Tablica Einsteina (Oksford, 16 maja 1931)

Niewiele jest rzeczy mniej trwałych niż treść zapisana kredą na tablicy. A jednak dziwacznym zrządzeniem losu tablica zapisana ręką Alberta Einsteina podczas wykładu w Oksfordzie zachowała się do dziś, stając się jednym z najchętniej oglądanych eksponatów miejscowego muzeum historii nauki. Jej treść odnosi się do modelu wszechświata przedstawionego wówczas przez uczonego. Einstein porzucił właśnie swój model świata statycznego i zgodnie z obserwacjami przyjął, że wszechświat się rozszerza. Galaktyki są, jak się żartobliwie wyraził, „światami, które oddalają się od nas z niewiarygodną prędkością, choć ich mieszkańcy nie znają nas w wystarczającym stopniu, by zachowanie takie wydawało się usprawiedliwione”.

Tablica przedstawia dwa równania opisujące zmiany promienia krzywizny wszechświata P, znalezione wcześniej przez Aleksandra Friedmanna (1a i 2a). Wielkość D, opisuje szybkość rozszerzania wszechświata i można ją znaleźć z obserwacji, co uczynił Edwin Hubble ( Vesto Slipher). Einstein znał osobiście amerykańskiego astronoma, lecz najwyraźniej nie widział w druku jego nazwiska i sądził, że pisze się je Hubbel. Na podstawie równań Friedmanna oszacował promień krzywizny wszechświata w latach świetlnych, jego gęstość \varrho w g/cm^3 oraz wiek t w latach. Wartość podana tu przez Einsteina przez czysty przypadek zgodna jest z obecnie przyjmowaną. Aby dojść do współczesnej kosmologii, trzeba było jeszcze wielu obserwacji, choć teoria była w zasadzie gotowa. W roku 1931 ów wiek wszechświata rzędu dziesięciu miliardów lat wydawał się zbyt krótki, sądzono bowiem, że gwiazdy świecą znacznie dłużej (wierzono wtedy, że cała masa gwiazdy z czasem zamienia się w promieniowanie, podczas gdy naprawdę jest to tylko około 1%, co skraca wiek gwiazd o dwa rzędy wielkości).

Tak więc treść tablicy jest dość przypadkowa i nie zawiera żadnego szczególnie istotnego odkrycia (a nawet zawiera pewne błędy rachunkowe, dość częste u Einsteina – nie byłby on dobrym księgowym). Zachowano ją, ponieważ uczony cieszył się wówczas ogromną sławą na całym świecie. Można powiedzieć, że był przeciwieństwem celebryty: jego osiągnięcia były jak najbardziej rzeczywiste i wcale nie pragnął być rozpoznawany na ulicy.

Zimę 1930/1931 spędził Einstein w Stanach Zjednoczonych, kwiecień – w Berlinie, potem na miesiąc pojechał do Oksfordu z cyklem wykładów Rhodesa. Jego częste podróże wiązały się w dużej mierze z atmosferą w Niemczech, gdzie narastał nacjonalizm i gdzie wciąż spotykały go jakieś przykrości. Opublikowana została np. książka zatytułowana Hundert Autoren gegen Einstein („Stu autorów przeciwko Einsteinowi”). Trzej redaktorzy dzieła skarżyli się tam na zmowę mediów głównego nurtu: „Można było dzięki temu zataić przed ogółem, że teorii względności bardzo wiele brakuje, aby stać się solidnym osiągnięciem nauki, a ostatnio dowiedziono za pomocą nieodpartych argumentów, iż jest ona kompleksem sprzecznych ze sobą twierdzeń, niemożliwych myślowo i intelektualnie zbędnych”. Einstein zauważył kostycznie, że gdyby nie miał racji, to wystarczyłby jeden autor. Książka taka niewątpliwie nigdy by się nie ukazała, gdyby autorem teorii względności był np. Max Planck, którego „niemieckość” była poza podejrzeniem. Wówczas sławiono by tę teorię jako wykwit śmiałego ducha germańskiego, zdolnego złączyć idealizm i doświadczenie. Owa setka autorów nie należała do elity akademickiej, lecz nie był to także żaden margines. Niemcy weszły już na drogę samozniszczenia, którą miały wytrwale podążać aż do 1945 roku. Teoria względności trwa niezagrożona, okazała się więc zresztą znacznie trwalsza niż Tysiącletnia Rzesza.

O przyjazd uczonego do Oksfordu zabiegał od dawna Frederick Lindemann, późniejszy ważny doradca Winstona Churchilla, kierownik Laboratorium Clarendona, który przed laty zrobił doktorat u Nernsta. Einsteina poznał podczas pierwszego Kongresu Solvaya w roku 1911 i od tamtej pory miał dla niego najwyższe uznanie. Lindemann przyjechał po swego gościa rolls royce’em, po drodze do Oksfordu wstąpili do szkoły w Winchester, jednej z najstarszych szkół w Anglii. Gość zwiedził budynki szkoły, w tym szatnię sportowców, gdzie przepocone stroje wisiały pod plakietkami upamiętniającymi różnych sławnych uczniów. „Ach, rozumiem – stwierdził uczony – duch zmarłych wstępuje w spodenki żywych”.

Einstein zamieszkał w Christ Church College, trochę narzekał na konieczność przebierania się w smoking do cowieczornego obiadu, ale zarówno Anglia, jak i Anglicy przypadli mu do gustu. Bywał na niezliczonych herbatkach i kolacjach, grał wielokrotnie w kwartecie albo kwintecie, spacerował po okolicy. Lindemann zadbał, aby gość miał towarzystwo mówiące po niemiecku.

Po jednym z trzech wykładów, jakie Einstein wygłosił w Oksfordzie, zdjęto ze ściany zapisaną przez niego tablicę, by zachować ją na pamiątkę. Uczony czuł się zażenowany takim przejawem kultu jednostki, ale zauważył także, iż niektórzy angielscy koledzy nie potrafli ukryć zazdrości w owym momencie. Nie byłby jednak sobą, gdyby do końca mieścił się w roli przypisanej mu przez okoliczności. Christ Church College był wyłącznie męski, nawet służbę stanowili mężczyźni. Za Einsteinem przyjechała do Oksfordu jedna z jego berlińskich adoratorek, trzydziestoletnia Ethel Michanowski. Uczony pisywał dla niej wiersze, np. taki liryk:

Smukła i delikatnie napięta,
Nic nie skryje się przed jej spojrzeniem.
Uśmiecha się na powitanie przyjaciół,
A jednak jest jak wierzba płacząca.

Wiersz ten nosi datę 16 maja 1931, a więc powstał podczas pobytu Einsteina w Oksfordzie. Ethel przysłała mu do Christ Church College jakiś kosztowny podarek, uczony gniewał się o to, i tak już skrępowany otaczającym go zbytkiem. W dodatku o wizycie Ethel dowiedziała się Elsa i zareagowała furią. Einstein przedłożył żonie następującą argumentację:

Twój gniew na panią M. jest całkowicie bezzasadny, gdyż zachowała się ona w całkowitej zgodzie z moralnością judeochrześcijańską. A oto dowód:
1. należy robić to, co sprawia nam przyjemność, a innym nie szkodzi;
2. nie powinno się robić tego, co nam nie sprawia przyjemności, a innych tylko irytuje. Dlatego też, zgodnie z punktem pierwszym, przyjechała do mnie, a zgodnie z punktem drugim nic ci o tym nie powiedziała. Czy takiemu zachowaniu można coś zarzucić?.

Chyba jednak przeczuwając, że nie przekona w ten sposób rozsierdzonej małżonki, Einstein napisał jednocześnie do Margot, córki Elsy i przyjaciółki Ethel, że sprawa zaczęła się nieco wymykać spod kontroli i byłoby lepiej dla obu zainteresowanych pań, gdyby o nich powszechnie nie plotkowano.

Wszechświat rozpatrywany wówczas przez Einsteina był sferą trójwymiarową (przestrzeń fizyczna byłaby więc skończonej objętości – podobnie jak skończone jest pole powierzchni dwuwymiarowej sfery). Na rysunku przedstawione są sfery dwuwymiarowe (czyli powierzchnie kulistego balonu, powierzchnia balonu jest tu całą przestrzenią). Rozszerzanie  analogiczne jest do nadmuchiwania balonu.

Zależność promienia wszechświata od czasu opisywana jest w takim modelu cykloidą. Nasz świat byłby na wznoszącym się łuku cykloidy. Przypadek promienia bliskiego zeru Einstein wykluczał, sądził, że jego model się tu nie stosuje. Nie sądził też, aby jakiś sens fizyczny miały kolejne łuki cykloidy.

 

Johannes Kepler: Jak działa ludzkie oko? (1602-1604)

Jesienią roku 1602 Johannes Kepler, „matematyk” cesarza Rudolfa II (czyli nadworny astronom), bronić się musiał przed posądzeniami o lenistwo. Chodziło o zadanie obliczenia nowych tablic astronomicznych na podstawie obserwacji zmarłego niedawno Tychona Brahego. Zięć duńskiego astronoma, Franz Gansneb Tengnagel, parający się amatorsko astronomią, starał się przejąć to zadanie, ale głównie chodziło mu w tym o cenny zbiór obserwacji teścia, za które oczekiwał zapłaty u dworu. Tengnagel nie potrafił obliczać żadnych tablic, a Kepler był z pewnością jedynym uczonym zdolnym do zreformowania astronomii tak, żeby tablice owe były coś warte. Broniąc się przed zarzutami, Kepler zobowiązał się do napisania dwóch dzieł. Jedno z nich, Komentarze o ruchach Marsa, gotowe miało być na najbliższą Wielkanoc, drugie zaś – Optyczna część astronomii, już za osiem tygodni.

Prace te okazały się znacznie trudniejsze, niż to się zawsze optymistycznemu Keplerowi wydawało: książkę optyczną skończył dopiero pod koniec następnego roku (ukazała się w roku 1604), książka astronomiczna, Astronomia nova, ukazała się dopiero w 1609 roku. Wydłużenie terminów brało się z gruntowności uczonego, który nigdy nie poprzestawał na łatwych osiągnięciach i szedł w swych badaniach dużo dalej, niż potrafili to zrozumieć i zaakceptować jego koledzy. Obie książki były rewolucyjne: optyczna wyjaśniła rolę oka w widzeniu, astronomiczna zawierała odkrycie eliptycznego kształtu orbity Marsa.

