Stjarneðlisfræði og heimsfræði á Íslandi 2: Tímabilið 1780-1870 (b) Stjarneðlisfræði fyrir daga Newtons

Posted on: 30/08/2020 by Einar H. Guðmundsson

Yfirlit um greinaflokkinn

Margir sagnfræðingar vilja rekja upphaf nútíma stjarneðlisfræði til miðbiks nítjándu aldar, þegar ný tækni, byggð á eðlisfræði og efnafræði, var tekin í notkun við rannsóknir á fyrirbærum stjörnuhiminsins. Hér er fyrst og fremst átt við hinar mikilvægu litrófsmælingar, en jafnframt ljósmyndatæknina, sem varð sífellt gagnlegri eftir því sem tímar liðu. Nafnið stjarneðlisfræði (þ. Astrophysik) mun og fyrst hafa sést á prenti árið 1865 (í riti þýska eðlisfræðingsins K. F. Zölners um ljósmælingar). Um þessa byltingarkenndu þróun og hvernig vitneskja um hana barst til Íslands verður fjallað í næsta kafla greinaflokksins (3).

Að mati þess, sem þetta ritar, má rekja sögu stjarneðlisfræðinnar mun lengra aftur í tímann, eða sem nemur 250 árum; til upphafs þeirrar fræðigreinar, sem við nú köllum kennilega stjarneðlisfræði (e. theoretical astrophysics). Það heiti mun að vísu ekki hafa komið til sögunnar fyrr en með verkum A. S. Eddingtons og samtímamanna hans á fyrstu áratugum tuttugustu aldar og ýmsir sagnfræðingar vilja því rekja upphaf greinarinnar til þess tíma. En í hugum flestra stjarneðlisfræðinga (allavega þeirra, sem hafa haft fyrir því að kynna sér söguna) voru fyrstu forverarnir upp á sitt besta á sautjándu öld, menn eins og Kepler, Galíleó, Descartes, Huygens og síðast en ekki síst Newton.

Allir voru þessir frumkvöðlar framúrskarandi stærðfræðilegir lærdómsmenn og náttúruspekingar og jafnframt  ákafir stuðningsmenn sólmiðjukenningarinnar. Það voru þeir, ásamt ýmsum öðrum, en kannski ekki jafn þekktum lærdómsmönnum fyrri tíma, sem mótuðu grundvöll sígildrar aflfræði og ljósfræði og beittu þeirri þekkingu smám saman til að öðlast eðlisfræðilegan skilning á eiginleikum sólkerfisins og gangi himintungla. Yfirlit um þessa merku sögu má meðal annars finna í eftirfarandi ritsmíðum:

 

Jóhannes Kepler

Fyrsti stjarneðlisfræðingurinn, Jóhannes Kepler, árið 1620.  Mynd: Photographische Gesellschaft Berlin. Sjá hér fróðlegan pistil um ýmsar myndir af Kepler.

Í mínum huga er Kepler tvímælalaust fyrsti eiginlegi stjarneðlisfræðingurinn og bók hans Astronomia Nova fyrsta stjarneðlisfræðiritið. Þetta mikilvægasta verk hans kom út árið 1609 og heitir fullu nafni Astronomia Nova ΑΙΤΙΟΛΟΓΗΤΟΣ, seu physica coelestis, tradita commentariis de motibus stellae Martis ex observationibus G.V. Tychonis Brahe (Ný stjörnulist, grundvölluð á orsökum, eða náttúruspeki stjörnuheimsins, kynnt með athugasemdum um hreyfingar stjörnunnar MARS, byggð á mælingum aðalsmannsins Týchós Brahe - Verkið er til í endurskoðaðri enskri þýðingu frá 2015).

Yfirlýst markmið höfundarins var að beita náttúruspeki þess tíma til að útskýra hreyfingar himintunglanna og sjálfur titillinn vísar í þá fyrirætlan: Astronomia nova = ný stjörnulist = ný stjörnufræði  og  physica coelestis = náttúruspeki stjörnuheimsins = eðlisfræði stjörnuheimsins (= stjarneðlisfræði).

Verkið byggir meðal annars á sólmiðjukenningu Kóperníkusar og mælingum Týchós Brahe á tilfærslu föruhnattanna á stjörnuhimninum, sérstaklega þó ítarlegum mælingum hans á hreyfingu Mars. Það er í þessu verki sem Kepler „leiðir út“ fyrstu tvö lögmál sín af þremur, sem lýsa hreyfingum reikistjarnanna umhverfis sólina. Að auki setur hann fram „eðlisfræðilega kenningu“ um það, hvernig sólin valdi hreyfingu reikistjarnanna, hina fyrstu, sem mér er kunnugt um.

