Kopernikaaniseen vallankumoukseen ja tieteen historiaan liittyy vääristäviä tarinoita ja yksinkertaistuksia. Astronomi ja tieteen historioitsija Christopher M. Graney kertoo tähtitieteen synnyn koukeroista ja tieteellisestä prosessista sen varhaisina aikoina, kuten miksi tähtien koko herätti tieteilijöiden keskuudessa niin suurta kiistaa.

Johannes Kepler pyrki 1600-luvun alussa perustelemaan, että kosmos sisältää tuhansia mahtavia kappaleita, niin valtavia, että ne voisivat olla jo itsessään  universumeja. Keplerin mielestä nämä jättimäiset kappaleet kertoivat kaikkivoivan luojan, Jumalan, suunnattomasta voimasta ja mieltymyksistä. Kyseisillä kappaleilla Kepler tarkoitti tähtiä, joiden hän katsoi järjestyneen auringon, kosmoksen verraten pienen keskuskappaleen ympärille, jota kiersi seurue sitäkin pienempiä planeettoja.

Kepler oli kekseliäs tähtitieteilijä, joka loi perustan Isaac Newtonille ja nykyaikaisen fysiikan synnylle vapauttamalla tähtitieteen Aristoteleen täydellisistä ympyröistä ja selvittämällä kiertoratojen soikean luonteen. Hänen erikoista näkemystään universumista kannattivat useat Nikolaus Kopernikuksen ja hänen heliosentrisen (eli “aurinkokeskisen”) teoriansa varhaisen kannattajat. Keplerin mukaan hänen näkemyksensä perustui tieteellisesti toistettuihin havaintoihin tähdistä ja sitä edellytti myös matemaattinen analyysi noista tiedoista. Jättimäisten tähtien vaatimus oli myös kopernikaanisen teorian akilleen kantapää. Maakeskistä näkemystä (jossa Maa seisoi paikallaan universumin keskuksessa) edelleen puolustavat tähtitieteilijät hyökkäsivät järjettömänä pitämäänsä jättitähtien ajatusta vastaan, ja pitivät sitä kopernikaanien yrityksenä pakottaa lemmikkiteoriansa sopusointuun havaintojen kanssa. Nykyään tarina näiden ”jättitähtien” merkityksestä on lähestulkoon kadonnut unholaan.

Pyörimisen oppitunti: Nämä piirrokset ovat malleja coriolisvoimasta. Se vaikuttaa jotakuinkin kaikkeen pyörivän pallon pinnalla liikkuvaan. Piirroksista on vastuussa Claude Francis Milliet Dechales, 1600-luvun jesuiitta, joka perusteli niiden avulla Maapallon liikkumattomuutta. Vasemmalla oleva kuva havainnollistaa pallon (F) tippuvan tornista. Mikäli Maapallo ei liiku, pitäisi tiputetun pallon siirtyä F:stä G:hen. Jos Maapallo liikkuu, ehtisi myös tornin huippu, joka on kauempana maan keskipisteestä, liikkua tornin juurta pidemmälle pallon tipahtaessa. Näin ollen huippu päätyy H:hon ja juuri I:hin. Jolloin pallo ei laskeudukaan pisteeseen I, vaan pisteeseen L. Pallo ei laskeudu pyörivällä maapallolla suoraan tornin juureen. Oikealla puolella oleva piirros havainnollistaa samaa ajatusta, mutta ammuksella. Kanuuna ampuu kohdetta pohjoisessa. Jos maapallo ei pyöri, niin ammus osuu suoraan sinne minne kanuuna on tähdättynä. Jos maapallo pyörii, silloin päiväntasaajaa lähempänä oleva kanuuna liikkuu nopeammin oikealle kuin kohde ja samoin tekee myös tykin suusta lähtevä ammus. Näin se ei osu kohteeseensa vaan lentää oikealta ohi. Molemmissa tapauksissa maan pyörimisen tulisi olla huomattavissa. Väitteenä oli, että jos Maa pyörii, tulisi poikkeaman olla havaittavissa. Tässä Kopernikuksen vastustajatkin olivatkin tismalleen oikeassa. Coriolisvoiman vaikutusten havaitseminen vain oli huomattavasti hankalampaa kuin tuolloin ajateltiin.

