Badania przedkopernikańskie

Kulistość i rozmiary Ziemi

Człowiek od najdawniejszych czasów obserwował gwiazdy. Zastanawiał się nad ich usytuowaniem w przestrzeni i nad relacjami, jakie występują między nim a Ziemią i niebem. Początkowo przyjmował, że świat jest taki, jakim go widział w bezpośrednich obserwacjach. Mógł zatem uznać, że Ziemia jest płaska, a niebo rozpościera się nad nią w postaci sferycznej kopuły. Wydawało się, że wszystkie gwiazdy, jak również Księżyc i Słońce znajdują się na tej kopule – na tzw. „sklepieniu niebieskim”. Tego wyrażenia używa się w języku potocznym i literackim do dzisiaj.

Dzisiaj wiemy, że pogląd o usytuowaniu wszystkich widzialnych obiektów kosmicznych na tzw. sklepieniu niebieskim, w jednakowej odległości od Ziemi, jest nieprawidłowy, jednak w starożytności był on bardzo popularny. Co więcej, w takiej lub nieco zmienionej postaci, utrzymywał się aż do czasów średniowiecznych.

Jednak nie wszyscy podzielali poglądy ogółu. Już niektórzy starożytni uczeni (m.in. pitagorejczycy i inni uczeni greccy w IV i III wieku p.n.e.) na podstawie dość precyzyjnych, jak na owe czasy, obserwacji ciał niebieskich – Księżyca, planet i Słońca – wyciągnęli zaskakująco trafne i nowatorskie wnioski. Odbiegały one znacznie od popularnego w tamtych czasach postrzegania Kosmosu.

Twierdzili oni, między innymi, że Ziemia nie jest płaska, ale ma kształt kuli – do wniosku o kulistości Ziemi prowadziły obserwacje statków znikających za horyzontem (il. 1.2). Odkryli, że Księżyc znajduje się o wiele bliżej Ziemi niż Słońce. Głosili, że ruch dobowy sfery niebieskiej da się wytłumaczyć ruchem wirowym Ziemi z zachodu na wschód. Jeden z uczonych, Arystarch, ogłosił rewolucyjną tezę, że Słońce znajduje się w centrum Wszechświata, a Ziemia zajmuje położenie peryferyjne. Nie miał jednak wystarczających dowodów na poparcie swoich poglądów i, podobnie jak wiele innych, popadły one w zapomnienie.

Jednym z pierwszych uczonych głoszących pogląd o kulistym kształcie Ziemi był Pitagoras (VI w. p.n.e.). W III wieku p.n.e. Eratostenes jako pierwszy wyznaczył długość promienia Ziemi (patrz Przykład 1: Czy potrafiłbyś określić rozmiary Ziemi, mając takie dane, jakimi dysponował Eratostenes?).

Obiekty pozaziemskie

Podobnie jak nasi przodkowie w czasach starożytnych, my też – wpatrując się w niebo – możemy ulec wrażeniu, że gwiazdy, Słońce, Księżyc i planety obracają się wokół Ziemi oraz że gwiazdy nie zmieniają położenia względem siebie na sferze niebieskiej. W rzeczywistości znajdują się one w różnych odległościach od nas i poruszają się względem siebie, ale ich ruch możemy wykryć wyłącznie za pomocą bardzo precyzyjnych instrumentów astronomicznych, ponieważ są bardzo odległe.

Planety, chociaż na pierwszy rzut oka przypominają gwiazdy, znajdują się znacznie bliżej nas i – podobnie jak Ziemia – są globami okrążającymi Słońce. Zmieniają one swoje położenie na tle gwiazd. Można się łatwo o tym przekonać podczas regularnych, wielodobowych obserwacji nieba, (il. 1.4). Tym właśnie „wędrówkom” na tle tzw. „gwiazd stałych” planety zawdzięczają swoją nazwę, bowiem w języku greckim planetes astron oznacza wędrującą gwiazdę.

Starożytni, obserwując planety, widzieli, że poruszają się one na niebie po skomplikowanych torach, zakreślając pętle na tle gwiazd. Wyjaśnienie tego zjawiska w systemie geocentrycznym było bardzo zawiłe. Aleksandryjski astronom Klaudiusz Ptolemeusz, działający w II wieku n.e., objaśniał obserwowany na Ziemi ruch planet, zakładając, że poruszają się one po tzw. epicyklach, czyli po torach kołowych, których środki przemieszczają się po kołowych orbitach wokółziemskich (il. 1.5).

Teoria Kopernika

Polski astronom Mikołaj Kopernik znalazł znacznie prostsze wyjaśnienie wzajemnych ruchów ciał niebieskich. Przyjął, że to Słońce znajduje się w centrum, a Ziemia wraz z innymi planetami krąży wokół niego. Ziemia wiruje też wokół własnej osi, co tłumaczy dobowy ruch ciał na niebie. Swoje odkrycie Kopernik opisał w opublikowanym w 1543 roku dziele pt. De revolutionibus orbium coelestium (O obrotach ciał niebieskich).

