kopernikaaninen vallankumous


kopernikaaninen vallankumous

Määritelmä Nikolaus Kopernikuksen alullepanema prosessi, jossa aurinkokunnan maakeskinen malli korvattiin aurinkokeskisellä

Selite "Sitä käytetään mielellään malliesimerkkinä tieteellisestä vallankumouksesta. Vallankumouksen sankareita olivat Kopernikuksen ohella myös Tyko Brahe, Kepler ja Newton. Jonkinlainen osuus oli myös Galileilla. Huomattavista saavutuksistaan huolimatta heillä oli kuitenkin omat siteensä menneisyyteen. Ehkäpä siksi vallankumouksesta tuli hieman outo. Hyvällä syyllä voidaan näet sanoa, että siihen kului aikaa noin kaksi vuosisataa.

Lopun alkua

1500-luvulla paras aurinkokunnan liikkeitä käsittelevä teoria oli Ptolemaioksen huippuunsa kehittämä episykliteoria. Kaikkine eksentreineen ja ekvantteineen se ei ehkä ollut kovin tyylikäs, mutta matemaattisesti ajateltuna siinä ei ollut vikaa. Lisäämällä yhä enemmän ja enemmän uusia episyklejä olisi planeettojen jaksollinen liike kyllä voitu esittää mielivaltaisella tarkkuudella.

Ptolemaioksen malli lopullisessa muodossaan oli aika kaukana aristoteelisesta ihanteesta, sillä se ei enää koostunut yksinkertaisista ympyräliikkeistä. Mallin sekavuutta lisäsi sen epäyhtenäisyys. Samanlaista kuvailua ei suinkaan käytetty kaikille taivaankappaleille, vaan Ptolemaios tarvitsi useita erilaisia mekanismeja. Näiden mallien avulla on vaikea hahmottaa planeetan todellista liikettä, mutta myöhemminkin havainnollisuus on fysiikassa saanut monta kertaa väistyä abstraktin mutta laskennallisesti käyttökelpoisen formalismin tieltä. Ptolemaioksen mallin sotkuisuus ei tarjonnut pakottavaa syytä sen romuttamiseen.

Todellisuudessahan Maa kiertää Aurinkoa. Siksi tuntuisi, että maakeskisessä mallissa maapallon oman liikkeen täytyy jollakin tavoin heijastua kaikkien muiden kappaleiden liikkeisiin. Näin todella olikin. Maakeskisessä mallissa puhumme tietenkin Auringon emmekä Maan liikkeestä. Auringon liike oli tavallaan osana jokaisen planeetan liikettä. Auringolla oli siis selvästi planeettoja hallitseva vaikutus. Tämä oli yksi Ptolemaioksen järjestelmän suuria arvoituksia.

Kopernikus ja De Revolutionibus

Kopernikaanisen vallankumouksen alkuna pidetään usein De Revolutionibus -kirjan ilmestymistä Nikolaus Kopernikuksen kuolinvuonna 1543. Oikeampaa olisi kuitenkin sijoittaa alku kolme vuosikymmentä aikaisemmaksi.

Krakovassa aloittamiaan opintoja Kopernikus jatkoi Italiassa, jossa hän viipyi kymmenen vuotta. Tuosta ajasta tiedetään hyvin vähän. Ilmeisesti Kopernikus tutki Italiassa viettäminään vuosina kanonisen oikeuden ohella myös matematiikkaa ja tähtitiedettä. Samalla hän sai vaikutteita, jotka johtivat ajatukseen aurinkokeskisestä mallista.

Kopernikus palasi Italiasta 1506, ja 1512 hän alkoi hoitaa kaniikin virkaansa Frauenburgissa. Näihin aikoihin ilmestyi Commentariolus, käsikirjoitus, jossa Kopernikus esitti aurinkokeskisen mallinsa periaatteet. Commentarioluksen ilmestymisvuosi ei ole tiedossa, mutta luultavimmin se oli 1512. Vaikka ajatuksia aurinkokeskisestä mallista oli esitetty jo paljon aikaisemminkin, ei ehkä ole kovin väärin sanoa, että juuri vuonna 1512 alkoi se prosessi, joka tunnetaan kopernikaanisena vallankumouksena.

