Kopernikaaninen vallankumous
Kopernikaaninen vallankumous tarkoittaa Kopernikuksen alullepanemaa prosessia, jossa aurinkokunnan maakeskinen malli korvattiin aurinkokeskisellä. Sitä käytetään mielellään malliesimerkkinä tieteellisestä vallankumouksesta. Vallankumouksen sankareita olivat Nikolai Kopernikus, Tyko Brahe, Galileo Galilei ja Sir Isaac Newton. Kumous kesti kaikkiaan noin kaksi vuosisataa.

Uuden ajan alku
Euroopassa 1200- ja 1300-luvuilla ihmiset olivat läpeensä kyllästyneet keskiajan rajoittuneeseen ja ahdasmieliseen yhteiskuntaan. He oppivat jälleen nauttimaan maanpäällisen elämän iloista, odotettuaan tuhat vuotta vain hartaina kuolemanjälkeisiä riemuja. Renessanssi alkoi Italiassa 1300-luvun puolivälissä, kun ihmiset kiinnostuivat jälleen eurooppalaisen kulttuurin kreikkalaisista juurista. Filosofiassa, tieteissä, teologiassa, maalaustaiteessa, kuvanveistossa, arkkitehtuurissa, runoudessa, muodissa, tutkimusmatkoissa – aivan kaikessa – renessanssin ihmiset hyökkäsivät siihen asti hiljaa hyväksyttyjä auktoriteettien säätämiä valmiita ‘totuuksia’ vastaan.

Bysantin keisarikunnan luhistuessa oppineet muuttivat läntiseen Eurooppaan, missä he perustivat akatemioita ja toivat järjestelmällisyyden tieteeseen.

Kirjapainotaito saapui 1400-luvulla Eurooppaan. Johannes Gutenberg (1397-1468) kehitti irtokirjasimet. Painokoneita rakennettiin 50 vuodessa 183 eurooppalaiseen kaupunkiin. Erasmus Rotterdamilaisen Encomium Moriae (Tyhmyyden ylistys, 1509), joka hyökkäsi katolisen kirkon väärinkäytöksiä vastaan, oli ensimmäisiä koko Euroopan ajatteluun vaikuttaneita kirjoja.

Leonardo da Vinci (1452-1519), Michelangelo (1475-1564), Rafael (1483-1520) ja lukuisat muut heidän aikalaisensa loivat taidehistorian merkittävimpiä taideteoksia. Leonardo oli myös keksijä ja suunnitteli sorvin, porakoneen, panssarivaunun, auton, laskuvarjon, lentokoneen...







Portugalin prinssi Henrikin (Purjehtija) laivat tutkivat 1400-luvulla Afrikan länsirannikkoa yhä etelämmäs, kunnes 1488 Bartolomeu Diasin laiva purjehti Hyväntoivonniemen ympäri ja käväisi Intian valtamerellä. Kristoffer Kolumbus ja Amerigo Vespucci löysivät ja tutkivat Amerikan rannikkoa Espanjan nimiin 1492-1504. Portugalilainen Vasco da Gama purjehti Intiaan 1498 ja Fernão Magalhães, Espanjan nimiin, Etelä-Amerikan ympäri Tyynelle valtamerelle. Hänen retkikuntansa purjehti ensimmäisenä maailman ympäri (Magalhães itse sai surmansa taistelussa Filippiineillä).

Katolinen kirkko heikentyi ‘paavien vankeuden’ 1309-1378 ja sitä seuranneen Rooman paavin ja Avignonin ‘vastapaavin’ kilpailun aikana. Renessanssin aikana kirkon väärinkäytöksiä arvosteltiin entistä ankarammin ja lopulta Martin Lutherin (1483-1546) ja Johannes Calvinin (1509-1564) johdolla uskonpuhdistus raastoi kirkon hajalle.







Nikolaus Copernicus (1473-1543)
“Nykyaikaisen tähtitieteen perustaja” syntyi Torunissa, Puolassa, opiskeli matematiikkaa ja optiikkaa Krakovassa ja kanonista oikeutta Bolognassa ja Padovassa. Krakovassa ja Italiassa hän perehtyi myös tähtitieteeseen ja sai vaikutteita, joihin hänen uusi aurinkokuntamallinsa perustui.

