Ei ole kaukaa haettua sanoa, että kopernikaaninen vallankumous muutti perusteellisesti tapaa, jolla ajattelemme paikkaamme maailmankaikkeudessa. Antiikin aikana ihmiset uskoivat Maan olevan aurinkokunnan ja maailmankaikkeuden keskus, kun taas nyt tiedämme, että olemme vain yhdellä monista aurinkoa kiertävistä planeetoista.

Mutta tämä näkemyksen muutos ei tapahtunut yhdessä yössä. Pikemminkin tarvittiin lähes vuosisadan ajan uutta teoriaa ja huolellisia havaintoja, joissa käytettiin usein yksinkertaista matematiikkaa ja alkeellisia mittalaitteita, jotta todellinen sijaintimme taivaalla paljastui.

Voimme saada käsityksen siitä, miten tämä syvällinen muutos kehittyi, kun tarkastelemme siihen vaikuttaneiden tähtitieteilijöiden jättämiä todellisia muistiinpanoja. Nämä muistiinpanot antavat meille viitteitä siitä työstä, oivalluksista ja nerokkuudesta, joka ajoi kopernikaanista vallankumousta.

Vaeltavat tähdet

Kuvittele olevasi antiikin tähtitieteilijä, joka tutkii yötaivasta ilman kaukoputkea. Aluksi planeetat eivät oikein erotu tähdistä. Ne ovat hieman kirkkaampia kuin useimmat tähdet ja tuikkivat vähemmän, mutta muuten näyttävät tähdiltä.

Antiikissa planeetat erotti tähdistä oikeastaan niiden liike taivaalla. Yöstä toiseen planeetat liikkuivat vähitellen suhteessa tähtiin. Itse asiassa ”planeetta” on johdettu muinaiskreikan kielen sanasta ”vaeltava tähti”.

Marsin liike useiden viikkojen aikana.

Eikä planeettojen liike ole yksinkertaista. Planeetat näyttävät nopeutuvan ja hidastuvan taivaalla kulkiessaan. Planeetat jopa kääntävät tilapäisesti suuntaa, jolloin ne osoittavat ”retrogradista liikettä”. Miten tämä voidaan selittää?

Ptolemaioksen epikyylit

Sivu Ptolemaioksen Almagestin arabiankielisestä kopiosta, joka havainnollistaa Ptolemaioksen mallia planeetan liikkeestä Maan ympäri. Qatarin kansalliskirjasto

Vanhan ajan kreikkalaiset tähtitieteilijät laativat aurinkokunnasta geosentrisiä (maapallokeskeisiä) malleja, jotka saavuttivat huippunsa Ptolemaioksen työn myötä. Tämä Ptolemaioksen Almagestin arabiankielisestä kopiosta peräisin oleva malli on kuvattu yllä.

Ptolemaios selitti planeettojen liikkeen kahden ympyräliikkeen päällekkäisyyksien avulla, suuren ”deferentti”-ympyrän yhdistettynä pienempään ”epicycle”-ympyrään.

Lisäksi kunkin planeetan deferentti voitiin siirtää Maan sijainnista, ja tasainen (kulma)liike deferentin ympärillä voitiin määritellä ekvantiksi kutsutun sijainnin avulla Maan sijainnin tai deferentin keskipisteen sijasta. Ymmärrätkö?

Se on melko monimutkaista. Mutta kunniaksi mainittakoon, että Ptolemaioksen malli ennusti planeettojen sijainnit yötaivaalla muutaman asteen tarkkuudella (joskus paremminkin). Ja siitä tuli siten ensisijainen keino selittää planeettojen liikkeitä yli vuosituhannen ajan.

Kopernikuksen siirtymä

Kopernikaaninen vallankumous sijoitti auringon aurinkokuntamme keskipisteeseen. Kongressin kirjasto

Kuolemaansa vuonna 1543 Nikolaus Kopernikus aloitti samannimisen vallankumouksensa julkaisemalla teoksensa De revolutionibus orbium coelestium (Taivaanpallojen kiertokulusta). Kopernikuksen aurinkokuntamalli on heliosentrinen, jossa planeetat kiertävät Maan sijasta Aurinkoa.

Kopernikaanisen mallin ehkä tyylikkäin osa on sen luonnollinen selitys planeettojen muuttuvalle näennäiselle liikkeelle. Marsin kaltaisten planeettojen taantumuksellinen liike on pelkkä illuusio, joka johtuu siitä, että Maa ”ohittaa” Marsin niiden molempien kiertäessä Aurinkoa.

