Dlaczego Kopernik stworzył system heliocentryczny? 2. Reakcje na wyzwanie Platona

Poprzednią notkę zakończyłem wyzwaniem, jakie postawił przed astronomami Platon: pokażcie, że Wszechświat jest matematyczny i wyjaśnijcie obserwowane zachowanie ciał niebieskich za pomocą ruchów jednostajnych po okręgach. Rozwiązanie tego problemu nie było zadaniem łatwym. Co prawda Słońce i Księżyc przesuwają się na tle gwiazd w stosunkowo porządny sposób – zawsze w tym samym kierunku – lecz pozostałe planety wyczyniają jakieś dziwne harce. (W Starożytności i w Średniowieczu Słońce i Księżyc też zaliczano od grona planet). Podobnie jak Słońce przemieszczają się na tle gwiazdozbiorów Zodiaku, ale nie jest to ruch jednokierunkowy. Najpierw przesuwają się w jedną stronę, następnie w przeciwną, po czym znowu zawracają. Ich tory tworzą na niebie pętle, które wyglądają mniej więcej tak:

Zmiany pozycji Marsa na tle gwiazd w ciągu kilku miesięcy

To jest właśnie to „błądzenie”, dzięki któremu planety zawdzięczają swą nazwę. Czy da się zatem tak złożone zachowanie sprowadzić do jednostajnych ruchów po okręgach?

Pierwszy rzuconą rękawicę podniósł Eudoksos (ok. 408–ok. 355 p.n.e.). Przez pewien czas był on studentem Platona w Akademii, ale jego stosunki z mentorem nie układały się chyba najlepiej (Platon w swych pismach nigdy o nim nie wspominał) i Eudoksos opuścił uczelnię.

Eudoksos rozumował w następujący sposób. Wyobraźmy sobie dwie współśrodkowe sfery, w których centrum tkwi nieruchoma Ziemia. Na równiku wewnętrznej sfery znajduje się planeta. Sfera ta obraca się wokół osi, której końce przymocowane są do drugiej sfery. Ona też się obraca, ale w przeciwną stronę. Eudoksos zauważył, że jeśli prędkości obrotów są takie same, ale osie obu sfer lekko do siebie nachylone, to widziany z Ziemi tor planety będzie przypominać ósemkę. Takie dwie sfery mogłyby więc wyjaśniać pętle w planetarnych torach. Dodajmy teraz do tego trzecią, leżącą na zewnątrz sferę, która unosi dwie wewnętrzne z prędkością równą postępowemu przesuwaniu się planety na tle gwiazdozbiorów Zodiaku. Z kolei ta sfera jest przymocowana do sfery czwartej, najbardziej zewnętrznej, dokonującej obrotu w ciągu 24 godzin. Sfera czwarta odpowiada za dobowy ruch planety po niebie – jej wschody i zachody. A zatem ruchy czterech sfer mogłyby tłumaczyć – przynajmniej jakościowo – całość obserwowanego zachowania planet.

Na poniższym rysunku pokazano schemat modelu Eudoksosa. Każdą ze sfer reprezentuje tu okrąg; zaznaczono też fragmenty osi, wokół których obracają się sfery.

Schemat modelu Eudoksosa ruchu planety wokół Ziemi (rys. Thehopads, wiki, CC-BY 4.0)

Dla Księżyca model wyglądał nieco inaczej. Obiekt ten nie wykonuje na niebie żadnych pętli, dlatego w jego przypadku niepotrzebne są dwie wewnętrzne sfery kręcące się w przeciwne strony. Dla opisu miesięcznego ruchu Księżyca po niebie wystarcza jedna sfera. Jednakże orbita Srebrnego Globu nie jest sztywno zlokalizowana, ale obraca się wokół Ziemi; z tego powodu Eudoksos wprowadził sferę wirującą z okresem 18,6 roku. Jeśli dodamy do tego sferę 24-godzinną, otrzymamy wyjaśnienie ruchu Księżyca za pomocą trzech sfer. Do opisu ruchu Słońca Eudoksos także użył trzech sfer. W ten sposób całkowity model Eudoksosa zawierał w sumie 26 sfer: po trzy dla Słońca i Księżyca i po cztery dla pozostałych pięciu planet – Merkurego, Wenus, Marsa, Jowisza i Saturna. Jego następcy dołączyli jeszcze 27 sferę dla gwiazd stałych, a potem dodawali coraz więcej sfer dla poszczególnych planet.