Puolaan Kopernikus palasi 1506. Vuonna 1512 hän alkoi hoitaa kaniikin virkaa Itä-Preussin Frauenburgissa ja julkaisi vähälle huomiolle jääneen käsikirjoituksensa, Commentariolus, jossa esitti aurinkokeskisen mallinsa periaatteet. Kopernikaaninen vallankumous oli alkanut!



Wittenbergin yliopiston matematiikan professori Georg Joachim (von Lauchen) Rheticus (1514-1576) vieraili Kopernikuksen luona 1539-1541 ja kirjoitti ensimmäisen tämän aurinkokuntamallia kuvaavan kirjan, Narratio prima de libri revolutionum Copernici.

Kopernikus itse kirjoitti täydellistä selostusta mallistaan vuosikymmeniä. Lopulta De revolutionibus orbium coelestium julkaistiin 1543. Valmis teos tuotiin Kopernikuksen nähtäväksi tämän kuolinpäivänä.

De revolutionibus painettiin Nürnburgissa, missä työtä valvonut luterilainen teologi Andreas Osiander yritti vesittää teoksen merkityksen lisäämällä ominpäin siihen esipuheen, jossa hän totesi kyseessä olevan vain uuden laskumenetelmän, joka tuskin vastaa todellisuutta.



De revolutionibus on masentavan konservatiivinen ja Almagestin kaltainen – vain sillä erolla, että maailmankaikkeuden keskipiste on Maan sijasta Auringon lähellä. Kopernikus aloittaa Ptolemaioksen tavoin geometrisilla aputuloksilla, kopioi Almagestin tähtiluettelon, käsittelee hyvin perusteellisesti Auringon ja Kuun liikkeitä ja pääsee vasta viidennessä kirjassa asiaan eli planeettojen liikkeisiin. Kopernikus korvasi ekvanttiliikkeet ympyräliikkeillä, koska nämä ovat aristoteelisemmat. Hän myös säilytti episyklit osana planeettojen liikkeitä ja kopioi numeroarvot Ptolemaiokselta, mistä syystä hänen episyklimallinsa oli perin epätarkka. Malli oli myös hyvin monimutkainen eikä saavuttanutkaan kovin nopeasti mitään erityistä suosiota tiedemiesten parissa.

Kopernikuksen merkitys oli nimenomaan siinä, että hän siirsi maailmankaikkeuden keskipisteen Maapallolta Aurinkoon. Tämä oli isku ihmiskeskisyyttä ja siten Jumalaa ja kirkon arvovaltaa vastaan. Mallin vastustus yhdistikin katolista kirkkoa ja protestantteja.



Tycho Brahe (1546-1601)
Tyko Brahe syntyi Tanskan Skånessa, opiskeli lakia Kööpenhaminan ja Leipzigin yliopistoissa ja harrasti tähtitiedettä opintojensa ohessa. Hän huomasi Kopernikuksen teoriaan perustuvien planeettataulukoiden epätarkkuudeksi useita päiviä havaitessaan Saturnuksen ja Jupiterin kohtaamishetkeä 1563. Uskonnollinen Brahe sai lopullisen syyn vastustaa Kopernikuksen mallia.

Vuonna 1572 Brahe havaitsi Kassiopeian tähdistössä uuden, kirkkaan tähden, nova stellan, jonka hän päätteli tiivistyneen Linnunradan sumumaisesta aineesta. Tähti pysyi paikallaan muiden tähtien suhteen, joten se ei ollut kuunalisessa maailmassa, mutta koska se ilmestyi – ja parin vuoden kuluessa himmeni näkyvistä – ei kuunylinen maailmakaan voinut olla muuttumaton. Tällaisia ilmiöitä selvittääkseen Brahe ryhtyi päätoimiseksi tähtitieteilijäksi.





