. Verdensbilledets udvikling

Transkript

1 . Verdensbilledets udvikling Vores viden om Solsystemets indretning er resultatet af mange hundrede års arbejde med at observere himlen og opstille teorier. Stjernerne flytter sig ligesom Solen 15' på himlen i løbet af en time. I de ældste forestillinger om verdens indretning blev dette forklaret ved, at himmellegemerne roterer omkring Jorden. Det stemmer overens med vores umiddelbare sanse oplevelse af, at Jorden står stille. Allerede i forhistorisk tid vidste man, at planeterne adskiller sig fra stjerner. Planeterne blev kaldt "vandrestjerner", fordi de flytter sig i forhold til stjernebillederne. Ptolemaios Den græske astronom Claudius Ptolemaios(ca e.kr.) udviklede en matematisk beskrivelse, der med stor præcision kunne forudsige planeternes og stjernernes bevægelse på himlen. Ifølge Ptolemaios bevæger planeterne og stjernerne sig i cirkelbaner rundt om Jorden. sr STEMcA TTOLEMcAICVM. Figur 4.1 Ifølge Ptolemaios' geocentriske verdensbillede ligger Jorden (te/ta) stille i Universets cenitum, og Månen ( :2)), Merkur (~ ), Venus ( ~ ), Solen (0), Mars ( d ), Jupiter ( lt ) og Saturn ( i? ) bevæger sig rundt om Jorden på roterende kugleskaller (sfære/). Man kendte ikke flere planeter på dette tidspunkt. Stjernerne bevæger sig rundt med den yderste fiksstjernesfære, og uden på denne er symbolerne for stjernetegnene vist. Figuren viser Jorden opdelt i de fire elementer jord, vand, Luft og ild. Fænomener som lyn og stjerneskud foregår i ildsfæren under Månens sfære. Illustration fra I det geocentriske verdensbillede er der et skarpt skel mellem den jordiske (terrestriske) og den himmelske (celeste) fysik. Den jordiske fysik er præget af Aristoteles ( f.kr.), der hævdede, at alt er opbygget af de fire elementer jord, vand, luft og ild, som har hver sit naturlige sted. Jordens opbygning og fænomener i naturen forklares desuden ved, at elementerne har hver deres naturlige bevægelser - jord og vand søger mod Universets centrum, hvorimod ild og luft søger bort fra Universets centrum. B z VERDENSBILLEDET 51

2 I det himmelske område findes der ifølge Aristoteles kun de perfekte, kugleformede himmellegemer, der bevæger sig i evige cirkelbevægelser med konstant hastighed. Cirklen blev opfattet som den fuldkomne geometriske form, men for at få regnestykket til at passe var Ptolemaios nødt til at indføre flere cirkler for hvert himmellegeme. ~~ --- Figur 4.2 Billedet til venstre viser planeten Mars' bevægelse på himlen i forhold til baggrundsstjernerne i løbet af nogle måneder. Med ca. 2 års mellemrum foretager Mars en sløifebevægelse på himlen, og fænomenet kendes også fra andre af Solsystemets planeter. For at forklare dette indførte Ptolemaios mindre cirkler, kaldet epicykler (af græsk epi = på og cykel = cirkel), der bevæger sig rundt på større cirkler. Fx kunne Ptolemaios forklare Mars' sløjfebevægelse på himlen ved at antage, at Mars bevæger sig rundt på en epicykel, hvis centrum bevæger sig i en cirkelbane rundt om Jorden. Ptolemaios' geocentriske verdensbillede var et kompliceret system af cirkelbevægelser, men gav, rent matematisk, en meget præcis beskrivelse af himmellegemernes bevægelse. Derfor var verdensopfattelsen helt frem til midten af det 16. århundrede domineret af det geocentriske verdensbillede. Den fysiske fortolkning af det geocentriske verdensbillede var derimod mere uklar. Fx gav det geocentriske verdensbillede ikke nogen god forklaring på, at Venus og Merkur altid observeres tæt på Solen. Ud fra figur 4.1 ville man forvente, at Venus og Merkur indimellem også ville stå modsat Solen på himlen. Dette er tilfældet for alle de andre planeter og for Månen (når det er fuldmåne). Ved at indføre passende epicykler kunne Ptolemaios give en præcis matematisk beskrivelse af Merkurs og Venus' bevægelse. Men der var ikke nogen fysisk forklaring på disse epicykler - de var alene begrundet i, at de kunne få modellen til at passe med observationerne. 52 VERDENSBILLEDET

