Mehanizam koji je pokrenula kopernikanska revolucija nisu mogle zaustaviti ni crkva ni njeni inkvizitori, ali je plaćena cena u vidu mnogih ljudskih života.
Nikola Kopernik je rođen u mestu Torun, Poljska, 19. februara 1473. Zahvaljujuću bogatstvu porodice iz koje je potekao, mogao je da studira slikarstvo, matematiku, medicinu i pravo, i tako je stekao prvorazredno obrazovanje. Astronomijom je počeo da se bavi krajem svojih dvadesetih godina. U to vreme bilo je očigledno da su tabele sa kretanjima planeta, napravljene po Ptolomejevom modelu vasione, netačne. Kopernik je zaključio da bi se kretanja planeta mogla lakše objasniti kada bi se primenio model u kojem bi Sunce bilo u centru Sunčevog sistema, kako je pre nekih 1800 godina predložio Aristarh. I tako je počeo da razvija model za praćenje položaja planeta sa Suncem u centru sistema.
Oklevao je da objavi svoje radove, plašeći se da bi ga, kada bi predložio da se Zemlja okreće oko SUnca, proglasili za bezbožnika. Svejedno, raspravljao je o ovome sa drugim učenim ljudima i njegov rad je privukao veliku pažnju. Na podsticaj kolega naučnika, među njima i nekih visokih crkvenih velikodostojnika, konačno je pristao da objavi knjigu u kojoj opisuje svoj model. Knjiga pod naslovom „De Revolutionibus Orbium Caelestium“, ili „O kretanjima nebeskih sfera“ objavljena je 1543. Prema legendi, Kopernik je prvi put video knjigu u istom danu kada je i umro – 24. maja 1543.
Osim što je imao estetske prednosti, heliocentrični sistem je omogućio Koperniku da na matematičkim postavkama objasni periode kretanja planeta na njihovim orbitama oko Sunca, kao i vreme kada će se pojedina tela naći u „punoj“ fazi (direktno naspram Sunca na nebu). Takođe, uz pomoć geometrije mogao je da izračuna udaljenosti planeta od Sunca na osnovu razdaljine Zemlja-Sunce, (to jest, udaljenost u astronomskim jedinicama).
Međutim, ni tek objavljeni Kopernikov model nije se pokazao mnogo bolji od Ptolomejevog. Ispostavilo se da je i ovaj model komplikovan, jer je i Kopernik kao i drevni grčki preci zamišljao da se kretanja na nebu odvijaju u savršenim krugovima. Ali pošto u stvarnosti orbite nisu krugovi i Kopernik je morao da dodaje krug na krug u svom sistemu, baš kao i Ptolomej. Zbog ovoga je u narednih 50 godina Kopernikova knjiga uspela da ubedi tek mali broj ljudi da je ovaj pristup bolji, piše Astronomski magazin.
Jer, zašto bismo odbacili hiljadu godina tradicije za neki novi sistem sa kojim takođe imamo problem da predvidimo kretanja planeta?
Tiho Brahe: Najveći posmatrač predteleskopske ere
U težnji da poboljšaju bilo Ptolomejev bilo Kopernikov sistem, astronomi tog vremena najviše su imali problema sa nedostatkom pouzdanih podataka. Teleskop još nije bio izumljen, a postojeći podaci zasnovani na posmatranjima golim okom nisu bili vrlo precizni. Kasnih 1500-tih godina, danski plemić po imenu Tiho Brahe (1546-1601) latio se posla da ispravi ovaj problem.
Tiho je još kao dečak zavoleo astronomiju ali nije nailazio na podršku u svojoj porodici. O tome je morao da ćuti, kao i da krije knjigu sa minijaturnim modelom nebeskih sazvežđa iz koje je učio. Onda je 1563. odlučio da posmatra konjukciju Jupitera i Saturna, koja se te godine naveliko očekivala. Na njegovo veliko iznenađenje, do konjukcije je došlo tek čitav mesec kasnije nego što se očekivalo. Rešio je da nešto uradi po pitanju astronomskih predviđanja, te je počeo uredno da beleži i čuva rezultate pažljivih posmatranja sa položajima zvezda i planeta na nebu.
