Nie jest przesadą stwierdzenie, że rewolucja kopernikańska fundamentalnie zmieniła sposób, w jaki myślimy o naszym miejscu we wszechświecie. In antiquity people believed the Earth was the centre of the solar system and the universe, whereas now we know we are on just one of many planet orbiting the sun.

But this shift in view didn’t happen overnight. Raczej zajęło to prawie sto lat nowej teorii i uważnych obserwacji, często przy użyciu prostej matematyki i podstawowych instrumentów, aby ujawnić naszą prawdziwą pozycję w niebie.

Możemy uzyskać wgląd w to, jak ta głęboka zmiana się rozwijała, patrząc na notatki pozostawione przez astronomów, którzy się do niej przyczynili. Te notatki dają nam wskazówkę co do pracy, spostrzeżeń i geniuszu, który napędzał rewolucję kopernikańską.

Wędrujące gwiazdy

Wyobraź sobie, że jesteś astronomem ze starożytności, badającym nocne niebo bez pomocy teleskopu. Na początku planety nie wyróżniają się zbytnio spośród gwiazd. Są nieco jaśniejsze niż większość gwiazd i mniej mrugają, ale poza tym wyglądają jak gwiazdy.

W starożytności tym, co naprawdę odróżniało planety od gwiazd, był ich ruch po niebie. Z nocy na noc planety stopniowo przesuwały się w stosunku do gwiazd. Rzeczywiście „planeta” pochodzi od starożytnej greki oznaczającej „wędrującą gwiazdę”.

Ruch Marsa na przestrzeni wielu tygodni.

A ruch planetarny nie jest prosty. Planety wydają się przyspieszać i zwalniać, gdy przemierzają niebo. Planety nawet chwilowo zmieniają kierunek, wykazując „ruch wsteczny”. Jak można to wyjaśnić?

Epicykle Ptolemeusza

Strona arabskiej kopii Almagestu Ptolemeusza, ilustrująca model ptolemejski dla planety poruszającej się wokół Ziemi. Qatar National Library

Starożytni greccy astronomowie stworzyli geocentryczne (skoncentrowane na Ziemi) modele Układu Słonecznego, które osiągnęły swój szczyt wraz z pracą Ptolemeusza. Ten model, od Arabski kopia Ptolemeusz’s Almagest, ilustrować above.

Ptolemeusz wyjaśnił ruch planet za pomocą superpozycji dwóch ruchów kołowych, dużego koła „deferentu” połączonego z mniejszym kołem „epicyklem”.

Co więcej, deferent każdej planety mógł być przesunięty względem położenia Ziemi, a ruch jednostajny (kątowy) wokół deferentu można było określić za pomocą położenia zwanego równikiem, a nie położenia Ziemi lub środka deferentu. Zrozumiałeś?

To jest raczej skomplikowane. Ale, ku jego zasłudze, model Ptolemeusza przewidywał pozycje planet na nocnym niebie z dokładnością do kilku stopni (czasami lepiej). I w ten sposób stał się podstawowym sposobem wyjaśniania ruchu planet przez ponad tysiąclecie.

Przesunięcie Kopernika

Rewolucja kopernikańska umieściła słońce w centrum naszego układu słonecznego. Library of the Congress

W 1543 r., roku swojej śmierci, Mikołaj Kopernik rozpoczął tytułową rewolucję publikując De revolutionibus orbium coelestium (O obrotach sfer niebieskich). Model układu słonecznego Kopernika jest heliocentryczny, z planetami krążącymi wokół Słońca, a nie Ziemi.

Prawdopodobnie najbardziej elegancki kawałek the Kopernik model być swój naturalny wyjaśnienie the zmienny pozorny ruch the planeta. The retrograde motion of planetas such as Mars is merely an illusion, caused by the Earth „overtaking” Mars as they both orbit the sun.