Unohdus on valitettava, sillä Keplerin tarina ja valtavat tähdet havainnollistavat tieteessä jo sen synnystä lähtien vaikuttanutta dynamiikkaa. Tuo moninaisuus toimii kumouksena yleisille tarinoille tieteen synnystä, jossa kopernikaanisen teorian syntyä ympäröiviä väittelyjä kuvataan tieteen tukahduttamisena voimakkaiden ja asemaansa lukkiutuneiden vallanpitäjien taholta.  Tarinat tieteen vaimentamisesta, tieteen dynaamisuuden sijaan, eivät ole palvelleet tiedettä hyvin. Tarina valtavista tähdistä sen sijaan palvelee.

Johannes Kepler esitteli ajatuksensa valtavista tähdistä vuonna 1606 kirjoittamassa kirjassaan De Stella Nova tai Uudesta tähdestä. Kirja kertoi novasta, uudesta tähdestä, joka ilmestyi vain hetkeksi taivaalle vuonna 1604. Keplerin mukaan nova oli suurenmoisempi kuin muut tähdet, kilpaillen jopa yötaivaan säännöllisesti ja kirkkaasti koristavan Siriuksen kanssa. Kirjassaan Uudesta tähdestä Kepler käsitteli novan kokoa, päätellen sen ympärysmitan olevan huomattavasti suurempi kuin Saturnuksen kiertoradan (joka oli kaukaisin tuolloin tunnettu planeetta). Sirius oli samoin valtava ja jopa pienimmätkin tähdet olivat suurempia kuin maapallon kiertorata. Tähdet olivat itse asiassa kooltaan universumiin verrattavia. 

Keplerin entinen pomo Tycho Brahe oli esittänyt teorian universumista, joka kylläkin lainasi Kopernikuksen ajatuksia, mutta säilytti edelleen Maapallon aseman universumin liikkumattomana keskuksena. Ennen kuolemaansa vuonna 1601, Brahe oli ollut aikansa “Ison tieteen” (Big Science) edustaja, jolla oli suuri observatorio, parhaat havaintovälineet, liuta erinomaisia avustajia (kuten Kepler), oma kirjapaino ja taskut täynnä rahaa. Brahen geosentrisessä (maakeskisessä) mallissa Aurinko, kuu ja tähdet kiersivät liikkumatonta Maapalloa, mutta muut planeetat kiersivät Aurinkoa. Tähdet sijoittuivat juuri Saturnuksen taakse, merkiten havaittavissa olevan universumin rajaa. Keplerin novalle ja Siriukselle merkitsemät koot olivat suurempia, kuin Brahen koko universumi, kun taas suuri osa hänen kokoarvionsa muille tähdille olivat verrattavissa sellaiseen universumiin.

Kopernikusta ja matematiikkaa uskovan tähtitieteilijän oli yksinkertaisesti pakko uskoa tähtien olevan kooltaan valtavia

Miksi Kepler siis sanoi tähtien olevan universumin kokoisia? Koska saadun havaintoaineiston mukaan ne olivat, ainakin mikäli heliosentrinen teoria piti kutinsa. Teorian mukaanhan Maapallo kiertää Auringon vuosittain. Joten, jos se tiettynä vuodenaikana liikkuu jotain tähteä kohti, täytyy sen kuusi kuukautta myöhemmin olla liikkumassa samasta tähdestä poispäin. Näin ollen voisimme odottaa joidenkin tähtien kirkastuvan keväällä Maan lähestyessä niitä ja sitten himmenevän syksyllä. Tämän ilmiön nimi on parallaksi. Mitään parallaksia ei kuitenkaan voitu havaita. Kopernikuksella oli selitys: Maapallon kiertoradan täytyi olla häviävän pieni piste verrattuna etäisyyteemme tähdeistä. Koska Maapallon kiertorata on mitättömän kokoinen tähtien kokoon suhteutettuna, ei myöskään Maapallon liikkeellä ollut havaittavaa vaikutusta. Kuten Kopernikus asian ilmaisi, parallaksi-ilmiön “havaitsemattomuus paikallaan pysyvissä tähdissä viittaa siihen, että ne ovat suunnattoman etäisyyden päässä, mikä saa [Maapallon] vuotuisen kierron tai sen vaikutukset katoamaan.”

