Halley: magnetyzm, komety i Wszechświat

To trzecia z serii notek o Halleyu. Dotychczasowe to:

Najbardziej rozrywkowy uczony w historii

Przed przeczytaniem tego tekstu proszę o zapoznanie się z poprzednimi.

Halley nie popracował zbyt długo w mennicy, w 1698 roku został bowiem marynarzem, i to od razu kapitanem małego żaglowca HMS Paramour. Był to pierwszy w historii okręt przeznaczony do celów czysto naukowych. Pod komendą Halleya wyruszył na Atlantyk w rejs, którego głównym celem było stworzenie mapy deklinacji magnetycznych, czyli kątów pokazujących odchyłkę kompasu od kierunku na prawdziwą północ. W owym czasie uważano, że taka mapa może pomóc w określaniu długości geograficznej na morzu.

Halley od wczesnej młodości interesował się magnetyzmem Ziemi. To on odkrył, że zorze polarne mają związek z polem magnetycznym naszej planety. Przejrzał dużą ilość danych dotyczących deklinacji magnetycznej, zebranych na lądzie przez naukowców, a na oceanach przez marynarzy, i na ich podstawie doszedł do wniosku, że ziemskie pole zmienia się w czasie. Jest to tak zwany dryf zachodni. Aby wyjaśnić ten efekt, Halley stworzył model Ziemi, zgodnie z którym zbudowana jest ona z jądra i otaczających ją warstw. Jądro i warstwy mają własne pola magnetyczne i obracają się z różnymi prędkościami. Przestrzeń między nimi wypełniona jest atmosferą, której cząstki wydostają się na zewnątrz w pobliżu biegunów magnetycznych i poruszając się wzdłuż linii pola tworzą zorze polarne. Obecnie wiemy, że cząsteczki wywołujące zorze nadlatują ze Słońca, ale Halley miał rację, uważając iż zasadnicze znaczenie ma ich ruch wzdłuż linii pola magnetycznego.

Pierwszy rejs HMS Paramour, rozpoczęty w październiku 1698 roku, zakończył się niepowodzeniem. Jeden z oficerów okrętu był również zainteresowany znalezieniem metody wyznaczania długości geograficznej i kilka lat wcześniej opublikował na ten temat pracę, którą ostro skrytykował Halley. Chcąc się zemścić, porucznik ten sabotował rozkazy Halleya, co zmusiło uczonego do przerwania wyprawy i powrotu do Anglii. Sąd Admiralicji ukarał porucznika naganą, a do drugiego rejsu dobrano już bardziej odpowiednią załogę.

HMS Paramour wyruszył w drugi rejs we wrześniu 1699 roku. Tym razem wszystko poszło zgodnie z planem, nie licząc śmierci młodego marynarza, który wypadł za burtę i przepadł porwany przez fale. Halley bolał nad tą tragedią do końca życia. Podczas rocznej podróży HMS Paramour opłynął cały Atlantyk pomiędzy szerokościami 50º północną i 50º południową. W jej trakcie zawinął na małą bezludną wyspę Trindade (nie mylić z Trynidadem), leżącą na wschód od Brazylii. Halley zostawił na niej kozy i świnie (których zdziczali potomkowie żyli na wyspie jeszcze w XX wieku), a jako dobry poddany ogłosił w imieniu korony brytyjskiej jej przejęcie. Dwieście lat później doprowadziło to do konfliktu dyplomatycznego między Brazylią a Wielką Brytanią o prawa własności do Trindade. (Brytyjczycy, powołując się na dokonany przez Halleya akt aneksji, chcieli na niej zbudować własną stację przekaźnikową dla transoceanicznego kabla telegraficznego).

Trindade (fot. Simone Marinho - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=39842313 )

W dwa miesiące po zakończeniu wyprawy Halley zaprezentował mapę deklinacji magnetycznych. Przedstawił je w postaci izolinii, czyli linii łączących ze sobą punkty o takiej samej wartości deklinacji. Była to pierwsza w historii mapa z izoliniami. Obecnie jest to standardowy sposób pokazywania jakichś wielkości. Jak widać, te wszystkie dobrze nam znane izobary, izotermy, warstwice czy poziomice zawdzięczamy właśnie Halleyowi.

