszechświata. Według tej teorii w środku wszechświata znajduje się centralny ogień oświetlający i ogrzewający cały świat. Ziemia okrąża ogień ten raz na dobę, zwracając się do niego zawsze jedną i to niezamieszkaną stroną. W ten sposób Filolaos tłumaczył zjawisko dnia i nocy oraz cały ruch dobowy kuli niebieskiej.
Jego model budowy wszechświata składał się początkowo z 9 sfer. U pitagorejczyków za liczbę doskonałą uważano 10. Ponieważ panowało przekonanie, że cały świat jest doskonały, więc Filolaos dodał 10-tą sferę i umieścił ją wewnątrz sfery Ziemi i kazał po niej krążyć ciału, które nazwał Przeciwziemią ( po grecku Antichton). Model jego jest prymitywny i uzupełniony fantazją. Jest to jedna pierwszy model w którym Ziemia nie spoczywa nieruchomo w środku wszechświata, lecz jest ciałem niebieskim podobnie jak Słońce, Księżyc, planety i gwiazdy.
Niektórzy inni filozofowie jak Hicetas z Syrakuz, Heraklides z Pontu i Ekfantos byli podobnego zdania. Dalej poszedł Ekfantos. Głosił, że Ziemia znajduje się wprawdzie w środku wszechświata, ale obraca się raz na dobę wokół własnej osi. Wyjaśniało to ruch dobowy kuli niebieskiej, a jednocześnie odpadały wymyślone przez Filolasa centralny ogień i Przeciwziemia. Za nauką Ekfantosa opowiedział się Heraklides z Pontu. Według niego Ziemia znajdowała się w środku świata i wykonywała jedynie ruch obrotowy dookoła własnej osi. Dookoła Ziemi krążyły Księżyc, Słońce i planet górny, planety zaś dolne krążyły wokół Słońca i dopiero wraz z nim obiegały Ziemię. System Heraklidesa można by uważać za pośredni między geocentrycznym i heliocentrycznym. Wprawdzie Ziemia, choć obracająca się wokół własnej osi, znajduje się ciągle jeszcze w środku świata, lecz Merkury i Wenera krążą już wokół Słońca. Poglądy te na ogół nie przyjęły się. Nic więc dziwnego, że nie oddziaływały one na losy nauki i że pozostały po nich tylko wzmianki.
Arystarch z Samos żył w III wieku p.n.e. był pierwszym astronomem, który próbował oceniać odległości ciał niebieskich na podstawie obserwacji. Pomiary te jednak były niedokładne. Fakt, iż Arystarch otrzymał błędną odległość Ziemi od Słońca, nie jest istotny. Bardziej istotne jest stwierdzenie, że Słońce znajduje się o wiele dalej od Ziemi niż Księżyc i że przewyższa znacznie rozmiarami Ziemię. Najważniejszy jest jednak wniosek z tego – że Ziemia krąży wokół Słońca. Arystarch poprzez obserwacje i poparte na nich wnioskowania zrozumiał nierealność systemu geocentrycznego. Udało mu się stworzyć pierwszy model heliocentryczny budowy świata. Poglądy jego się z niezrozumieniem i drwinami, popadły w zapomnienie na blisko 2000 lat, stanowiły one jednak podstawę późniejszej teorii Kopernika.
Średniowiecze \”poprawiając\” system Ptolemeusza doprowadziło go wprost do absurdu. Przekonanie o tym, że Ziemia jest środkiem świata było tak mocno zakorzenione, że nawet nie próbowano zastąpić tej zasady inną. Tak więc pomimo prac wielu niejednokrotnie wybitnych astronomów, astronomia krok za krokiem brnęła w ślepą uliczkę.
Ogromny rozwój swobodnej myśli ludzkiej wpłynął w epoce humanizmu i Odrodzenia na znaczne ożywienie badań astronomicznych. Miejsce fantastycznych opowieści o kręgach niebiańskich poruszanych przez aniołów, obrazów Ziemi w rodzaju tego jaki podał Koźma Indikopleustes (Ziemia ma kształt prostokąta) zajął od dawana \”Almagest\” Ptolomeusza przetłumaczony na łacinę już w 1175r. Rozpowszechniały się opisy świata oparte na jego układzie i modele obrazujące ten układ. Zadaniem astronomów stało się wyjaśnianie i pogłębianie nauki Ptolemeusza.
