De Copernicaanse revolutie

De renaissance bracht een frisse geest van onderzoek in de kunsten en wetenschappen. Ontdekkingsreizigers en reizigers brachten de overblijfselen van klassieke kennis mee naar huis die in de islamitische wereld en het Oosten bewaard waren gebleven, en in de 15e eeuw werd de heliocentrische hypothese van Aristarchus opnieuw ter discussie gesteld in bepaalde geleerde kringen. De stoutmoedigste stap werd gezet door de Poolse astronoom Nicolaus Copernicus, die zo lang aarzelde met de publicatie dat hij pas op zijn sterfbed in 1543 een gedrukt exemplaar van zijn eigen werk te zien kreeg. Copernicus onderkende meer dan wie ook de voordelen van een op de zon gericht planetenstelsel. Door ervan uit te gaan dat de aarde om de zon draaide, kon hij de omzwervingen van de planeten kwalitatief veel eenvoudiger verklaren dan Ptolemaeus. Bijvoorbeeld, op bepaalde momenten in de bewegingen van de Aarde en Mars om de Zon, zou de Aarde de geprojecteerde beweging van Mars inhalen, en dan zou die planeet achteruit door de dierenriem lijken te gaan. Helaas bleef Copernicus in zijn systeem rond de Zon vasthouden aan de gevestigde traditie van het gebruik van uniforme cirkelvormige beweging, en als hij slechts één grote cirkel voor de baan van elke planeet aannam, zouden zijn berekende planeetposities in feite kwantitatief slechter zijn in vergelijking met de waargenomen posities van de planeten dan tabellen gebaseerd op het Ptolemeïsche systeem. Dit gebrek zou gedeeltelijk kunnen worden gecorrigeerd door extra kleinere cirkels aan te brengen, maar dan zou veel van de schoonheid en eenvoud van Copernicus’ oorspronkelijke systeem verloren gaan. Bovendien, hoewel de Zon nu van de lijst van planeten was verwijderd en de Aarde was toegevoegd, moest de Maan nog steeds om de Aarde heen bewegen.

Britannica Quiz

Astronomie en Ruimtevaart Quiz

Wat maakt een planeet een dwergplaneet? Hoeveel mijl zit er in een lichtjaar? Wat is een quasar precies? Start in andere werelden terwijl je je kennis over de ruimte, hemellichamen en het zonnestelsel test.

Het was Galileo die de kracht van nieuw uitgevonden lenzen uitbuitte om een telescoop te bouwen die indirecte steun voor het Copernicaanse standpunt zou verzamelen. De critici hadden geen rationeel antwoord op Galileo’s ontdekking van de correlatie van Venus’ verlichtingsfasen met haar baanpositie ten opzichte van de zon, die haar verplichtte om rond dat lichaam te draaien in plaats van rond de aarde. Evenmin konden zij zijn ontdekking weerleggen van de vier helderste satellieten van Jupiter (de zogenaamde Galileïsche satellieten), die aantoonden dat planeten inderdaad manen konden hebben. Ze konden alleen weigeren door de telescoop te kijken of te zien wat hun eigen ogen hen vertelden.

Galileo zette ook een systematische aanval in op andere aanvaarde leerstellingen van Aristoteles door bijvoorbeeld aan te tonen dat de zon niet volmaakt was maar vlekken had. Van alle kanten belaagd door wat zij als ketters beschouwde, dwong de kerk Galileo in 1633 zijn steun aan het heliocentrische systeem te herroepen. Opgesloten in huisarrest tijdens zijn laatste jaren, zou Galileo feitelijke experimenten en gedachte-experimenten uitvoeren (samengevat in een verhandeling) die de kern van de Aristotelische dynamica zouden weerleggen. In het bijzonder formuleerde hij het concept dat uiteindelijk (in de handen van René Descartes) zou leiden tot de zogenaamde eerste wet van de mechanica – namelijk dat een lichaam in beweging, vrij van wrijving en van alle andere krachten, zich niet in een cirkel, maar in een rechte lijn met uniforme snelheid voortbeweegt. Het referentiekader voor dergelijke metingen waren uiteindelijk de “vaste sterren”. Galileo beweerde ook dat lichamen van verschillend gewicht in het zwaartekrachtsveld van de aarde en bij afwezigheid van luchtweerstand met dezelfde snelheid zouden vallen. Deze bevinding zou uiteindelijk (in handen van Einstein) leiden tot het equivalentiebeginsel, een hoeksteen van de algemene relativiteitstheorie.

Het was de Duitse astronoom Johannes Kepler, een tijdgenoot van Galileo, die de cruciale klap zou toedienen die het succes van de Copernicaanse revolutie verzekerde. Van alle planeten waarvan Copernicus de banen had proberen te verklaren met een enkele cirkel, had Mars de grootste afwijking (de grootste excentriciteit, in de astronomische nomenclatuur); daarom regelde Kepler samenwerking met de meest vooraanstaande sterrenkundige van zijn tijd, Tycho Brahe van Denemarken, die in de loop van vele jaren de meest nauwkeurige positiebepalingen van deze planeet had verzameld. Toen Kepler na Tycho’s dood eindelijk toegang kreeg tot de gegevens, probeerde hij nauwgezet de waarnemingen in te passen in de ene kromme na de andere. Het werk was vooral moeilijk omdat hij uit moest gaan van een baan van de aarde voordat hij de effecten van haar beweging zelfbewust kon aftrekken. Uiteindelijk, na veel pogingen en afwijzingen, vond hij een eenvoudige, elegante oplossing – een ellips met de zon in één brandpunt. De andere planeten vielen ook op hun plaats. Deze triomf werd gevolgd door andere, waaronder Keplers ontdekking van zijn zogenaamde drie wetten van de beweging van de planeten. De empirische overwinning veilig gesteld, was de weg vrijgemaakt voor Newtons weergaloze theoretische campagnes.

