Den vetenskapliga revolutionen, som ägde rum på 1500- och 1600-talen, var en tid av aldrig tidigare skådad lärdom och upptäckt. Under denna period lades grunden till modern vetenskap, tack vare genombrott inom fysik, matematik, kemi, biologi och astronomi. Och när det kommer till astronomi var den mest inflytelserika forskaren definitivt Nicolaus Copernicus , mannen krediterad med skapandet av den heliocentriska modellen av universum.
Baserat på pågående observationer av planeternas rörelser, såväl som tidigare teorier från den klassiska antiken och den islamiska världen, föreslog Copernicus en modell av universum där jorden, planeterna och stjärnorna alla kretsade runt solen. Därmed löste han de matematiska problem och inkonsekvenser som uppstod ur den klassiska geocentriska modellen och lade grunden för modern astronomi.
Medan Copernicus inte var den första som föreslog en modell av solsystemet där jorden och planeterna kretsade runt solen, var hans modell av ett heliocentriskt universum både ny och aktuell. För det första kom det vid en tidpunkt då europeiska astronomer kämpade för att lösa de matematiska och observationsproblem som uppstod ur den då accepterade ptolemaiska modellen av universum, en geocentrisk modell som föreslogs på 200-talet e.Kr.
Dessutom var Copernicus modell det första astronomiska systemet som erbjöd en fullständig och detaljerad redogörelse för hur universum fungerade. Inte bara löste hans modell problem som uppstod ur det ptolemaiska systemet, den erbjöd en förenklad bild av universum som gjorde bort med komplicerade matematiska anordningar som behövdes för att den geocentriska modellen skulle fungera. Och med tiden fick modellen inflytelserika förespråkare som bidrog till att den blev den accepterade konventionen för astronomi.
En illustration av det ptolemaiska geocentriska systemet av den portugisiske kosmografen och kartografen Bartolomeu Velho, 1568. Kredit: Bibliothèque Nationale, Paris
Den ptolemaiska (geocentriska) modellen:
Den geocentriska modellen, där planeten Jorden är universums centrum och omges av solen och alla planeter, hade varit den accepterade kosmologiska modellen sedan urminnes tider. Under senantiken hade denna modell kommit att formaliseras av antika grekiska och romerska astronomer, såsom Aristoteles (384 – 322 fvt) – vars teorier om fysik blev grunden för planeternas rörelser – och Ptolemaios (ca 100 – ca. .?170 CE), som föreslog de matematiska lösningarna.
Den geocentriska modellen kom i huvudsak ner på två vanliga observationer. Först av allt, för forntida astronomer verkade stjärnorna, solen och planeterna kretsa runt jorden dagligen. För det andra, från den jordbundna observatörens perspektiv, verkade jorden inte röra sig, vilket gjorde den till en fast punkt i rymden.
Tron på att jorden var sfärisk, vilket blev ett accepterat faktum på 300-talet f.Kr., införlivades i detta system. Som sådan, vid Aristoteles tid, blev den geocentriska modellen av universum en där jorden, solen och alla planeterna var sfärer, och där solen, planeterna och stjärnorna alla rörde sig i perfekta cirkulära rörelser.
Det var dock inte förrän den egyptisk-grekiske astronomen Claudius Ptolemaeus (alias Ptolemaios) släppte sin avhandling Almagest på 200-talet f.Kr. att detaljerna blev standardiserade. Med utgångspunkt i århundraden av astronomiska traditioner, allt från babyloniska till moderna tider, hävdade Ptolemaios att jorden var i universums centrum och att stjärnorna var alla på ett blygsamt avstånd från universums centrum.
Planeten Mars, som genomgår 'retrograd rörelse' - ett fenomen där den verkar röra sig bakåt på himlen - i slutet av 2009 och början av 2010. Kredit: NASA
Varje planet i detta system förflyttas också av ett system med två sfärer – en vördnadsfull och en epicykel . Deferenten är en cirkel vars mittpunkt är borttagen från jorden, som användes för att redogöra för skillnaderna i längderna på årstiderna. Epicykeln är inbäddad i den deferenta sfären och fungerar som ett slags 'hjul i ett hjul'. Syftet med hans epicykel var att redogöra för retrograd rörelse , där planeter på himlen ser ut att sakta ner, röra sig bakåt och sedan gå framåt igen.
