Читать книгу En ny himmel - Aarhus University Press - Страница 11

Den italienske matematiker, fysiker og astronom Galileo Galilei (1564-1642) var nogenlunde jævnaldrende med Kepler, men hans arbejde var af et helt anderledes tilsnit. Hvor Kepler primært var interesseret i tanken om det guddommelige i planeternes bevægelse og matematisk teori, havde Galilei en langt mere jordnær tilgang til fysikken. Han var i bund og grund eksperimentalfysiker og konstruerede mange af de eksperimenter, der kom til at bane vejen for den senere udvikling af en dynamisk teori for verden.

På Galileis og Keplers tid havde den kopernikanske model stadig mange modstandere. Blandt de fremmeste var Tycho Brahe (1546-1601), som bestemt var tilhænger af det geocentriske verdensbillede. Tanken om, at Jorden skulle kunne bevæge sig gennem rummet, var filosofisk uacceptabel for mange.

Interessant nok var mange af Tycho Brahes observationer faktisk i modstrid med Aristoteles’ verdensbillede. Eksempelvis opdagede den danske astronom en ny stjerne i stjernebilledet Cassiopeia. Stjernen lyste klart i et stykke tid og forsvandt derefter, noget der var i klar modstrid med ideen om, at stjernernes sfære er uforanderlig. I dag ved vi, at den nye stjerne var en supernova, en stjerne, der eksploderer og i løbet af kort tid udsender ekstremt store mængder energi. Tycho Brahe brugte faktisk lang tid på at forsøge at teste Kopernikus’ model ved hjælp af observationer. Han vidste, at hvis Jorden bevæger sig i forhold til Solen, burde stjernernes position på himmelen ændre sig i løbet af året, den såkaldte parallakse-effekt. Desværre for Brahe er effekten for lille til at kunne observeres uden brug af større teleskoper, og han måtte derfor efter flere år konkludere, at der ikke var observationelt belæg for Kopernikus’ model. I stedet konstruerede han sin egen hybridmodel, hvor Solen kredser om Jorden, mens de fleste af de andre planeter kredser om Solen. Modellen havde den store fordel, at Jorden ligger stille i rummet. Dels var det i overensstemmelse med kirkens overbevisning, dels undgik man en række tilsyneladende ubehagelige forklaringsproblemer.

Ifølge Brahe (og andre) ville man for eksempel kunne observere Jordens bevægelse gennem legemers bevægelse. Han mente, at hvis man lod et objekt falde fra et tårn, ville objektet, hvis Jorden bevægede sig, ikke kunne falde i en ret linje på sin vej mod jorden – og da simple eksperimenter viser, at ting falder på næsten eksakt rette linjer, mente han dermed at have bevis for sin vurdering. De meget små afvigelser, som rent faktisk kommer fra Jordens rotation, var alt for små til, at man kunne måle dem på den tid.

Galilei var derfor nødt til at komme med en forklaring. At objekter falder i rette linjer, forklarede Galilei ved at indføre et princip, som også er helt grundlæggende i den moderne fysik. Hvis et eksperiment udføres i et laboratorium, der bevæger sig med konstant hastighed, vil man få helt samme resultat, som hvis eksperimentet er i hvile. Med andre ord findes der altså ikke noget foretrukket referencesystem i verden. Hvis Jorden bevæger sig gennem rummet med jævn hastighed, vil man altså aldrig kunne se effekter af denne bevægelse i eksperimenter, man foretager på Jorden.

Samtidig gjorde Galilei også en iagttagelse, som blev meget væsentlig for udviklingen af en matematisk teori for, hvordan kraft påvirker legemer og får dem til at bevæge sig. Han kunne iagttage, at to legemer med helt forskellig masse faldt med nøjagtig samme hastighed, når de blev sluppet fra stor højde. Dette var helt i modsætning til Aristoteles’ ide om bevægelse. Ifølge den aristoteliske model er ethvert legemes naturlige tilstand hvile. Et tungt legeme skulle falde hurtigere mod jorden end et let, fordi kraften, som trækker i det, er større. At kraften på et tungt legeme virkelig er større, er selvfølgelig indlysende, men på den anden side skal kraften flytte en tilsvarende større masse. Disse to effekter ophæver hinanden, og derfor falder alle legemer lige hurtigt. Når Aristoteles’ teori ikke var blevet modbevist før, skyldes det formentlig, at man kan observere, at et blylod for eksempel falder meget hurtigere end en fjer. Det skyldes bare ikke tyngdekraften, men luftmodstanden. Fjeren har en langt større luftmodstand end loddet og falder derfor langsommere. Hvis man udfører eksperimentet med to blylodder, hvor det ene er dobbelt så tungt som det andet, vil man finde, at de falder lige hurtigt. Det endelige visuelle bevis for, at Aristoteles’ teori var forkert, blev udført på Månen af den amerikanske astronaut David Scott. Han lod en fjer og et blylod falde samtidig fra samme højde, så man virkelig kunne se, at fjeren faldt med nøjagtig samme hastighed som loddet.

