Z powrotem w stronę Księżyca

Poniższa notka nie stanowi odrębnej całości, ale jest integralną częścią cyklu o historii wyznaczania współrzędnych geograficznych. Jeżeli jakiś punkt wydaje się niezrozumiały, istnieje duże prawdopodobieństwo, że został wytłumaczony w którymś z wcześniejszych tekstów. Aby przeczytać całość, lekturę należy zacząć od Jakie jest twoje miejsce na Ziemi?, po czym posuwać się zgodnie z linkami zamieszczanymi na końcu każdej kolejnej notki.

Historycy nie uważają Karola II Stuarta za władcę szczególnie wybitnego. Zarzuca mu się chwiejne rządy, dwulicowość i uleganie zbyt wielu słabostkom. Poddani mieli żal, że duża część ich podatków idzie na utrzymanie licznych kochanek i nieślubnego potomstwa króla Anglii. Ale Karol miał też trochę zalet. Jedną z nich było zainteresowanie nauką. Karol wspierał nowo powstałe towarzystwo naukowe, zwane dziś Royal Society, a i sam w pracowni umieszczonej w piwnicach swego pałacu przeprowadzał doświadczenia chemiczne i alchemiczne.

Jedna z kochanek Karola, Louise de Kéroualle, musiała być dziewczyną nie tylko seksowną, ale też inteligentną i wykształconą, bowiem kiedy zgłosił się do niej pewien Francuz, który twierdził, że zna sposób wyznaczania długości geograficznych, nie zbyła go, lecz uznała sprawę za ważną i załatwiła mu audiencję u króla. Francuz ten, przedstawiający się jako Sieur de St. Pierre, został przyjęty przez Karola w grudniu 1674 roku. Król nie czuł się wystarczająco kompetentny, aby samemu ocenić metodę, powołał więc komisję, w skład której weszli najwybitniejsi ówcześni uczeni, tacy jak Robert Hooke i Christopher Wren, a ona z kolei zwróciła się o opinię do 28-letniego wówczas astronoma, Johna Flamsteeda (1646-1719).

Louise de Kéroualle (portret z pracowni Petera Lely’ego; wiki, public domain)

Flamsteed był synem słodownika. Skończył szkołę średnią, ale jego ojciec sprzeciwiał się dalszej edukacji Johna, który przez dłuższy czas musiał uzupełniać wiedzę samodzielnie. Pierwsze prace astronomiczne opublikował jeszcze jako samouk. W końcu rozpoczął naukę w Cambridge, gdzie miał okazję uczęszczać na wykłady Newtona, ale studiował w sposób – jakbyśmy to dziś powiedzieli – zaoczny.

Zaproponowana przez de St. Pierre’a metoda była zasadniczo odnowionym pomysłem pomiaru odległości księżycowych gwiazd, przedstawionym półtora wieku wcześniej przez Johannesa Wernera i Petrusa Apianusa. Przypominam, że chodzi o wykorzystanie Księżyca jako specyficznego zegara na niebie. Nasz satelita szybko przemieszcza się po sferze niebieskiej, tak więc jego odległość kątowa od różnych gwiazd szybko się zmienia. Gdyby więc dla jakiegoś miejsca na Ziemi opracowano na kilka lat wprzód prognozę zmian położeń Księżyca na niebie – czyli wartości jego odległości kątowych od poszczególnych gwiazd w różnych momentach – to mierząc te odległości można by wyznaczać czas tegoż konkretnego miejsca. Znając ten czas, można go porównać z czasem lokalnym na morzu, i w ten sposób obliczać różnicę długości geograficznych. Ogromną zaletą metody odległości księżycowych jest fakt, że można ją stosować w każdą pogodną noc, a nie tylko wtedy, gdy zachodzi jakieś specyficzne zjawisko astronomiczne (na przykład zaćmienie któregoś z Księżyców Galileuszowych).

Zasada pomiaru odległości księżycowej gwiazdy (wiki, GNU Free Documentation License)

Flamsteed stwierdził, że pomysł jest w zasadzie poprawny, ale aktualnie nie do zrealizowania, gdyż zarówno ówczesne katalogi gwiazd, jak i znajomość ruchów Księżyca są zbyt mało precyzyjne. Sytuacja może się jednak poprawić, o ile stworzy się dokładniejsze katalogi oraz lepiej pozna ruchy naszego satelity – co rzecz jasna wymagało długoletnich obserwacji.