Ongelma piilee juuri tässä piskuisessa koossa ja suunnattomassa etäisyydessä.

Kun hyvällä näkökyvyllä varustetut ihmiset katsovat taivasta, he näkevät tähdet pyöreinä pisteinä, joiden näennäinen koko on pienuudestaan huolimatta mitattavissa. Tähtitieteilijät aina toisella vuosisadalla eläneestä Ptolemaioksesta asti ovat arvioineet suurimpien tähtipisteiden olevan noin kymmenes- tai kahdeskymmenesosan Kuun näennäisestä läpimitasta. Kirjassaan Uudesta tähdestä Kepler sanoi kirkkaiden tähtien olevan kymmenesosa Kuun läpimitasta, Siriuksen hieman enemmän. Ongelmana on se, että tähti, joka näyttää olevan kymmenesosa Kuun läpimitasta näkyessään taivaalla, olisi ainoastaan kymmenesosa Kuun todellisesta läpimitasta jos se olisi yhtä kaukana kuin Kuu. Tähdet ovat kuitenkin kaukaisempia kuin Kuu. Jos kyseinen tähti olisi kymmenen kertaa kauempana kuin kuu, se olisi silloin saman kokoinen kuun kanssa. Etäisyytensä vuoksi sen koko vain vaikuttaisi olevan kymmenesosa kuusta. Jos tuo tähti olisikin sata kertaa kauempana, sen todellinen läpimitta olisi kymmenen kertaa kuun kokoinen. Jos se olisi 1000 kertaa kauempana kuin kuu, sen oikea koko olisi 100 kertaa suurempi.

Jan Matejkon maalaus Kopernikuksesta vuodelta 1873: ”Tähtitieteilijä Kopernikus tai keskusteluja Jumalan kanssa”

Entäpä jos tuo tähti, joka on näennäisesti kymmenesosan Kuun läpimitasta, olisikin etäisyydellä, jonka kopernikaaninen teoria vaatisi sen olevan, jotta parallaksi ei olisi havaittavissa? Kepler arvioi tuollaisen tähden olevan Saturnuksen kiertoradan kokoinen. Näin siis jokaikinen näkyvä tähti taivaalla olisi vähintään Maan kiertoradan kokoinen. Pienimmätkin tähdet olisivat useita kertoja suurempia kuin Aurinko. Tämä saattaa vaikuttaa meille nykyaikana oudolta, koska tiedämme tähtiä olevan useita eri kokoisia. Vaikka vain harva niistä on Maan kiertorataa suurempia (Orionissa sijaitseva Betelgeuse-tähti on hyvä esimerkki), suurin osa tähdistä on ”punaisia kääpiöitä” jotka jäävät selkeästi Aurinkoa pienemmiksi. Kuitenkin Keplerin aikana päätelmässä oli kyse yksinkertaisesti havainnoinnista, mittauksista ja matematiikasta, siis tieteen perusasioista. Tuon ajan tähtitieteilijän, joka uskoi Kopernikusta, uskoi mittauksia ja uskoi matematiikkaa, täytyi yksinkertaisesti uskoa kaikkien tähtien olevan valtavia. (Palaan pian siihen, missä he erehtyivät).

Perustelut tähtien valtavalle koolle olivat niin vedenpitäviä, etteivät yksityiskohdat niiden mittauksista tehneet suurta eroa. Myöhemmin valtavien tähtien ongelmaan palasivat vielä Johann Georg Locher ja hänen opettajansa Christoph Scheiner vuoden 1614 tähtitiedekirjassaan Disquisitiones Mathematicae eli Matemaattisia tutkielmia. He kirjoittivat kopernikaanisessa teoriassa Maan kiertoradan olevan kuin piste tähtien universumissa. Tähdillä on kuitenkin mitattavia kokoja, eli ne ovat suurempia kuin pisteet. Tällöin kopernikaanisessa universumissa jokaisen tähden täytyy olla suurempi kuin Maan kiertorata ja tietysti valtavasti suurempia kuin Aurinko itse.