Í verkinu Astronomia nova frá 1609 studdist Kepler við sólmiðjukenningu Nikulásar Kóperníkusar (til vinstri) og hinar nákvæmu mælingar Týchós Brahe (til hægri). Myndir: Wikipedia.

 

Lögmál Keplers

Flestir núlifandi Íslendingar kannast eflaust við lögmálin þrjú, sem kennd eru við Kepler. Mikilvægara er þó, að Newton notaði þau sem vegvísi í leit sinni að hinu merka lögmáli um þyngdina, sem hann setti fram árið 1687. Um þyngdarlögmál Newtons og kynni Íslendinga af því verður fjallað í næstu færslu, en hér verður rætt nánar um lögmál Keplers og útskýringar hans á hreyfingum himintungla.

Eins og áður sagði, birti Kepler fyrstu tvö lögmálin í Astronomia nova árið 1609, en hið þriðja kom hins vegar ekki fyrr en tíu árum síðar í verkinu Harmonices Mundi (Samhljómur heimsins; ensk þýðing; umfjöllun). Í báðum tilvikum eru lögmálin dreifð innan um annað efni og ekki sérlega aðgengileg. Árið 1622 setti Kepler þau hins vegar fram á aðeins skipulegri hátt í 4. bindi kennslubókarinnar Epitome Astronomiae Copernicanae (Ágrip af stjörnufræði Kóperníkusar; ensk þýðing; umfjöllun), sem í raun er nákvæm fransetning á stjörnufræði Keplers sjálfs, frekar en Kóperníkusar.  Það var þó ekki fyrr en með alþýðuriti Frakkans J. Lalandes frá 1774, Abrégé d'astronomie, sem lögmál Keplers fengu þau númer, sem við þekkjum í dag.

Mynd úr Astronomia nova frá 1609 (bls. 286) Hún á að sýna sporbaug reikistjörnunnar Mars. Það dæmi var fyrsta vísbending Keplers um niðurstöðu, sem nú ber nafnið fyrsta lögmál Keplers.

Í fyrstu voru lögmálin lítið notuð, enda voru verk Keplers erfið aflestrar og stærðfræðin aðeins aðgengileg fáum, sérstaklega ef menn vildu notast við annað lögmálið (meira hér). Árið 1627 gaf Kepler hins vegar út Tabulae Rudolphinae (Töflur Rúdólfs; umfjöllun), langþráðar stjarnfræðitöflur, byggðar á hans eigin lögmálum og athugunum Týchós Brahe.

Stjörnufræðingar uppgötvuðu fljótlega, að Töflur Rúdólfs voru til muna nákvæmari en allar fyrri töflur af svipaðri gerð og olli það vaxandi áhuga á lögmálum Keplers. Hins vegar sýndi Galíleó þeim ávallt lítinn sem engan áhuga og hið sama gilti um Descartes og fylgismenn hans. Notkun þeirra varð því ekki mjög almenn fyrr en Newton sýndi fram á mikilvægi þeirra í Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (Stærðfræðilögmálum náttúruspekinnar) árið 1687.

Af ástæðum, sem komið verður inn á hér á eftir, notuðu danskir stjörnufræðingar hvorki Töflur Rúdólfs né kennslubók Keplers, Epitome, fyrr en Ole Römer varð prófessor við Hafnarháskóla árið 1681. Hann notaði þessi verk meðal annars í kennslunni, eins og sjá má af dispútatíum Magnúsar Arasonar og Þorleifs Halldórssonar frá árunum 1707 til 1710. Keplerslögmálin urðu þannig fastur hluti af námsefninu við Háskólann á níunda áratugi sautjándu aldar án nokurra áhrifa frá Newton, enda áttu enn eftir að líða nokkrir áratugir þar til náttúruspeki enska meistarans barst til Kaupmannahafnar.

Fyrstu ítarlegu umfjöllunina á íslensku um öll lögmál Keplers er að finna í Stjörnufrædi Ursins frá 1842 (bls. 76-78).  Eins og minnst var á í færslu 2a, kemur fyrsta lögmálið þó við sögu strax í fyrstu íslensku alþýðuritunum, bæði í verkum Magnúsar Stepensen og Hannesar Finnssonar frá árinu 1797. Hvorugur þeirra talar þó um ellipsur í því sambandi, heldur nota orðalagið „aflangir hringir“ um brautirnar (orðið sporbaugur er eftir Jónas Hallgrímsson og kemur fyrst fyrir í Stjörnufræði Ursins). Hið sama gerir Jón Jónsson ári síðar í þýðingu sinni á Náttúruskoðara Suhms.