3 Månens faser Når Månen er placeret mellem jorden og Solen, er det nymåne, og Månen ses som et tyndt segl på himlen om dagen (dvs. lige omkring solnedgang eller solopgang, hvor himlen er mørk nok). D'9~N" Jorden 14 dage senere står Solen og Månen i modsatte retninger på himlen, set fra jorden. Det er fuldmåne, og Månen står højt på himlen ved midnat. Selvom Månens faser skifter, er det de samme kratere og månehave, man ser. Det skyldes, at Månen i løbet af et omløb om jorden også drejer en gang om sig selv og derfor hele tiden vender den samme side ind mod jorden. Fænomenet kaldes bunden rotation. Kopernikus Den polske astronom og kannik Nicolaus Kopernikus ( ) opstillede omkring 1530 en alternativ forklaring på himmellegemernes bevægelse. I Kopernikus' model var Solen placeret i Universets centrum, og derfor kaldes det for et heliocentrisk verdensbillede. Figur 4.3 Ifølge Kopernikus' heliocentriske verdensbillede ligger Solen stille i Universets centrum. Jorden og de fem kendte planeter bevæger sig i cirkelbaner rundt om Solen. Månen bevæger sig i en cirkelbane rundt om Jorden. At Solen, og ikke Jorden, er Universets centrum, var faktisk blevet foreslået af Aristarehos (ca (Kr.) allerede 250 år før vor tidsregning. VERDENSBILLEDET 53

4 Døgnets længde og årstiderne jorden roterer en gang om sig selv på et døgn, og det er forklaringen på, at det er nat og dag på jorden. jorden bevæger sig rundt om Solen i løbet af et år, og fordi Jordens rotationsakse hælder 23,4 i forhold til jordens baneplan (kaldet ekliptika), er der forskel på årstiderne. Når det er sommer i Danmark, går Solen fx aldrig ned på Nordpolen, og dagen er længere end natten i Danmark. I det heliocentriske verdensbillede forklares Merkurs og Venus' specielle opførsel umiddelbart ved, at deres baner er placeret inden for Jordens bane om Solen. Det heliocentriske verdensbillede giver også en enkel forklaring på Mars' sløjfebevægelser. Når Jorden i sin bane overhaler Mars indenom, vil det se ud, som om Mars udfører en sløjfebevægelse på himlen (se øvelse 4.1). Kopernikus' heliocentriske verdensbillede gaven bedre forklaring på himmellegemernes bevægelser, men mødte alligevel stor modstand på Kopernikus' tid. På afgørende punkter var det nemlig i modstrid med Aristoteles' fysik, der på den tid blev opfattet som sikker viden. Fx vil en sten ifølge Aristoteles' fysik søge imod Universets centrum, og hvis det er Solen, skulle alle sten flyve mod Solen. Et andet argument mod det heliocentriske verdensbillede var, at man kunne beregne Jordens hastighed i dens bane om Solen til at være ca km/h. Men vi kan ikke mærke, at Jorden bevæger sig. Desuden var Kopernikus nødt til at indføre næsten lige så mange epi- 54 v E R D E N S B I Ll E D E T