Pierwszym zagadnieniem optycznym, którym zajął się Kepler jeszcze w Grazu, było tworzenie się obrazu w ciemni optycznej – camera obscura. Oto jak udało mu się rozwikłać ten problem:

(…) odwołałem się do własnych obserwacji w trzech wymiarach. Umieściłem w górze książkę tak, by zajęła miejsce świecącego ciała. Między nią a podłogą ustawiłem stolik mający wieloboczny otwór. Następnie przeciągnąłem nitkę z jednego rogu książki poprzez otwór aż na podłogę; jej koniec znalazł się na podłodze w takim punkcie, że nitka ocierała się o brzegi otworu; zakreśliłem wytworzone w taki sposób punkty i utworzyłem na podłodze figurę podobną do otworu. Podobnie za pomocą nitki przywiązanej do drugiego, trzeciego i czwartego rogu książki a następnie do pewnej liczby punktów wzdłuż jej krawędzi, na podłodze wynikła z tego pewna liczba zakreślonych figur w kształcie otworu, które razem utworzyły wielką czworokątną figurę kształtu książki.

Bardzo możliwe, że metoda Keplera wzorowana była na procedurach opisanych przez Alberta Dürera w jego traktacie Unterweisung der Messung mit dem Zirkel und Richtscheit („Nauka mierzenia za pomocą cyrkla i liniału”, 1525). Książka Dürera była swego rodzaju praktycznym podręcznikiem geometrii przeznaczonym dla rysowników, architektów i rzemieślników. Posługując się nitkami Kepler ustalił, że każdy punkt przedmiotu jest w ciemni optycznej odwzorowywany na obraz otworu tego urządzenia, a przez nałożenie się takich obrazów otworu tworzy się obserwowany przez nas obraz przedmiotu. W ten sposób, jeśli powiedzmy otwór będzie miał kształt trójkąta, a obserwowanym przedmiotem będzie słońce, to każdy punkt słońca będzie odwzorowany jako trójkąt i z nałożenia się takich trójkątów powstanie ostatecznie obraz słońca, który będzie oczywiście okrągły, a nie trójkątny. Obraz ten będzie także nieco większy i tym bardziej rozmyty, im większa jest średnica otworu. Wyjaśniało to wyniki przeprowadzonych w Grazu obserwacji zaćmienia Słońca. Patrząc bezpośrednio na Słońce widać było wówczas ostro zakończony sierp, natomiast obraz Słońca dawany przez ciemnię optyczną miał zaokrąglone krawędzie. Kepler nie był pierwszym, który zrozumiał sposób działania camera obscura, ale zrobił to niezależnie od innych i pierwszy miał opublikować swoje wyniki.

Panujące wówczas poglądy na widzenie wywodziły się od Alhazena (Ibn al-Hajsama), islamskiego uczonego urodzonego w Basrze mniej więcej wtedy, kiedy Mieszko zaczął myśleć o chrzcie Polski. Światło wedle jego teorii wpadało do oka prostopadle (tylko takie promienie dawały wkład do widzenia), a promienie załamywały się potem tak, aby powstał zmmniejszony obraz zewnętrznego przedmiotu. Promienie świetlne nie przecinały się wewnątrz oka, gdyż wtedy powstałby obraz odwrócony i widzielibyśmy wszystko „do góry nogami”. Obraz był także mały, mógł się więc zmieścić w nerwie i przedostać do mózgu – wyobrażano go sobie dość dosłownie jako mały obrazek przenoszony aż do mózgu.

Rysunek za Davidem C. Lindbergiem, Theories of Vision from Al-Kindi to Kepler.

W ciągu kilkudziesięciu lat drugiej połowy XVI wieku ukazało się sporo książek traktujących o budowie ciała ludzkiego na podstawie przeprowadzanych sekcji, a dzięki wynalazkowi druku oraz drzeworytom wyniki tych badań można było przedstawiać w postaci plansz i rysunków. Kepler korzystał z pracy Felixa Plattera, profesora medycyny z Bazylei, zatytułowanej De corporis humana structura et usu („O budowie i funkcjonowaniu ciała ludzkiego”, 1583), będącej w zasadzie zbiorem plansz anatomicznych z dodanym krótkim komentarzem. Używał także dzieła Anatomia Pragensis („Anatomia praska”) znanego mu osobiście i zaprzyjaźnionego z nim Jana Jesenskiego. Uważano wówczas przewąnie, że soczewka oczna, „humor krystaliczny”, odczuwa bezpośrednio światło i kolor, a ponieważ jest połączona z resztą oka i nerwem ocznym, przekazuje ten obraz dalej. Tymczasem Platter pokazał, że soczewka nie jest połączona z nerwem ocznym i siatkówką. Kwestia ta nie była zresztą jednoznacznie rozstrzygnięta przez anatomów, Jesensky różnił się tu od Plattera i Kepler przedłożył pogląd uczonego z Bazylei nad opinię swego przyjaciela.

Fragment planszy Plattera, Kepler zreprodukował ją w swoim dziele.

W miejsce koncepcji promieni prostopadłych Kepler zaproponował tworzenie się obrazu na siatkówce oka. „Widzenie zachodzi, kiedy obraz całej połowy sfery świata przed okiem (…) tworzy się na czerwonawej powierzchni siatkówki.” Promienie od przedmiotu padające w różnych punktach soczewki oka są przez nią załamywane w taki sposób, że skupiają się w punkt dokładnie na siatkówce, na tylnej ściance oka. Dzięki temu każdy punkt przedmiotu daje punktowy obraz na siatkówce. Wcześniej zbadał tworzenie się obrazu w kulistej soczewce zarówno teoretycznie, jak i eksperymentalnie (używając do doświadczeń kulistych szklanych kolb na mocz napełnionych wodą).

Cała ta koncepcja mechanizmu widzenia była pod wieloma względami rewolucyjna. Oko stawało się tylko przyrządem optycznym, zamiast być narządem zmysłów reagującym na swojej zewnętrznej powierzchni na światło. W ten sposób optyka oka stawała się częścią fizyki, podobnie jak dziś optyka aparatu fotograficznego. Część światłoczuła została przesunięta na siatkówkę, tam właśnie miał się wytwarzać obraz i to odwrócony. Był to rzeczywisty obraz, który Kepler nazwał pictura – można by go dostrzec na powierzchni siatkówki, gdyby dało się tam umieścić jakiegoś obserwatora. Kepler nie zamieścił żadnego rysunku tej sytuacji, ale ideę jego teorii dokładnie przedstawia rysunek z dzieła Kartezjusza La Dioptrique z roku 1637. Mamy tam nawet dodatkowego obserwatora oglądającego obraz na siatkówce monstrualnie wielkiego oka.

Tworzenie się obrazu w oku według teorii Keplera. (Rysunek z La Dioptrique Kartezjusza.)

Obraz na siatkówce jest jednak, niestety, odwrócony. Kepler niełatwo pogodził się z tą konsekwencją swojej teorii, pisze, że męczył się bardzo pragnąc wykazać, że promienie raz jeszcze się po drodze przecinają dając ostatecznie obraz prosty. Niezrozumiałe było, czemu nie widzimy wszystkiego do góry nogami. Powstawało też pytanie, jak to się dzieje, że stosunkowo duży obraz na siatkówce zostaje przesłany cienkim nerwem optycznym do mózgu. Teoria Keplera rodziła wyraźne kłopoty dla wciąż zalążkowej fizjologii widzenia. Wyraźnie rozdzielona została jednak część optyczna od części fizjologicznej widzenia: aż do utworzenia się obrazu na siatkówce mamy do czynienia z optyką, a co się dzieje z tym obrazem dalej, to pozostaje już w gestii fizjologów. Co więcej, obrazami rzeczywistymi, takimi jak na siatkówce, można zajmować się w sposób obiektywny: mierzyć ich położenie, rozmiary itd.

Ze ściśle technicznego punktu widzenia Kepler zbudował optykę geometryczną z jej wykreślaniem biegu promieni i szukaniem punktów przecięcia – wszystko to, czego do dziś uczy się w szkołach. Teoria Keplera wymagała rozpatrzenia biegu promieni przez ośrodek o kształcie zbliżonym do kuli. Kepler wykazał, że jeśli kulę taką przesłonimy przesłoną (odgrywającą rolę źrenicy) to będzie ona ogniskować promienie w jakimś punkcie. Będzie więc zachowywać się jak soczewka. Oczywiście taki model kulistego ośrodka z przesłoną nie jest dokładnym przedstawieniem gałki ocznej, ale Kepler argumentował, że zachowuje on najważniejsze cechy rzeczywistej sytuacji i jest wystarczający do jego celów.
Praktyczną konsekwencją pracy Keplera było wyjaśnienie, jak działają okulary korekcyjne. Okulary poprawiające wzrok stosowane były od kilkuset lat, pojawiły się już w XIII wieku, początkowo wytwarzano tylko soczewki wypukłe przeznaczone dla dalekowidzów, zwykle osób starszych (umożliwiło to wielu uczonym kontynuowanie pracy także w starszym wieku). W XV wieku zaczęto także szlifować soczewki wklęsłe korygujące wadę krótkowzroczności u osób młodych. Okulary były z początku przedmiotem zbytku i powodem do dumy dla swych posiadaczy, jak wnosić można choćby z przedstawień w sztuce: głowa kanonika w okularach wyrzeźbiona jest na fasadzie katedry w Meaux niedaleko Paryża (XIV wiek), van Eyck umieścił okulary na swoim słynnym obrazie Madonny kanonika van der Paele. Do tej pory stosowano jednak okulary jako wynalazek czysto praktyczny, nie rozumiejąc istoty ich działania. Praca Keplera otworzyła drogę do naukowego badania kwestii wad wzroku u ludzi. Umożliwiła też kilka lat później zrozumienie, jak działa teleskop astronomiczny.