Tiho je često bio ohol, kako zbog svog plemićkog porekla tako i zbog svoje učenosti. U 20-toj godini imao je obračun sa studentom kolegom oko toga ko je bolji matematičar. U duelu sabljama ostao je bez vrha nosa, koji je nadomestio novim od zlata i srebra. Ugled mu je naglo porastao 1572. kada je na nebu video nešto što je nazvao „nova“ (a nova), što je značilo „nova zvezda“ i kada je dokazao da se objekat nalazi mnogo dalje od Meseca.
Danas znamo da je Tiho tada video supernovu – eksploziju udaljene zvezde. Godine 1577, Tiho je opazio kometu i dokazao da se i ona takođe nalazi duboko u nebeskom području; drugi su, naročito Aristotel, tvrdili da su komete fenomeni koji se odvijaju u Zemljinoj atmosferi. Onda je danski kralj Frederik II odlučio da podrži Tihoov rad i uložio novac da se podigne do tada neviđena opservatorija za posmatranja golim okom. Tokom tri naredne decenije, Tiho i njegovi pomoćnici prikupili su podatke sa odstupanjima manjim od 1 lučne minute. Pošto je teleskop izumljen tek kratko nakon njegove smrti, Tihovi podaci su ostali primerci najboljih rezultata posmatranja golim okom koji su ikada napravljeni.
Uprkos odlično obavljenim posmatranjima, Tiho nikad nije uspeo da da zadovoljavajuće objašnjenje o kretanju planeta. Međutim jeste uspeo da nađe nekoga kome će to konačno poći za rukom: 1600. godine primio je na posao mladog nemačkog astronoma Johana Keplera (Johannes ili Johann Kepler, 1571-1630). Dok je Tiho bio živ, njihovi odnosi su bili prilično zategnuti. Ipak na samrti 1601. godine, Tiho je zaveštao sve svoje sveske sa beleškama Kepleru i obratio mu se, preklinjući ga, da nađe sistem u kojem bi njegova zapažanja imala smisla, tako da „ne ispadne da sam straćio život“.
Keplerova reformacija: Zakoni planetarnog kretanja
Kepler je bio duboko religiozan čovek i verovao je da će, ako uspe da razume geometriju vasione, biti bliži bogu. Kao i Kopernik, verovao je da Zemlja i druge planete putuju oko Sunca po kružnim putanjama, te je marljivo radio da uskladi kružna kretanja sa Tihovim podacima.
Naročito se usredsredio na Marsovu orbitu, koja je predstavljala najveći problem za usklađivanje podataka sa kružnom orbitom. Prošle su godine u proračunima i Kepler je našao kružnu orbitu za Mars koja se uklapala u skoro sve Tihove opservacije Marsa, sa tačnošću od 2 lučne minute. Međutim, u dva slučaja ova orbita je predviđala položaj Marsa koji je odstupao od Tihovih opservacija za nešto više od 8 lučnih minuta.
Vrlo je moguće da je Kepler padao u iskušenje da zanemari ova zapažanja i da to pripiše kao grešku u Tiho Brahovim posmatranjima. Na kraju krajeva, 8 lučnih minuta je jedva jedna četvrtina ugaonog prečnika punog meseca. Ali Kopernik je imao poverenja u Tiha, verovao je u njegovu predanost poslu, a 8 „promašenih“ lučnih minuta su ga navele da na kraju napusti teoriju o kružnim orbitama – i tako se desilo da je pronašao tačno rešenje vekovne zagonetke o kretanju planeta. O ovom događaju, Kepler je napisao:
Da sam zaključio da ovih osam (lučnih) minuta možemo da zanemarimo, usaglašavao bih svoje teze prema tome. Ali pošto je bilo nedopustivo da ih ignorišem, ovih osam minuta izvele su nas na put koji je vodio potpunom preokretu u astronomiji.
Kepler je objedinio svoja otkrića u tri jednostavna zakona koja danas nazivamo Keplerovi zakoni o kretanju planeta. Prva dva zakona dao je u štampu 1610. a treći 1618. godine. (Tri Keplerova zakona odnose se na planetarna kretanja, a tri Njutnova zakona uopšteno na sva kretanja).