Myndin er úr Stjörnufrædi Ursins og á að útskýra fyrstu tvö lögmál Keplers um hreyfingar í sólkerfinu: 1. Braut sérhverrar reikistjörnu (AGEDBPH) er sporbaugur með sólina (S) í öðrum brennistað (brennipunkti) brautarinnar.   2. Tengilína sérhverrar reikistjörnu og sólar fer yfir jafnstór flatarmál (skyggðu svæðin) á jafnlöngum tíma.  -  Af 2. lögmáinu má sjá, að hraði reikistjörnu á braut sinni er breytilegur, mestur í sólnánd P, minnstur í sólfjærð (sólfirð) A.

Í upphafi sýndu stjörnufræðingar þriðja lögmáli Keplers sérstaklega lítinn áhuga. Ástæðan var einfaldlega sú, að það kom að litlu gagni við  brautarreikninga. Þetta breyttist þó með framsetningu Newtons árið 1687, þar sem hann sýndi, hvernig finna má massa sólar og annarra himinhnatta, til dæmis jarðarinnar og Júpíters, út frá upplýsingum um meðalfjarlægð og umferðartíma fylgihnatta þeirra.

Fyrsti Íslendingurinn, sem vitað er með vissu að hafi beitt þriðja lögmálinu við útreikninga, var lærisveinn Römers, Magnús Arason. Í dispútatíunni Phases lunae (Fasar tunglsins) frá 1710 segir Magnús svo:

Meðalfjarlægðir reikistjarnanna frá sólinni skv. þriðja lögmáli Keplers. Myndin sýnir reikninga Magnúsar Arasonar á síðu 6 í síðustu dispútatíu hans um fasa tunglsins frá 1710. Hann byrjar á ystu reikistjörnunni, Satúrnusi. Umferðartími hennar er 29 júlíönsk ár og 155 dagar, samtals 10747 dagar. Þriðja rótin af þeirri tölu er 22,07 og með því að hefja útkomuna í annað veldi fæst 487. Þriðja rótin af umferðartíma jarðar, 365 dögum, er 7,16, sem í öðru veldi er 51,07. Fjarlægð jarðar frá sólinni er 12900 jarðarþvermál. Samkvæmt þriðja lögmáli Keplers, sem sett er fram á síðunni á undan með beinni tilvitnun í 4. bindi af Epitome Keplers (bls. 501), fæst þá fjarlægð Sarúrnusar frá sólinni með þríliðu: (487/51,07) x 12.900 = 122.920 jarðarþvermál. Á sama hátt má reikna fjarlægðir hinna reikistjarnanna, Júpíters, Mars, Venusar og Merkúríusar.

Það var hins vegar árið 1798, sem þriðja lögmál Keplers var fyrst sett fram á prenti á íslensku. Það var í neðanmálsgrein við Náttúruskoðara Suhms á bls. 100. Þar notast Jón lærði Jónsson við kennslubók C. Horrebows og segir:

Stjörnu-meistarar fundid hafa, ad Gud gjört hafi á vissri fjarlægdar tiltölu hvörrar plánetu, sem er sú: ad þær ferhyrndu edur quadrat-tölur þeirra umhlaups-tíma, sem eru í sömu hlutföllum sín á millum, sem þær ferstrendu kúbík-tölur þeirrar fjarlægdar. Þegar madur nú veit umhlaups-tíma edur árslengd tveggja pláneta, er hægt med þriggja-lida-reglu, ad finna fjarlægd annarar þeirra frá sólunni, viti madur ádur hvad önnur er lángt í burtu.

Í lokin má geta þess, að eftirmaður C. Horrebows, Th. Bugge, fór vandlega yfir lögmál Keplers í fyrirlestrum við Hafnarháskóla, sem ýmsir Íslendingar sóttu. Þetta má til dæmis sjá af bók hans um stjörnufræði frá 1796 (bls. 113-119). Á fyrsta fjórðungi nítjándu aldar voru lögmálin, að minnsta kosti það fyrsta, þegar orðin hluti af almennri þekkingu upplýstra leikmanna í Danmörku, þótt þau væru ekki alltaf tengd við nafn Keplers. Á Íslandi urðu þau hluti af námsefni í eðlis- og stjörnufræði frá og með stofnun Reykjavíkurskóla haustið 1846.

 

Hreyfiaflið í sólkerfinu

Í jarðmiðjukenningum fornaldar og miðalda hreyfðust föruhnettir og fastastjörnur með hvelum sínum umhverfis jörðina. Hreyfiaflið kom ýmist að ofan, frá svokölluðu frumhreyfihveli, sem umkringdi stjörnuheiminn, eða stafaði frá yfirskilvitlegum fyrirbærum af ýmsu tagi, svo sem öndum eða sálum föruhnattanna eða þá englum, sem stýrðu hvelunum. Þrátt fyrir fjölda mismunandi tilrauna til skýringar í gegnum aldirnar, náðist aldrei samkomulag um það, hvernig útfæra skyldi hugmyndirnar í smáatriðum.