Sporządzona przez Halleya mapa deklinacji magnetycznej Atlantyku (wiki, public domain)

W 1703 roku w Oksfordzie znowu pojawił się wakat. Ponieważ adwersarz Halleya, arcybiskup Tillotson już nie żył, uczony otrzymał profesurę na tej uczelni – ku wielkiemu niezadowoleniu Flamsteeda. Jego roczna pensja wynosiła około 140 funtów.

W dwa lata później ukazała się praca, dzięki której Halley jest dziś najbardziej znany. Dzieło „Podsumowanie astronomii komet” zawiera wyniki jego wieloletnich badań orbit kometarnych. Korzystał w nich z metody, którą przedstawił Newton w swoich „Zasadach”. Newton zastosował ją tylko do jednej komety i wyszło mu, że porusza się ona po torze bardzo zbliżonym do paraboli; podejrzewał, że wszystkie orbity kometarne mają taki kształt. Halley uważał z kolei, że trajektorie niektórych komet mogą być elipsami. Aby to sprawdzić, za pomocą metody Newtona przeanalizował XVI- i XVII-wieczne obserwacje 24 komet. Intuicja go nie zawiodła, gdyż okazało się, że orbity obiektów z lat 1531, 1607 i 1682 są faktycznie elipsami, a w dodatku bardzo podobnymi do siebie. Na tej podstawie wysnuł wniosek, że w ich przypadku mamy do czynienia nie z trzema różnymi, ale z jedną kometą obiegającą Słońce z okresem około 76 lat. Uwzględniając w przybliżony sposób wpływ przyciągania Jowisza na trajektorię, przewidział że kometa ta (dzisiaj nazwana jego imieniem) powróci w okolice Ziemi w 1758 roku. I tak się rzeczywiście stało, choć sam Halley nie doczekał już tego wydarzenia.

Odkrycie Halleya miało ogromne znaczenie, bowiem jeszcze w połowie XVIII wieku wielu uczonych kwestionowało koncepcje Newtona i skłaniało się ku wspomnianej wcześniej hipotezy wirów Kartezjusza. Powrót komety stanowił pozytywny wynik testu grawitacji newtonowskiej i demonstrował jej możliwości predykcyjne. Od tego momentu nikt już nie poddawał jej w wątpliwość.

W 1716 roku Halley opublikował pracę, w której przedstawił sprytny sposób pomiaru odległości Ziemi od Słońca. (Nie wiadomo, czy Halley sam wpadł na ten pomysł, czy „zerżnął” go od szkockiego astronoma Jamesa Gregory’ego, który opisał go pół wieku wcześniej). W owym czasie był to problem najwyższej wagi. Kopernik wymyślił metodę wyznaczania względnych odległości planet od Słońca, czyli – mówiąc dzisiejszym językiem – podawania ich w jednostkach astronomicznych; sama wartość jednostki astronomicznej była jednak słabo znana. (Jednostka astronomiczna to średnia odległość Ziemi od Słońca). Zgodnie z pomysłem Gregory’ego-Halleya należy w różnych miejscach na Ziemi prowadzić obserwacje przejścia Wenus przed tarczą słoneczną, czyli tak zwanego tranzytu. Niestety, tranzyty Wenus zdarzają się rzadko (kilkanaście razy na tysiąclecie), i Halley, ponownie jak w przypadku swojej komety, nie doczekał kolejnego. Nastąpił on w 1761 roku. Opierając się na obserwacjach tranzytu wartość jednostki astronomicznej wyznaczono wówczas na 153 miliony kilometrów (obecnie przyjmowana wartość to 149,6 mln km).

Kolejna praca Halleya, która diametralnie zmieniła ówczesny obraz świata, dotyczyła gwiazd. Halley zajmował się historią astronomii i analizował archiwalne obserwacje ze Starożytności i Średniowiecza. Porównując starożytne katalogi gwiazd z katalogami mu współczesnymi stwierdził, że różnice w pozycjach na niebie paru jasnych gwiazd są na tyle duże, iż nie można przypisać ich błędom obserwacyjnym. Wniosek był oczywisty: gwiazdy muszą poruszać się w przestrzeni. Dla nas fakt ten to banał – dobrze wiemy, że we Wszechświecie wszystko się kotłuje, wiruje i przemieszcza – ale dla współczesnych Halleyowi było to przełomowe odkrycie, bowiem wielu wierzyło, iż świat gwiazd jest statyczny. Sam Newton uważał, że gwiazdy tkwią nieruchomo w przestrzeni, a przed działaniem grawitacji i pospadaniem na siebie chroni je boska interwencja.