Gdy Karol II się o tym dowiedział, sprawy zaczęły się toczyć w ekspresowym tempie. W czerwcu 1675 roku król przyznał fundusze na budowę Royal Greenwich Observatory – placówki, w której miano prowadzić odpowiednie obserwacje. Projekt budowli został przygotowany przez Christophera Wrena, wspomaganego przez Roberta Hooke’a. Już w rok później do obserwatorium wprowadził się Flamsteed, którego Karol II mianował „Astronomem Królewskim” (Astronomer Royal). Jego zadanie miało polegać na „skorygowaniu Tablic ruchów Niebios i położeń gwiazd stałych, aby znaleźć tak pożądaną Długość Geograficzną miejsc w celu Doskonalenia Sztuki Nawigacji”. Roczne uposażenie Flamsteeda wynosiło 100 funtów – żadne wielkie kokosy, ale suma pozwalająca na w miarę dostatnie życie.

John Flamsteed (portret wykonany przez Godfreya Knellera; wiki, CC license)

Stanowisko Astronoma Królewskiego istnieje do dzisiaj, choć nie musi on już osobiście wyznaczać położeń gwiazd i Księżyca. Jego roczna pensja wynosi obecnie... nadal 100 funtów! Przywiązanie Anglików do tradycji bywa czasem rozbrajające... Tytuł ten jednak niesie ze sobą ogromny prestiż, Astronomami Królewskimi byli bowiem najwybitniejsi uczeni swoich epok. Aktualnie stanowisko to piastuje Sir Martin Rees, znakomity astrofizyk i intelektualista, którego miałem zaszczyt poznać osobiście, i który po dłuższej rozmowie zaprosił mnie na miesiąc do Cambridge, z czego jestem niezmiernie dumny. (To ostatnie zdanie napisałem oczywiście w celu autopromocyjnym; inni chwalą się tutaj swymi osiągnięciami, to i ja będę, a co!)

W owym czasie katalogowaniem gwiazd zajmował się także Jan Heweliusz, ale w obserwacjach używał urządzenia pozbawionego lunety, co ograniczało precyzję pomiarów. Nie wiem, jaka była motywacja gdańskiego astronoma, gdyż on sam konstruował największe wówczas teleskopy i wykorzystywał je do innych celów, takich jak stworzenie wspaniałej mapy Księżyca. Flamsteed skonstruował kątomierz o promieniu około 2 metrów z doczepioną do niego lunetą, dzięki czemu jego dokładność była większa, i umieścił go na pionowej ścianie obserwatorium w Greenwich. Za jego pomocą przez kilkadziesiąt lat mierzył pozycje gwiazd i Księżyca.

Ścienny kątomierz Flamsteeda (wiki, public domain)

Ze względu na położenie geograficzne Greenwich, obserwacje Flamsteeda siłą rzeczy ograniczały się do gwiazd nieba północnego, zaś marynarzom zapuszczającym się na dalekie wyprawy potrzebne były również pozycje gwiazd nieba południowego. W tym miejscu na scenę wkracza kolejny z geniuszów epoki, wspominany przeze mnie już kilkakrotnie Halley.