Keplers byrjaði snemma að velta því fyrir sér, hvað gæti orsakað hreyfingar reikistjarnanna eftir sporbaugum. Hann komst fljótlega að þeirri niðurstöðu, að hreyfiaflið hlyti að búa í sólinni, sjálfri miðjunni, sem veitti öllu kerfinu ljós og yl.  Með tímanum þróaði hann „eðlisfræðilega kenningu“, sem meðal annars var reifuð í Astronomia nova árið 1609 og að lokum í endanlegri mynd í Epitome þrettán árum síðar.

Árið 1600 kom út ritið De magnete (Um segulinn; ensk þýðing; umfjöllun) eftir W. Gilbert, þar sem meðal annars var sýnt fram á, að jörðin væri segull. Þessi niðurstaða, sem og bókin öll, hafði mikil áhrif á Kepler, sem setti strax fram þá hugmynd, að hinar reikistjörnurnar og sólin væru líka seglar. Þetta notaði hann í hugmyndum sínum um hreyfiaflið í sólkerfinu.

Samkvæmt kenningunni geislar hreyfiaflið frá sólinni líkt og ljós og dofnar með fjarlægð eins og ljós og segulafl. Sólin snýst og aflgeislarnir með henni og þeir draga reikistjörnurnar með sér í einskonar hvirfli. Segulafl sólar verkar jafnframt beint á reikistjörnuseglana og færir þá ýmist nær eða fjær sólinni. Afleiðingin verður sú, að brautir hnattanna víkja frá hringlögun og verða að sporbaugum.

Ein af myndum Keplers í 4. bindi Epitome frá 1622 (bls. 520 og 588). Hún á að hjálpa lesandanum til að skilja, hvernig sólin dregur reikistjörnurnar með sér eftir sporbaugsbrautum samkvæmt hugmyndum höfundarins.

Þessi kenning Keplers virðist hafa haft lítil áhrif á náttúruspekinga og stjörnufræðinga samtímans, sennilega vegna þess, að menn voru lengi að venjast þeirri hugsun að nota mætti aflfræði til að útskýra hreyfingar reikistjarnanna. Fyrsti spekingurinn, sem ég veit til að hafi fjallað opinberlega um kenningu Keplers, var Leibniz í ritgerð um aflfræði himintungla, Tentamen de motuum coelestium causis, árið 1689. Rétt er þó að geta þess, að óháð Kepler setti Galíleó fram þá hugmynd, að reikistjörnurnar snerust um sólina vegna möndulsnúnings hennar, en hann útfærði þá hugmynd aldrei nánar.

Mikilvægt er að hafa í huga, að í hreyfiaflskenningu Keplers er hvergi minnst á aðdráttarafl og þyngdin kemur þar hvergi við sögu. Kepler hafði að sjálfsögðu sínar eigin hugmyndir um þyngdina og virðist hafa talið, að hún væri nær eingöngu bundin við jörðina og væri einna líkust segulafli.

Hugmynd hans var sú, að „eðlislíkir hlutir“ drægjust hver að öðrum. Það væri ástæðan fyrir því, að efnishlutar jarðarinnar héldust saman, jafnvel þótt hún væri ekki í miðju heimsins, eins og gert var ráð fyrir í jarðmiðjukenningum. Að auki virðist Kepler hafa talið, að þetta aðdráttarafl væri skammdrægt og hann velti því þess vegna ekkert fyrir sér, hvort það breyttist með fjarlægð milli hlutanna (sjá nánar hér).

Í Náttúruskoðara má finna umfjöllun, sem tengst hugmyndum Keplers (og einnig Descartes) um þyngdina. Þar segir Suhm á bls. 14-16:

Jördin hnýgur med þýngd sinni að midpúnkti, hennar partar halda sér þess vegna þétt saman […] En hvad er þýngdin í sjálfri sér, og í hvörju er hún fólgin? Hér hljótum vér oss hönd á munn ad leggja, og vidurkénna ad Guds vísdómur tekur lángt fram vorri þeckingu; samt sem ádur er þýngdin og hennar lög í náttúrunni oss nockurnveginn kunnug, og líka þar af fljótandi misjöfnudur í hræringunum, er rísa af því ad einn hlutur þryckir ødrum, edur steytir á annann.