Epokowym momentem w rozwoju poglądów na budowę wszechświata było opublikowanie w 1543 r. wiekopomnego dzieła Mikołaja Kopernika (1473-1543) – \”De Revolionibus\” (O obrotach ) składające się z sześciu ksiąg. W dziele tym Kopernik zawarł ostateczną wersję opracowanej przez siebie teorii heliocentrycznej, przyjmującej, że centralnym ciałem w Układzie Planetarnym jest Słońce. Najważniejsza była pierwsza księga. Kopernik opisał w niej główne zasady swej teorii, że \”świat jest kulisty\” i że \”Ziemia jest również kulista\”. Ziemia nie stanowi żadnego wyróżnionego miejsca we wszechświecie, lecz jest tylko jedną z planet obiegających Słońce. Omawiając w ogólnych zarysach ruchy ciał niebieskich, przyjął tu, wzorując się na starożytnych filozofach, że odbywają się one jednostajnie po kołach. Opisał ruch Ziemi wyjaśniając, że odbija się on na widocznych ruchach ciał niebieskich. W ten sposób wypowiedziana została zasada względności ruchów. Przypisał też Ziemi ruchy, którymi rządzą te same prawa, jakie rządzą ruchami planet. Twierdzenie to było również niezwykle doniosłe, kładło bowiem kres odwiecznemu podziałowi świata na dwie różniące się zupełnie od siebie części – \”Ziemię\” i \”Niebo\”.
Schemat układu wszechświata wg. Kopernika wyglądał następująco: w środku Słońce, dookoła którego krążą planety w następującym porządku: Merkury, Wenera, Ziemia wraz z Księżycem, Mars, Jowisz i Saturn. Całość otoczył nieruchomą sferą gwiazd.
W drugiej księdze wyłożył astronomię sferyczną, a więc pozorny ruch sfery niebieskiej, oraz koła i współrzędne służące do określania położeń ciał niebieskich. Dodał do tego katalog gwiazd.
W trzeciej księdze Kopernik opisał ruch Ziemi wokół Słońca i spowodowany przez niego pozorny ruch roczny Słońca. Obliczył też nową wartość długości roku.
Czwarta księga dotyczy ruchu Księżyca i zaćmień. Kopernik zlikwidował ten ogromny epicykl, jaki dał Księżycowi Ptolemeusz obalając niedorzeczny pogląd, iż Księżyc jest w czasie kwadr dwa razy bliżej Ziemi niż w czasie pełni. Nie odrzucił jednak całkowicie epicyklu, lecz dla wyjaśnienia nieregularności ruchu Księżyca przyjął dla niego mały epicykl. Ostatnie dwie księgi tj. piąta i szósta., zawierają teorię ruchu planet. Kopernik wyjaśnił w nich rzeczywiste i pozorne ich ruchy oraz kolejno drobiazgowo rozpatrzył ruchy wszystkich planet, zaczynając od Saturna a kończąc na Merkurym. Kopernik dał prawidłowy zarys teorii heliocentrycznej, w szczegółach jednak zachował pewne pozostałości dawnej astronomii, jak ruchy po kołach i małe epicykle ( te największe, będące odbiciem ruchu Ziemi dokoła Słońca, znikły). Pomimo pewnych niedociągnięć jego dzieło było wielką rewolucją w astronomii, wielkim krokiem naprzód.