5 cykler som Ptolemaios for at få beregningerne til at passe præcist. Så Kopernikus' model var, rent matematisk, ikke mindre kompliceret end Ptolemaios'. Galilei Da den italienske fysiker og astronom Galileo Galilei ( ) i 1609 begyndte at observere himmellegemerne med kikkert, fik man nye argumenter imod det geocentriske verdensbillede. Galilei så i sin kikkert, at himmellegemerne ikke er perfekte kugleformede legemer. Han så fx, at der er kratere og bjerge på Månen, og han så, at der er solpletter på Solens overflade. Og Galilei så i sin kikkert, at Venus har faser, som svarer til Månens faser. Galileis observationer af Venus' faser viste, at det geocentriske verdensbillede ikke kunne være korrekt (se øvelse 4.2). Men tilhængerne af Aristoteles' lære og det geocentriske verdensbillede var meget skeptiske over for, om man overhovedet kunne stole på observationer på himlen foretaget med kikkert. Man kan hævde, at det var, fordi observationerne gik dem imod, men det er vigtigt at huske på, at himmellegemernes fysik, ifølge Aristoteles, er fundamentalt anderledes end den jordiske fysik. Da man af gode grunde ikke kunne kontrollere observationerne, mente de ikke, at man havde nogen garanti for, at de var ufejlbarlige. Den katolske kirke, der havde stor politisk magt i Europa på denne tid, tog skarpt afstand fra Galilei. Han blev arresteret og levede sine sidste år i husarrest, og Kopernikus' værk om det heliocentriske verdensbillede var forbudt af den katolske kirke helt frem til At kirken havde så stor modstand imod det heliocentriske verdensbillede, skyldtes både, at det fjernede Jorden fra Universets centrum, og at det stred imod Aristoteles' lære. Figur 4.4 I januar 1610 opdagede Galilei Jupiters fire største måner og så, at de bevæger sig rundt om Jupiter. De/med havde han vist, at det i hvert fald ikke er alle himmellegemer, der bevæger sig rundt om Jorden. Billedet viser Jupiter og måneme Io (rød) og Europa (hvid). Kepier og Newton Det afgørende skift i den matematiske beskrivelse af planetbanerne blev indført af den tyske astronom og matematiker Johannes KepIer ( ). Både Ptolemaios og Kopernikus havde beskrevet planetbanerne ved et indviklet system af cirkelbevægelser med konstant hastighed, men KepIer viste, at planetbanerne kunne beskrives meget enklere som ellipsebaner med varierende hastighed. Den engelske matematiker og fysiker Isaac Newton ( ) viste, at Månens bevægelse om Jorden og planeternes bevægelse omkring Solen Figur 4.5 Galilei regnes for den ekspe/imentelle metodes fader og nåede gennem sit arbejde mange væsentlige resultater både inden for fysik og astronomi. Galilei byggede i modsætning til Aristoteles sine teorier dels på eksperimente/~ dels på matematisk behandling af de eksperimentelle forsøgsresultater. Det, vi i dag kalder den naturvidenskabelige metode, kan i alt væsentligt føres tilbage til Galilei. VERDENSBILLEDET 55

6 Figur 4.6 Ifølge Keplers 2. lov bevæger planeterne sig i ellipsebaner om Solen. En planets hastighed varierer sådan, at linjen mellem Solen og planeten overst7yger samme areal pr. tidsenhed. Det betyder fx, at det tager samme tidsrum for planeten at bevæge sig fra A til B som fra C til D, fordi de to skraverede arealer er lige store. c D A kan forklares ud fra en universel tyngdekraft, som virker mellem alle masser i Universet. Dermed fik man med Newton en fysisk forklaring på himmellegemernes bevægelse, og dermed kom det endelige brud med Aristoteles' skarpe skel mellem himmellegemernes fysik og den jordiske fysik. I dag ved vi, at Solen ikke er centrum i Universet. Solen bevæger sig rundt om Mælkevejens centrum og er blot en ud af milliarder af stjerner i Mælkevejen. Og Mælkevejen er blot en ud af Universets milliarder af galakser - måske er der endda uendelig mange galakser. I kapitel 7 Kosmologi vender vi tilbage til de nyeste teorier om Universet. Figur 4.7 Newton anses for at være en af de største naturvidenskabsmænd i histolien. Newtons 3 love blev publiceret i 1687 i bogen "Philosophiae Natura/is P7incipia Mathematica" (oversat: "Naturfilosofiens matematiske principper"). Dette værk er en milepæl i naturvidenskabens udvikling og dannede gmndlaget for den klassiske fysik helt op til omkring år Figur 4.8 Andromedagalaksen er i en afstand på ca. 2,3 millioner lysår vores nærmeste nabogalakse. Mælkevejen og Andromedagalaksen består hver især af et par hundrede milliarder stjerner. Solen bevæger sig rundt om Mælkevejens centrum i en afstand på ca. 2/3 af Mælkevejens radius. 56 v E R D E N S B III E D E T