Og neðanmáls vísar Jón Jónsson í dönsku þýðinguna af bók W. Derhams, Astro- et physico-Theologie frá 1759, og bætir við:

Væri ecki þessi eginnlegleikur jördunni af Skaparanum gefinn, fyrir hvörn ad allir hennar samanstandandi partar dragast svo fast saman, kynni hún ei ad standast, því ella hryndi hún á augabragdi öll sundur í smá mola, vegna hennar yfrid hvatskeytlega snúnings og flugs áfram kríngum sólina […] En Mælingameistarar reikna að kraptur sá, sem heldur jördunni saman fyrir þýngdina, sé 288sinnum meiri þeim, sem sundurdreifa vill hennar samstandandi pörtum.

Talan 288, sem þarna er nefnd, er komin frá Descartes.

Vangaveltur um stærð alheimsins verða til umræðu í seinni færslum og því er við hæfi að nefna það hér, að alheimur Keplers var afmarkaður og endanlegur. Fyrir því færði hann sterk eðlisfræðileg rök, sem hann birti í opnu bréfi til Galíleós árið 1610, Dissertatio cum nuncio sidereo (Samtal við sendiboða stjarnanna; ensk þýðing). Þar beitir Kepler þekkingu sinni í ljósfræði og sýnir fram á, að í óendanlegum og stöðugum stjörnuheimi er öll hvelfingin ávallt jafn björt og stjörnuyfirborð. Í slíkum heimi er því jafn bjart á nóttu sem degi. Eins og allir vita er myrkur á nóttinni og af því leiðir, að stjörnuheimurinn hlýtur að vera endanlegur. Þessi röksemdafærsla er núna þekkt undir nafninu þversögn Olbers. Þrátt fyrir „sönnun“ Keplers, tók Galíleó aldrei endanlega afstöðu til þess, hvort stjörnuheimurinn væri óendanlegur eða ekki.

 

Örlítil viðbót um þróunina frá Kóperníkusi til Newtons

Það tók sólmiðjukenninguna mun lengri tíma en margir halda að vinna sigur á hinum fornu jarðmiðjuhugmyndum,  sérstaklega þó þeirri, sem byggð er á Almagest, hinu mikla verki  Ptólemaíosar frá annarri öld. Reyndar höfðu margir stjörnufræðingar þegar gefist upp á hugmyndum hans í lok sextándu aldar, en í staðin var þá komin ný jarðmiðjukenning, kennd við Týchó Brahe. Sú kenning naut mikillar hylli allt fram yfir miðja sautjándu öld, ekki síst meðal Jesúíta og annarra kaþólikka, sem og Dana.

Í kerfi Brahes er jörðin í miðju heimsins. Um  hana ganga tunglið og sólin, en allir aðrir föruhnettir snúast um sólina (sjá mynd hér fyrir neðan). Þessi nýi keppinautur sólmiðjukenningarinnar kom fyrst á prenti árið 1588 í riti Brahes, De mundi aetherei recentioribus phaenomenis (Um nýleg fyrirbæri í vakaheimi; umfjöllun). Það var þó ekki fyrr en Galíleó hafði skýrt frá hinum mögnuðu sjónaukaathugunum sínum í Sidereus nuncius (Sendiboði stjarnanna; ensk þýðing; umfjöllun) árið 1610, sem málsvarar jarðmiðjukenningarinnar, einkum Jesúítar, gripu fyrir alvöru til varna með heimsmynd Brahes að vopni. Hún gat nefnilega útskýrt flestar af athugunum Galíleós jafn auðveldlega og sólmiðjukenningin.

Þekktasta rit Jesúíta um þetta og tengd efni er Almagestum novum (Hið nýja Almagest; framhald hér; umfjöllun) frá 1651. Höfundurinn G. B. Riccioli var í hópi merkustu náttúruspekinga á fyrri hluta sautjándu aldar, en til skamms tíma hefur lítið verið um hann fjallað í sögubókum, sennilega vegna þess að hann starfaði í skugga þekktari einstaklinga, eins og Keplers, Galíleós og Descartes.

Árið 1632 kom út hið mikla rit Galíleós, Dialogo [...] sopra i due massimi sistemi del mondo Tolemaico, e Copernican (Samræður um heimskerfi Ptólemaíosar og Kóperníkusar; ensk þýðing; umfjöllun), verkið sem varð kveikjan að deilum hans við kaþólska kirkjuvaldið. Svo virðist, sem ein af ástæðunum fyrir viðbrögðum kirkjunnar hafi verið, að í bókinni beinir Galíleó spjótum sínum bæði að kenningum Ptólemaíosar og Brahes, án þess þó að nefna Brahe nokkurs staðar á nafn. Galíleó mun nefnilega hafa lofað kirkjunnar mönnum að láta kenningu Brahes í friði og fjalla aðeins um heimsmynd Ptólemaíosar, sem kirkjan leit þá þegar á sem úrelta kenningu. Þetta mun, ásamt öðru, hafa reitt kirkjuhöfðingjana til reiði, með afleiðingum sem allir þekkja.