Kopernik, postulując, że to nie Ziemia stanowi centrum Wszechświata i że jest ona tylko jedną z planet, dokonał prawdziwego przewrotu w ówczesnym światopoglądzie. Jego model, zwany heliocentrycznym, zakładał, że Słońce stanowi środek Wszechświata. Obecnie wiemy, że Słońce znajduje się w środku układu planetarnego; wiemy również, że jest ono tylko jedną z wielu miliardów gwiazd, leżącą na peryferiach naszej Galaktyki. Oprócz niej istnieją miliardy innych galaktyk.

Dzieło Kopernika wywarło wielki wpływ na rozwój nauki. Pozwoliło Johannesowi Keplerowi odkryć prawa ruchu planet, Galileuszowi (Galileo Galilei) – zasadę względności, a Izaakowi Newtonowi – prawa dynamiki i grawitacji. Newton – ojciec nowoczesnej fizyki – opisując podłoże swoich odkryć, stwierdził, że „opierał się na dwóch olbrzymach: na Koperniku i Galileuszu”.

Kopernik oraz późniejsi fizycy i astronomowie doprowadzili do zmiany przekonania o tym, że Słońce, planety i gwiazdy obracają się wokół Ziemi, jednak dowody świadczące o ruchu wirowym i obiegowym Ziemi pojawiły się dopiero pod koniec XVII i w XVIII wieku. Najbardziej przekonującego dowodu ruchu wirowego Ziemi dostarczył Jean Bernard Léon Foucault [wym. fuko] – stosunkowo niedawno – w połowie XIX wieku. Zademonstrowane przez niego wahadło (zwane dzisiaj wahadłem Foucaulta) przyniosło mu wielką sławę. Zasadę działania tego wahadła poznasz, wykonując doświadczenie „Foucault”.

Współczesne badania Kosmosu

Obecnie dysponujemy niewspółmiernie większymi niż kiedykolwiek w historii możliwościami obserwacyjnymi i podstawami teoretycznymi, co jest efektem rozwoju fizyki. To, co osiągnęliśmy w ostatnich czasach, w wieku XX i na początku XXI, przewyższa swoim znaczeniem wszystkie dotychczasowe odkrycia w historii astronomii.

Do współczesnych technik obserwacyjnych zaliczamy:

1. badania za pomocą teleskopów, (również tych wyposażonych w spektrometry) i radioteleskopów,
2. badania za pomocą sond kosmicznych i satelitów badawczych, docierających w pobliże innych planet, ich księżyców czy też komet, a także lądujących na powierzchni tych ciał,
3. bezpośrednią eksplorację ciał kosmicznych przez człowieka (np. podczas lądowania na Księżycu).

Współczesnymi badawczymi narzędziami teoretycznymi są:

1. mechanika klasyczna, uzupełniona i rozszerzona przez Alberta Einsteina o szczególną teorię względności,
2. teoria grawitacji Newtona, uzupełniona i rozszerzona przez Einsteina o ogólną teorię względności,
3. termodynamika,
4. mechanika kwantowa i sformułowane za jej pomocą teoria budowy atomu, fizyka jądrowa i fizyka cząstek elementarnych.

Niektóre z obecnych technik badawczych zostały wprowadzone już wcześniej. Dotyczy to teleskopów, teorii grawitacji i termodynamiki. Pierwszym badaczem, który zastosował teleskop do badań ciał pozaziemskich, był Galileusz. Odniósł on sukces, odkrywając kilka księżyców krążących wokół Jowisza (il. 1.12). Odkrycie to było istotnym dowodem słuszności teorii Kopernika. Połączenie teleskopów ze spektrometrami dostarczyło dalszych informacji o budowie Słońca i gwiazd.

Ludzie przez wiele wieków obserwowali Wszechświat, odbierając wyłącznie docierające do Ziemi światło widzialne. Wszechświat wydawał się statyczny, niezmienny w czasie. Prawdziwą rewolucję stanowiło wprowadzenie obserwacji w innych zakresach fal elektromagnetycznych: od fal radiowych przez promieniowanie podczerwone, nadfioletowe, rentgenowskie do promieniowania gamma. Wyniesienie urządzeń badawczych na orbitę, poza atmosferę ziemską (il. 1.11b), pozwoliło otrzymać niezwykle ostre i szczegółowe fotografie dalekich obiektów astronomicznych. Przykładami mogą być przepiękne fotografie wykonane przez Kosmiczny Teleskop Hubble’a umieszczony na orbicie okołoziemskiej w 1990 r.

Za pomocą nowych technik obserwacyjnych odkryto m.in. olbrzymie strumienie wysokoenergetycznych cząstek wyrzucanych z jąder galaktyk, kwazary o jasności większej niż jasność całej naszej Galaktyki, zaczęto badać wybuchy gwiazd supernowych, poszukiwać planet krążących wokół odległych gwiazd. Okazało się, że Wszechświat jest bardzo interesujący, dynamiczny i ulega nieustannym zmianom.