Meidän ei tulisi yllättyä siitä, että ihmiset näkevät tieteellisessä epävarmuudessa vehkeilevien auktoriteettien kädenjäljen

Valtavien tähtien ongelman vuoksi Locher ja Scheiner hylkäsivät kopernikaanisen teorian ja tukivat sen sijaan Brahen teoriaa. Tuo teoria oli yhteensopiva uusimpien kaukoputkihavaintojen kanssa – esimerkiksi Venuksen vaiheet näyttivät osoittavan sen kiertävän Aurinkoa. Brahen teoriassa tähdet eivät olleet kovinkaan kaukana, vain Saturnuksen toisella puolen. Keplerin aikaan elänyt tähtitieteilijä, joka uskoi Brahea, uskoi mittaustuloksia ja matematiikkaa ei siis ollut uskottava tähtien olevan valtavia. (Brahe oli laskenut niiden koon vaihtelevan suurten planeettojen ja Auringon välillä.) Locher ja Scheiner eivät olleet yksin: monille tähtitieteilijöille, kuten Brahelle, joka alun perin nosti ongelman esille, valtavat tähdet olivat yksinkertaisesti liikaa. 

Kepleriä jättitähdet eivät kuitenkaan häirinneet. Hänelle ne olivat osa universumin rakenteen kokonaisuutta. Kepler, joka näki soikioita kiertoradoissa ja Platonin kappaleita planeettojen järjestyksessä, piti aina silmällä rakennetta. Hänen mielestään valtavat tähdet olivat osoitus Jumalan voimasta ja Jumalan tarkoituksesta universumin kasaamisessa. Universumin osia – siis tähtiä ja Aurinkokuntaa, ”liikkuvien” järjestelmää, kuten Kepler niitä kutsuu, sekä Maata – kuvatessaan Keplerin teksti teoksessa Uudesta tähdestä nouseekin melkein runollisuuden tasolle myös käännettynä: 

Missä määrä kasvaa, siellä täydellisyys hiipuu, ja ylhäisyys seuraa kutistumisen myötä. Kiintotähtien taivas on Kopernikuksen mukaan varmastikin suuri, mutta se on kuitenkin paikallaan ilman liikettä. Sitä seuraa liikkuva kosmos. Tämä niin paljon pienempi, niin paljon jumalallisempi, on vastaanottanut tuon niin ihailtavan ja niin järjestäytyneen liikkeen. Silti se ei sisällä itsessään liikuttavaa voimaa, ei sillä ole järkeä eikä se osaa juoksennella. Se kulkee vain jos sitä liikutetaan. Se ei ole kehittynyt, vaan sisältää sen mitä siihen iskettiin alusta alkaen. Mitä se ei ole, sitä se ei ikinä tule olemaan. Mitä se on, ei ole sen itse tekemää. Taivaat kestävät sellaisena kuin ne rakennettiin.

On pienen pallomme vuoro, tämän pieni yhteisen mökkimme jota kutsumme Maaksi. Kasvavien kohtu, itsekin tietyn sisäisen kykynsä muovaama. Ihmeellisen työn arkkitehti, hän poikii päivittäin niin monia pieniä eläviä asioita itsestään, kasveista, kaloista, hyönteisistä, että hänen on helppo katsoa ylen kaikkea massan määrää tämän loistonsa rinnalla. Viimeisenä katsokaamme noita pieniä luontokappaleita, joita kutsumme eläimiksi. Voiko mitään näitä pienempää kuvitellakkaan verrattuna universumiin? Mutta kas näissä ovat tunteet ja tahdonalaiset liikkeet – ääretön ruumiinmuotojen arkkitehtuuri. Katsokaamme vielä, näiden seassa, noita jaloja tomun hippusia, joita kutsutaan ihmisiksi: heille Luoja on suonut sen, että he voivat tietyllä tavalla synnyttää itsensä, vaatettaa itsensä, varustaa itsensä, opettaa itselleen taitojen loputtoman kirjon ja päivittäin tehdä hyviä tekoja, keissä on Jumalan kuva, ja jotka ovat tietyillä tavalla koko suuren massan herroja. Ja mitä se meille merkitsee, että universumin ruumilla on suunnaton laajuus, kun sielulta se puuttuu? Saatamme hyvinkin siis oppia Luojan mielihyvän, hänen joka on kirjaillut niin suurten massojen karkeuden, kuin myös piskuisten täydellisyyden. Silti hän ei kerskaa massiivisuudesta, vaan korottaa heidät, jotka hän on tahtonut pieniksi.