Tyvärr tog dessa förklaringar inte hänsyn till alla observerade beteenden hos planeterna. Mest märkbart var storleken på en planets retrograda loop (särskilt Mars) ibland mindre och större än förväntat. För att lindra problemet utvecklade Ptolemaios likställa – ett geometriskt verktyg placerat nära mitten av en planets bana som gör att den rör sig med en jämn vinkelhastighet.
För en observatör som står vid denna punkt skulle en planets epicykel alltid tyckas röra sig med jämn hastighet, medan den verkar röra sig med ojämn hastighet från alla andra platser. Medan detta system förblev den accepterade kosmologiska modellen inom den romerska medeltiden Europeiska och islamiska världar i över tusen år, den var svårhanterlig med moderna mått mätt.
Den lyckades dock förutsäga planetrörelser med en rimlig grad av noggrannhet och användes för att förbereda astrologiska och astronomiska diagram för de kommande 1500 åren. På 1500-talet ersattes denna modell gradvis av den heliocentriska modellen av universum, som förespråkades av Copernicus, och sedan Galileo och Kepler.
Bild på George Trebizonds latinska översättning av Almagest. Kredit: Public Domain
Den kopernikanska (heliocentriska) modellen:
På 1500-talet började Nicolaus Copernicus utarbeta sin version av den heliocentriska modellen. Liksom andra före honom byggde Copernicus på den grekiske astronomen Atistarchus arbete, samt hyllade Maragha-skolan och flera anmärkningsvärda filosofer från den islamiska världen (se nedan). I början av 1500-talet sammanfattade Copernicus sina idéer i en kort avhandling med titeln Commentariolus ('Liten kommentar').
År 1514 började Copernicus cirkulera kopior bland sina vänner, av vilka många var andra astronomer och forskare. Detta fyrtiosidiga manuskript beskrev hans idéer om den heliocentriska hypotesen, som baserades på sju allmänna principer. Dessa principer angav att:
- Himmelska kroppar kretsar inte alla runt en enda punkt
- Jordens centrum är centrum för månens sfär - månens omloppsbana runt jorden
- Alla sfärer roterar runt solen, som är nära universums mitt
- Avståndet mellan jorden och solen är en obetydlig bråkdel av avståndet från jorden och solen till stjärnorna, så parallax observeras inte i stjärnorna
- Stjärnorna är orörliga – deras uppenbara dagliga rörelse orsakas av jordens dagliga rotation
- Jorden förflyttas i en sfär runt solen, vilket orsakar den uppenbara årliga migrationen av solen. Jorden har mer än en rörelse
- Jordens omloppsrörelse runt solen orsakar till synes motsatt riktning av planeternas rörelser
Därefter fortsatte han att samla in data för ett mer detaljerat arbete, och 1532 hade han kommit nära att färdigställa manuskriptet till sitt magnum opus – Copernicus (Om de himmelska sfärernas revolutioner).I den förde han fram sina sju stora argument, men i mer detaljerad form och med detaljerade beräkningar för att backa upp dem.
En jämförelse av universums geocentriska och heliocentriska modeller. Kredit: history.ucsb.edu
Genom att placera Merkurius och Venus banor mellan jorden och solen kunde Copernicus redogöra för förändringar i deras utseende. Kort sagt, när de befinner sig på solens bortre sida, i förhållande till jorden, verkar de mindre men fulla. När de är på samma sida av solen som jorden, verkar de större och 'horniga' (halvmåneformade).
Den förklarade också den retrograda rörelsen hos planeter som Mars och Jupiter genom att visa att jordens astronomer inte har en fast referensram utan en rörlig. Detta förklarade ytterligare hur Mars och Jupiter kunde verka betydligt större vid vissa tidpunkter än vid andra. I grund och botten är de betydligt närmare jorden när de är i opposition än när de är i konjunktion.
Men på grund av rädsla för att publiceringen av hans teorier skulle leda till fördömande från kyrkan (liksom, kanske, oro för att hans teori uppvisade vissa vetenskapliga brister) höll han tillbaka sin forskning till ett år innan han dog. Det var först 1542, när han var nära döden, som han skickade sin avhandling till Nürnberg för att publiceras.
Historiska föregångare:
Som redan nämnts var Copernicus inte den första som förespråkade en heliocentrisk syn på universum, och hans modell baserades på flera tidigare astronomers arbete. De första nedtecknade exemplen på detta spåras till den klassiska antiken, då Aristarchus från Samos (ca. 310 – 230 fvt) publicerade skrifter som innehöll referenser som citerades av hans samtida (som Arkimedes).