7 Figur 4.9 Bevægelsen af stjernerne nær Mælkevejens centrum er styret af tyngdekraften fra Mælkevejens centrum. Målinger af stjernernes baner viser, at de bevæger sig rundt om et usynligt objekt med en masse på flere millioner gange Solens masse. Den vandrette bjælke øverst svarer til en afstand på 100 milliarder km eller 670 AE. Objektet kan kun være et sort hul. Sort hul Et sort hul er et område i rummet, hvor tyngdekraften er så stor, at intet kan undslippe - ikke engang lys. Stoffet i et sort hul er presset så meget sammen, at det formentlig ligger i et enkelt punkt, og tyngdekraften er derfor uendelig stor helt tæt på det sorte hul. Hvordan udvikler videnskaben sig? Ifølge fysikeren og videnskabsteoretikeren Thomas Kuhn ( ) foregår næsten al videnskabelig forskning inden for et paradigme. Et paradigme er nogle grundantagelser, som man stoler blindt på. De gør forskerne i stand til at lave undersøgelser, hvor små delproblemer løses inden for paradigmet, dvs. uden at der sættes spørgsmålstegn ved de grundlæggende dele af teorien. Paradigme oversættes under tiden med 'verdensbillede'. Et videnskabeligt problem, der ikke kan løses inden for det eksisterende paradigme kaldes en anomali. Det kan være et eksperiment eller en observation, der strider imod de gældende teorier. Normalt gemmes anomalier væk, fordi man tror mere på de grundlæggende teorier inden for paradigmet end på enkeltstående eksperimenter. Ofte kan en anomali løses ved at indføre en ad-hoc hypotese, dvs. en til lejligheden indført hypotese, som ikke er teoretisk begrundet. Adhoc hypoteser berettiges udelukkende i kraft af, at de løser en påtrængende anomali, og de anses ikke for god videnskabelig skik. Når anomalierne hober sig op, er det et tegn på, at der er noget grundlæggende galt i det teoretiske fundament. Man siger, at paradigmet er i krise. I en krise er det nødvendigt at stille kritiske spørgsmål til de grundlæggende dele af paradigmet. Udgangen kan være en videnskabelig revolution (et paradigmeskift), hvor fundamentale dele af vores teorier skiftes ud med nye teorier, der forklarer anomalierne. Det er indbygget i dette billede af naturvidenskaben, at teorier fra to forskellige paradigmer ikke direkte kan sammenlignes, fordi de bygger på forskellige grundantagelser. De taler, så at sige, ikke samme sprog. VE RDENSBI LlEDET 57

8 Mars' tilsyneladende position på himlen Øvelser 4.1 Figuren til venstre viser jordens og Mars' bane ifølge det heliocentriske verdensbillede. De tre streger viser, hvordan man kan forklare Mars' tilsyneladende position på stjernehimlen set fra jorden på tre forskellige tidspunkter. Ved at tegne tilsvarende streger for tidspunkterne 4-10 skal du vise, at Mars' sløjfebevægelser på himlen (i det heliocentriske verdensbillede) kan forklares ved, at jorden overhaler Mars. 4.2 Galilei observerede i sin kikkert, at Venus gennemgår de samme faser som Månen, selvom den aldrig fjerner sig mere end 47" fra Solen (set fra jorden). a. Laven skitse af Solen, jorden og Venus ifølge det heliocentriske verdensbillede. Vis på din tegning, hvordan Solen, jorden og Venus skal stå, når Venus' fase (set fra jorden) er fuld-, halv- og ny-venus. b. Lav på tilsvarende måde en skitse af Solen, jorden og Venus ifølge det geocentriske verdensbillede. Vis på din tegning, hvordan Solen, jorden og Venus skal stå, når Venus' fase (set fra jorden) er fuld-, halv- og ny-venus. Kan det lade sig gøre, når Venus aldrig fjerner sig mere end 47" fra Solen (set fra jorden)? 4.3 Observationer med prismekikkert En almindelig prismekikkert er bedre end de kikkerter, Galilei havde til rådighed, så med en prismekikkert kan du selv foretage de samme observationer som Galilei. Ideer til observationer: - Venus' faser. - Månen. - jupiters fire store måner. På er der anvisninger på, 'hvordan du finder ud af, hvor på himlen du skal kigge efter planeterne mm. 58 VER D E N S B I LLE DET