Lopulta saatamme näiden välimatkojen avulla, Maan ja Auringon, Auringon ja Saturnuksen, Saturnuksen ja kiintotähtien, oppia asteittain kohoamaan kohti jumalallisen voiman suunnattomuuden ymmärtämistä.

Muut kopernikaanit jakoivat Keplerin näkemykset. Kopernikaanit kuten Thomas Digges, Christoph Rothmann ja Philips Lansbergen puhuivat valtavien tähtien olevan todisteita Jumalan voimasta, tai olevan Jumalan tai enkelten palatsi, ehkä jopa Jumalan omien soturien koti. Kopernikus itse oli vedonnut Jumalan voimaan puhuessaan suunnattomista tähtien etäisyyksistä mainiten: ”kuinka erinomaisen hienoa on parhaan ja suurimman Taiteilijan jumalallinen työ.”

La Palmassa sijaitseva Gran Telescopio Canarias on Maailman suurin optinen teleskooppi (pääpeilin halkaisija 10,2 m)

Kopernikaanien vastustajat eivät olleet vakuuttuneita. Locher ja Scheiner huomauttivat, etteivät Kopernikuksen ”kätyrit” kieltäneet tähtien täytyvän olla valtavia Kopernikaanisessa universumissa. ”Sen sijaan,” he kirjoittivat, ”he puhuvat jatkuvasti, kuinka tällaisessa kosmoksessa jokainen voi paremmin nähdä Luojan majesteetillisuuden.” Tätä ajatusta Locher ja Scheiner kuitenkin pitivät  ”naurettavana”. Giovanni Battista Riccioli, eräs kopernikaaneja vastustaneista tähtitieteilijöistä, kirjoitti että jumalalliseen voimaan vetoaminen teorian tukemiseksi ”ei pysty tyydyttämään viisaimpia.” Peter Crüger, toinen tähtieteilijä, puolestaan kommentoi, ettei ymmärrä, “kuinka pytagoorinen tai kopernikaaninen järjestelmä universumista voisi selvitä” sitä vastaan esitetystä kritiikistä.

Tarinat tieteen tukahduttamisesta, tieteen dynaamisuuden kuvaamisen sijaan, ovat tehneet karhunpalveluksen tieteelle

Saturnus oli Keplerin aikaan kaukaisin tunnettu planeetta

Kopernikuksen näkemysten vastustajat eivät olleet vain “ei-puolue”. Locher ja Scheiner tekivät myös uusia löytöjä kaukoputkilla. He kehottivat tähtitieteilijöitä osallistumaan järjestelmällisten kaukoputkihavaintojen tekemiseen, jotta esimerkiksi Jupiterin kuiden auringonpimennysten avulla saataisiin mitattua etäisyys Jupiteriin. He kehottivat käyttämään Saturnuksen “seuralaisia” (joiden ei vielä ymmärretty olevan renkaita) Saturnuksen liikkeiden tutkimiseen. He muodostivat selityksen sille, kuinka Maa voisi kiertää Aurinkoa: jatkuvasti tippuen sitä kohti, samoin kuten rautapallo saattaisi jatkuvasti tippua kohti Maata. (Tämä oivallus tapahtui siis vuosikymmeniä ennen Newtonin syntymää, joka antoi meille nykyaikaisen selityksen kiertoradasta eräänlaisena tippumisena ja selitti kiertoradan esimerkillä tykinkuulasta, joka ammutaan vuoren päältä.) Locher ja Scheiner tutkivat myös kysymystä, kuinka Maan pyöriminen voisi vaikuttaa tippuvien kappaleiden ja esineiden kiertorataan. Itse asiassa muut 1600-luvun Kopernikuksen näkemysten vastustajat kuten Riccioli kehittäisivät tätä ajatusta vielä pitemmälle, teoretisoiden siitä, mitä nykyään kutsumme ”coriolisvoimaksi” (joka kantaa sen 1800-luvulla kuvailleen tieteilijän nimeä). He väittivät tällaisen voiman puuttumisen olevan jälleen lisätodistusaineistoa siitä, ettei Maa tosiaankaan liiku. 