Ključno Keplerovo otkriće bilo je da orbite planeta nisu krugovi, već poseban ovalni oblik koji nazivamo elipsa. Sigurno umete da nacrtate krug bez šestara; vežete olovku za jedan kraj kanapa, vežete kanap za ekserčić na podlozi i vučete liniju olovkom u krug. Na sličan način možete da izvučete i elipsu ali ovaj put razvlačite kanap oko dva ekserčića. Mesta u kojem se nalaze dva ekserčića nazivamo žiže (focus, pl. foci) elipse. Menjanjem razdaljine između dve žiže, a pri tom ne menjajući dužinu kanapa, možete da izvučete linije elipsa različitog ekscentriciteta, čime označavamo u kojoj meri elipsa odstupa od savršenog kruga.
Prvi Keplerov zakon nam kaže da je orbita svake planete elipsa a da je Sunce u jednoj od žiža te elipse. (U drugoj žiži se ne nalazi ništa). Ovo znači da je udaljenost planete od Sunca različita na njenoj orbiti: najbliža je Suncu kada se nađe u tački koju nazivamo perihel, a najudaljenija u tački koju nazivamo afel. Prosek udaljenosti Sunca u perihelu i afelu za neku planetu nazivamo velika poluosa orbite; jednostavno, to je prosečna udaljenost planete od Sunca.
Drugi Keplerov zakon nam kaže da kako se planeta kreće oko Sunca po svojoj orbiti, radijus-vektor planete prelazi jednake oblasti za jednako vreme. Ovo znači da planeta prelazi veći put kada je u perihela, u odnosu na pređeni put za isto vreme u afelu; to jest, planeta brže putuje kada je bliže Suncu, a sporije što je udaljenija od Sunca.
Treći Keplerov zakon odnosi se na orbitalni period planete, ili broj godina za koji ova napravi jednu orbitu oko Sunca; određen je prosečnom udaljenošću planete od Sunca, mereno u astronomskim jedinicama (1 AJ 150 miliona kilometara). Za svaku planetu koja se kreće oko Sunca važi formula:
(period orbite u godinama)2 = (prosečna udaljenost u AJ)3
Ova formula se često piše mnogo jednostavnije p2 = a3, gde je p period orbite meren u godinama, a a prosečna udaljenost u AJ. Orbitalni period planete ne zavisi od ekscentriciteta njene orbite: sve orbite sa istom velikom poluosom imaju isti period. Orbitalni period ne zavisi ni od mase planete: bilo koje telo na udaljenosti od 1 AJ od Sunca putovalo bi oko Sunca svojom orbitom jednu godinu (pod uslovom da mu je masa u poređenju sa Sunčevom mala).
Iz trećeg Keplerovog zakona vidimo da se udaljenije planete sporije kreću oko Sunca na svojim putanjama, što možemo bolje uočiti ako grafički prikažemo periode planeta u odnosu na njihovu prosečnu udaljenost od Sunca. Na primer, Saturn je nešto manje od dva puta udaljeniji od Sunca nego Jupiter ali mu treba gotovo tri puta više vremena da pređe svoju orbitu oko Sunca; dakle, Saturn se kreće svojom putanjom manjom prosečnom brzinom od Jupitera.
Galilej: Kraj geocentrične vasione
Uspešno izvedeni Keplerovi zakoni sa kojima su se poklopila Tihova posmatranja, pružili su jak dokaz u korist Kopernikove ideje da se Sunce, umesto Zemlje, nalazi u centru Sunčevog sistema. Međutim, mnogi naučnici su i dalje imali razumne primedbe na Kopernikovo viđenje. Tri osnovne primedbe odnosile su se na dve hiljade starom verovanju koje potiče od Aristotela (384-322 pre n.e.) i drugih naučnika drevne Grčke. Prva primedba se zasnivala na Aristotelovoj tvrdnji da je nemoguće da se Zemlja kreće, jer da je tako ptice, kamenje koje pada, oblaci i druga slična tela bi zaostajali, dok bi se Zemlja kretala svojim putem. Druga primedba je da se ideja o putanjama koje nisu kružne, ne uklapa u opšte drevno verovanje da su nebeska prostranstva, carstvo Sunca, Meseca, planeta i zvezda, savršena i nepromenljiva. Treća primedba je bio prastari argument, da, ako Zemlja putuje oko Sunca, onda bi trebalo da može da se vidi paralaksa. Galilej, Keplerov savremenik sa kojim se dopisivao, odgovorio je na sve tri primedbe.