Disse iagttagelser af kraftens natur var som nævnt i modsætning til den gamle aristoteliske ide, og Galilei fik da også mange fjender af den grund. Måske hjalp det heller ikke, at han var notorisk arrogant og sarkastisk, når han nedgjorde andre. For eksempel skrev han Dialoger (Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo, tolemaico e copernicano, 1632) som noget, der skulle forestille en upartisk sammenligning af de ptolemæiske og kopernikanske verdensbilleder. Men personen, der fremlægger den ptolemæiske version, hedder helt tilfældigt Simplicio (som en smådum eller simple minded person), mens den person, der fremlægger Kopernikus’ version, hedder Salviati.

Da Galilei på et tidspunkt blev gjort opmærksom på opfindelsen af teleskopet af den hollandske linsemager Lippershey, vakte det øjeblikkelig hans interesse. Galilei konstruerede med det samme selv et teleskop og brugte det som den første til at observere himmelen. En af hans mest bemærkelsesværdige observationer var, at planeten Jupiter har fire store planeter, der kredser om den. Planeterne kan lige akkurat ikke ses med det blotte øje, men selv med en primitiv kikkert er det ikke noget problem. På en mørk nat vil man for eksempel kunne se Jupiters måner med en god prismekikkert. Observationen af månerne sandsynliggjorde efter Galileis mening yderligere det kopernikanske verdensbillede. Opdagelsen betød jo netop, at andre legemer end Jorden kunne have mindre legemer kredsende omkring sig. Derfor var der heller ikke længere nogen god grund til at tro, at de kendte planeter ikke skulle kunne kredse om Solen i stedet for Jorden. En anden meget interessant observation, Galilei kunne foretage med sit teleskop, var et studie af Mælkevejen. Med teleskop kunne han se, at i hvert fald en del af Mælkevejen bestod af stjerner, og at der derfor måtte være fantastisk mange flere stjerner, end man hidtil havde troet. Syvstjernen (Plejaderne) i stjernebilledet Tyren er blandt de ganske få eksempler på, at man kan se enkelte stjerner i en stjernehob med det blotte øje. Med det blotte øje kan man se under ti stjerner, mens der i virkeligheden er mindst tusind.

Galileis latterliggørelse af den ptolemæiske model for solsystemet bragte ham i konflikt med kirken. I begyndelsen blev han advaret høfligt om, at han ikke skulle fremture med sine ideer om Jordens bevægelse. Men da han fortsatte, blev det på et tidspunkt for meget for kirken, og den indledte en inkvisitionsproces imod ham i 1632. For at redde livet måtte Galilei afsværge ideen om den heliocentriske verden. Han tilbragte resten af livet i husarrest i Firenze, men det blev trods alt tilladt ham at modtage besøgende.

At det virkelig var nødvendigt for Galilei at afsværge sin overbevisning, kan ses af, hvordan det gik Galileis samtidige, Giordano Bruno (1548-1600). Bruno var dominikanermunk, men også filosof. Han støttede varmt Kopernikus’ teori og havde endda den yderligere frygtelige overbevisning, at universet er uendeligt og fyldt med sole som vores egen. Disse sole ville alle have planeter, og befolkningerne på disse planeter ville også tro, at deres sol er centrum for verden. Da Bruno under inkvisitionen nægtede at afsværge sine ideer, blev han brændt som kætter i 1600, dog hovedsageligt for sine panteistiske tanker om naturens guddommelighed (se også Helge Kraghs bidrag ”Tro og viden” i denne bog).

