Den
astronomiska världsbildens utveckling
från Copernicus till Newton

PM i äldre tidens idé- och lärdomshistoria
av
Stefan Blomkvist
95-01-04

http://home.swipnet.se/arrack/hist/astrutv.html
Senaste uppdatering: 1999-07-24


Bakgrund - arvet från medeltiden

Under medeltiden befästes den rådande världsbilden som grundlagts under antiken, främst Aristoteles' naturfilosofi och Ptolemaios stora verk om universum. Antikens och medeltidens världsbild var teleologisk, det vill säga allt i kosmos hade ett syfte och ett ursprung, under medeltiden var det Gud som alltings ursprung hänfördes till. Aristoteles och Ptolemaios teser lärde ut att universum var uppdelat i den gudomliga och alltigenom perfekta superlunära världen ovanför månen och den materiella, sublunära världen under månen. Världsbilden var geocentrisk - runt jorden i universums mitt rörde sig solen och planeterna, universum begränsades av fixstjärnesfären. På grund av att världsbilden i grund och botten var felaktig så var man tvungen att införa så kallade epicykelrörelser i planeternas banor för att de astronomiska observationerna skulle stämma överens något sånär med teorin. Den rådande världsbilden var dock inte helt entydig, det fanns under antiken astronomer som hävdat ett heliocentrisk (att solen och inte jorden finns i universums centrum) universum och under medeltiden hade en begynnande mekanisering av världsbilden påbörjats och djärva teorier om världsrymdens oändlighet hade lagts fram.


Inledning

Utvecklingen av den astronomiska världsbilden från Copernicus till Newton är i en historisk backspegel en omvälvande förändring. För de som levde och verkade under denna "revolution" tedde sig utvecklingen säkert betydligt mindre dramatisk. Förändringarna var något som kom steg för steg, vanligtvis levde gamla föreställningar kvar sida vid sida med nya upptäckter. Ofta påbörjades denna stegvisa förändring av världsbilden genom att något visst astronomiskt problem insisterade på en lösning. Copernicus ville till exempel ersätta det krångliga systemet med epicykler i planeternas banor med ett enklare och matematiskt mera rent system. Syftet var delvis praktiskt: att ge bättre underlag för navigation, kalendrar och ibland även för astrologiska förutsägelser. Delvis var syftet också grundat på hans personliga intresse för antika tankegångar och mystiska spekulationer, något som kommit på modet under renässansen. Copernicus heliocentriska världsbild genererade en mängd nya problem som krävde sina lösningar. Bland annat vad det är som driver planeterna i sina banor och vad som händer om jorden inte är orörlig. Jag ska i det här PM:et försöka beskriva några av de problemställningar och förslag på lösningar som kom fram när den nya världsbilden växte fram under renässansen och de närmast efterföljande århundradena.

Återuppväckta ideal

En ung polsk kyrklig tjänsteman kom mitt under den blomstrande renässansen till den italienska staden Bologna för att fortsätta sin utbildning vid stadens universitet, främst i den kanoniska rätten. Hans namn var Nicolaus Copernicus (1473-1543). Vid sidan om studier i juridik ägnade han sig flitigt åt andra ämnen bland annat astronomi. Renässansen innebar att antika ideal och tankegångar återuppväcktes och under Copernicus tid i Italien blev han förmodligen påverkad av de mystiska platonskt-pytagoreiska idéerna som blivit populära. Han kände troligen till de antika tankegångarna om att jorden inte befinner sig i universums centrum. Pytagoréerna hade hävdat att jorden liksom solen kretsar runt en eld i världsalltets mitt och redan på 200-talet f.Kr. hade Aristarkos lagt fram en heliocentrisk världsbild.