Kasselissa Hessenin maakreivi Wilhelm IV:n observatorio innostutti setänsä ja isänsä huomattavan omaisuuden perineen Brahen rakennuttamaan suuren observatorion Saksaan. Asiasta kuullut Tanskan kuningas Frederik II lahjoitti Brahelle Landskronan edustalla sijaitsevan Hvenin saaren pitääkseen tämän kotimaassa. Brahe alkoi 1576 rakentaa saarelle Uraniborgin observatoriota.

Ensimmäiseksi tehtäväkseen Brahe otti Auringon radan määrittämisen. Saadakseen Auringon korkeuksille tarkat arvot piti hänen selvittää ilmakehän refraktio. Ilmakehän läpi kulkiessaan valo taipuu ja kohteet näkyvät hieman todellista korkeammalla. Taipuminen eli refraktio on sitä suurempi, mitä matalammalla kohde on. Viereisessä kuvassa on esitetty refraktio kahdelle tähdelle. Suoraan yläpuolella oleva tummankeltainen tähti näkyy siellä missä oikeasti onkin, koska kohtisuoraan ilmakehään tuleva valo ei taivu. Sen sijaan matalammalla olevan oranssin tähden valo taipuu jo enemmän - tässä kuvassa taipumista on huomattavasti liioiteltu. Taipumisen vuoksi tähti näyttää olevan korkeammalla - kirkkaankeltaisen katkoviivan osoittamassa suunnassa. Brahen refraktiokorjaukset olivat ensimmäinen askel tiellä kohti täsmällistä astrometriaa.





Toinen Brahen tehtävä oli uuden tähtiluettelon laatiminen. Hipparkhoksen havaintoihin perustuva Almagestin luettelo oli edelleen ainoa yleisesti tunnettu tähtiluettelo. Brahe mittasi öisin tarkasti 21 perustähden paikat suhteessa Venukseen ja päivisin Venuksen paikan Auringon suhteen. Toistamalla mittauksia pitkään, sai hän tähdille tarkat paikat suhteessa Aurinkoon. Muiden tähtien paikat määritettiin suhteessa perustähtiin. Vertaamalla paikkoja Ptolemaioksen vastaaviin, sai Brahe prekessiolle arvon 51 kaarisekuntia vuodessa, mikä on hyvin lähellä nykyistä arvoa.

Brahen päätyö oli kuitenkin planeettojen havaitseminen, mihin saattoi olla vaikutusta hänen kiinnostuksellaan astrologiaa kohtaan. Tuloksena oli laaja aineisto pitkällä aikavälillä suoritettuja säännönmukaisia havaintoja planeettojen liikkeistä.



Tyko Brahe oli vaatinut – ja saanut – kuningas Frederik II:lta jatkuvasti huomattavia avustuksia ja uusia läänityksiä, joita hän hyödynsi häikäilemättömästi. Kun kuningas kuoli 1588 alkoi Brahen asema muuttua vaikeammaksi ja kruununperijä Kristianin astuttua täysi-ikäiseksi tultuaan valtaistuimelle Brahen avustukset lakkautettiin ja häntä syytettiin Hvenin asukkaiden huonosta kohtelusta. Brahe pakeni maasta ja päätyi 1598 Prahaan keisari Rudolf II:n kutsusta.

Vanhojen havaintojen käsittelyyn Brahe tarvitsi pätevän laskuapulaisen ja sai sellaiseksi Johannes Keplerin. Keplerille jäi Brahen aineisto tämän kuoltua ja Keplerin toimesta Brahen pääteoskin julkaistiin postuumina. Astronomiæ Instauratæ Progymnasmata sisältää Brahen aurinkokuntamallin, jossa Aurinko ja Kuu kiertävät Maata, mutta muut planeetat kiertävät Aurinkoa. Mallista tuli melko suosittu, koska siinä ei ollut uskonnollisia ongelmia.



Johannes Kepler (1571-1630)
Johannes Kepler syntyi Württembergissä Saksassa. Hän opiskeli Tübingenin yliopistossa teologiaa, kunnes keskeytti opintonsa kyllästyttyään luterilaisuuden ahdasmielisyyteen. Osa hänen opinnoistaan oli ollut tähtitiedettä ja niin hän sai matematiikan opettajan paikan Itävallan Grazissa.