Commentariolus herätti vielä melko vähän huomiota. Aurinkokeskisen mallinsa tueksi Kopernikuksen oli luotava Almagestin tasoinen käsikirja, jossa esitettäisiin yksityiskohtaiset menetelmät liikkeiden laskemiseksi. Tämä työ vei Kopernikukselta koko hänen loppuelämänsä.

Itse asiassa aiheesta ehti ilmestyä jo oppikirjakin ennen Kopernikuksen pääteosta. Vuonna 1539 Wittenbergin yliopiston matematiikan professori Georg Joachim Rheticus matkusti tapaamaan Kopernikusta. Vierailu venähti kahden vuoden mittaiseksi, ja sen aikana Rheticus kirjoitti kopernikaanista mallia käsittelevän oppikirjan Narratio Prima eli ensimmäinen kertomus.

Kopernikus viimeisteli päätyötään vuosikymmeniä. Sen ilmestymiseen vaikuttivat osaltaan myös Rheticus ja Kulmin piispa Tiedemann Giese. De Revolutionibus painettiin Nürnbergissä, ja painatuksen alkuvaiheissa Rheticus valvoi työtä. Rheticuksen vaihdettua työpaikkaa valvonta jäi luterilaiselle teologille Andreas Osianderille Osiander lisäsi teokseen ominpäin esipuheen, jossa hän yritti vesittää teoksen merkityksen. Osiander totesi, että kyseessä on vain uusi laskumenetelmä, jonka ei välttämättä tarvitse vastata todellisuutta. Tämä kuitenkin saattoi auttaa pitämään teoksen poissa kirkon kieltämien kirjojen listalta.

Kopernikuksen De Revolutionibuksessa esittämä aurinkokunnan malli. Todellinen malli ei kuitenkaan ollut näin yksinkertainen, vaan mukana oli myös koko joukko episyklejä.

Joka kuvittelee löytävänsä De Revolutionibuksen sivuilta jotakin riehakkaan vallankumouksellista, pettyy suuresti. Kirja on kuin hieman uuteen uskoon muokattu Almagest. Sen ymmärtämiseksi on ensin syytä opiskella Eukleideen Elementa ja sitten Almagest. Vasta noiden taustatietojen turvin Kopernikuksen kirjaa pystyy ymmärtämään.

Kirjan alussa Kopernikus esittää samanlaisia yleisiä geometrisia aputuloksia kuin Ptolemaioskin. Myös Kopernikus konstruoi taulukon jänteille, vaikka arabialaisten käyttämät sinit lienevät olleet hänen tiedossaan. Kirjassa esitetään myös kiintotähtien luettelo, sekin Almagestistä peräisin, vaikka sillä ei olekaan mitään tekemistä kirjan oleellisimman asian kanssa. Tämän jälkeen Kopernikus käsittelee hyvin perusteellisesti Auringon ja Kuun liikkeitä, vaikka niilläkään ei ole merkitystä aurinkokeskisen mallin kannalta. Vasta viidennessä kirjassa Kopernikus pääsee jälkipolvien mielestä varsinaiseen asiaansa eli planeettojen liikkeeseen.

Kopernikuksen aurinkokuntamalli poikkeaa Ptolemaioksen versiosta vain kahdessa suhteessa. Tärkein on tietenkin se, että keskipiste on siirretty Maasta Aurinkoon tai oikeastaan jonnekin Auringon lähelle. Toinen ero on epäaristoteelisen ekvanttiliikkeen korvaaminen ympyräliikkeillä.

Jälkimmäinen piirre osoittaa, että Kopernikuksen ajattelutapa oli itse asiassa konservatiivisempi kuin Ptolemaioksen ja pitäytyi tiukemmin aristoteelisiin periaatteisiin. Keksintö ei kuitenkaan välttämättä ole Kopernikuksen oma, sillä arabialaiset tähtitieteilijät olivat palanneet tasaisia ympyräliikkeitä käyttävään malliin jo pari vuosisataa ennen Kopernikusta, ja Kopernikus oli mahdollisesti tietoinen noista töistä.