Í dispútatíu Gísla Þorlákssonar frá 1651, De stellis fixis et errantibus (Um fastastjörnur og föruhnetti; umfjöllun), er meðal annars fjallað um deilurnar milli fylgismanna Kóperníkusar og Brahes. Þar er og minnist á ýmsar niðurstöður Galíleós, án þess þó að hann sé nefndur á nafn! Til dæmis ræðir Gísli um hluta af rökunum í Dialogo gegn jarðmiðjukenningunni, eins og sjá má í eftirfarandi myndatexta:

Til vinstri: Jarðmiðjuheimur Brahes úr bók hans Um nýleg fyrirbæri frá 1588 (bls.189).  Til hægri: Sólmiðjuheimur Galíleós úr bók hans Samræður um heimskerfin frá 1632 (bls. 520).  -  Í staðhæfingum XV og XVI í dispútatíunni Um fastastjörnur og föruhnetti frá 1651 segir Gísli Þorláksson meðal annars um þessi heimskerfi:  „Talsmenn kerfis Kóperníkusar finna kerfum Ptólemaíosar og Týchós margt til foráttu, einkum þó að hvorugur þeirra hafi stutt það traustum rökum að jörðin sé í miðju alheimsins. En óbilgirni þeirra dylst þó engum, því sjálfir hafa þeir ekki enn sýnt óyggjandi fram á, að velja eigi sólinni stað í miðju heimsins. Hvers vegna heimta þeir svo af öðrum það sem þeir geta ekki sjálfir afrekað?  Þegar þeir svo telja, að það fari í bága við náttúruna að þau himintungl sem mynda einn alheim hafi tvennar undirstöður, það er að segja samkvæmt fylgismönnum Tychos kyrrstæða jörð og hreyfanlega sól, þá vega þeir sig með eigin sverði. Því sjálfir segja þeir að Merkúríus, Venus, jörðin, Mars, Júpíter og Satúrnus hreyfist um sólina sem fastan og óhagganlegan miðpunkt, en tunglið aftur um hreyfanlega jörðina. Eru það ekki tvennar undirstöður: sólin og jörðin? Og hvað ef sést hafi að auki að Júpíters-reikistjörnurnar snúist um hinn hreyfanlega Júpíter?“

Það er ekki nóg með, að Gísli sleppi því að nefna Galíleó í dispútatíunni, heldur minnist hann hvorki á Kepler né lögmál hans. Það er sennilega vegna áhrifa frá nemanda og samstarfsmanni Brahes, Longomontanusi, fyrsta prófessornum í stjörnufræði við Hafnarháskóla. Bók hans Astronomia Danica (Dönsk stjörnulist; umfjöllun), sem kom fyrst út 1622 (aftur 1640 og 1663) hafði talsverð áhif og var víða notuð við kennslu, einkum þó í skólum Jesúíta. Longomontanus hélt stíft fram heimsmynd kennara síns og var eindreginn andstæðingur Keplers, fyrrum samstarfsmanns síns hjá Brahe í Prag. Ósættið við Kepler var ástæða þess, að fyrrnefndar Töflur Rúdólfs voru ekki notaðar í Danmörku fyrr en á síðustu áratugum sautjándu aldar.

Til vinstri: Galíleó Galíleí. Málverk eftir Justus Sustermans frá 1636  - Til hægri: René Descartes á málverki eftir Frans Hals eldri (ártal óþekkt).

 

Hvirflar Descartes

Samkvæmt kenningum Descartes eru efni og rúm í vissum skilningi tvær hliðar á sama fyrirbærinu; án efnis væri ekkert rúm og öfugt. Af því leiðir að tóm er ekki til og geimurinn er fullur af efni, þar sem kvikir efnishlutar núast saman og mynda örlitlar og óendanlega deilanlegar agnir. Agnirnar, sem eru reyndar þrenns konar hjá Descartes, mynda samfellt straumefni (vökva) eða vaka (eter, plenum). Allir himinhnettir eru samsettir úr samþjöppuðum og grófum afbrigðum þessa vaka og umhverfist þá eru hvirflar úr þynnra straumefni.

Descartes aðhylltist sólmiðjukenninguna, svo stærsti hvirfillinn í sólkerfinu er að sjálfsögðu í kringum sólina, og það er hann sem dregur reikistjörnurnar með sér umhverfis hana. Aðrar sólir hafa einnig sína hvirfla og alheimur er samsettur úr slíkum fyrirbærum, eins og sýnt er á myndinni hér fyrir neðan. Þegar sólarhvirflar eyðist af einhverjum ástæðum, verða þeir að reikistjörnum, ef leifar þeirra festast í nálægum hvirflum, annars að halastjörnum, sem ferðast milli hvirfla.