Ściśle techniczne osiągnięcie dotyczące działania oka miało też ważne konsekwencje poznawcze i filozoficzne. Oto bowiem, używając wzroku, odwołujemy się w istocie do obrazów złożonych w całość przez mózg. Dociera do nas ze świata zestaw plamek, pikseli na siatkówce, które muszą dopiero zostać przetworzone w kształt drzewa albo znajomej twarzy. Wszelkie poznanie jest więc znacznie mniej bezpośrednie, niż to się dotąd wydawało. Cztery wieki później zaczynamy powoli rozumieć, jak z impulsów przewodzonych przez neurony mózg składa wyobrażenie tego, co widzimy. W istocie ostro widzimy tylko za pomocą plamki żółtej, niewielkiego fragmentu siatkówki, połączonego niewielką liczbą neuronów tworzących ciało kolankowate boczne z korą wzrokową. Ścieżka między okiem a mózgiem jest więc bardzo wąska i wciąż omiatamy wzrokiem otoczenie, aby zebrać potrzebne informacje. To, co widzimy, jest głównie kreacją naszego mózgu, o czym dobrze wiedzą śledczy, mający na codzień do czynienia z naocznymi świadkami wydarzeń.

Harry Kessler: Spotkania z Einsteinem

Hrabia Harry Kessler, syn niemieckiego bankiera i córki irlandzkiego baroneta, urodził się w Paryżu, uczył w szkole prywatnej w Ascot, później w gimnazjum Johanneum w Hamburgu. Czuł się jednakowo dobrze w Niemczech, we Francji i w Anglii, choć wbrew stereotypowi kosmoplity był niemieckim patriotą. Zajmował się głównie sztuką, jako jeden z pierwszych propagował malarstwo Vincenta van Gogha, którego dwa obrazy posiadał. Wypełniał też rozmaite mniej lub bardziej oficjalne misje dyplomatyczne, do których nadawał się wybornie, mając świetne kontakty wśród elity europejskiej. W historii Polski zapisał się poprzez kontakty z Józefem Piłsudskim w czasie jego uwięzienia w Magdeburgu. Wkrótce później został też pierwszym zagranicznym ambasadorem w niepodległej Polsce. Jego Dziennik („Tagebuch”), prowadzony od 1880 r. do 1937 r., jest ważnym źródłem historycznym na temat Niemiec przed wojną światową, w jej trakcie, a także Republiki Weimarskiej i jej upadku.

Portret pędzla Edvarda Muncha z roku 1906

Młodszego o jedenaście lat Einsteina poznał Kessler w Berlinie. W lutym 1921 roku znaleźli się w jednej delegacji do Amsterdamu. Chodziło o ustanowienie kontaktów z Międzynarodowym Kongresem Związków Zawodowych mającym tam siedzibę, w tle majaczyła kwestia wysokości reparacji nałożonych na Niemcy. Obaj byli pacyfistami, Einstein od początku wojny, Kessler, po służbie na froncie i w misjach dyplomatycznych, doszedł do wniosku, że potrzebna jest jakaś forma międzynarodowej organizacji zapewniającej pokojową współpracę, częściową realizacją tej idei była Liga Narodów. Einstein półtora roku wcześniej stał się, niemal z dnia na dzień, najsławniejszym uczonym świata, kiedy brytyjscy astronomowie ogłosili wyniki obserwacji zaćmienia słońca potwierdzające jego teorię grawitacji.

Wcześnie w Bentheim, kontrola graniczna. Einstein, który, jak się zdaje, pierwszy raz podróżował sleepingiem, przyglądał się wszystkiemu z wielkim zainteresowaniem. W pociągu spytałem go, czy astronomiczne implikacje jego teorii względności mogą mieć zastosowanie w przypadku atomu, także zbudowanego w podobny, astronomiczny sposób. Einstein zaprzeczył temu, wskazując, że rozmiar (małość) atomu gra tu rolę. Powiedziałem na to, że wymiar, miara, wielkość i małość są czymś absolutnym, niemal jedynym absolutem, który się utrzymał. Einstein stwierdził, że w istocie rozmiar jest ostatecznym absolutem, poza który nie można wykroczyć. Był zaskoczony, że do tego doszedłem, gdyż absolutne znaczenie rozmiarów stanowi najgłębszą i niewytłumaczalną tajemnicę fizyki. Np. każdy atom żelaza jest dokładnie takich samych rozmiarów jak każdy inny atom żelaza powstały gdziekolwiek we wszechświecie, podczas gdy rozum ludzki może pojąć atomy rozmaitych rozmiarów.

Panująca wówczas teoria atomu była planetarna. Dopiero za kilka lat powstać miała mechanika kwantowa. Z punktu widzenia fizyki klasycznej – a tak patrzył Einstein – jednakowość atomów jest niezrozumiałą prawidłowością, musimy uznać to za dodatkowy fakt doświadczalny. W teorii kwantowej skala wielkości atomowych określona jest z jednej strony wielkością sił elektrycznych, a z drugiej – wielkością stałej Plancka. Mamy tu dwie stałe fizyczne: ładunek elementarny i stałą Plancka. Istnienie jednakowych cząstek, takich jak elektrony czy kwarki, wbudowane jest w kwantową teorię pola powstałą w latach trzydziestych. Co ciekawe, szczególna teoria względności jest potrzebna, aby wyjaśnić związek spinu ze statystyką (cząstki o spinie połówkowym, np. elektrony, nie mogą przebywać w tym samym stanie, co tłumaczy budowę atomów; cząstki o spinie całkowitym, przeciwnie, chętnie przebywają w tym samym stanie, co ma zastoswanie np. w laserach).

Następnego dnia rano obaj podróżnicy udali się do Rijksmuseum, gdzie oglądali Straż nocną Rembrandta.

W marcu 1922 r. Kessler znalazł się wśród gości zaproszonych na kolację do Einsteinów.

Wieczorem u Einsteinów. Spokojne, przyjemne mieszkanie w zachodnim Berlinie (Haberlandstraße 5), nieco zbyt duże i zbyt wielkoprzemysłowe przyjęcie, któremu ta kochana, wyglądająca niemalże dziecięco, para gospodarzy przydawała pewnej naiwności. Bogaty [Leopold] Koppel, [Paul von] Mendelssohn, przewodniczący [Emil] Warburg, jak zwykle kiepsko ubrany Bernhard Dernburg i tak dalej. Jakieś promeniowanie dobra i prostoty przekształcało to typowe berlińskie towarzystwo w coś niemalże patriarchalnego i bajkowego. Einstein i jego żona, których nie widziałem od czasu ich długiej podróży zagranicznej, odpowiadali z prostotą na moje pytania o przyjęcie w Ameryce i w Anglii; były to w istocie wielkie triumfy, choć Einstein podchodził do nich w swój ironiczny i sceptyczny sposób, mówiąc, że nie wie, czemu ludzie tak bardzo interesują się jego teoriami; jego żona mówiła mi, że mąż zawsze powtarza, iż czuje się jak oszust czy hochsztapler, który nie daje ludziom tego, czego od niego oczekują. Potem powtórzył mi wielokrotnie i bardzo dokładnie, co pisał do niego [Paul] Painlevé, i opowiedział o podróży do Paryża. Zaczyna ją za kilka dni i spędzi w Paryżu osiem dni. Tutaj będzie traktowany jak podejrzany w kręgach uniwersyteckich. Ale one są naprawdę okropne. Przepełnia go niesmak, kiedy o tym myśli. I ma nadzieję coś zdziałać w Paryżu dla wznowienia stosunków między uczonymi niemieckimi i francuskimi. Różnice zdań z Painlevé traktuje jako drobiazg, wydaje się, że nie przywiązuje do niej wagi.

Koppel, Mendelssohn, Dernburg byli bankierami. Pierwszy finansował w znacznej mierze Instytuty Cesarza Wilhelma chemii fizycznej i fizyki (obecnie instytuty Maksa Plancka). Warburg był fizykiem z bogatej i ustosunkowanej rodziny zasłużonej także w nauce i historii sztuki. Podróż do Ameryki służyła zbieraniu pieniędzy na uniwersytet w Jerozolimie. Wizyta w Anglii i nadchodząca wizyta we Francji miały znaczenie nie tylko naukowe, rany wojenne wciąż były głębokie po obu stronach, Einstein pragnął odrodzenia międzynarodowej społeczności uczonych. Paul Painlevé, matematyk i deputowany, działał z podobnych jak Einstein pobudek po stronie francuskiej. Sadził ponadto, że znalazł sprzeczności w einsteinowskiej teorii – jak widzimy jej twórca nizbyt się tym przejął, i słusznie. Wizyta w Paryżu okazała się sensacją naukową i dziennikarską.

Berlin, 18 grudnia 1924, czwartek. Po południu powrót z Weimaru do Berlina. Wieczorem w „Kaiserhofie” bankiet urodzinowy Billa Simonsa. Około setki sław ze świata politycznego, bankowego i intelektualnego; mieszanina kapitalizmu z socjalizmem, głównie na bazie żydowskiej.

Rozmawiałem dość długo z Albertem Einsteinem, gdyż obaj czuliśmy się dość obco w tym towarzystwie. Na moje pytanie nad czym teraz pracuje, odpowiedział, że rozmyśla. Kiedy się rozmyśla nad jakimkolwiek twierdzeniem naukowym, to właściwie zawsze można posunąć się nieco do przodu: bo każde, bez wyjątku, twierdzenie naukowe jest fałszywe; wynika to z nieadekwatności ludzkiego myślenia i możliwości pojmowania w stosunku do natury, wskutek czego wszelkie pojęciowe ujęcie natury nigdy nie pokrywa się z nią całkowicie. Każde twierdzenie naukowe, jeśli mu się bliżej przyjrzeć, zaczyna się chwiać i prowadzi do nowego dokładniejszego sformułowania, ale znowu coś się nie zgadza, co prowadzi do nowego sformułowania i tak ad infinitum. Coraz wyraźniej występuje na jego twarzy coś ironicznego, żartobliwie bolesny sceptycyzm Pierrota maluje się wokół oczu. Obserwując jego twarz, gdy mówi, nie sposób nie pomyśleć o poecie Lichtensteinie – Lichtensteinie, który śmieje się nie tylko z zewnętrznych przejawów ludzkiej arogancji, ale także z jej przyczyn.