Kepler oli aurinkokeskisen maailmankuvan kannattaja ja selitti planeettojen ratojen säteet sisäkkäin asetettujen monitahokkaiden avulla ensijulkaisussaan Prodromus Dissertationum Mathematicarum Continens Mysterium Cosmographicum. Pythagoralaista lukumystiikkaa noudattavan järjestelmän tarkkuus oli alunperinkin huono ja kun planeettoja myöhemmin löytyi lisää, romuttui monitahokkaiden ja planeettojen sfäärien välinen harmonia lopullisesti.

Kepler lähetti kopion kirjastaan mm. Tyko Brahelle, joka, vaikka ei hyväksynytkään tämän kopernikanismia, näki tässä käyttökelpoisen apulaisen. Kepler muutti perheineen Prahaan vuonna 1600 ja ryhtyi selvittämään Marsin liikettä. Kyseessä oli haastava ongelma sillä suuren eksentrisyyden vuoksi Marsin rataa oli vaikea kuvailla episykleillä.







Tyko Brahe kuoli 1601 ja Kepler sai haltuunsa tämän valtavan havaintoaineiston. Samalla Kepleristä tuli keisarillinen matemaatikko. Marsin liikettä tutkiessaan hän muotoili kolme planeettojen liikelakiaan:
  • I Planeetta liikkuu pitkin ellipsirataa, jonka toisessa polttopisteessä on Aurinko
  • II Auringosta planeettaan piirretty viiva pyyhkäisee yhtä pitkien aikavälien kuluessa yhtä suuret pinta-alat
  • III Planeetan kiertoaikojen neliöt suhtautuvat toisiinsa kuten niiden isoakselien puolikkaiden kuutiot
Kaksi ensimmäistä lakia Kepler esitteli Astronomia Novassa 1609 ja kolmannen Harmonice Mundissa 1619.





Katso animaatio klikkaamalla kuvaa


Mikäli käytämme etäisyysmittana astronomista yksikköä (AU) ja aikayksikkönä Maan vuotta, tulee viereen yhtälömuotoon kirjoitetun Keplerin kolmannen lain painovoimatermiksi X = 1. Käytämme aurinkokunnan planeettoja testataksemme lain toimivuuden. Alla olevaan taulukkoon on kirjattu planeettojen keskietäisyydet Auringosta (a) ja niiden kolmannet potenssit (eli kuutiot) sekä planeettojen kiertoajat Auringon ympäri (P) ja niiden toiset potenssit (eli neliöt). Mikäli a3-termi ja P2-termi ovat yhtä suuret, pitää Keplerin III laki paikkansa.
planeettaaa3PP2
---------------- --------------- ------------- --------------- ------------- - Kuten tuloksista näkyy, pitää Keplerin laki hyvin paikkansa. Se toimii jopa alimmille kolmelle planeetalle (Neptunus, Uranus ja Pluto), joita ei oltu löydetty vielä Keplerin laatiessa lakinsa.

Syy siihen, että kaikkien planeettojen a3- ja P2-termit eivät ole täysin yhtä suuret on sekä siinä, että laskuja ei ole tässä tehty täysin tarkoilla arvoilla että siinä, että uloimmille planeetoille näitä arvoja ei edes tunneta riittävällä tarkkuudella.
Merkurius0.390.060.240.06
Venus0.720.370.620.38
Maa1.01.01.01.0
Mars1.523.511.883.53
Jupiter5.2014111.9142
Saturnus9.5386629.5870
Neptunus19.2707884.07056
Uranus30.12727016527230
Pluto39.56163025062500