Nie wiadomo, czy Eudoksos uważał, że sfery istnieją naprawdę, czy też traktował je tylko jako opis poglądowy pokazujący, iż skomplikowane ruchy planet da się faktycznie wyjaśnić w sposób, w jaki zażyczył sobie Platon. W realne, przezroczyste sfery, do których przyczepione są planety, wierzył natomiast Arystoteles (384–322 p.n.e.). Filozof ten, podobnie jak Eudoksos, uczył się i wykładał w Akademii, a potem wszedł w konflikt z Platonem. On też założył w pobliżu Aten własną uczelnię, konkurencyjną dla szkoły Platona, którą nazwał Lyceum na cześć boga Apollo Lyceusa. (Używane przez nas nazwy dzisiejszych instytucji edukacyjnych – liceum, akademia, ale także gimnazjum czy muzeum – mają swój źródłosłów w starożytnej Grecji).

Mój szacunek dla tego uczonego jest przeogromny. Arystoteles stworzył potężny, spójny system filozoficzno-przyrodniczy, który zawierał zarówno opis świata materialnego, jak i zagadnienia metafizyczne, etyczne i polityczne. Arystoteles usystematyzował w nim całą ówczesną wiedzę (a i sam bardzo ją poszerzył). System ten przyćmił poglądy innych filozofów starożytnych. Został później zaadaptowany przez chrześcijaństwo i islam i przez wieki stanowił obowiązujący opis świata, który traktowano niemalże jak Pismo Święte. Niestety, miało to swoje złe strony. Wiele wniosków Arystotelesa okazało się fałszywe. Filozof uzyskał je na drodze logicznego rozumowania, które było absolutnie poprawne, ale przyjęte przez niego założenia nie zawsze były prawdziwe. Bezdyskusyjne akceptowanie poglądów Arystotelesa spowolniło rozwój nauki przez następne 2000 lat.

Takim fałszywym (jak to dziś wiemy) założeniem było przyjęcie, że materialny Wszechświat dzieli się na dwie części. Pierwsza z nich, czyli tak zwany świat podksiężycowy, obejmowała Ziemię i wszystko, co się na niej znajduje (także otaczającą ją atmosferę). Mogą w nim zachodzić zmiany: coś rodzi się, coś zmienia kształt, coś umiera. Za wcześniejszymi filozofami Arystoteles uznał, że świat podksiężycowy zbudowany jest z czterech, wymieszanych w różnych proporcjach, pierwiastków: ziemi, wody, powietrza i ognia, przy czym nie należy ich utożsamiać z „normalnymi” ziemią, wodą itd. Występują w nim dwa rodzaje ruchów: ruch naturalny i ruch wymuszony. Przyczyną ruchu naturalnego jest dążność ciał do zajęcia odpowiedniej dla nich lokalizacji – kamienie spadają, gdyż właściwym dla nich położeniem jest dół, a dym unosi się do góry, ponieważ jego miejsce jest na górze. Z kolei ruch wymuszony zachodzi tylko wtedy, gdy na ciało działa jakaś siła. Kiedy ta siła ustanie, ciało przestaje się poruszać.

Z niebiosami sprawa wygląda zupełnie inaczej. To świat doskonały, niezniszczalny. W nim od zawsze obowiązują idealne prawa. Aby tak było, ciała niebieskie nie mogą być zbudowane z tego samego materiału co Ziemia, ale z czegoś zupełnie innego. To „coś innego” Arystoteles nazwał kwintesencją, czyli piątym pierwiastkiem. Kwintesencja nie może ulegać zmianom, a zbudowane z niej ciała – planety – są doczepione do przezroczystych sfer i wykonują idealne ruchy Platona: jednostajne po okręgach.

Arystoteles nie wyobrażał sobie, żeby ciała niebieskie mogły latać w przestrzeni ot tak sobie. Musi je coś podtrzymywać; inaczej przecież by pospadały... Dlatego uznał, że przezroczyste sfery, do których przyczepione są planety, istnieją realnie. Ale, jak zauważył, jeżeli istnienie takich sfer jest faktem, to obroty sfer jednej planety muszą przenosić się na obroty sfer kolejnej planety. Żeby temu zapobiec, Arystoteles rozszerzył model Eudoksosa wprowadzając między planetami dodatkowe sfery neutralizujące ten efekt. W sumie jego model liczył 56 współśrodkowych sfer, w których centrum znajdowała się Ziemia.

Ciąg dalszy nastąpi.