Jos episyklirata a) skaalataan kaksinkertaiseksi, kuten kuvassa b), planeetan suunta (janan MP suunta) ei muutu. Aurinkokeskisessä mallissa c) tämä ei ole mahdollista. Kuvassa d) planeetan radan koko on kaksinkertaistettu, jolloin planeetan näennäinen suunta muuttuu. Kaikissa kuvissa M=Maa, P=planeetta, S=Aurinko ja lambda planeetan kevättasauspisteestä mitattu pituus Maasta nähtynä.

On väitetty, että episyklimallin epätarkkuudet olisivat osaltaan johtaneet uuteen aurinkokeskiseen malliin. Tämä ei voi pitää paikkaansa, sillä Kopernikus kopioi numeroarvonsa Ptolemaiokselta. Samoin koko hänen mallinsa on peräisin Ptolemaiokselta, tosin arabialaisten esittämässä muodossa. Myöhemmin Kepler huomauttikin, että Kopernikus tulkitsi Ptolemaiosta eikä luontoa. Kopernikuksen omat havainnot eivät olleet kovin tarkkoja, eikä niillä ollut oleellista merkitystä aurinkokeskisen mallin kannalta.

Kopernikuksen merkitys onkin siinä, että hän siirsi maailmankaikkeuden keskipisteen maapallolta Aurinkoon. Tällä muutoksella on kaksi kiinnostavaa tähtitieteellistä seurausta.

Ensinnäkin planeettateoriasta tulisi kadota joukko keinotekoisia relaatioita, joiden kautta Auringon liike näyttää heijastuvan kaikkien muiden planeettojen liikkeisiin. Aivan näin onnellisesti ei kuitenkaan käynyt, sillä Kopernikus käytti edelleenkin epätarkkaa episyklimallia liikkeiden kuvaamiseen. Nyt planeettojen liikkeet näyttivät kytkeytyvän Maan liikkeisiin. Maa oli siis yhä jonkinlaisessa erikoisasemassa.

Toinen seuraus oli, että planeettojen ratojen koot saivat yksikäsitteiset arvot. Kuvassa 2 a) planeetta kiertää Maata episykliradalla. Kuvassa b) rata on suurennettu kaksinkertaiseksi. Planeetta näkyy edelleenkin samassa suunnassa. Voimme siis skaalata jokaisen planeetan radan vapaasti eri vakiolla sen vaikuttamatta mitenkään planeetan laskettuihin longitudeihin. Maakeskinen malli ei siis anna mitään tietoa ratojen säteistä, vaan ne ovat vapaasti valittavissa. Kun siirrytään aurinkokeskiseen malliin, tämä valinnanvapaus katoaa.

Kuva 2 c) esittää aurinkokeskistä mallia. Oletamme yksinkertaisuuden vuoksi, että sekä Maa ja tarkasteltava planeetta liikkuvat ympyräradoilla. Kuvassa 1 d) planeetan rata on taas skaalattu kaksinkertaiseksi. Huomaamme, että tämän seurauksena planeetan näennäinen suunta muuttuu.

Aurinkokeskinen mallikaan ei anna absoluuttisia arvoja ratojen säteille, koska ainahan kaikkia aurinkokunnan etäisyyksiä voidaan muuttaa samalla vakiokertoimella. Se antaa kuitenkin etäisyydet suhteessa maapallon ja Auringon välimatkaan eli astronomiseen yksikköön.

Aurinkokunnan keskipisteen siirron filosofiset seuraukset olivat vaikeammin sulatettavissa ja aiheuttivat vastustusta varsinkin kirkon taholta. Aurinkokeskisen mallin vastaisuus on asia, josta katolinen ja luterilainen kirkko olivat virallisesti samaa mieltä.

Toki kopernikanismia vastustivat vielä pitkälle 1600-luvulle monet tähtitieteen ammattilaisetkin. Huomattavimmat heistä, kuten Christoph Scheiner ja Giovanni Battista Riccioli, olivat kuitenkin jesuiittoja ja siten sidoksissa kirkon ajattelutapaan.