Ptolemaic baggage

The original Copernican model has similarities to Ptolemaic models, including circular motions and epicycles. Library of the Congress

Niestety, oryginalny model kopernikański był obciążony bagażem ptolemejskim. Planety kopernikańskie nadal przemieszczały się po Układzie Słonecznym wykorzystując ruchy opisane superpozycją ruchów kołowych. Kopernik pozbył się pogardzanej przez siebie równianki, ale zastąpił ją równoważną matematycznie epicykletą.

Astronom-historyk Owen Gingerich i jego współpracownicy obliczyli współrzędne planet przy użyciu ptolemeuszowskiego i kopernikańskiego modelu epoki i stwierdzili, że oba miały porównywalne błędy. W niektórych przypadkach pozycja Marsa jest obarczona błędem o 2 stopnie lub więcej (znacznie większym niż średnica Księżyca). Moreover, the oryginalny Copernican model was no simpler than the earlier Ptolemaic model.

As 16th Century astronomers did not have access to telescopes, Newtonian physics, and statistics, it was not obvious to them that the Copernican model was superior to the Ptolemaic model, even though it correctly placed the sun in the centre of the solar system.

Along comes Galileo

Galileo’s telescopic observations of the planet, including the phases of Venus, demonstrated that planets travel around the Sun. NASA

Od 1609 roku Galileo Galilei używał niedawno wynalezionego teleskopu do obserwacji słońca, księżyca i planet. Zobaczył góry i kratery na Księżycu i po raz pierwszy odkrył, że planety są światami samymi w sobie. Galileusz dostarczył również mocnych dowodów obserwacyjnych na to, że planety krążą wokół Słońca.

Obserwacje Wenus przez Galileusza były szczególnie przekonujące. W modelach Ptolemeusza Wenus pozostaje pomiędzy Ziemią a Słońcem przez cały czas, więc powinniśmy oglądać głównie nocną stronę Wenus. Ale Galileusz był w stanie obserwować oświetloną w dzień stronę Wenus, wskazując, że Wenus może znajdować się po przeciwnej stronie Słońca niż Ziemia.

Wojna Keplera z Marsem

Johannes Kepler dokonał triangulacji położenia Marsa, wykorzystując obserwacje Marsa, gdy powracał on do tej samej pozycji na swojej orbicie. University of Sydney

Ruchy kołowe modeli ptolemejskiego i kopernikańskiego skutkowały dużymi błędami, szczególnie dla Marsa, którego przewidywana pozycja mogła być błędna o kilka stopni. Johannes Kepler poświęcił lata swojego życia na zrozumienie ruchu Marsa i rozwiązał ten problem za pomocą najbardziej pomysłowej broni.

Planety (w przybliżeniu) powtarzają tę samą ścieżkę, gdy krążą wokół Słońca, więc wracają do tej samej pozycji w przestrzeni raz na każdy okres orbitalny. Na przykład, Mars powraca do tej samej pozycji na swojej orbicie co 687 dni.

As Kepler znać the data gdy planeta być przy the ten sam pozycja w przestrzeń, on móc the różny pozycja the Ziemia wzdłuż swój swój orbita the planeta pozycja, jak ilustrować above. Kepler, korzystając z przedteleskopowych obserwacji astronoma Tycho Brahego, był w stanie wyznaczyć eliptyczne ścieżki planet krążących wokół Słońca.

To pozwoliło Keplerowi sformułować jego trzy prawa ruchu planet i przewidzieć pozycje planet z dużo większą precyzją niż było to wcześniej możliwe. W ten sposób położył fundamenty pod fizykę newtonowską końca XVII wieku i niezwykłą naukę, która nastąpiła później.

Kepler sam uchwycił nowy światopogląd i jego szersze znaczenie w Astronomia nova (Nowa astronomia) z 1609 r.:

Dla mnie jednak prawda jest jeszcze bardziej pobożna i (z całym szacunkiem dla Doktorów Kościoła) udowadniam filozoficznie nie tylko to, że ziemia jest okrągła, nie tylko to, że jest zamieszkana na antypodach, nie tylko to, że jest pogardliwie mała, ale także to, że jest niesiona wśród gwiazd.