Aristarchus beräkningar från 300-talet f.Kr. på de relativa storlekarna på, från vänster, solen, jorden och månen. Kredit: Wikipedia Commons
I hans avhandling Sandräknaren ,Arkimedes beskrev ett annat verk av Aristarchus där han förde fram en alternativ hypotes om den heliocentriska modellen. Som han förklarade:
Nu är du medveten om att 'universum' är det namn som de flesta astronomer ger till den sfär vars centrum är jordens centrum och vars radie är lika med den räta linjen mellan solens centrum och jordens centrum. Detta är den vanliga berättelsen... som ni har hört från astronomer. Men Aristarchus från Samos tog fram en bok som består av några hypoteser, där premisserna leder till resultatet att universum är många gånger större än det som nu kallas. Hans hypoteser är att fixstjärnorna och solen förblir oberörda, att jorden kretsar runt solen i en cirkels omkrets, solen ligger i mitten av omloppsbanan och att fixstjärnornas sfär ligger ungefär likadant. centrum som solen, är så stor att cirkeln i vilken han antar att jorden ska kretsa står i en sådan proportion till fixstjärnornas avstånd som sfärens centrum bär till dess yta.
Detta gav upphov till uppfattningen att det borde finnas en observerbar parallax med de 'fasta stjärnorna' (dvs. en observerad rörelse av stjärnorna i förhållande till varandra när jorden rörde sig runt solen). Enligt Arkimedes hävdade Aristarchos att stjärnorna var mycket längre bort än vad man brukar tro, och detta var anledningen till ingen urskiljbar parallax.
Den enda andra filosofen från antiken vars skrifter om heliocentrism har överlevt är Seleucis från Seleucia (ca 190 – 150 f.Kr.). En hellenistisk astronom som levde i det nära-östra Seleucidriket, Seleucus var en förespråkare för Aristarchus heliocentriska system och sägs ha bevisat den heliocentriska teorin.
Enligt samtida källor kan Seleukos ha gjort detta genom att bestämma konstanterna för den geocentriska modellen och tillämpa dem på en heliocentrisk teori, samt beräkna planetariska positioner (eventuellt med hjälp av trigonometriska metoder). Alternativt kan hans förklaring ha inblandat fenomenet tidvatten, som han antas vara relaterat till månens inflytande och jordens rotation runt jorden-månen 'masscentrum'.
På 500-talet e.Kr. uttryckte den romerske filosofen Martianus Capella från Kartago en åsikt att planeterna Venus och Merkurius kretsade runt solen, som ett sätt att förklara skillnaderna i deras utseende. Capellas modell diskuterades under tidig medeltid av olika anonyma 800-talskommentatorer, och Copernicus nämner honom som ett inflytande på sitt eget arbete.
Under senmedeltiden diskuterade biskop Nicole Oresme (ca 1320-1325 till 1382 e.Kr.) möjligheten att jorden roterade runt sin axel. I sin avhandling från 1440 Av lärd okunnighet (På Lärt Okunnighet) Kardinal Nicholas av Cusa (1401 – 1464 e.Kr.) frågade om det fanns någon anledning att hävda att solen (eller någon annan punkt) var universums centrum.
Indiska astronomer och kosmologer antydde också möjligheten av ett heliocentriskt universum under senantiken och medeltiden. År 499 publicerade den indiske astronomen Aaryabhata sin magnum opus Aryabhatiya , där han föreslog en modell där jorden snurrade runt sin axel och planeternas perioder gavs med hänsyn till solen. Han beräknade också exakt planeternas perioder, tiderna för sol- och månförmörkelserna och månens rörelse.
Ibn al-Shatirs modell för Merkurius framträdanden, som visar multiplikationen av epicykler med hjälp av Tusi-paret, vilket eliminerar de ptolemaiska excentriker och equant. Kredit: Wikipedia Commons
På 1400-talet publicerade Nilakantha SomayajiAryabhatiyabhasya, som var en kommentar till AryabhatasAryabhatiya.I den utvecklade han ett beräkningssystem för en delvis heliocentrisk planetmodell, där planeterna kretsar runt solen, som i sin tur kretsar runt jorden. I den Tantrasangraha (1500) reviderade han matematiken för sitt planetsystem ytterligare och införlivade jordens rotation på sin axel.