Efter sigende var hans sidste bemærkning ved retssagen mod ham: ”Jeg afventer dommen med mindre frygt end den, hvormed de fælder den. Den tid vil komme, hvor alle vil kunne se, hvad jeg ser.” Eftertiden har givet ham mere ret, end man nok i sin vildeste fantasi kunne forestille sig i hans samtid. Ikke nok med at alle stjernerne faktisk viste sig at være sole. Inden for de seneste ti år har man fundet planeter omkring en stor del af de nærmeste stjerner. At Brunos tanker virkelig var kætterske, ses også af, at før man opdagede planeter om andre stjerner, var der faktisk mange forskere, som mente, at vores eget solsystems planeter var et ekstremt sjældent fænomen, og at man formentlig aldrig ville finde planeter som dem i vort solsystem. I spørgsmålet om muligheden for liv i andre solsystemer er forskerverdenen også stadig delt. Eftersom vi endnu ikke har fundet evidens for liv andre steder end på Jorden, er dette sidste spørgsmål stadig uafklaret, så om Brunos profeti går i fuldstændig opfyldelse, ved vi ikke endnu. Der har været flere forsøg på at opsnappe radiosignaler udsendt af andre civilisationer. Det mest kendte af projekterne er uden tvivl SETI-projektet (Search for Extraterrestrial Intelligence), som stadig kører.

I Nordeuropa var klimaet væsentligt mildere over for nye ideer. Det blev da også i England, at det endelige opgør med middelalderens videnskabelighed kom i form af de teorier, Isaac Newton (1642-1727) fremlagde. Newton var tilknyttet universitetet i Cambridge fra 1661, først som studerende og siden som professor. Der er næppe nogen tvivl om, at Newton var en af de største og mest alsidige begavelser inden for naturvidenskaben gennem tiderne.

Newtons bidrag til matematikken og fysikken er talrige. Et eksempel er, at han opfandt den gren af matematikken, der er kendt som differentialregningen. Uafhængigt og samtidigt blev den opfundet af den tyske filosof og matematiker G.W. Leibniz (1646-1716), og Newton brugte mange år af sit liv på at skændes med Leibniz om, hvem der egentlig havde gjort opfindelsen først. De største af Newtons opdagelser inden for fysikken blev præsenteret i værket Naturfilosofiens matematiske principper eller Philosophia Naturalis Principia Mathematica (1687), bedre kendt som Principia. I værket præsenteredes de ligninger, der senere er blevet kendt som Newtons tre love:

1 Et legeme, der ikke udsættes for nogen kraft, bevæger sig med konstant hastighed langs en ret linje. Det ligger ikke nødvendigvis stille, sådan som Aristoteles ville have sagt.

2 Et legeme, der udsættes for en kraft, accelereres. Størrelsen af accelerationen er givet ved ligningen acceleration = kraft/masse. Jo tungere et legeme er, desto større skal kraften altså være for at bevirke en bestemt acceleration.

3 Enhver aktion medfører reaktion. Hvis man skubber til et objekt med en bestemt kraft, vil objektet påvirke en med en kraft af samme størrelse i modsat retning.

Disse ligninger beskriver, hvordan alle legemer, inklusive planeterne og Solen, bevæger sig i forhold til hinanden, vel at mærke hvis man kender den kraft, som virker mellem objekterne. Samtidig siger de også, at hvis man kender en begyndelsestilstand tilstrækkeligt godt, kan man forudsige, hvordan alting bevæger sig ud i det uendelige.

Galileis og Newtons opdagelser havde også store filosofiske konsekvenser. I teoriens mest ekstreme form blev verden betragtet som en maskine, der opførte sig fuldkommen deterministisk. Newtons samtidige, den engelske filosof Thomas Hobbes (1588-1679), hævdede for eksempel ligesom de græske atomister, at den fri vilje egentlig ikke eksisterer. Alt er i stedet bestemt af logiske og kausale processer. Først med kvantemekanikken i det 20. århundrede ændrede denne opfattelse sig. I kvantemekanikken er der nogle fundamentale usikkerheder, som gør, at en del af det deterministiske i den klassiske newtonske model forsvinder.

Ud over de tre love indeholdt Principia også en færdig teori for tyngdekraften, den universelle teori, som beskriver både, hvor hurtigt legemer, der slippes fra stor højde, falder til jorden, og planeternes baner rundt om Solen. Keplers tre love for planeternes bevægelse kommer som en helt naturlig konsekvens af de naturlige principper, Newton senere beskrev i sin teori.