Alfred Lichtenstein był ekspresjonistą, autorem groteskowych opowiadań w stylu Alfreda Jarry’ego. Zginął na wojnie w wieku dwudziestu pięciu lat.

Jeszcze jeden obrazek:

Berlin. 15 lutego 1926. Wieczorem na kolacji u mnie Albert Einstein z żoną, Roland de Margeries z żoną, hrabina Sierstorpff, Theodor Wolff z żoną, Helene i Jean Schlumberger (z „Nouvelle Revue Française”). (…) Einstein, majestatyczny, mimo przesadnej skromności i trzewików do fraka. Trochę przytył, ale w oczach nadal ma dziecinne, figlarne przebłyski. Jego żona opowiada, że odebrał on ostatnio, po wielu ponagleniach, dwa złote medale przyznane mu przez Royal Society i Royal Astronomical Society, a później spotkali się w kinie. Gdy go spytała, jak wyglądają medale, odrzekł, że nie wie, bo ich jeszcze nie rozpakował. Nie interesują go takie błahostki. Podała mi inne przykłady. Kiedy Niels Bohr otrzymał amerykański Medal Barnarda, który jest przyznawany wybitnemu badaczowi natury raz na cztery lata, w gazetach napisali, że poprzednio otrzymał go Albert Einstein. Einstein pokazał gazetę i spytał, czy to prawda, bo kompletnie o tym zapomniał. Nie można go było namówić, aby zawiesił order Pour le Mérite. Podczas jednego z niedawnych posiedzeń Akademii Nernst zwrócił mu uwagę, że nie ma Pour le Mérite, ze słowami: „Pewnie żona zapomniała panu go zawiesić. Błąd w stroju”. Einstein jednak odpowiedział: „Nie zapomniałem, wcale nie zapomniałem. Nie chciałem go włożyć”.

Einstein miał bardzo swoiste podejście do sławy, którą zyskał właściwie bez swego udziału. Starał się pozostać normalny, nadal zajmował się swoją pracą, uczęszczał na różne posiedzenia i spotkania, bo trudno było tego uniknąć, zresztą spotkania towarzyskie lubił. Był największą znakomitością Berlina czasów Republiki Weimarskiej, sprawiało mu przyjemność bywanie wśród ludzi wybitnych, chodzenie na koncerty i do teatru, nie przeszkadzało mu, że ludzie go rozpoznają na ulicach. Szczerze lekceważył symbole próżności: medale, ordery, honorowe członkostwa, rozumiejąc doskonale, że to nie ma żadnego, ale to żadnego znaczenia. W naszych czasach, gdy tylu ludzi jest wręcz opętanych chęcią zwrócenia na siebie uwagi za wszelką cenę, miło jest pomyśleć, że najsławniejszy uczony w dziejach zupełnie się nie przejmował tym, jak go widzą inni.

Rysunek Maksa Liebermanna, 1925 r.

Wstęp do sprawy Galileusza

Sprawa Galileusza była tyleż heroiczną, co bezskuteczną próbą zatrzymania czasu i naukowego postępu przez Kościół rzymski. Od czasu skazania Galileusza pojawił się wzór działania, powtarzający się aż do dziś: „nauki” Kościoła, interpretowane przez słabo zorientowanych w nauce teologów, utrzymywane jedynie siłą stojącej za nimi instytucji, wycofywały się stopniowo i chyłkiem z co bardziej oczywistych głupstw głoszonych jako prawdy objawione. Co nie znaczy, że działo się to szybko. Jak zauważył kiedyś Albert Camus: „Książki Kopernika i Galileusza były na indeksie do 1822 roku. Trzy wieki uporu to już kokieteria” (przeł. J. Guze).

Odkrycia dokonywane w XVII wieku w astronomii i fizyce prowadziły do obrazu świata coraz bardziej oddalonego od potocznych wyobrażeń, a więc także i od zdroworozsądkowej u swego korzenia filozofii Arystotelesa oraz od literalnego rozumienia tekstu Pisma Świętego. Teoria Kopernika była jednym z pierwszych przykładów, gdy nauka głosiła tezę sprzeczną z naszym bezpośrednim doświadczeniem. Zamęt poznawczy jeszcze bardziej pogłębiły teleskopowe odkrycia Galileusza na niebie. Już sam fakt, że istnieją obiekty niepostrzegalne gołym okiem, stanowił duży wstrząs dla współczesnych. Sam uczony pod wpływem tych odkryć zaczął coraz śmielej głosić kopernikanizm, uznając, że potrafi nie tylko udowodnić fałszywość fizyki arystotelesowskiej, ale także wykazać naukowo ruch Ziemi.

Galileusz zajął się teologią z konieczności, ponieważ został zadenuncjowany jako heretyk i stał się celem niewybrednych ataków ze strony dominikanów z Florencji. Najważniejszy z jego tekstów teologicznych, List do Wielkiej Księżny Krystyny (1615), pochodzi z okresu, gdy uczony wciąż jeszcze miał nadzieję, że Kościół katolicki nie opowie się oficjalnie przeciwko nauce kopernikańskiej. Wymagało to jednak odstąpienia od dosłownej interpretacji niektórych fragmentów Pisma Świętego. Galileusz przedstawił własną propozycję hermeneutyki Biblii, zwracając uwagę na fakt, że adresowana jest ona także do ludzi nieuczonych i posługuje się w tym celu językiem potocznym, nie można więc oczekiwać od tekstu Pisma objaśnień zjawisk przyrodniczych. Co więcej, przywołując tradycję dwóch ksiąg: księgi objawionej i księgi przyrody, stara się wykazać, że w razie pozornego konfliktu obu tych źródeł poznania, gdyby jakaś dobrze udowodniona prawda nauk przyrodniczych stała w sprzeczności z naszym zrozumieniem Pisma, należałoby zastanowić się nad zmianą interpretacji tekstu świętego. Podkreślić należy, że przynajmniej w ogólnych zarysach taki punkt widzenia nie był jakoś szczególnie oryginalny w XVII wieku. Przed Galileuszem zbliżone podejście hermeneutyczne głosił Johannes Kepler, później w podobnym duchu wypowiadali się niemal wszyscy przedstawiciele nowej nauki, nawet tacy fundamentaliści biblijni jak Isaac Newton. Jako przykład nowej interpretacji Biblii podaje Galileusz cud z Księgi Jozuego, gdy wedle tekstu Pisma Św. (Joz, 10, 13) słońce zatrzymało się na pewien czas. Otóż cud ten – zdaniem Galileusza – można zrozumieć naukowo, gdy przyjmiemy, że Słońce (znajdujące się pośrodku układu planetarnego) przestało obracać się wokół osi, co z kolei sprawiło, że także planety stanęły i cały kosmiczny zegar znieruchomiał, po czym znowu ruszył. Jak się wydaje, Galileusz zaczerpnął tu wiele ze wstępu do Astronomia nova (1609) Keplera, gdzie zaproponowany został taki właśnie mechanizm omawianego cudu (cudowne było zatrzymanie i ponowne uruchomienie Słońca, pozostałe zjawiska przebiegały w sposób naturalny).

Kościół katolicki wyjątkowo niechętnie patrzył na próby indywidualnej interpretacji Pisma, zwłaszcza podejmowane przez ludzi świeckich, nawet tak wybitnych jak Galileusz. Toteż różne zabiegi Galileusza, w tym jego kampania informacyjno-propagandowa prowadzona w Rzymie wśród najwyższego duchowieństwa, nie odniosły skutku. W roku 1616 nieruchomość Słońca uznano za sprzeczną z tekstem Pisma Św., a ruch Ziemi – za co najmniej błąd w wierze. Sam Galileusz został napomniany, by nie głosił poglądów kopernikańskich, choć dokładny sens tego napomnienia pozostaje wciąż niejasny – zachowały się na ten temat dwa nieco różne w treści dokumenty. Galileusz zrozumiał, że musi zamilknąć, choć poglądów kopernikańskich nie zmienił. Na razie uczonego nie spotkało nic złego. Do jego patronów w tym okresie należał m. in. kardynał Maffeo Barberini, który w 1620 r. napisał nawet na jego cześć wiersz pod tytułem Adulatio perniciosa („Zgubna pochwała”). Jak bardzo proroczy okazał się tytuł owego wiersza, miał się Galileusz przekonać, gdy Barberini został papieżem, przybierając imię Urbana VIII. Papież uważał się za intelektualistę i uczony uznał, że nadszedł sprzyjający czas na otwarte opowiedzenie się za ruchem Ziemi, ogłaszając w 1632 r. Dialog o dwu najważniejszych układach świata Ptolemeuszowym i Kopernikowym. Książka miała wprawdzie wszelkie możliwe zezwolenia władz kościelnych, lecz nie przypadła do gustu papieżowi. Rozpętała się burza, zakończona skazaniem Galileusza na dożywotni areszt domowy i całkowity zakaz publikacji. Musiał też publicznie podczas upokarzającej ceremonii wyrzec się swych poglądów.