Ensimmäinen isku oli ihmisen, jumalan kuvan, joutuminen pois maailmankaikkeuden keskipisteestä. Tähän saakka oli ajateltu, että koko maailma oli olemassa ihmistä varten. Aurinkokeskinen malli vähensi tällaisen opin uskottavuutta ja saattoi siten jopa asettaa epäilyksenalaiseksi kirkon arvovallan.

Toinen merkittävä seuraus oli aristoteelisen filosofian joutuminen kyseenalaiseksi. Se rakentui kaiken keskellä olevan maapallon ympärille; luonnollisia liikkeitä olivat vain ympyräliike maapallon ympäri sekä säteen suuntainen liike maapalloa kohti tai siitä poispäin. Aurinkokeskisessä mallissa Aristoteleen Maan erikoisasemaan perustuva mekaniikka ei enää toimi.

Kopernikuksen malli sai suosiota melko hitaasti. Menestys olisi varmaankin ollut suurempi, jos malli olisi ollut laskennallisesti edeltäjiään ratkaisevasti parempi. Se oli kuitenkin yhtä mutkikas kuin Ptolemaioksenkin malli, eikä tarkkuuskaan ollut paljoa parempi. Uuden mallin käyttöönotolle ei siten ollut mitään painavia käytännön syitä.

Tyko Brahe

Tyge tai latinaksi Tycho Brahe (ja suomalaisittain tietysti Tyko) syntyi silloin Tanskaan kuuluneessa Skoonessa 1546, kolme vuotta Kopernikuksen kuoleman jälkeen.

Tykolle maailmankaikkeus oli olemassa ihmistä varten. Kööpenhaminan yliopistossa 1574 pitämässään luennossa hän ilmaisi asian hyvin selvästi:

Sillä mitä Jumalan ominaisuutta voitaisiin pitää epäoikeudenmukaisempana ja typerämpänä kuin sitä, että hän olisi luonut nämä suuret ja ihailtavat taivaan näkymät ja niin monet kirkkaat tähdet ilman, että niillä olisi käyttöä ja tarkoitusta - kun kukaan ihminen ei tee vähäisintäkään työtään ilman tiettyä päämäärää. Että me voimme mitata vuotemme ja kuukautemme ja päivämme taivaan avulla ikäänkuin ikuisella ja väsymättömällä kellolla ei selitä riittävästi taivaallisen koneiston käyttöä ja tarkoitusta, sillä sen käyttö ajan mittaamiseen riippuu vain sen kirkkaiden valojen liikkeestä ja päivittäisestä kierrosta. Mitä tarkoitusta sitten palvelevat nämä viisi muuta erilaisilla radoilla liikkuvaa planeettaa? - - - Jos siis Jumala on asettanut taivaankappaleet siten kuin ne sijaitsevat merkeissään, niillä täytyy välttämättä olla jokin merkitys, erityisesti ihmiskunnalle, jota varten ne on pääasiassa luotu.

Tällainen teleologinen maailmankuva tekee ymmärrettäväksi Tykon kiinnostuksen astrologiaan, joka tarjosi yhteyden tähtitaivaan ja maanpäällisten ilmiöiden välille. Se selittää myös, miksi Tyko ei voinut hyväksyä Kopernikuksen aurinkokunnan mallia. Eihän toki ollut soveliasta, että ihminen, jota varten kaikki oli luotu, siirrettäisiin syrjään maailmankaikkeuden keskipisteestä.

Koska kaikella kerran on oltava tarkoitus, niin sellainen on myös Tykon havainnoilla. Ne eivät olleet tietoa vain tiedon vuoksi. Ne olivat apuväline, jota ihminen tarvitsi voidakseen käyttää hyväkseen niitä vaikutuksia, joita tähdillä ja planeetoilla oli maanpäällisiin tapahtumiin.

Vuonna 1551 ilmestyivät Erasmus Reinholdin laskemat planeettataulut, Prutenicae Tabulae Coelestum Motuum, jotka perustuivat Kopernikuksen teoriaan. Valitettavasti näidenkään taulukoiden tarkkuus ei ollut kovin hyvä. Tyko Brahe huomasi, että niiden mukaan laskettu Jupiterin ja Saturnuksen kohtaamishetki vuonna 1563 poikkesi useita päiviä todellisesta.