Copernicus fortsatte att ägna sig åt astronomiska observationer vid sidan om sin tjänstgöring i kyrkan, vilket ledde till att han började formulera en hypotes om en heliocentrisk världsbild. Copernicus ansåg att den rådande ptolemaiska, geocentriska världsbilden med alla dess epicykler och andra geometriska former, stred mot de antika idealen om att himlakropparna rör sig i perfekta cirklar och med likformig hastighet. I hans arbete De revolutionibus orbium caelistium (Om himlasfärernas kretslopp) som utkom 1543 redogjorde han följande antaganden för att förklarar solens och stjärnornas skenbara rörelser över himlavalvet:

Eftersom planeterna inte rör sig i perfekta cirkelformade banor som Copernicus utgått ifrån stötte han på problem då han skulle tillämpa dessa grundantagande (som Kepler senare skulle visa rör sig planeterna i ellipsformade banor och med olikformig hastighet). Liksom sina föregångare tvingades han därför att frångå sitt likformighetsideal och införa en mängd epicykelrörelser. Copernicus teorier hade till en början svårt att vinna anhängare. Många samtida astronomer menade att om att jorden rör sig och fixstjärnorna är orörliga så borde en så kallad stjärnparallax kunna observeras, det vill säga att stjärnors inbördes avstånd till varandra på stjärnhimlen förändras när jorden rör sig. En annan absurd slutsats, enligt den tidens tankesätt, var att människor och föremål skulle slungas ut i universum på grund av att jorden inte är orörlig. Så småningom blev kyrkans reaktion mot Copernicus stark eftersom den hotade den rådande världsbilden och indirekt samhällets grundvalar.

Observationer och matematik

Tycho Brahe (1546-1601) var en dansk astronom som upprättat ett eget observatorium på ön Ven i Öresund, där han genomförde mycket noggranna astronomiska observationer. Av politiska skäl blev han tvungen att flytta till Prag och blev där kejserlig hovastronom. Brahe blev aldrig någon övertygad kopernikan istället utarbetade han en egen geo-heliocentrisk världsbild med jorden i universums centrum. Runt jorden kretsar solen och månen och övriga planeter utför en cirkelformig bana runt solen.


Tycho Brahes geo-heliocentriska system.

Det geo-heliocentriska systemet går tillbaka på den antika astronomen Herakleides från Pontos, men användes ofta under den tidiga medeltiden, så Tycho Brahes system var alltså inte direkt nytt. Brahe gjorde även observationer av en stjärnas födelse (en supernova) samt en komet som rörde sig mellan det man då trodde var den superlunära och den sublunära världen. Trots att Brahe inte godtog Copernicus' världsbild så ledde hans observationer till att undergräva den rådande synen på universum.

År 1600 fick Brahe en ny assistent vid namn Johannes Kepler (1571-1634). Kepler var en tysk astronom och astrolog som liksom Copernicus var inspirerad av nyplatonska tankegångar, speciellt sökandet efter talförhållanden och matematisk-geometriska samband bland himlakropparnas rörelser. Han var även sedan länge övertygad kopernikan. För att kunna ge en bättre beskrivning av planeten Mars bana fick Kepler i uppgift att göra noggranna observationer. Efter åtta års studier och beräkningar kunde han visa att varken det ptolemaiska eller det kopernikanska systemet stämmer. Planeterna rör sig inte i perfekta cirkelformade banor eller med likformig rörelse som man tidigare hade trott. Keplers beskrivning hur planeterna rör sig gavs i hans tre lagar för planetrörelserna . De två första publicerades 1609 och den tredje tio år senare.


En planets ellipsformade bana runt solen (ellipsformen är överdriven för tydlighetens skull). De mörka ytorna är lika stora; närmast solen i perihelium är banhastigheten störst, och längst från solen, i aphelium är den minst.

  1. Planeterna rör sig i ellipsformade banor med solen i ena brännpunkten, d.v.s. solen befinner sig inte planetbanans absoluta centrum.
  2. Planetens banhastighet är större närmare solen än längre ifrån den på så sätt att en tänkt sammanbindningslinje mellan solen och en planet överfar lika stora ytor på lika långa tider.
  3. Förhållandet mellan kuben på en planets medelavstånd från solen och kvadraten på dess omloppstid är lika stort för alla planeter.