Obraz z XIX wieku przedstawiający wyrzeczenie się poglądów przez Galileusza (Joseph-Nicolas Robert-Fleury). W rzeczywistości uczony wystąpił w worku pokutnym i musiał klęczeć, odczytując poniższy tekst:

Ja, Galileo, syn Vincenza Galilei z Florencji, w wieku lat moich 70, osobiście stanąwszy przed sądem, na klęczkach w obliczu waszym, najdostojniejsi i najwielebniejsi panowie kardynałowie, generalni inkwizytorzy w całej powszechności chrześcijańskiej przeciwko występkowi herezji, mając przed oczami moimi najświętszą Ewangelię, której dotykam własnymi rękami, przysięgam, że zawsze wierzyłem, obecnie wierzę i z pomocą bożą w przyszłości wierzyć będę w to wszystko, co utrzymuje, głosi i czego naucza św. Kościół katolicki i apostolski. Ponieważ jednak po tym, gdy to Święte Oficjum upomniało mnie i nakazało z mocą prawną, bym całkowicie porzucił fałszywe mniemanie, że Słońce jest środkiem świata i nie porusza się, a Ziemia nie jest środkiem świata i się porusza, i abym nie utrzymywał, nie bronił ani nie nauczał tej fałszywej doktryny, i po tym, gdy mi podano do wiadomości, że doktryna ta jest sprzeczna z Pismem Świętym, napisałem i ogłosiłem drukiem książkę, w której omawiam tę potępioną już doktrynę i na jej poparcie przytaczam bardzo przekonujące argumenty, nie dając żadnego rozwiązania – przeto uznany zostałem za mocno podejrzanego o herezję, a mianowicie, iż utrzymywałem i wierzyłem, że Słońce, nieruchome, jest środkiem świata (*), a Ziemia nie jest tym środkiem i się porusza.
Pragnę tedy z umysłów Waszych Eminencji i każdego prawego chrześcijanina usunąć to mocne podejrzenie, jakie słusznie wzbudziłem. (…) Przysięgam, że w przyszłości nigdy już nie będę głosił ani twierdził, słowem bądź pismem, niczego, co skłoniłoby do takiego podejrzenia. Jeślibym zaś poznał jakiegoś heretyka lub podejrzanego o herezję, doniosę o tym Świętemu Oficjum (…) Ja, Galileo Galilei, wyrzekam się, przysięgam, obiecuję i przyjmuję wszystko to, co wyżej przeczytałem, i na przypieczętowanie tego własnoręcznie podpisuję niniejszy dokument, który odczytałem słowo po słowie w Rzymie, w klasztorze Santa Maria sopra Minerva, dzisiaj, w dniu 22 czerwca 1633 roku.
Ja, Galileo Galilei, wyrzekłem się, jak wyżej, i własnoręcznie podpisuję.

Sprawa Galileusza jest oczywiście w jakiejś mierze konfliktem intelektualnym, starciem idei. Rozstrzygała się kwestia nowego podejścia do interpretacji Pisma Św. Kościół instytucjonalny nie miał jednak cienia wątpliwości, że filozofia nadal powinna być służką tradycyjnie rozumianej teologii. Galileusz i jego zwolennicy (często także duchowni) nie zostali wysłuchani – linia podziału biegła tu zresztą nie tyle między Kościołem a nauką, co raczej między zwolennikami nowych idei a ich przeciwnikami. Ostateczne decyzje zarówno w roku 1616, jak i w roku 1633 zapadły bez głębszego rozważenia tez Galileusza. W tym drugim przypadku sprawdzano tylko, czy można znaleźć w książce podstawy do oskarżenia jej autora. Bardzo możliwe, że jakąś rolę odegrał tu gniew Urbana VIII, który poczuł się urażony widząc własne słowa włożone w usta Simplicia – niezbyt rozgarniętego uczestnika Galileuszowego Dialogu. Cała sprawa Galileusza stała się głośnym przykładem użycia (czy też nadużycia) władzy doczesnej Kościoła katolickiego do cenzurowania treści teorii naukowej. Nie ma w tym kontekście znaczenia, czy Galileusz miał mocne dowody naukowe przemawiające za ruchem Ziemi – bardzo rzadko uczony może przedstawić takie dowody już w chwili publikacji swej teorii.

Przemiana światopoglądowa związana z rewolucją naukową była już wówczas w toku i żadne zakazy nie mogły tego odwrócić. Jednak tak ostry konflikt nie był nieuchronny. W tym konkretnym przypadku rolę odegrały zapewne cechy osobiste uczonego, który miał temperament zjadliwego polemisty, a także szersze uwarunkowania, jak osłabiona pozycja polityczna papieża i potrydencka mentalność oblężonej twierdzy.

Nie wszędzie dopasowanie prawd naukowych i prawd religijnych dokonywało się w sposób administracyjny, jak w Rzymie. W krajach protestanckich nie było żadnego odpowiednika sprawy Galileusza. W roku 1638 John Wilkins opublikował w Londynie książkę The Discovery of A World in the Moone, w której głosił kopernikanizm zbliżony do poglądów Galileusza. Wilkinsa nie tylko nie spotkały z powodu książki żadne represje, ale pod koniec życia został biskupem Kościoła anglikańskiego i jednym z założycieli Towarzystwa Królewskiego.

Konsekwencje sprawy Galileusza dla dalszego rozwoju nauki były stosunkowo niewielkie, m. in. dlatego, że niebawem znaczenie zyskały kraje północne, przede wszystkim Francja, Holandia i Anglia, gdzie cenzura kościelna miała wpływ niewielki albo żaden. Kartezjusz wolał jednak na wszelki wypadek mieszkać w Holandii i wstrzymał się z ogłoszeniem gotowego w roku 1633 Świata albo traktatu o świetle. Kartezjusz, podobnie jak Galileusz, był szczerym katolikiem i z wielu powodów nie chciał konfliktu ze swym kościołem.

Wstyd Kościoła pozostał do dziś. Jeszcze pod koniec XX wieku, kiedy podjęto na wniosek Jana Pawła II badania nad sprawą Galileusza, strona kościelna starała się zrzucić z siebie winę, przyznając jedynie, że uczony „wiele wycierpiał
(…) ze strony ludzi i instytucji Kościoła”, dodając zarazem jednym tchem, że to Galileusz błędnie rozumiał metodę naukową.

(*) Nb. Galileusz nie uważał, że Słońce jest środkiem świata, w ogóle nie wierzył, aby istniał jakiś środek świata, ale z pozycji klęcznej trudno było zaczynać na ten temat dyskusję.

Dialog o dwu najważniejszych układach świata: ptolemeuszowym i kopernikowym – Galileo Galilei (1/2)

Dialog o dwu najważniejszych układach świata: ptolemeuszowym i kopernikowym – Galileo Galilei (2/2)

Mikołaj Kopernik, Commentariolus (przed 1514 r.)

Mikołaj Kopernik jest jednym z najbardziej przecenianych astronomów w historii. Dzieje jego pośmiertnej sławy mogłyby stać się pasjonującym przedmiotem badań (interesujący podtemat stanowi tu walka polskich i niemieckich uczonych o zaprzęgniecie postaci Nicolausa Coppernicusa czy Koppernigka w służbę szowinizmu narodowego (*)). Im dalej od astronomii leżały kompetencje historyka i im więcej mijało czasu, tym głośniej wychwalano rewolucję kopernikańską. Dziś wiemy, iż prawdziwa rewolucja zaczęła się w nauce niemal sto lat później, już w wieku XVII, a Kopernik był tylko jednym z uczonych w długim szeregu od Greków i Ptolemeusza, przez astronomów islamskich, jak Pers Nasir At-Tūsi i Syryjczyk Ibn aš-Šātir, po pochodzących z krajów niemieckich Georga Peurbacha i Johannesa Müllera, znanego jako Regiomontanus. Kopernik wysunał rzeczywiście zadziwiający pomysł ruchu Ziemi i bezruchu Słońca, ale był on sprzeczny z całą nauką o ruchu – ówczesną fizyką i filozofią przyrody, natomiast w samej astronomii Kopernik był skrajnym konserwatystą, raczej ostatnim uczonym średniowiecznym niż pierwszym nowożytnym. Z pewnością nie zamierzał „ruszyć z posad bryły świata”, jak to zapowiadał Eugène Pottier, dziewiętnastowieczny autor słów Miedzynarodówki. Pomysł Kopernika okazał się płodny znacznie później, natomiast jego astronomia była porażką, jałowym dodawaniem epicykli do znanego modelu. W wyniku powstał model matematyczny, który raczej psuł, niż poprawiał astronomię Ptolemeusza. Astronomię przebudowali dopiero Tycho Brahe i Johannes Kepler: dlatego uczymy się o prawach Keplera, a nie o prawach Kopernika.

Wszystko to nie znaczy, rzecz jasna, że Niklas Koppernig niczego nie dokonał. Był najwybitniejszym astronomem swego pokolenia, tyle że nie każdemu pokoleniu dane jest dokonać w nauce czegoś przełomowego. Pomysł astronomii heliocentrycznej był krokiem w dobrym kierunku. Używając języka dzisiejszej fizyki, można powiedzieć, że Kopernik odkrył czy może zwrócił mocno uwagę na ukrytą symetrię ruchów planetarnych. Planety przed Kopernikiem poruszały się na niebie tak samo jak i po nim, model Kopernikański nie był ani trochę dokładniejszy niż Ptolemeuszowy, ale od tej pory zaczęliśmy dostrzegać nowy punkt widzenia: widziane ze Słońca ruchy planet są znacznie prostsze niż z Ziemi. Nie zamieszkaliśmy na Słońcu, ale mogliśmy wykorzystać tę symetrię, ułatwiła ona późniejsze, znacznie późniejsze zrozumienie, jaki jest rzeczywisty mechanizm ruchu planet (u Kopernika Słońce było tylko lampą oświetlającą kosmos, nie wpływało fizycznie na ruchy planet).

Nie jest jasne, kiedy Mikołaj Kopernik powziął myśl o zbudowaniu całkiem nowego systemu świata. Być może podczas pobytu we Włoszech, ale najprawdopodobniej już po powrocie na Warmię. Możliwe, że idea nowego systemu dojrzewała w jego głowie całymi latami. Kopernik nigdy nie mógł się zajmować wyłącznie astronomią, wciąż musiał pamiętać przede wszystkim o tym, co może być przydatne dla kapituły fromborskiej, astronomia była jego zajęciem ubocznym. Po powrocie na Warmię był praktycznie odizolowany od kręgów naukowych i pozostał amatorem – w najlepszym znaczeniu tego słowa – z czasem stał się bowiem najbardziej kompetentnym astronomem swojej epoki.