Inne odkrycie związane było z ruchami Księżyca. Przyglądając się momentom zaćmień Halley stwierdził, że następują one coraz częściej, i przypisał to przyspieszaniu ruchu naszego satelity. Faktycznie przyczyna tego zjawiska jest inna: to Ziemia zwalnia swój obrót. Jeżeli za miarę czasu przyjmuje się dobę, a ona, skutkiem spowalniania obrotu planety, ulega wydłużeniu, to odstępstwa czasowe między zjawiskami wydają się pozornie coraz krótsze.

Halley zajmował się też obiektami rozciągłymi, czyli – jak dziś wiemy – gromadami gwiazd i mgławicami. W jego czasach znano ich tylko 6, a on sam odkrył dwa. Słusznie uważał, że część z nich może być zbudowana ze świecącego „przejrzystego ośrodka”, czyli de facto z gazu (pojęcie gazu nie było wówczas jeszcze dobrze zdefiniowane). Jeśli chodzi o sam Wszechświat, to, zdaniem Halleya, musi on być nieskończony, gdyż inaczej grawitacja ściągnęłaby wszystkie gwiazdy na siebie. Miłośnik nauki William Stukeley zwrócił kiedyś jego uwagę na fakt, zwany obecnie paradoksem Olbersa. (Paradoks Olbersa mówi, że gdyby Wszechświat był statyczny, nieskończony w czasie i przestrzeni, i równomiernie wypełniony gwiazdami, to całe niebo powinno świecić jasno jak Słońce, gdyż w jakim kierunku byśmy nie spojrzeli, musielibyśmy natknąć się na jakąś gwiazdę. Każdy, kto patrzył na nocne niebo, wie jednak, że wcale tak nie jest – coś więc tu nie gra...) Halley próbował wyjaśnić go – niepoprawnie – istnieniem jakichś ciemnych obszarów wokół gwiazd.

Dziś wiemy, że niektóre z hipotez Halleya były dość naiwne. Ważny jednak był sam fakt, że je stawiał, gdyż dzięki temu rozszerzał obszary podlegające analizie naukowej.

W 1720 roku, po śmierci Flamsteeda, Halleya mianowano Astronomem Królewskim. (O ile wiem, nadal zachował wtedy profesurę w Oksfordzie). Pensja na tym stanowisku wynosiła 100 funtów rocznie, ale po kilku latach królowa Karolina, chcąc wynagrodzić Halleya za jego przeszłe zasługi dla Korony, podwyższyła mu uposażenie o 250 funtów.

Jako Astronom Królewski Halley postawił sobie epicki cel: zgromadzić obserwacje położeń Księżyca z całego pełnego cyklu saros. Saros to okres, po którym Słońce, Ziemia i Księżyc powracają do niemal identycznego położenia w przestrzeni. Z tego powodu wszystkie zjawiska związane z tymi ciałami niebieskimi, takie jak zaćmienia, powtarzają się w cyklu saros. Jest on dość długi, gdyż trwa nieco ponad 18 lat, jednakże Halleyowi udało się swój cel zrealizować. Niestety, wyniki obserwacji Księżyca notował w sposób dość bałaganiarski i przez to nie przedstawiają one wielkiej wartości naukowej. Być może przyczyny tego stanu rzeczy należy doszukiwać się w niezbyt już młodym wieku astronoma.

W 1736 roku, niedługo po śmierci żony, Halley doznał lekkiego paraliżu prawej dłoni. Paraliż ten powoli postępował i uczony musiał zażywać coraz większe dawki lekarstwa. 14 stycznia 1742 roku odmówił jednak przyjęcia mikstury, zamiast niej poprosił o kieliszek wina, wypił go, usiadł na fotelu i bez słowa odszedł z tego świata. W chwili śmierci miał 85 lat.

Halleya powszechnie lubiano, gdyż był człowiekiem wesołym, towarzyskim i życzliwym dla innych (co oczywiście nie dotyczyło wrogów, jego i Newtona). Nie stracił pogody ducha nawet po tym, jak podczas jednej z wypraw morskich zachorował na szkorbut i wypadły mu wszystkie zęby. Od tego czasu odżywiał się tylko miękkimi potrawami, takimi jak ryby. Lubił prowadzić dyskusje z innymi członkami Royal Society na spotkaniach, które organizował co tydzień w jednej z londyńskich kawiarń, a które później przekształciły się w nieformalny Royal Society Dining Club.

Zakończenie w następnej notce.