Teoria Kopernika znalazła wkrótce wielu zwolenników. Pierwszym, który nie zawahał się podjąć myśli kopernikańskiej i dalej ją rozwijać był włoski poeta i filozof Giordano Bruno (1548-1600). Głosił, że świat jest nieskończony, że zawiera nieskończenie wiele gwiazd, z których jedną jest Słońce. Podobnie jak Ziemi tak i Słońcu przypisywał ruch obrotowy. Twierdzenie o nieskończoności świata prowadziło do bardzo doniosłego wniosku. Skoro bowiem wszechświat jest nieskończony, więc nie mógł być w jakimś określonym momencie stworzony, czyli że istniał, istnieje i będzie istniał wiecznie. Gdy palono na stosie Giordana Bruno, działał we Włoszech jeszcze wybitniejszy zwolennik teorii Kopernika, Galileusz (Galileo Galilei) – (1564-1642). W 1609 roku jako pierwszy skierował – zbudowaną przez siebie – lunetę w niebo. Na Księżycu zauważył góry oraz ciemne plamy, które nazwał morzami. Odkrył cztery księżyce Jowisza, które na cześć rodu Medyceuszów władców Toskanii, nazwał \”Medyceuszowskimi planetami\”. Wydał dziełko pt. \”Gwiezdny zwiastun\”, w którym opisał swe odkrycia dokonane przez lunetę. Doniosłość jego odkryć stawiano w jednym rzędzie z doniosłością odkrycia Ameryki. W 1610r. Galileusz dokonał odkrycia jeszcze mocniej wykazującego słuszność teorii Kopernika, mianowicie odkrył fazy Wenery (Wenus). Obserwacje wykazały, że fazy Wenery przebiegają tak samo jak fazy Księżyca. Zjawisko to było wymownym dowodem słuszności heliocentrycznej teorii Kopernik, bo gdy by Wenera nie obiegała Słońca, ale tak jak chciał Ptolemusz, krążyła po epicyklu między Słońcem a Ziemią, to byłaby widoczna co najwyżej jako sierp nie mogąc nigdy dojść nawet do \”kwadry\”.
Teoria heliocentryczna natrafiała na sprzeciwy nie tylko Kościoła, ale też i niektórych uczonych, wśród nich najwybitniejszym był duński astronom Tycho Brahe (1546-1601). Brahe był zapalonym i utalentowany, obserwatorem. Nie tylko zebrał ogromną ilość obserwacji pozycji ciał niebieskich, ale podwyższył dokładność obserwacji do 1\’, co w owych czasach było niebywałą dokładnością. Odrzucił teorię Kopernika , ale jednocześnie odrzucił też i teorię Ptolemeusza. Obmyślił własną teorię budowy świata, będącą pewnego rodzaju połączeniem obu tamtych teorii. Według Tychona Brahe świat jest zbudowany następująco: w środku nieruchomo spoczywa Ziemia, dookoła której krąży Słońce i Księżyc, planety krążą wokół Słońca i razem z nim obiegają Ziemię. Całość jest zamknięta sferą gwiazd stałych.
Zwolennikiem teorii Kopernika był Jan Kepler (1571-1630), którt mając materiał obserwacyjny zgromadzony przez Tychona Brache i wyniki obserwacji – przez siebie – Marsa, wykazał, że droga Marsa dookoła Słońca nie jest kołem lecz elipsą, w której ognisku znajduje się Słońce, i że odcinek łączący Słońce z Marsem, czyli tzw. promień wodzący Marsa, w równych czasach zakreśla równe pola. W ten sposób odkrył dwa prawa, zwane dziś jego imieniem:
I – Każda planeta krąży dokoła Słońca po elipsie, a Słońce znajduje się w jednym z dwóch ognisk tej elipsy.
II – Promień wodzący planety opisuje w równych odstępach czasu równe pola.
Prawa te wyjaśniają nierównomierne biegi planet.
W pracy \” Harmonia świata podał zależność pomiędzy czasem obiegu planety dokoła Słońca a odległością od niego. Określił ją tak \” że stosunek między okresami obiegu jakichkolwiek dwóch planet równy jest dokładnie stosunkowi półtorakich potęg ich średniej odległości.\” Dziś to samo prawo formułujemy inaczej i nazywamy trzecim prawem Keplera.
III – Kwadraty czasów obiegu planet są proporcjonalne do sześcianów wielkich osi ich orbit.
Te trzy prawa Keplera unowocześniły system Kopernika i nadały mu jeszcze bardziej zwartą formę.