Árið 1633 var Descartes þegar búinn að semja rit um hvirflakenninguna, Le Monde (Heimurinn; ensk þýðing; umfjöllun), en vegna réttarhaldanna yfir Galíleó kom það ekki út fyrr en að höfundi látnum, 1664. Í millitíðinni birtist þó hið mikla rit hans Principia philosophiae (Lögmál heimspekinnar; ensk þýðing; umfjöllun), þar sem kenningunni eru gerð ítarleg skil.

Hvirflakenningin komst fljótlega á mikið flug í Frakklandi og breiddist þaðan út til annarra landa. Í því sambandi má nefna, að minnst var á kenninguna á prenti í fyrsta sinn í Danmörku í áðurnefndri dispútatíu Gísla Þorlákssonar, Um fastastjörnur og föruhnetti.  Hvirflarnir héldu þó ekki innreið sína við Hafnarháskóla fyrr en með ritum og kennslu Rasmusar Bartholin um og upp úr 1660.

Árið 1707 samdi Þorleifur Halldórsson latneska dispútatíu, De aplane  (Um festinguna; umfjöllun [sjá bls. 269]). Ritgerðin fjallaði meðal annars um sólmiðjukenninguna og hvirfla Descartes. Af yfirferðinni má sjá, að Þorleifur hefur gluggað í Systema cosmicum, latnesku útgáfuna af Dialogo Galíleós,  en virðist hins vegar ekki hafa lesið rit Descartes. Í umræðunni um hvirflana styðst Þorleifur í staðinn við verkið Institutio Philosophiae, Secundum Principia D. Renati Descartes (ensk þýðing) eftir Antoine Le Grand, sem mun hafa verið gríðarlega vinsæl kennslubók víða í Evrópu á þessum tíma:

Skýringarmynd úr Lögmálum heimspekinnar frá 1644. Descartes taldi að sérhver fastastjarna (t.d. S(ólin), D, L, F, f og Y ) hefði sinn eigin hvirfil og að reikistjörnur og halastjörnur væru dauðar sólir. Ræman á myndinni á að sýna feril halastjörnunnar N, upp og til hægri.  -  Í dispútatíunni Um festinguna frá 1707 segist Þorleifur Halldórsson vera sammála því „að einstakar fastastjörnur eigi sér vissan stað og stöðu fjarri hinum [þ.e.] að stakar fastastjörnur eigi sér eigin hvirfil.“ Hins vegar vill hann ekki fallast á þá skoðun, að „himinhvelum verði að fjölga til samræmis við stærð eða fjölda fastastjarna.“ Þorleifur telur einnig gagnrýnisvert að halda því fram, að fastastjörnuhvirflarnir séu köntóttir frekar en hring- eða hvellaga.

Í kenningu Descartes hefur sérhver reikistjarna sinn eigin hvirfil, sem er fastur í hinum risastóra sólarhvirfli. Þannig má til dæmis útskýra, hvers vegna tungl fylgja reikistjörnum sínum og snúast um þær.

Þyngdina útskýrir Descartes með því, að hvirfilhraðinn við yfirborð reikistjörnu sé mun meiri en snúningshraði hnattarins og miðflóttaaflið sé því meira í hvirflinum en á yfirborðinu. Sé hlut sleppt í vissri hæð er hraði hans, og þar af leiðandi miðflóttahneigð, minni en agnanna í hvirfilhreyfingunni í sömu hæð. Agnirnar þrýsta honum því niður þar til hann hann nær miðflóttajafnvægi við umhverfi sitt, sem gerist á yfirborðinu.

Þótt Descartes ætti sér dygga lærisveina og fylgismenn víða í hinum lærða heimi, fór smám saman að draga úr vinsældum kartesískrar náttúruspeki á fyrri helmingi átjándu aldar. Það var að sjálfsögðu vegna sívaxandi áhrifa Newtons, sem meðal annars hafði gagnrýnt kenningu Descartes á sannfærandi hátt í öðrum hluta Stærðfræðilögmála náttúruspek-innar.

Ýmsir fylgismenn hvirlakenningarinnar, einkum í Frakklandi, reyndu þó að koma í veg fyrir þessa þróun með því að betrumbæta kenninguna. Meðal þeirra, sem tóku þátt í þeirri vonlausu baráttu, voru menn eins og Huygens, Leibniz, Malebranche, Jacques Cassini og Johann Bernoulli.

