Den kopernikanska revolutionen

Renässansen förde med sig en fräsch undersökningsanda till konst och vetenskap. Utforskare och resenärer förde hem de rester av klassisk kunskap som hade bevarats i den muslimska världen och i öst, och på 1400-talet började Aristarkos’ heliocentriska hypotes återigen debatteras i vissa bildade kretsar. Det djärvaste steget togs av den polske astronomen Nicolaus Copernicus, som tvekade så länge inför publiceringen att han inte såg ett tryckt exemplar av sitt eget arbete förrän han låg på sin dödsbädd 1543. Copernicus insåg djupare än någon annan fördelarna med ett solcentrerat planetsystem. Genom att anta uppfattningen att jorden kretsade kring solen kunde han på ett kvalitativt sätt förklara planeternas fram- och återvändande vandringar på ett mycket enklare sätt än Ptolemaios. Vid vissa tidpunkter i jordens och Mars rörelser runt solen skulle jorden till exempel hinna ikapp Mars projicerade rörelse, och då skulle den planeten tyckas gå baklänges genom zodiaken. Tyvärr fortsatte Kopernikus i sitt solcentrerade system att följa den etablerade traditionen att använda enhetlig cirkelrörelse, och om han antog endast en stor cirkel för varje planets omloppsbana skulle hans beräknade planetpositioner i själva verket vara kvantitativt sämre i jämförelse med de observerade positionerna för planeterna än tabeller baserade på det ptolemeiska systemet. Denna brist skulle delvis kunna korrigeras genom att tillhandahålla ytterligare mindre cirklar, men då skulle mycket av skönheten och enkelheten i Copernicus ursprungliga system gå förlorad. Dessutom, även om solen nu hade tagits bort från listan över planeter och jorden lagts till, behövde månen fortfarande röra sig runt jorden.

Britannica Quiz

Astronomi och rymd Quiz

Vad gör en planet till en dvärgplanet? Hur många mil är ett ljusår? Vad exakt är en kvasar? Ta dig till andra världar medan du testar dina kunskaper om rymden, himlakroppar och solsystemet.

Det var Galileo som utnyttjade kraften hos nyuppfunna linser för att bygga ett teleskop som skulle samla indirekt stöd för det kopernikanska synsättet. Kritikerna hade inget rationellt svar på Galileis upptäckt av sambandet mellan Venus belysningsfaser och dess banposition i förhållande till solen, vilket krävde att den kretsade kring denna kropp i stället för jorden. De kunde inte heller motbevisa hans upptäckt av Jupiters fyra ljusaste satelliter (de så kallade Galileiska satelliterna), som visade att planeter faktiskt kan ha månar. De kunde bara vägra att titta genom teleskopet eller vägra att se vad deras egna ögon berättade för dem.

Galileo genomförde också ett systematiskt angrepp på andra accepterade läror från Aristoteles genom att till exempel visa att solen inte var perfekt utan hade fläckar. Belägrad på alla sidor av vad den uppfattade som kätterska uppståndelser tvingade kyrkan Galilei att 1633 återkalla sitt stöd för det heliocentriska systemet. Under sina sista år i husarrest utförde Galileo faktiska experiment och tankeexperiment (sammanfattade i en avhandling) som skulle motbevisa kärnan i den aristoteliska dynamiken. Framför allt formulerade han det begrepp som så småningom skulle leda (hos René Descartes) till mekanikens så kallade första lag – nämligen att en kropp i rörelse, befriad från friktion och alla andra krafter, skulle röra sig, inte i en cirkel, utan i en rak linje med jämn hastighet. Referensramen för att göra sådana mätningar var slutligen de ”fasta stjärnorna”. Galileo hävdade också att i jordens gravitationsfält och i avsaknad av luftmotstånd skulle kroppar av olika vikt falla med samma hastighet. Denna upptäckt skulle så småningom (i Einsteins händer) leda till ekvivalensprincipen, en hörnsten i den allmänna relativitetsteorin.

Det var den tyske astronomen Johannes Kepler, en samtida till Galilei, som skulle komma att ge det avgörande slaget som försäkrade den kopernikanska revolutionens framgång. Av alla de planeter vars banor Kopernikus hade försökt förklara med en enda cirkel hade Mars den största avvikelsen (den största excentriciteten, i den astronomiska nomenklaturen); därför ordnade Kepler ett samarbete med sin tids främste observationsastronom, Tycho Brahe från Danmark, som under många år hade samlat på sig de mest exakta positionsmätningarna av denna planet. När Kepler äntligen fick tillgång till uppgifterna efter Tychos död försökte han mödosamt anpassa observationerna till den ena kurvan efter den andra. Arbetet var särskilt svårt eftersom han var tvungen att anta en bana för jorden innan han på ett självkonsistent sätt kunde subtrahera effekterna av dess rörelse. Slutligen, efter många nära förestående fall och förkastningar, kom han fram till en enkel och elegant lösning – en ellips med solen i ett av fokusområdena. De andra planeterna föll också på plats. Denna triumf följdes av andra, bland annat Keplers upptäckt av sina så kallade tre lagar för planeternas rörelse. Den empiriska segern var säkrad, och scenen var klar för Newtons makalösa teoretiska kampanjer.