Przez kilka lat Kopernik pełnił funkcję sekretarza swego wuja biskupa Lucasa Watzenrode, będąc po trosze lekarzem, po trosze humanistą. Początkowo mógł jeszcze wahać się co do wyboru dalszej drogi życiowej: humanista, lekarz, sekretarz dostojnika i kandydat na przyszłego biskupa, czy badacz gwiazd? W roku 1509 wydał zadedykowany wujowi przekład Listów Teofilakta. Było to ćwiczenie ze znajomości greki, literacko bezwartościowe, lecz przydatne dla astronoma, pragnącego rozumieć niektóre teksty źródłowe. W wierszu poprzedzającym tekst Teofilakta Wawrzyniec Korwin, pisarz królewskiego miasta Wrocławia, maluje taki obraz swego przyjaciela przy wuju biskupie: „Przy nim uczony mąż, jak wierny Achates przy Eneaszu, tłumacz dzieła niniejszego z greki na łacinę, który szybki ruch Księżyca i zmienne biegi bratniego Słońca, jako też gwiazd i planet – zdumiewające dzieło Wszechmocnego – wraz z ukrytymi przyczynami zjawisk umie objaśniać na godnych podziwu zasadach.” Może w tym czasie pojawił się już pomysł nowej astronomii. Niewykluczone, że pomysł ten miał wpływ na dalsze losy jego autora: chcąc opracować swą teorię, zrezygnował z kariery kościelnej (do której zapewne nakłaniał go wuj, nie mający żadnych innych bliskich krewnych, kandydatów na swych następców) i wrócił do sprawowania funkcji kanonika, która jednak umożliwiała pracę naukową. W każdym razie od roku 1510, jeszcze za życia wuja, zamieszkał Kopernik na stałe w siedzibie kapituły we Fromborku, gdzie z przerwami mieszkać miał już do końca życia. O mitrę biskupią wyraźnie się nie ubiegał (choć raz umieszczono go honorowo na liście kandydatów, bez realnej szansy na wybór), nie przyjął też wyższych święceń – kanonicy przyjmowali je często dopiero wtedy, gdy mieli zostać biskupami. Wśród szesnastu kanoników kapituły, gdzie wszystko – począwszy od miejsc w katedrze aż po kolejność zabierania głosu na posiedzeniach – regulowane było wedle zasady precedencji, czyli kolejności objęcia stanowiska kanonika, doszedł z czasem do miejsca piątego.

Pobyt we Fromborku nie oznaczał bynajmniej wygodnego i beztroskiego życia. Kopernik pracował jako administrator, ceniony lekarz, był jednym z najlepiej wykształconych ludzi na tym skrawku ziemi. Kanonicy byli wprawdzie ludźmi dość majętnymi, ale mieli liczne obowiązki, oprócz spraw czysto kościelnych administrować musieli należącymi do kapituły ogromnymi dobrami. Cała Warmia była oddzielnym księstwem rządzonym przez biskupa. W dodatku była terenem pogranicznym, z trzech stron otoczonym przez ziemie Zakonu Krzyżackiego, który stanowił ciągłe zagrożenie i z którym niezmordowanie walczył biskup Watzenrode, zabiegając jednocześnie w Rzymie o przeniesienie Zakonu z Prus na Podole. Kopernik zmuszony był więc zarówno do prowadzenia ksiąg, jak objeżdżania konno różnych majątków, a nawet gromadzenia broni na wypadek krzyżackiego oblężenia. Zajmował się też kwestiami reform gospodarczych, popierał unię monetarną Prus Królewskich z Koroną. Wcześniej w różnych miastach Prus Toruniu, Gdańsku i Elblągu bito własne monety, z herbem króla z jednej strony, a herbem miasta z drugiej. Nasilała się też tendencja do psucia monety, co było w interesie rządzących oraz oszustów. Kopernik chciał temu zaradzić przez ujednolicenie monety i ustalenie w niej stałej zawartości kruszcu.

W istocie jednak prowadził podwójne życie i wolne chwile poświęcał astronomii. Pierwszy zarys nowego systemu opisany został w krótkim anonimowym streszczeniu znanym jako Komentarzyk. Ów kilkustronicowy Komentarzyk znajdował się w roku 1514 w księgozbiorze krakowskiego uczonego Macieja z Miechowa, musiał więc zostać napisany wcześniej.

Pisze tam Kopernik:

Wielką ilość sfer niebieskich przodkowie nasi przyjęli, jak sądzę, dla zachowania zasady regularności w pozornym ruchu planet. Całkowicie niedorzeczne wydawało się bowiem przypuszczenie, by ciała niebieskie nie poruszały się zawsze jednostajnie po doskonałych kołach. Zauważyli zaś, że wskutek złożenia i połączenia ruchów jednostajnych na różne sposoby osiągnąć można dowolny ruch pozorny każdego z tych ciał do dowolnego położenia. (przeł. J. Drewnowski, M. Kopernik, Dzieła wszystkie, t. 3, Pisma pomniejsze, przekł. nieco zmieniony)

Następnie omawia krótko sytuację w astronomii od starożytności: najpierw Kallippos i Eudoksos starali się wyjaśnić ruchy nieba za pomocą sfer współśrodkowych, następnie przyjęto teorię Ptolemeusza, posługującą się kołami. Przeciwko pierwszej teorii w Komentarzyku, a także wielokrotnie później, przytaczał argument znany już od starożytności: przy stałych odległościach od Ziemi jasności planet nie powinny się zmieniać, podczas gdy w rzeczywistości zmieniają się bardzo wyraźnie.

Jednakże to, co głosili Ptolemeusz i wielu innych, pozostawało wprawdzie w zgodzie z danymi liczbowymi, ale budziło również niemałe wątpliwości. Tłumaczenia te nie były bowiem wystarczające bez dodatkowego wprowadzenia pewnych fikcyjnych kół wyrównujących, z których wynikało, że planeta ani na swojej sferze unoszącej, ani w odniesieniu do środka swego epicykla nie porusza się z zawsze jednakową prędkością. Toteż tego rodzaju system nie wydawał się ani ostatecznie doskonały, ani wystarczająco zgodny z rozumem.

Owe fikcyjne koła wyrównujące, to koła o środku w ekwancie E – którego nazwa łacińska brzmiała punctum equans – a więc punkt wyrównujący. Konstrukcja ta, wprowadzona przez Ptolemeusza, znakomicie poprawiała zgodność teorii z obserwacjami. Ruch punktu C był jednostajny, gdy patrzeć z punktu E, Ziemia jednak była w punkcie Z i mechanizm ten był nielogiczny z zegarmistrzowskiego punktu widzenia: obroty kół powinny być jednostajne, bo chodzi o idealny zegar stworzony przez Boga, który nie mógł być przecież partaczem; powinny one także być jednostajne względem swoich środków, a nie jakichś innych punktów.

Zważywszy te braki często się zastanawiałem, czy by się nie dało wynaleźć racjonalniejszego układu kół, od których zależałyby wszelkie pozorne nierówności ruchów i które obracałyby się ruchem jednostajnym względem własnych środków tak, jak tego wymaga zasada ruchu doskonałego. Przystąpiwszy do tego trudnego i niemal nierozwiązywalnego problemu znalazłem wreszcie sposób, w jaki można tego dokonać za pomocą kół o wiele mniej licznych i o wiele bardziej ze sobą zgodnych, niż przyjmowano dawniej, jeśli tylko wolno nam będzie przyjąć następujące założenia, zwane aksjomatami.

Założenie pierwsze

Nie istnieje jeden środek wszystkich sfer niebieskich.

Założenie drugie

Środek Ziemi nie jest środkiem świata, lecz tylko środkiem ciężkości i sfery Księżyca.

Założenie trzecie

Wszystkie sfery krążą wokół Słońca jako środka i dlatego w pobliżu Słońca znajduje się środek świata.

Założenie czwarte

Stosunek odległości Słońca od Ziemi do wysokości firmamentu jest o tyle mniejszy od stosunku promienia ziemskiego do odległości Słońca, że odległość ta jest niezauważalna w porównaniu z wielkością firmamentu.

Założenie piąte

Każdy ruch widoczny na firmamencie jest wywołany nie jego własnym ruchem, lecz ruchem Ziemi. Ziemia więc, wraz z otaczającymi ją żywiołami, w ciągu doby obraca się cała w swoich niezmiennych biegunach, podczas gdy firmament i najwyższe niebo pozostają nieruchome.

Założenie szóste

Cokolwiek spostrzegamy jako ruch Słońca, nie jest jego własnym ruchem, lecz skutkiem ruchu Ziemi i naszej sfery, z którą się obracamy wokół Słońca podobnie jak każda inna planeta; Ziemia wykonuje zatem kilka ruchów.

Założenie siódme

To, co u planet wydaje się ruchem wstecznym lub posuwaniem się naprzód, nie pochodzi od nich, lecz od Ziemi. Jej więc ruch sam wystarczy dla wyjaśnienia tak wielu nierówności dostrzeganych na niebie.

U Kopernika Ziemia przestaje pokrywać się ze środkiem świata – wbrew temu, co dowodził Arystoteles – stając się centrum już tylko lokalnym: ciążą ku niej ciała, ale tylko te, które znajdują się blisko, w granicach sfery Księżyca. Ciała ciężkie spadają więc w kierunku centrum Ziemi, a nie centrum świata.

Oprócz Słońca także gwiazdy są w rzeczywistości nieruchome, nie obracają się wokół Ziemi. Wraz z wprowadzeniem ruchu dobowego Ziemi odwraca się tradycyjny porządek: do tej pory to niebo, obejmująca wszystko najwyższa sfera gwiazd, miała się najszybciej, raz na dobę, obracać. U Arystotelesa niebo obracane miało być przez Nieruchomego Poruszyciela i miało przekazywać ruch do dołu. U chrześcijan takim poruszycielem stał się Bóg. Teraz ta największa sfera zastygnąć miała w absolutnym bezruchu.

Giovanni di Paolo, Stworzenie świata i wygnanie z Raju (1445)

Oczywiście obserwowane na niebie zjawiska będą takie same bez względu na to, czy to Ziemia się obraca raz na dobę, czy niebo krąży wokół niej raz na dobę. Wiedziano o tym już od starożytności, zawsze jednak wybierano tę drugą możliwość. Skoro Słońce jest w środku świata, to oczywiście jest ono nieruchome. Mamy więc obok sfery gwiazd drugie nieruchome ciało w kosmosie.