Edmond Halley (1656-1742) był synem zamożnego londyńskiego producenta mydła. Jego ojciec, w odróżnieniu od ojca Flamsteeda, wspierał edukację syna, a nawet, chcąc aby astronomiczna pasja młodego Edmonda się rozwijała, zakupił mu szereg kosztownych instrumentów. Halley rozpoczął studia w Oxfordzie w 1673 roku i jeszcze jako student opublikował pierwsze prace z wynikami swych obserwacji. Wtedy też poznał Flamsteeda, który zapoznał go z zagadnieniem długości geograficznej i z problemem braku obserwacji gwiazd nieba południowego. Zafascynowany Halley wyczuł w tym swoją szansę, przerwał studia i postanowił opracować odpowiedni katalog. Ojciec przyznał mu roczną pensję w wysokości 300 funtów – trzy razy większą od wynagrodzenia, jakie Flamsteed dostawał od króla! – która pozwoliła na finansowanie dalekich podróży. W 1676 roku Edmond wsiadł więc na statek i pożeglował na najbardziej wówczas wysuniętą na południe posiadłość Korony Angielskiej – Wyspę Świętej Heleny. W owym czasie było to bardzo niebezpieczne miejsce na Ziemi. Mieszkało tam raptem niewielkie kilkaset osób, z czego sporą część stanowili żołnierze i niewolnicy. Co i rusz wybuchały na wyspie bunty, a w dodatku była ona narażona na ataki zainteresowanych jej opanowaniem Holendrów. Halley musiał mieć wiele odwagi i samozaparcia, żeby wyruszyć w takie miejsce! W czasie swego półtorarocznego pobytu na Wyspie Świętej Heleny udało mu się wyznaczyć pozycje 341 gwiazd. Młody uczony badał także pasaty i monsuny oraz wpływ, jaki promieniowanie Słońca wywiera na ruchy powietrza. Po powrocie do Anglii opublikował katalog, który stał się międzynarodowym sukcesem. Halley został członkiem Royal Society, a Uniwersytet Oksfordzki zgodnie z poleceniem króla nadał mu tytuł magistra bez konieczności zdawania wymaganych zwykle egzaminów.

Edmond Halley (portret wykonany przez Richarda Phillipsa; wiki, public domain)

Niedługo później pojawiła się wreszcie szansa realistycznego prognozowania ruchów Księżyca. W 1687 roku Isaac Newton, mocno poganiany przez Halleya, opublikował chyba najbardziej przełomowe dzieło w historii nauki – „Zasady matematyczne filozofii naturalnej”. Przedstawił w nim matematyczne podstawy swojej teorii grawitacji, za pomocą których można w zasadzie obliczać ruchy planet, księżyców i innych ciał niebieskich.

W ostatnim zdaniu ważne jest to „w zasadzie”, ścisłe rozwiązanie równań istnieje bowiem tylko w przypadku dwóch oddziałujących ze sobą ciał. Na ruchy Księżyca wpływa przyciąganie zarówno Ziemi, jak i Słońca, jest to więc zagadnienie trzyciałowe. Sam Newton nie bardzo jeszcze wiedział, jak sobie z nim poradzić. Co prawda jeden rozdział „Zasad” poświęcił Księżycowi, ale do pełnego rozwiązania problemu było jeszcze daleko. Sir Isaac zdawał sobie sprawę, że trzeba stosować metody przybliżone, a należy je weryfikować za pomocą obserwacji. Z tego powodu potrzebne mu były wyniki obserwacji prowadzonych przez Flamsteeda. 

Newton nie lubił Flamsteeda od momentu, gdy ten wytknął mu błąd w identyfikacji pewnej komety. Naciskał na Astronoma Królewskiego, aby jak najszybciej opublikował wyniki obserwacji Księżyca i gwiazd. Flamsteed był jednak perfekcjonistą i nie chciał tego zrobić zanim wielokrotnie nie sprawdzi swoich danych. Newton zaproponował wspólną publikację, w której znalazłyby się wyniki Flamsteeda z dorobioną do nich teorią Newtona, ale Astronom Królewski odmówił. Dla niego obserwacje były twardą, niepodważalną wiedzą, natomiast teoria... no cóż, teorie przychodzą i odchodzą. Spór trwał ładnych kilkadziesiąt lat. Adwersarze potrafili znieważać się publicznie używając wobec siebie słów takich jak „szczeniak”. W końcu w 1712 roku Newton i Halley wykradli dane Flamsteeda i opublikowali „piracką” wersję katalogu gwiazd, w której znalazło się sporo błędów. Flamsteed się wściekł. Wykupił 300 z 400 wydanych egzemplarzy, a następnie je spalił. Tak bawili się najwybitniejsi uczeni swojej epoki... Oficjalną wersję katalogu opublikowano w 1725 roku, już po śmierci Flamsteeda.

Ciąg dalszy nastąpi.