Ptolemaioksen matkatavaroita

Alkuperäisessä kopernikaanisessa mallissa on yhtäläisyyksiä ptolemaiolaisiin malleihin, mukaan lukien ympyräliikkeet ja epikyklit. Kongressin kirjasto

Epäonnekseen alkuperäiseen kopernikaaniseen malliin oli ladattu ptolemaiolaisia matkatavaroita. Kopernikaaniset planeetat kulkivat edelleen aurinkokunnassa ympyräliikkeiden superpositiolla kuvatuilla liikkeillä. Kopernikus luopui halveksimastaan ekvantista, mutta korvasi sen matemaattisesti vastaavalla epikyylillä.

Astronomihistorioitsija Owen Gingerich ja hänen kollegansa laskivat planeettakoordinaatteja käyttäen ptolemaiolaisia ja kopernikaanisia aikakauden malleja ja havaitsivat, että molemmissa oli vertailukelpoisia virheitä. Joissakin tapauksissa Marsin sijainnissa on virhe 2 astetta tai enemmän (paljon suurempi kuin kuun halkaisija). Lisäksi alkuperäinen kopernikaaninen malli ei ollut yhtään yksinkertaisempi kuin aiempi ptolemaiolainen malli.

Koska 1500-luvun tähtitieteilijöillä ei ollut käytettävissään kaukoputkia, newtonilaista fysiikkaa ja tilastoja, heille ei ollut itsestään selvää, että kopernikaaninen malli oli ptolemaiolaista mallia ylivoimaisempi, vaikka se sijoitti auringon oikein aurinkokunnan keskipisteeseen.

Tuli Galilei

Galileon kaukoputkihavainnot planeetoista, mukaan lukien Venuksen vaiheet, osoittivat, että planeetat kiertävät Aurinkoa. NASA

Vuonna 1609 Galileo Galilei käytti hiljattain keksimäänsä kaukoputkea havainnoidakseen aurinkoa, kuuta ja planeettoja. Hän näki kuun vuoret ja kraatterit ja paljasti ensimmäistä kertaa, että planeetat ovat omia maailmojaan. Galilei toimitti myös vahvan havainnollisen todisteen siitä, että planeetat kiersivät Aurinkoa.

Galileon havainnot Venuksesta olivat erityisen vakuuttavia. Ptolemaiolaisissa malleissa Venus pysyy koko ajan Maan ja Auringon välissä, joten meidän pitäisi useimmiten tarkastella Venuksen yöpuolta. Galilei pystyi kuitenkin havainnoimaan Venuksen päiväpuolista puolta, mikä osoitti, että Venus voi olla maapalloa vastakkaisella puolella aurinkoa.

Keplerin sota Marsin kanssa

Johannes Kepler kolmiomittasi Marsin sijainnin käyttämällä havaintoja Marsista sen palatessa kiertoradallaan samaan kohtaan. Sydneyn yliopisto

Ptolemaiolaisen ja kopernikaanisen mallin kiertoliikkeet johtivat suuriin virheisiin erityisesti Marsin kohdalla, jonka ennustettu sijainti saattoi olla useita asteita virheellinen. Johannes Kepler omisti vuosia elämästään Marsin liikkeen ymmärtämiseen, ja hän ratkaisi tämän ongelman mitä nerokkaimmalla aseella.

Planeetat toistavat (suunnilleen) samaa rataa kiertäessään Aurinkoa, joten ne palaavat samaan paikkaan avaruudessa kerran joka kiertoratajaksolla. Esimerkiksi Mars palaa samaan paikkaan kiertoradallaan 687 päivän välein.

Koska Kepler tiesi päivämäärät, jolloin planeetta oli samassa asennossa avaruudessa, hän pystyi käyttämään Maan eri sijainteja sen omalla kiertoradalla planeettojen sijainnin kolmiomittaamiseen, kuten edellä on esitetty. Kepler pystyi tähtitieteilijä Tycho Brahen teleskooppia edeltävien havaintojen avulla jäljittämään planeettojen elliptiset radat niiden kiertäessä Aurinkoa.

Tämän ansiosta Kepler pystyi muotoilemaan kolme planeettojen liikkeen lakia ja ennustamaan planeettojen sijainnit paljon tarkemmin kuin aiemmin oli mahdollista. Näin hän loi pohjan 1600-luvun lopun newtonilaiselle fysiikalle ja sitä seuranneelle merkittävälle tieteelle.

Kepler itse kiteytti uuden maailmankuvan ja sen laajemman merkityksen vuonna 1609 ilmestyneessä teoksessa Astronomia nova (Uusi tähtitiede):

Minulle totuus on kuitenkin vieläkin hurskaampi, ja (kaikella kunnioituksella kirkon tohtoreita kohtaan) todistan filosofisesti, etten ainoastaan todista, että maapallo on pyöreä, en ainoastaan, että se on asuttu koko matkan ympäri antipodeissa, en ainoastaan, että se on halveksuttavan pieni, vaan myös, että sitä kuljetetaan pitkin tähtien välissä.