Kepler spekulerade också över vad det var för kraft som drev planeterna framåt i deras bana. I enlighet med hans nyplatonska influenser ansåg han att denna drivkraft härstammade från solen och att den var magnetisk.

Även solen har sina fläckar

Galileo Galilei (1564-1642) föddes i Pisa, studerade till en början medicin men gav sig snart in på matematikens område. Ett område som vid den här tiden innehöll många praktiska moment bland annat astronomi, navigation, mekanik, ballistik och ibland till och med astrologi. Galilei ifrågasatte redan som ung student många av de aristoteliska teserna som lärdes ut vid universiteten. Ett berömt exempel är att han satte sig emot Aristoteles' påstående om att kroppar faller till marken med en hastighet proportionell mot sin egen vikt.

Galilei var under sin livstid en mycket flitig vetenskapsman och till skillnad från sina samtida kollegor ägnade han sig mycket åt empiriska studier och experiment. Han konstruerade även ett antal instrument, bland annat ett teleskop efter att hört talas om att en sådan apparat byggts i Nederländerna. Det skulle visa sig att Galilei skulle göra många av sina viktigaste upptäckter med detta nyuppfunna instrument.

I ett brev till Kepler 1597 skrev Galilei att han sedan flera år tillbaka trott på det kopernikanska systemets riktighet men på grund av kyrkans hållning mot detta inte vågat framträda öppet med den åsikten. Senare kom kyrkan att vid ett flertal tillfällen att ställa Galilei inför inkvisitionen och 1633 tvingades han att avsvärja sig sin kopernikanska övertygelse och sattes i husarrest.

I skriften Sidereus nuncius 1610 (Budbärare från stjärnorna) beskrev Galilei flera av sina epokgörande upptäckter som han genomfört med det nyligen konstruerade teleskopet. I förstoring visade det sig att månens yta var täckt av kratrar och bergstoppar, runt Jupiter kretsade det månar och att antalet stjärnor var mycket större än man tidigare trott. För första gången kunde man också se att Venus hade faser precis som månen och att planeten såg ut att ändra storlek beroende på att dess avstånd till Jorden förändrades. Detta var starka bevis för det heliocentriska synsättet.

Teleskopet genererade ytterligare häpnadsväckande upptäckter. Galilei beskrev i ett antal brev år 1612 att solens yta hade fläckar. Dessa fläckar visade, tillsammans med teleskopets tidigare avslöjanden, att himlakropparna inte var de perfekta kroppar som Aristoteles hävdat. Det förelåg alltså inte någon principiell skillnad mellan den super- och den sublunära världen, det vill säga: det existerar inte någon olikhet mellan den himmelska och den jordiska fysiken - naturlagarna gäller överallt. Galilei hamnade i polemik med en jesuitpater som ansåg att solfläckarna i själva verket var små planeter. Detta tillbakavisades med bestämdhet av Galilei som observerat att solfläckarna både ändrade form och att de inte kunde relateras till parallax, vilket övriga kroppar i solsystemet kan göras.

Galilei fortsatte att motbevisa många teser i den gamla aristoteliska-ptolemaiska världsbilden. 1632 utkom hans Dialog om de två stora världssystemen, där han hypotetiskt diskuterade det kopernikanska och det ptolemaiska systemen. I boken framlade han ett första utkast till fysikens moderna tröghetsbegrepp, vilket senare utvecklades av Descartes. Under Galileis år i husarrest skrev han ett av sina viktigaste arbeten: Samtal och matematiska demonstrationer rörande två nya vetenskaper som publicerades 1638. I detta arbete framlade han grunden till den moderna mekaniken och fulländade sin revolutionerande vetenskapliga metod - det experimentella och matematiska synsättet.