Newtons tyngdelov siger, at kraften mellem to legemer (uanset om legemerne er stjerner, planeter eller ærter…) kan skrives som produktet af de to legemers masser divideret med kvadratet på afstanden mellem dem. Ud over det indgår en konstant, G, der kun kan bestemmes ud fra målinger.

Det fundamentale er, at konstanten G er den samme i alle tilfælde uanset sammensætningen af de to legemer osv. Den siger altså, at tyngdekraften alene virker på grund af legemernes masse og ikke deres specifikke sammensætning. I tilfældet, hvor man skal beregne hastigheden af et legeme, der falder mod jorden, er den ene masse Jordens masse, og den anden legemets masse. r er så afstanden fra Jordens centrum til legemet (ca. 6300 km). For at forstå, hvorfor to legemer med forskellig masse falder lige hurtigt mod jorden, kan man se på det, der kaldes Newtons 2. lov: Acceleration af et objekt er givet ved den kraft, objektet påvirkes med, divideret med massen af objektet.

Ved at kombinere tyngdeloven og Newtons 2. lov kan man derfor finde accelerationen af et objekt, der slippes og falder mod Jorden. I tyngdeloven skal man gange med objektets masse, og i Newtons 2. lov skal man dividere med den. Tilsammen forsvinder massen derfor i udtrykket for acceleration. Den indgår altså overhovedet ikke som en faktor, og alle legemer accelereres derfor ens og falder til jorden med samme hastighed.

Interessant nok er der faktisk intet, der siger, at massen i tyngdeloven og massen i Newtons 2. lov er den samme. Den ene måler styrken af tyngdekraften, mens den anden måler objektets inerti, altså hvor svært det er at flytte. At de to masser faktisk er den samme ting, kaldes for ækvivalensprincippet og ligger til grund for Albert Einsteins (1879-1955) generelle relativitetsteori, der er basis for den moderne forståelse af tyngdekraften.

Newtons påvisning af, at en meget stor del af naturfænomenerne kunne beskrives matematisk, førte til det endelige paradigmeskift til det moderne verdensbillede. Den engelske fysiker Robert Hooke (1635-1703) bedyrede, at han havde formuleret gravitationsloven flere år før Newton, og at Newton havde stjålet den fra et brev, Hooke havde sendt til Newton i 1679. Fejden fortsatte indtil Hookes død, og da Newton blev præsident for Royal Society, forsvandt alle de notater og instrumenter, selskabet havde fået fra Hooke, på mystisk vis. Dette er bare endnu et eksempel på de mange fejder, Newton havde med sine kolleger. Til gengæld er det uomtvisteligt, at Principia lagde grunden til en meget stor del af fysikkens udvikling indtil det 20. århundrede.

Spørgsmålet om universets mulige uendelighed var også fortsat noget, der optog naturforskerne.

Da Newton opstillede sin lov for tyngdekraften, blev han klar over et problem med den. Hvis universet bestod af en endelig samling stjerner, måtte de jo alle tiltrække hinanden, og derfor ville universet kollapse. Newton foreslog, at hvis universet er uendeligt, ville alle stjernerne føle den samme kraft i alle retninger, og de ville derfor ikke kunne ’falde’ nogen steder hen. Dette er faktisk ikke rigtigt, men modsigelsen opstod, fordi begrebet ’uendelig’ ikke blev benyttet konsistent. I dag ved vi, at det ikke er muligt at konstruere en model, der er både statisk og uendelig.

Et andet problem med det uendelige univers blev påpeget af tyskeren Heinrich Olbers (1758-1840) i 1823. Hvis universet består af en uendelig mængde stjerner som Solen, så ville vi kunne se lyset fra dem alle. De fjerne stjerner ville se mindre lysstærke ud, men til gengæld ville der være tilsvarende flere af dem. Derfor burde hele himmelen lyse lige så kraftigt som Solen selv, og det er en logisk udfordring, der kendes som ’Olbers’ paradoks’. Olbers eget modargument var, at lyset fra de fjerne stjerner blev absorberet undervejs til os af noget mellemliggende stof. Men det argument nytter ikke noget, for det fører bare til, at stoffet bliver varmet op og til sidst begynder at udsende lys. Man kan se det ud fra den fundamentale lov om energibevarelse.