Kun opimme koulussa kopernikaanisesta vallankumouksesta, meille ei kerrottu väittelyistä tähtien koosta ja coriolisvoimasta. Sen sijaan kuulimme vähemmän tieteellisesti vuorovaikutteisen tarinan, jossa tieteilijät kuten Kepler kamppailivat nähdäkseen lopulta tieteellisesti oikeiden ajatusten valloittavan voimakkaat, linnoittautuneet ja uppiniskaiset auktoriteetit. Huolimatta edistyksistä teknologiassa ja tiedossa, tiede tänään kohtaa torjumista heidän taholtaan, jotka väittävät että sitä sotkevat huijaukset, salaliitot tai tiedon tukahduttaminen auktoriteettien toimesta.

Tarina kopernikaanisesta vallankumouksesta osoittaa kuitenkin tieteen olleen syntymästään saakka dynaaminen prosessi, hyvine ja pahoine esimerkkeineen väittelyn molemmin puolin. Kesti vuosikymmeniä Keplerin Uuden tähden sekä Locherin ja Scheinerin Mathematical Disquisitions -teoksen jälkeen, ennen kuin tähtitieteilijät alkoivat huomata todisteita siitä, että silmämääräisesti ja varhaisilla kaukoputkilla tehdyt mittaukset tähtien koosta olivatkin optisia illuusioita. Sen vuoksi tähtien ei täytynytkään olla niin valtavia kopernikaanisessa universumissa.

Tavallinen tarina kopernikaanisesta vallankumouksesta kuvaa auktoriteettien tukahduttavan tieteen selvistä löydöistä huolimatta. Tarinan vaikutuksen vuoksi meidän ei tulisi yllättyä ihmisten odottaessa tieteen tuottavan nopeita, selkeitä vastauksia ja löydöksiä, tai siitä että he näkevät tieteellisessä epävarmuudessa vehkeilevien auktoriteettien kädenjäljen. Meillä kaikilla saattaisi olla realistisemmat odotukset tieteen toiminnan suhteen jos olisimme oppineet kopernikaanisen vallankumouksen olleen dynaaminen tieteellinen prosessi. Tässä prosessi molemmilla puolilla oli älykkäitä tutkijoita, ja siinä tehdyt löydökset ja edistysaskeleet tapahtuivat sysäyksittäin ja yskähdellen, johtaen joskus umpikujiin kuten Keplerin jättitähtiin. Kun ymmärrämme miten haastavia ongelmia liittyi pitkän aikaa niinkin yksinkertaiseen kysymykseen kuin liikkuuko Maa vai ei, voimme käsittää paremmin, miksi myös nykyisiin tieteellisiin kysymyksiin tarvitaan joskus mutkikkaita vastaksia ja niitäkin vasta ajan kuluessa.

Christopher M. Graney on kirjoittanut teoksen Mathematical Disquisitions: The Booklet of Theses Immortalized by Galileo, käännös Locherin ja Scheinerin alkuperäisestä latinankielisestä teoksesta. Hän rohkaisee tukemaan ihmistieteellistä tutkimusta, sillä tiede tarvitsee latinin- ja historiantuntijoita, jotka voivat kääntää ja analysoida varhaisia tieteellisiä teoksia paremmin kuin hänen kaltaisensa fyysikko.

Pidätkö lukemastasi? Harkitse ryhtymistä kannatusjäseneksi.

Kuvat

Artikkelikuva: David Monje @ Unsplash

Kuva 2: Wikimedia Commons. PD

Kuva 3: David Monje @ Unsplash

Kuva 3: Wikimedia Commons. CC BY 2.0