Den nya världsbilden fullbordas

Rene Descartes (1596-1650) var en betydande matematiker och filosof, mest känd för att vara en banbrytare vad gäller den mekanistiska synen på naturen. Descartes var den förste som gav en fullständig formulering av tröghetslagen, vilken helt bröt med Aristoteles' tes att vila är det enda naturliga tillståndet. Descartes var en övertygad kopernikan och hade dessutom egna teorier om världsalltets uppbyggnad, bland annat hävdade han att universum var obegränsat. Han ansåg i enlighet med sitt tröghetsbegrepp att planeterna rör sig i en rätlinjig bana (rörelse var sedan begynnelsen inplanterat i universum av Gud) men genom att virvlar i den materia som uppfyllde hela universum (tomrum existerar ej) tvingade planeternas rörelse i en bana runt solen.

Isaac Newton (1643-1727) var den som kom att fullborda omvälvningen av den astronomiska (och överhuvudtaget den fysiska) världsbilden som påbörjats av Copernicus och fortsattes av främst Brahe, Kepler, Galilei och Descartes. Newton var professor i matematik i Cambridge och gjorde betydande vetenskapliga insatser inom matematiken och fysiken inklusive optiken. Efter att skrivit sitt stora arbete Philosophiae naturalis principia mathematica (Naturfilosofins matematiska principer) 1687 ägnade sig Newton främst åt politiska uppdrag samt åt sitt stora intresse för mystik, alkemi och religiösa spekulationer (som han, om man ser till hans efterlämnade anteckningar, verkar ha ägnat mer kraft åt, än åt vad vi idag anser som vetenskap).

I Principia beskriver Newton på ett matematiskt och vetenskapligt exakt språk vilka krafter som får kroppar att röra sig. Speciellt vad det är för krafter som driver och håller planeterna i deras banor och vad som får föremål att falla till jordytan. Detta var frågor som varit aktuella alltsedan Copernicus flyttade jorden från universums mitt och istället lät den röra sig i en bana runt solen. Newton förklarar planeternas bana genom att kombinera tröghetsbegreppet med den allmänna gravitationslagen. Newton visade även att Keplers lagar var en naturlig följd av gravitationens verkan.

Sammanfattning

Under loppet av tvåhundra år förändrades människans världsbild radikalt. Ett heliocentriskt och mekanistiskt synsätt ersatte den gamla geocentriska och teleologiska världsbilden. Den skolastiska vetenskapen, med dess tro på äldre auktoriteter som Bibeln och Aristoteles, ersattes med en ny naturvetenskap som grundades på erfarenhetsprincipen, den experimentella metoden och en matematisk beskrivning av naturen. Men även om världsbilden förändrades radikalt är det delvis felaktigt att tala om förändringen som en revolution, egentligen skedde förändringarna stegvis och de byggde på slutsatser som dragits långt tidigare. Det fanns till exempel under antiken astronomer som hävdat ett heliocentrisk universum. Under medeltiden hade en begynnande mekanisering av världsbilden påbörjats och djärva teorier om världsrymdens oändlighet hade lagts fram. Användandet av matematiska metoder kan härledas till Platon som under renässansen "återupptäcktes". Den experimentella metoden hade varit i bruk sedan 1200-talet (om än inte på ett helt systematiskt sätt). Många av banbrytarna inom astronomin var influerade av tankegångar som vi idag skulle kalla allt annat än vetenskapliga och rationella. Till exempel Copernicus och Keplers intresse för solmystik och nyplatonism samt Newtons ivriga studier av de hermetiska skrifterna och alkemi.


Källförteckning


Från Copernicus till Newton

Galleri över några kända personer i den astronomiska världsbildens utveckling


Copyright 1995, 1999
Stefan Blomkvist
http://home.swipnet.se/arrack/hist/astrutv.html