Uuden aurinkokuntamallinsa yhteenvedon Kepler julkaisi 1618 teoksessaan Epitome astronomiae Copernicanae, jota voidaan pitää ensimmäisenä modernina pallotähtitieteen oppikirjana. Pallotähtitieteen lisäksi kirja käsittelee Maan kokoa ja muotoa, ilmakehän vaikutusta, taivaankappaleiden nousu- ja laskuaikoja, päivittäisiä ja vuotuisia liikkeitä sekä vuodenaikoja. Kirjan toinen osa ilmestyi 1621 ja sisältää selostuksen planeettojen liikkeistä. Keplerin ellipsiratateoria oli ylivoimainen verrattuna ympyrä- ja episykliratoihin, joten se vakiinnutti nopeasti asemansa. Ellipsiratoihin perustuen Kepler julkaisi 1627 planeettataulut, Tabulae Rudolphinae, jotka säilyivät käytössä vuosikymmeniä, sillä ne ylittivät tarkkuudessa kaikki muut siihen mennessä laaditut taulukot.


Galileo Galilei (1564-1642)
Galileo Galilei syntyi Pisassa, Italiassa. Hän opiskeli lääketiedettä Pisan yliopistossa. Matematiikasta hän kiinnostui havaittuaan Pisan katedraalin lamppujen heilahdusjaksoja. Opinnot jäivät kesken varojen loppuessa 1585 ja, julkaistuaan tutkielmia vesivaa’asta ja kappaleiden painopisteistä, Galilei sai Pisan yliopistosta matematiikan opettajan viran. Vuonna 1592 hän siirtyi vastaavaan virkaan Padovan yliopistoon.

Muutamia kuukausia kiikarin keksimisen jälkeen Galilei kehitti 30 kertaa suurentavan kaukoputken, jolla hän teki tähtitieteellisiä havaintoja.





Galilei havaitsi, ettei Kuun pinta ollut sileä vaan vuorien peittämä. Hän löysi Jupiterin neljä suurinta kuuta, keksi Venuksen vaiheet, näki suuren määrän uusia, himmeitä tähtiä ja totesi Linnunradan sumumaisen vyön koostuvan lukemattomista yksittäisistä tähdistä. Monet havainnoista olivat selvässä ristiriidassa maakeskisen mallin kanssa.

Viereisessä Galilein piirtämässä kuvassa näkyy alhaalla kuvasarja Venuksen vaiheista. Huomattavaa on, että hän - aivan oikein - on kirjannut Venuksen suureksi silloin kun siitä näkyy vain sirppi ja pienemmäksi, kun lähestytään täysi-Venusta. Oikealla ylhäällä on Jupiter ja Mars. Vasemmalla puolestaan Saturnus, jonka renkaat Galilei näki kaukoputkellaan, mutta vain juuri ja juuri ja tulkitsi näkemänsä kahdeksi valtavaksi kuuksi planeetan molemmin puolin.

Havaintonsa Galilei julkaisi 1610 kirjassaan Sidereus Nuncius (Tähtien sanansaattaja). Näiden havaintojen ansiosta hänelle myönnettiin elinikäinen professuuri Padovan yliopistossa, mutta Galilei päätti siirtyä Toskanan arkkiherttuan filosofiksi saadakseen enemmän aikaa tutkimuksilleen. 1611 hän esitteli Roomassa kaukoputkeaan ja kannatti avoimesti Kopernikuksen teoriaa.







Galilei oli taitava kirjoittaja ja tieteen popularisoija. Koska hän kirjoitti italiaksi, levisivät hänen epäaristoteeliset oppinsa myös yliopistopiirien ulkopuolelle. Kirkon edustajat alkoivat huolestua ja kun Kopernikuksen opit oli julistettu harhaoppisiksi, kiellettiin myös Galilein kirja. Galilei yritti saada kieltoa kumotuksi 1624 Roomassa, mutta sai vain luvan kirjoittaa Ptolemaioksen ja Kopernikuksen malleista, kunhan lopputulos on kirkon kannalta sovelias. Vaikka kirjan loppupäätelmä oli määräyksen mukainen, ei lukijalle voinut jäädä epäselväksi kumman puolella Galilei oikeasti oli. Seurauksena hän joutui inkvisition eteen ja kotiarestiin loppuelämäkseen. Tämän yhteentörmäyksen jälkeen luonnontieteet alkoivat kehittyä omaan suuntaansa irti kirkon kahleista.




Takaisin pääsivulle