Í lokin þetta: Eftirfarandi lýsingu á sólkerfinu er að finna í Náttúruskoðara Suhms (bls. 95-98):

Sólin er midt í vorum Sólveraldakransi, og hefur allt um kríng sig þessar 6 plánetur edur reikandi stjörnur, er svo heita: Mercúríus, Venus, Mars, Jördin vor med sinni einu fylgistjörnu Tunglinu, Júpíter med sínum fjórum fylgistjörnum og Satúrnus með sínum fimm. Sjálf stendur hún kyrr í midju þeirra, að fráteknu því, að hún veltist um kríng sjálfa sig, sem á ási léki, og dregur hinar adrar med ser í hríng í kríngum sig, hvörjar og þar ad auki veltast um á leidinni, og sú hin fyrri hræring þeirra gjörir árid hjá þeim, en sú sídari dag og nóttu; og á sama hátt draga þær aptur sínar fylgistjörnur med sér í kringum sig. Rafkrapturinn virdist ad vera nærsta hæfilegur ad útmála þetta.

Danski frumtextinn er frá árinu 1763 (þess vegna er Úranus ekki með í upptalningunni) og fyrir utan setninguna um rafkraftinn, má sjá greinileg áhrif frá hvirflakenningunni. Þetta á einnig við um byrjunina á neðanmálsgrein Jóns Jónssonar (bls. 96-97), sem styðst við bók Bastholms, Philosophie for Ulærde, frá 1787 (bls. 18-19). Jón segir og hefur eftir Bastholm:

Hvad því valdi ad sólin dregur pláneturnar í kríng um sig, er ad sönnu torsótt ad skilja, þó færir Basthólm þessa samlíkingu þar til: steinn í slöngu einni leitast á allar siddur ad fljúga út frá hendi manns, sem er hans midpúnktur. Þannig fylgir og plánetunum nockurskonar kraptur, ad flýja út frá sínum midpúnkti, sem er sólin. En þar er þá annar gagnstædur kraptur, sem heldur þeim aptur; og hvörr er hann? allir líkamir hafa einskonar krapt þann í ser ad draga hvörn annann til sín, t.d. þegar tveir dropar vatns snerta hvörr annann, hlaupa þeir saman í einn dropa. Tveir hnettir í sama vatni, draga hvörr annann til sín, seu þeir ecki oflángt hvörr frá ödrum. Þetta rís þó af vatninu, sem er í millum hnattanna, því annadhvört hljóta líkamirnir ad snerta hvörr annann fyrir medal eda medalslaust, skuli þeir hvörr annann til sín draga. Á þann hátt dregur hnötturinn þad næsta vatn til sín, þetta vatn aptur þad nærsta vatn ser, og s. fr. Þannig sýnist því varid um þá himnesku líkami. Þar er til, sem sagt er [í 3. neðanmálsgrein, bls. 11] rennandi ætheriskt efni, í hvörju sólin og allar hennar plánetur sveima. Sólin dregur þetta efni til sín, og þad aptur pláneturnar. Þegar þessi kraptur er jafnstór þeim kraptinum, sem drífa vill pláneturnar út frá sínum midpúnkti, hljóta þær vafalaust ad fljúga í kríngum sólina, eins og steinninn í slaungunni um kríng höndina.

Þarna er talað um miðflóttakraft og einnig um aðdráttarkraft, sem bendir til einhverrar þekkingar á aflfræði og jafnvel þyngdarfræði. Einnig voru fornar sem nýjar vangaveltur um vaka/straumefni stjörnuheimsins vel þekktar meðal náttúruspekinga á upplýsingaröld. Sú hugmynd, að sólin dragi kyrrstætt straumefnið til sín og það aftur reikistjörnunnar gæti verið túlkun Bastholms á vangaveltum L. Eulers um samband aðdráttarkrafts og vaka (sjá til dæmis 68. bréf Eulers til þýskrar prinsessu). Einna merkilegast við lýsinguna í heild er þó, að nafn Newtons kemur þar hvergi við sögu. En hvað sem því líður, þá er þetta í fyrsta sinn, sem fjallað er á prentaðri íslensku um eðlisfræðilega orsök fyrir snúningi reikistjarna um sólina.

Og þá er loksins komið að því að fjalla um Newton og lögmál hans. Það verður gert í næstu færslu.

 

* Stjarneðlisfræði og heimsfræði á Íslandi: Efnisyfirlit *

 

Um Einar H. Guðmundsson

Prófessor emeritus við Háskóla Íslands - Tölvupóstfang: einar@hi.is - Vefsíða: https://einar.hi.is/
Þessi færsla var birt undir Átjánda öldin, Eðlisfræði, Nítjánda öldin, Sautjánda öld, Stærðfræði, Stjörnufræði. Bókamerkja beinan tengil.