Den virkelige grund til, at himmelen ikke lyser som Solen, er, at universet udvider sig, men dette blev man først klar over langt senere. Til gengæld betyder Olbers’ paradoks ikke nødvendigvis, at universet kun har en endelig alder. Hvis universet blev født for kort tid siden, kunne man jo ellers forestille sig, at lyset fra de fjerne stjerner ikke havde nået os endnu, og at himmelen derfor ville være mørk nu, men blive lysere og lysere, som tiden gik. Men det viser sig, at selv i et uendeligt gammelt univers forsvinder Olbers’ paradoks, hvis bare universet udvider sig hurtigt nok.

Newtons love fungerede så fremragende, at det først i slutningen af det 19. århundrede blev nødvendigt at udvikle en ny teori, der kunne erstatte Newtons dynamiske love og hans teori for tyngdekraften. Resultatet blev Einsteins generelle relativitetsteori.

Med hensyn til den observationelle side af astronomien skete der til gengæld en væsentlig udvikling fra Newtons tid til det 20. århundrede. På Newtons tid var teleskopet i sin barndom, men det blev ret hurtigt udviklet. Ved brug af teleskoper fandt man ud af, at Mælkevejen i virkeligheden består af enkeltstjerner, som ligger i et stort bånd på himmelen. Den engelske astronom Friedrich Herschel (1738-1822) opdagede også, at der ud over stjerner var nogle lysende tågede pletter på himmelen. Ved brug af stadig større teleskoper fandt han ud af, at i hvert fald nogle af tågerne bestod af enkelte stjerner, og at de kun lignede tåger, fordi de var så langt væk. I starten troede han, at de andre tåger også kunne opløses i stjerner, hvis man havde et tilstrækkeligt stort teleskop. En del af de objekter, Herschel observerede, var faktisk andre galakser, men han opgav igen sin ide og mente, at de tågede klatter netop var tåger.

Den store tyske filosof Immanuel Kant (1724-1804) skabte med stort klarsyn en model for vores galakse. Han mente, at galaksen var skiveformet, og at den var dannet som en fortætning af spredt materiale i universet; et forslag, der ligger forbløffende tæt på virkeligheden. Samtidig foreslog han, at de uklare tåger observeret af Herschel var andre galakser. I 1755 offentliggjorde han sin ide i en bog med den imponerende titel Almindelig naturhistorie og verdensrumsteori – Angående hele universets struktur og mekaniske tilblivelse ifølge de newtonske principper (Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels, oder Versuch von der Verfassung und dem mechanischen Ursprunge des ganzen Weltgebäudes nach Newtonischen Grundsätzen abgehandelt).

Hen imod det 20. århundrede blev observationerne så gode, at man fik et statistisk overblik over, hvordan stjernerne i Mælkevejen er fordelt. Man fandt ud af, at Mælkevejen faktisk er en stor skiveformet struktur med en diameter på omkring 50.000 lysår. Uden for skiven fandtes der tilsyneladende meget få stjerner, bortset fra nogle stjernehobe, som befandt sig i en halo rundt om Mælkevejens skive. Specielt den hollandske astronom Jacobus Kapteyns (1851-1922) observationer i starten af det 20. århundrede viste, at universet tilsyneladende var endeligt og formet som en fladtrykt kugle, en såkaldt ellipsoide. Mælkevejens skive lå i centrum, og de kugleformede stjernehobe befandt sig udenom, i en elliptisk halo. Sådan var state of the art inden for den observationelle kosmologi i perioden 1905-1915, hvor Einstein konstruerede den generelle relativitetsteori.

Den generelle relativitetsteori ligger sammen med kvantemekanikken til grund for den moderne forståelse af fysik og dermed også for vores forståelse af kosmologi. Samtidig ved vi dog også, at hverken kvanteteorien eller den generelle relativitetsteori kan give en fuldstændig beskrivelse af fysikkens love. For eksempel kan man ikke umiddelbart kæde de to teorier sammen, og det er nødvendigt for at forstå eksempelvis den allerførste fase af universets eksistens. Superstrengteori er et bud på, hvordan en sådan sammenhæng måske kan opnås, men på nuværende tidspunkt ved vi det ikke med sikkerhed (se mere i Ulrik Uggerhøjs bidrag til denne bog).