Vaikka Tykon teleologinen ajattelutapa onkin perua Aristoteleelta, hän huomasi ennen pitkää, että aristoteelisessä maailmassa oli jotakin vialla. Vuonna 1572 hän havaitsi, että Kassiopeian tähdistöön oli ilmestynyt kirkas nova stella, uusi tähti.

Aristoteleen mukaan kuunylinen maailma oli ikuinen ja muuttumaton. Muutokset olivat mahdollisia vain sublunaarisessa, kuunalisessa maailmassa. Tyko mittasi uuden tähden paikan sen ollessa lähellä zeniittiä ja uudestaan sen ollessa lähellä horisonttia. Mikäli se oli Kuuta lähempänä, näissä havainnoissa olisi pitänyt näkyä selvästi siirtymä taustataivaan tähtien suhteen. Mitään sellaista Tyko ei kuitenkaan havainnut. Uuden tähden täytyi olla paljon Kuuta kauempana. Eikä siinä kaikki. Pian tähti alkoi himmentyä ja sen väri muuttua. Kahden vuoden kuluttua se oli kadonnut näkyvistä.

Tykon mielestä kysymyksessä oli uusi tähti, joka tiivistyi Linnunradan sumumaisesta aineesta. Nykyisin tiedämme, että kysymyksessä oli supernova, tähti, joka elämänsä ehtoolla räjähti hajalle. Joka tapauksessa taivas ei ollut enää staattinen, vaan siellä saattoi tapahtua kaikenlaista jännittävää. Tämä sai Tykon ryhtymään päätoimiseksi tähtitieteilijäksi.

Matkoillaan Saksassa Tyko osui Kasseliin, jonne Hessenin maakreivi Wilhelm IV (1532-1592) oli rakennuttanut observatorion. Vierailun seurauksena maakreivi kirjoitti Tanskan kuninkaalle Frederik II:lle, että Tanska oli menettämäisillään lupaavan tähtitieteilijän. Tieteistä kiinnostunut kuningas päätti korjata asian lahjoittamalla Tykolle Landskronan edustalla sijaitsevan Hvenin saaren. Vuonna 1576 Tyko alkoi rakentaa saarelle ylellistä observatoriota, Uraniborgia.

Ensimmäiseksi tehtäväkseen Tyko otti Auringon radan määrittämisen. Sitä tehdessään hän joutui mittaamaan myös ilmakehän refraktion saadakseen Auringon korkeuksille riittävän tarkat arvot.

Aurinko voi näkyä korkeintaan kulman epsilon verran ekvaattorin etelä- tai pohjoispuolella. Esimerkiksi talvipäivänseisauksen aikaan Aurinko on kauimpana etelässä, jolloin sen suurin korkeus on a = 90°-(phi + epsilon).

Ensimmäinen selvitettävä asia oli ekliptikan kaltevuus eli maapallon ekvaattoritason ja ratatason välinen kulma epsilon. Tämä saadaan selville tarkkailemalla Auringon korkeutta taivaanrannasta sen ohittaessa eteläsuunnan, jolloin se on korkeimmillaan taivaalla.

Kesäpäivänseisauksen aikaan Auringon deklinaatio on +epsilon. Silloin Auringon korkeus horisontista sen ollessa korkeimmillaan etelässä on edellisen kuvan mukaan

a_kesä = 90° - phi + epsilon,

missä phi on havaintopaikan leveysaste. Talvipäivänseisauksen hetkellä Aurinko on kauimpana etelässä, ja sen deklinaa

Erikieliset vastineet

Copernican revolution

englanti (English)

Alaviitteet

Lähdeviittaus tähän sivuun:
Tieteen termipankki 15.11.2024: Tähtitiede:kopernikaaninen vallankumous. (Tarkka osoite: https://tieteentermipankki.fi/wiki/Tähtitiede:kopernikaaninen vallankumous.)

Siirry tarkastelemaan sivun muokkaushistoriaa →