Den heliocentriska modellen av universum hade också förespråkare i den medeltida islamiska världen, av vilka många skulle fortsätta att inspirera Copernicus. Före 900-talet var den ptolemaiska modellen av universum den accepterade standarden för astronomer i Väst- och Centralasien. Men med tiden började manuskript dyka upp som ifrågasatte flera av dess föreskrifter.
Till exempel motsatte den iranska astronomen Abu Sa'id al-Sijzi från 1000-talet den ptolemaiska modellen genom att hävda att jorden kretsade runt sin axel, vilket förklarade den skenbara dygnscykeln och stjärnornas rotation i förhållande till jorden. I början av 1000-talet skrev den egyptisk-arabiske astronomen Alhazen en kritik med titelnTvivlar på Ptolemaios(ca 1028) där han kritiserade många aspekter av sin modell.
Ingång till observatoriet Ulug’Beg i Samarkand (Uzbekistan). Kredit: Wikipedia Commons / Sigismund von Dobschütz
Ungefär samtidigt diskuterade den iranske filosofen Abu Rayhan Biruni 973 – 1048) möjligheten att jorden roterar runt sin egen axel och runt solen – även om han ansåg att detta var en filosofisk fråga och inte en matematisk. Vid observatoriet Maragha och Ulugh Beg (aka. Samarkand) diskuterades jordens rotation av flera generationer av astronomer mellan 1200- och 1400-talen, och många av argumenten och bevisen som lades fram liknade de som Copernicus använde.
Effekten av den heliocentriska modellen:
Trots hans rädsla för att hans argument framkallade hån och kontroverser, resulterade publiceringen av Copernicus teorier i endast milda fördömanden från religiösa myndigheter. Med tiden försökte många religiösa forskare argumentera mot hans modell. Men inom några generationers tid blev Copernicus teori mer utbredd och accepterad, och fick många inflytelserika försvarare under tiden.
Dessa inkluderade Galileo Galilei (1564-1642), vars undersökningar av himlen med hjälp av teleskopet tillät honom att lösa vad som sågs som brister i den heliocentriska modellen, samt att upptäcka aspekter om himlen som stödde heliocentrism. Till exempel upptäckte Galileo månar som kretsar kring Jupiter , Solfläckar , och ofullkomligheterna på månens yta - som alla bidrog till att undergräva föreställningen att planeterna var perfekta klot, snarare än planeter som liknar jorden. Medan Galileos förespråkande av Copernicus teorier resulterade i hans husarrest, följde snart andra efter.
Den tyske matematikern och astronomen Johannes Kepler (1571-1630) hjälpte också till att förfina den heliocentriska modellen med sin introduktion av elliptiska banor . Dessförinnan använde den heliocentriska modellen fortfarande cirkulära banor, vilket inte förklarade varför planeter kretsade runt solen med olika hastigheter vid olika tidpunkter. Genom att visa hur planeten rusade upp på vissa punkter i sina banor och saktade ner i andra, löste Kepler detta.
Dessutom skulle Copernicus teori om att jorden är kapabel till rörelse inspirera till ett omtänkande av hela fysikområdet. Medan tidigare idéer om rörelse var beroende av en yttre kraft för att anstifta och upprätthålla den (d.v.s. vind som knuffade ett segel) hjälpte Copernicus teorier till att inspirera till begreppen gravitation och tröghet. Dessa idéer skulle artikuleras av Sir Isaac Newton , vem är Principer utgjorde grunden för modern fysik och astronomi.
Även om dess framsteg var långsam, ersatte den heliocentriska modellen så småningom den geocentriska modellen. I slutändan var effekten av dess införande inget mindre än revolutionär. Hädanefter skulle mänsklighetens förståelse av universum och vår plats i det för alltid förändras.
Vi har skrivit många intressanta artiklar om den heliocentriska modellen här på Universe Today. Till att börja med, här är Galileo återvänder till Vatikanen och Jorden går runt solen , Vem var Nicolaus Copernicus? och Vad är skillnaden mellan de geocentriska och heliocentriska modellerna?
För mer information om heliocentrism, ta en titt på dessa artiklar från NASA på Copernicus eller mitten av galaxen .
Astronomy Cast har också ett avsnitt om ämnet, med titeln Avsnitt 77: Var är universums centrum och Avsnitt 302: Planetary Motion in the Sky .