Twee torenhoge prestaties baanden de weg voor Newtons verovering van het dynamisch probleem van de planeetbewegingen: zijn ontdekkingen van de tweede wet van de mechanica en van de wet van de universele gravitatie. De tweede wet van de mechanica veralgemeende het werk van Galileo en Descartes over de dynamica van het aardse, en stelde vast hoe lichamen in het algemeen bewegen wanneer zij worden onderworpen aan externe krachten. De wet van de universele gravitatie veralgemeende het werk van Galileo en de Engelse natuurkundige Robert Hooke over de aardse zwaartekracht, door te stellen dat twee massieve lichamen elkaar aantrekken met een kracht die recht evenredig is met het product van hun massa’s en omgekeerd evenredig met het kwadraat van hun onderlinge afstand. Door zuiver wiskundige deductie toonde Newton aan dat deze twee algemene wetten (waarvan de empirische basis in het laboratorium berustte), wanneer zij op het hemelrijk werden toegepast, de drie wetten van Kepler voor de beweging van de planeten impliceerden. Deze briljante coup voltooide het Copernicaanse programma om het oude wereldbeeld te vervangen door een alternatief dat veel superieur was, zowel in conceptueel principe als in praktische toepassing. In dezelfde geniale krachttoer verenigde Newton de mechanica van hemel en aarde en luidde het tijdperk van de moderne wetenschap in.

Bij het formuleren van zijn wetten stelde Newton als postulaten de begrippen absolute ruimte (in de zin van de Euclidische meetkunde) en absolute tijd (een mathematische grootheid die in het heelal stroomt zonder verwijzing naar iets anders). Er bestond wel een soort relativiteitsbeginsel (“Galileïsche relativiteit”) in de vrijheid om verschillende inertiale referentiekaders te kiezen – d.w.z. de vorm van Newtons wetten werd niet beïnvloed door beweging met constante snelheid ten opzichte van de “vaste sterren”. Newtons schema maakte echter ondubbelzinnig een scheiding tussen ruimte en tijd als fundamenteel gescheiden entiteiten. Deze stap was noodzakelijk om vooruitgang te kunnen boeken, en het was zo’n wonderbaarlijk nauwkeurige benadering van de waarheid voor het beschrijven van bewegingen die langzaam zijn vergeleken met de snelheid van het licht, dat het meer dan twee eeuwen lang alle beproevingen doorstond.

In 1705 gebruikte de Engelse astronoom Edmond Halley de wetten van Newton om te voorspellen dat een zekere komeet die in 1682 voor het laatst was gezien, 76 jaar later weer zou verschijnen. Toen de komeet van Halley in de nacht van Kerstmis 1758 terugkeerde, vele jaren na de dood van zowel Newton als Halley, zou geen ontwikkeld mens ooit nog ernstig kunnen twijfelen aan de kracht van mechanistische verklaringen voor natuurverschijnselen. Ook zou niemand zich meer zorgen maken dat de weerbarstige excursies van kometen door het zonnestelsel de kristallen bollen zouden verbrijzelen die eerdere denkers mentaal hadden geconstrueerd om planeten en de andere hemellichamen door de hemelen te voeren. De aandacht van professionele astronomen ging nu steeds meer uit naar het begrijpen van de sterren.

In deze laatste inspanning leidden de Britse astronoom William Herschel en zijn zoon John de aanval. Door de bouw van steeds krachtigere spiegeltelescopen konden zij aan het eind van de jaren 1700 en het begin van de jaren 1800 de hoekposities en de schijnbare helderheid van veel zwakke sterren meten. In een eerder tijdperk had Galileo zijn telescoop op de Melkweg gericht en gezien dat deze uit ontelbare afzonderlijke sterren bestond. Nu begonnen de Herschels aan een ambitieus programma om de verdeling van de sterren aan de hemel kwantitatief te meten. Uitgaande van de veronderstelling (voor het eerst overgenomen door de Nederlandse wiskundige en wetenschapper Christiaan Huygens) dat de flauwte een statistische maat voor de afstand is, leidden zij de enorme gemiddelde afstanden van de sterren af. Dit standpunt werd voor de dichtstbijzijnde sterren rechtstreeks bevestigd door parallaxmetingen van hun afstanden tot de aarde. Later bleek uit foto’s die over een periode van vele jaren waren genomen, ook dat sommige sterren over de gezichtslijn van plaats veranderden ten opzichte van de achtergrond; zo leerden de astronomen dat sterren niet echt vast staan, maar dat zij ten opzichte van elkaar bewegen. Deze echte bewegingen – evenals de schijnbare bewegingen ten gevolge van parallax, voor het eerst gemeten door de Duitse astronoom Friedrich Bessel in 1838 – werden door de ouden niet waargenomen vanwege de enorme afstandsschaal van het stellaire universum.