Roczny ruch Słońca na niebie, jego przesuwanie się wzdłuż Zodiaku [ekliptyki] także jest złudzeniem optycznym wywołanym ruchem Ziemi. Znów: z punktu widzenia obserwowanych zjawisk astronomicznych wszystko przebiegać będzie tak samo. Motywem Kopernika nie jest uzyskanie precyzyjniejszego opisu zjawisk, lecz zbliżenie się do prawdy. System Ptolemeusza jest wprawdzie „w zgodzie z danymi liczbowymi”, ale to za mało.

Założenia piąte i szóste zawierają, w sensie dosłownym, nowe spojrzenie na zjawiska niebieskie. Można sobie z tych słów wyobrazić, jak od czasu swego pomysłu Kopernik zaczął patrzeć na niebo zupełnie innym wzrokiem. Co innego widzi się wiedząc, że niebo obraca się wokół nas, co innego zaś, gdy uważamy, że to my obserwujemy niebo z wirującej karuzeli. Patrzenie nie jest czynnością prostą i niezależną od refleksji: co innego widzi zwolennik Ptolemeusza, dla którego cały świat wiruje, co innego zaś Kopernik, czy jego późniejsi zwolennicy, widząc absolutnie nieruchome gwiazdy. Jest to dwoistość poznawcza przypominająca pewne grafiki M.C. Eschera.

Psychologiczne doświadczenie nowego spojrzenia na wszechświat musiało być dla Kopernika niezwykle ważnym przeżyciem. Nigdy nie wrócił już do tradycyjnego obrazu. Nie usiłował ich też w żaden sposób pogodzić. Dla współczesnego człowieka przyzwyczajonego do zmian układów odniesienia oraz do względności prawd i punktów widzenia kopernikanizm może wydać się dość banalnym ćwiczeniem z tego zakresu. Trudno jest wyobrazić sobie sytuację kogoś, kto wykonuje je po raz pierwszy. Bez wątpienia Kopernik przekonany był o prawdziwości swojego pomysłu i wierzył w niego, choć nie miał na to żadnych dowodów.

Założenie siódme sprawia, że niepotrzebne stają się Ptolemeuszowe epicykle dla pięciu planet, wprowadzone właśnie po to, aby opisać zmiany kierunku ich ruchu na tle gwiazd. Jeśli przyjmiemy ruch Ziemi, to wszystkie planety poruszają się stale w jednym kierunku, bez żadnych ruchów wstecznych. Tu właśnie kopernikańskie spojrzenie przynosi najwieksze korzyści: układ planet wygląda teraz prościej.

Komentarzyk był przedstawieniem niezwykłego pomysłu. Przekonywał, że układ heliocentryczny może być astronomicznie nie gorszy, a nawet lepszy od tradycyjnego Ptolemeuszowego. Pokazywał, że możemy w nowy, niezwykły sposób spojrzeć na zjawiska niebieskie i że wtedy system świata przedstawia się prościej. Planety obiegają Słońce w czasie tym dłuższym, im dalej znajdują się od niego. Co więcej, w Komentarzyku Kopernik sądzi, że tor zakreślany przez daną planetę jest niezmienny, że powraca ona regularnie do tych samych miejsc kosmosu (w teorii Ptolemeusza tak nie było, ponieważ okresy obrotu epicyklu i deferentu były niewspółmierne). Później, pracując nad swoim traktatem Kopernik odkrył, że od czasów Ptolemeusza orbity planet zmieniły wyraźnie swą orientację względem gwiazd.

Ruch Słońca i ruch gwiazd są więc jedynie złudzeniem wywołanym ruchem Ziemi. Należało zatem Ziemi przypisać kilka ruchów, a dokładnie trzy:

Ziemia podlega trzem ruchom. Pierwszy jest ruch na wielkiej sferze [wielkim kręgu Orbis Magnus], z której okrążając Słońce według kolejności znaków Zodiaku, dokonuje obrotu w ciągu roku […] wydaje się, że Słońe porusza się po kole takim ruchem, jakby Ziemia leżała w środku świata. Tymczasem dzieje się to nie wskutek ruchu Słońca, lecz Ziemi. Kiedy na przykład znajduje się ona w znaku Koziorożca, Słońce widoczne jest na wprost, w kierunku średnicy, w znaku Raka i tak dalej […]

Potrzebny był Kopernikowi jeszcze jeden, trzeci ruch Ziemi, który wyjaśnić mógłby, dlaczego oś Ziemi zamiast obracać się w okresie roku, zachowuje mniej więcej stały kierunek względem gwiazd. Kopernik, zgodnie z tradycją, wyobrażał sobie ruch Ziemi wokół Słońca tak, jakby była ona unoszona na jakimś sztywnym ramieniu – było to myślenie kategoriami machina mundi, machiny świata złożonej ze sfer. Oś Ziemi unoszonej w taki sposób musiałaby się także obracać razem z nią samą, dlatego potrzebne było wprowadzenie trzeciego ruchu kompensującego. Nie istniało jeszcze takie pojęcie przestrzeni, do jakiego później przyzwyczaił nas Newton (obecnie stałość kierunku ziemskiej osi w przestrzeni objaśniana jest zasadą zachowania momentu pędu: Ziemia jak wirujący żyroskop zachowuje stałą orientację osi). Jednocześnie zastanawiał się Kopernik nad możliwością jakiegoś fizycznego mechanizmu zapewniającego stałą orientację osi ziemskiej względem gwiazd: „Wiem – by sięgnąć do pomniejszych spraw – że namagnesowana igła przyjmuje zawsze ten sam kierunek” (W późniejszych tekstach Kopernik już nie wraca do tego pomysłu, astronomia w jego pojęciu wymaga zresztą opisu zjawisk, a nie podawania ich fizycznych przyczyn).

Przy okazji ów trzeci ruch Ziemi, ruch jej osi obrotu, można było wykorzystać do tego, aby zdać także sprawę ze zjawiska precesji, „obrotu ósmej sfery”. Wystarczyło założyć, że okres trzeciego ruchu nie pokrywa się dokładnie z okresem obiegu Ziemi po orbicie, dzięki temu po wykonaniu pełnego okrążenia oś ziemska nie wraca dokładnie do tej samej orientacji, lecz nieznacznie obraca się względem gwiazd. Jak pisze Kopernik, „Powszechnie przyjmuje sie więc, że firmament obarczony jest kilkoma ruchami, którymi rządzą prawa, niedostatecznie dotąd zrozumiane. Ale ruch Ziemi może te zmienności wyjaśnić w bardziej naturalny sposób.”

Zamiast więc przypisywać niebu gwiaździstemu kilka ruchów, można te wszystkie ruchy przypisać Ziemi, gwiazdy uznając za nieruchome. To nie oś nieba wykonuje ruchy w kosmosie, ale oś Ziemi wykonuje te ruchy. Z technicznego punktu widzenia nic się nie zmieniało. Oczywiście rozwiązanie takie było bardziej zadowalające kosmologicznie: łatwiej przypisać pewne, nawet dość zawiłe ruchy Ziemi niż doskonałemu niebu.

Komentarzyk jest tekstem o tyle osobliwym, że zaczyna od tradycyjnej filozoficznej krytyki ekwantów – niejednostajności ruchów kołowych w tradycyjnej astronomii – a następnie formułuje ideę uproszczenia układu świata przez wprowadzenie ruchu Ziemi. Obie te kwestie nie są logicznie powiązane. Można wyeliminować ekwanty i pozostać przy układzie geocentrycznym, jak zrobili to dużo wcześniej uczeni islamscy ze szkoły w Maragha tacy, jak Nasir At-Tūsi i Ibn aš-Šātir. Można też przyjąć układ heliocentryczny oraz ekwanty, jak na pewnym etapie swej pracy zrobił Johannes Kepler. Kopernik miał trzymać się obu tych założeń jednocześnie.

Rozwiązania geometryczne astronomów islamskich są w zasadzie identyczne z przyjętymi przez Kopernika. Dzieła islamskie nie były powszechnie znane za czasów Kopernika, do niedawna nie były też znane historykom współczesnym. Zbyt wiele jednak szczegółów u Kopernika pokrywa się z rozwiązaniami stosowanymi w szkole z Maragha, aby mogło to być jedynie zbiegiem okoliczności. Najprawdopodobniej podczas pobytu w Italii Kopernik zetknął się z jakimiś manuskryptami ze Wschodu. Uczeni islamscy nie proponowali jednak ruchu Ziemi. Astronomiczna teoria heliocentryczna – zawierająca wszelkie niezbędne szczegóły – jest niewątpliwie własnością intelektualną Kopernika. Wielu historyków czuje się pewniej, gdy mogą sprowadzić odkrycie do zapożyczenia pewnych elementów z przeszłości, jakby nie wierząc, by jakikolwiek pomysł na świecie mógł powstać jedynie dzięki myśleniu. Wyznają oni swego rodzaju atomizm w świecie idei: idee krążą wiecznie niby niezmienne atomy, łącząc się co najwyżej od czasu do czasu w nowe wzory i kombinacje. Poszukiwano z zapałem także i prekursorów teorii Kopernika, jednak bez zadowalających rezultatów. Pomysły jakiegoś ruchu Ziemi pojawiały się niejednokrotnie, zwykle były to jednak tylko pomysły, nie traktowane zbyt serio przez tych, którzy je głosili. Sama możliwość ruchu Ziemi znajdowała się od starożytności właściwie ciągle w polu widzenia uczonych, odkąd Arystoteles i Ptolemeusz uznali za stosowne podać argumenty przeciwko ruchowi Ziemi. Kopernik chcąc zrewidować punkt widzenia astronomii zwracał oczywiście uwagę na wzmianki o ruchu Ziemi. Bardziej oczywistą ideą był tu ruch dobowy Ziemi wokół osi. Chyba jednak nikt prócz Arystarcha (o którym Kopernik nie wiedział) nie rozpatrywał ruchu rocznego, znacznie bardziej brzemiennego w skutki i ważniejszego, zarówno dla Kopernika, jak i dla dalszego rozwoju nauki. Ponadto gdybyśmy nawet znaleźli jakieś źródła, które mogły zasugerować Kopernikowi jego punkt wyjścia, to i tak pozostaje faktem, że nikt nie przekształcił idei tego rodzaju w funkcjonującą teorię astronomiczną, a tylko to się ostatecznie liczy w nauce. Z dwóch podstawowych innowacji kopernikańskich: heliocentryzmu i ruchów jednostajnych, to ta pierwsza – bardziej zaskakująca i ważniejsza historycznie – okazuje się własnością intelektualną Kopernika, druga zaś – która zdawała się ważniejsza współczesnym Kopernika – okazała się zbieżna z wcześniejszymi rozwiązaniami astronomów islamskich i być może nie jest nawet niezależnym wkładem Kopernika do nauki.