Två stora framgångar banade väg för Newtons erövring av det dynamiska problemet med planetrörelser: hans upptäckter av mekanikens andra lag och av lagen om universell gravitation. Den andra mekaniska lagen generaliserade Galileos och Descartes arbete om jordens dynamik, genom att fastställa hur kroppar i allmänhet rör sig när de utsätts för yttre krafter. Lagen om universell gravitation är en generalisering av Galileos och den engelske fysikern Robert Hookes arbete om jordisk gravitation, där man hävdar att två massiva kroppar drar till sig varandra med en kraft som är direkt proportionell mot produkten av deras massor och omvänt proportionell mot kvadraten på deras avstånd till varandra. Genom ren matematisk slutledning visade Newton att dessa två allmänna lagar (vars empiriska grund låg i laboratoriet), när de tillämpades på den himmelska världen, innebar Keplers tre lagar för planetarisk rörelse. Denna briljanta kupp fullbordade det kopernikanska programmet för att ersätta den gamla världsåskådningen med ett alternativ som var långt överlägset, både i konceptuell princip och i praktisk tillämpning. I samma genidrag förenade Newton mekaniken för himmel och jord och inledde den moderna vetenskapens era.

I samband med att han formulerade sina lagar hävdade Newton som postulat begreppen absolut rum (i betydelsen euklidisk geometri) och absolut tid (en matematisk kvantitet som flödar i universum utan att hänvisa till något annat). Ett slags relativitetsprincip fanns visserligen (”Galileisk relativitet”) i friheten att välja olika tröghetsreferensramar – dvs. formen för Newtons lagar var opåverkad av rörelse med konstant hastighet i förhållande till ”fixstjärnorna”. Newtons schema skiljde dock otvetydigt mellan rum och tid som fundamentalt skilda enheter. Detta steg var nödvändigt för att framsteg skulle kunna göras, och det var en så fantastiskt exakt approximation av sanningen för att beskriva rörelser som är långsamma jämfört med ljusets hastighet att det klarade alla prövningar i mer än två århundraden.

I 1705 använde den engelske astronomen Edmond Halley Newtons lagar för att förutsäga att en viss komet, som senast hade setts 1682, skulle dyka upp igen 76 år senare. När Halleys komet återkom på juldagskvällen 1758, många år efter både Newtons och Halleys död, kunde ingen bildad person någonsin mer på allvar tvivla på kraften hos mekanistiska förklaringar till naturfenomen. Ingen skulle heller återigen oroa sig för att kometernas oregerliga utflykter genom solsystemet skulle slå sönder de kristallina sfärer som tidigare tänkare mentalt hade konstruerat för att transportera planeter och andra himlakroppar genom himlen. De professionella astronomernas uppmärksamhet riktades nu alltmer mot en förståelse av stjärnorna.

I den sistnämnda satsningen ledde den brittiske astronomen William Herschel och hans son John angreppet. Byggandet av allt kraftfullare reflekterande teleskop gjorde det möjligt för dem att under slutet av 1700-talet och början av 1800-talet mäta vinkelpositionerna och den skenbara ljusstyrkan hos många svaga stjärnor. Under en tidigare epok hade Galileo vänt sitt teleskop mot Vintergatan och sett att den bestod av otaliga enskilda stjärnor. Nu inledde Herschels ett ambitiöst program för att kvantitativt mäta fördelningen av stjärnorna på himlen. Med utgångspunkt i antagandet (som först antogs av den nederländske matematikern och vetenskapsmannen Christiaan Huygens) att svaghet är ett statistiskt mått på avstånd, kunde de härleda de enorma genomsnittliga avstånden mellan stjärnorna. Detta synsätt bekräftades direkt för de närmaste stjärnorna genom parallaxmätningar av deras avstånd från jorden. Senare visade fotografier som togs under många år också att vissa stjärnor bytte plats över siktlinjen i förhållande till bakgrunden. På så sätt fick astronomerna veta att stjärnor inte är verkligt fasta, utan snarare rör sig i förhållande till varandra. Dessa verkliga rörelser – liksom de skenbara som beror på parallax, som först uppmättes av den tyske astronomen Friedrich Bessel 1838 – upptäcktes inte av de gamla på grund av den enorma avståndsskalan i stjärnuniversumet.