Ostatecznie Kopernik formułuje swój układ heliocentrycznego kosmosu, w którym planety poruszają się dzięki złożeniu ściśle jednostajnych ruchów kołowych. Potrzebował do tego, jak sam obwieszcza w Komentarzyku 34 kół. W stosunku do 55 sfer Arystotelesa stanowi to niewątpliwe uproszczenie. Rzecz jednak w tym, że należałoby tę teorię zestawiać nie z filozoficznym modelem Arystotelesa, który nigdy nie objaśniał ilościowo żadnych zjawisk i stanowił raczej rodzaj muzealnego zegara, od którego nie wymaga się by chodził, lecz z działającą teorią matematyczną Ptolemeusza. Na razie jednak Kopernik nie zbudował porównywalnej teorii, miał jedynie jej zarys, wstępną wersję. W trakcie pracy nad Obrotami miał się przekonać, że szczegółowe porównanie nie wypada już tak jednoznacznie na korzyść jego systemu.

Ruch planet wg Komentarzyka. Słońce (w istocie tzw. Słońce średnie, a nie to fizyczne, świecące na niebie) znajduje się w centrum dużego koła o promieniu R. Znikły epicykle Ptolemeusza, ale wprowadza Kopernik dwa dodatkowe epicykle: jeden o promieniu e_1 obracał się tak, aby linia C_1C_2 pozostawała stale równoległa do linii SO. Z dzisiejszego punktu widzenia powiedzielibyśmy, że wektor C_1C_2 pozostaje stały (względem gwiazd), dla Kopernika obracał się on, ponieważ położenia C_2 mierzono od prostej SC_1, czyli tak jakby mniejsze koło obracało się na jakimś mechanicznym ramieniu. To pierwsze koło łatwo było zastąpić kołem mimośrodowym – ekscentrykiem – w terminologii ówczesnych astronomów. Było jeszcze drugie koło o promieniu e_2 i ono obracało się tak, aby trapez C_2PEO pozostawał wciąż równoramienny. Ta konstrukcja zastępowała ekwant i wymyślona była przez Ibn aš-Šātira. Planeta zakreślała zamkniętą, nieco owalną linię (owal wybrzuszony był w złą stronę w porównaniu do keplerowskiej elipsy). François Viète zauważył pod koniec wieku XVI, że ruch po dwóch mniejszych kółkach można zastąpić jednym ruchem po elipsie, ale oczywiście Kopernikowi nie o to chodziło.

Wielu historyków nauki zastanawiało się nad genezą reformy Kopernika. Komentarzyk ukazuje nam gotowe rozwiązanie, w którym zmienić się miały już tylko szczegóły techniczne, nie mówi natomiast nic o tym, jak przyszła mu do głowy tak niezwykła myśl i dlaczego Kopernik zdecydował się prześledzić jej konsekwencje. Wiedział też Kopernik zastanawiając się nad swoim pomysłem, że z jednej strony ma tu pewne wsparcie w starożytnych tekstach – ruch Ziemi nie jest więc pomysłem aż tak absurdalnym, jakby się to mogło na pozór wydawać. Z drugiej zaś strony zauważył, niewątpliwie po skrupulatnym zbadaniu sprawy, że „argumenty, którymi filozofowie przyrody starają się udowodnić nieruchomość Ziemi, po większej części oparte są na zjawiskach i wszystkie zostaną tu obalone, gdy tylko wyjdziemy poza pozory” [O obrotach, ks. I] – argumenty te tracą swą moc dowodową, jeśli prawdą jest, że Ziemia się porusza; nie dowodzą więc one w istocie niczego, są przekonywaniem przekonanych, nie mogą więc przeszkodzić w rozważeniu hipotezy ruchu Ziemi. Stosuje się to np. do arystotelesowskiego utożsamienia środka ku któremu spadają ciała ze środkiem świata. Jeśli uznamy, jak Kopernik, że ciała spadają ku środkowi Ziemi, to tym samym stanie się możliwe, że Ziemia nie jest środkiem świata.

Istotą kopernikanizmu z punktu widzenia ruchów w świecie są dwa założenia (piąte i szóste w Komentarzyku): o nieruchomości gwiazd oraz nieruchomości Słońca. Pierwsze przerzuca na Ziemię ruch dobowy oraz długookresowy ruch precesyjny: Ziemia wiruje, oś jej obrotu zmienia położenie w przestrzeni. Drugie zastępuje widoczny roczny ruch Słońca rocznym ruchem orbitalnym Ziemi. Trudno też ustalić, który z dwóch pomysłów – nieruchomość gwiazd czy nieruchomość Słońca pojawił się jako pierwszy. Jasne jest bowiem, że jeśli uda nam się wyjaśnić jakiś ruch obserwowany na niebie odpowiednim ruchem Ziemi, to aż się prosi, aby podobną metodę rozciągnąć i na inne ruchy.

Być może punktem wyjścia był nawet nie obrót dobowy, choć ten akurat obrót najczęściej bywał wcześniej rozpatrywany. W którymś momencie Kopernik mógł zdać sobie sprawę, że zawiłe ruchy precesyjne gwiazd – ruchy ósmej sfery, wymagające wprowadzania kolejnych sfer dziewiątej i dziesiątej – prościej jest opisać zmianami położenia osi Ziemi, nie każąc gwiazdom wykonywać skomplikowanych obrotów i kołysań, które im niezbyt przystoją. Z chwilą gdy gwiazdy uznamy za nieruchome, przyjąć trzeba, że Ziemia wiruje. Za takim punktem wyjścia pracy Kopernika opowiadał się Jerome R. Ravetz.

Inną możliwością było zwrócenie uwagi na to, że Ptolemeuszowe epicykle planet górnych obracają się względem gwiazd w okresie rocznym: ich obrót jest ściśle ze sobą zsynchronizowany. Linie ZS i XM pozostają równoległe do siebie w każdej chwili. Jednocześnie koła w konstrukcji ptolemeuszowej można przestawiać, ponieważ dodawanie wektorów jest przemienne. Model Ptolemeuszowy można dowolnie przeskalowywać, ważne są w nim jedynie kąty. Dlatego wszystkie koła obracające się w okresie roku możemy zastąpić jednym wspólnym kołem i uznać je za orbitę Słońca wokół Ziemi. Powstaje wówczas konstrukcja, w której środki kół planet leżą w Słońcu. Schemat taki pozwalał zaoszczędzić po jednym kole dla każdej z pięciu planet, których dotyczył. W dodatku pewne regularności, które w teorii Ptolemeusza były dodatkowymi i niekoniecznymi założeniami (jak synchronizacja epicyklów), u Kopernika znajdowały naturalne wyjaśnienie. Struktura teorii astronomicznej wyraźnie zyskiwała na przejrzystości, można było zrozumieć fakty przedtem niepowiązane ze sobą. Otrzymywało się także znacznie lepiej wyglądający układ planet, bez dużych epicyklów.

Ostatecznie Komentarzyk nie jest przekonujący dla sceptyka, nie przedstawia bowiem żadnych rozstrzygających argumentów za rozwiązaniem Kopernikańskim. Argumentów takich nie było zresztą również długo po śmierci Kopernika. Można się było zgodzić, że na gruncie astronomii pomysł Kopernika miał pewne zalety i nie prowadził do natychmiastowej sprzeczności z faktami, nie był więc tak absurdalny, jakby mogło się na początku wydawać. Aby jednak serio potraktować propozycję Kopernika, należało najpierw przejść do porządku nad argumentami arystotelików przeciwko ruchowi Ziemi. Wprawdzie argumenty te istotnie były słabsze, niż się mogło wydawać – Kopernik miał tu trafne przeczucie, tym niemniej nie można było ich zbyć kilkoma zdaniami. Na szczęście dla rodzącej się teorii Kopernik nie poświęcał im wielkiej uwagi. Być może sprzyjającą okolicznością była tu naukowa izolacja Kopernika, obracając się na codzień wśród akademickich kolegów musiałby odpierać ich ataki, do czego nie był wtedy przygotowany merytorycznie, ani jak się zdaje psychicznie. Środowiska naukowe urabiają poglądy swoich członków, a w tym przypadku trudno byłoby oczekiwać przychylnych reakcji na nową ideę. Niejednokrotnie w historii nauki pewna izolacja badacza, przynajmniej w jakimś okresie, sprzyjała rozwijaniu oryginalnego punktu widzenia.

Nie wiadomo, jakie były reakcje na Komentarzyk, nie ma wszakże powodu przypuszczać, aby były zachęcające. Alexandre Koyré uważa, że Komentarzyk znała bardzo ograniczona liczba osób, w szczególności nie był zapewne pokazywany profesorom w Krakowie, ponieważ w przeciwnym razie mielibyśmy jakieś wiadomości o ich reakcjach. Według świadectwa jednego z późniejszych astronomów Caspara Peucera nazwisko Kopernika jako uczonego stało się głośne już około 1525 r.

Szczegółowe dowody matematyczne zostały „przeznaczone do większego dzieła.” Dopiero później nastąpić miało wieloletnie opracowywanie matematycznych szczegółów – szczegółów, które w astronomii są wszystkim. Najbardziej zadziwiające jest to, że owo większe dzieło istotnie powstało. Mieszkając z dala od ośrodków życia umysłowego, pochłonięty uciążliwymi codziennymi obowiązkami, Kopernik potrafił nie tylko zaproponować, lecz także i opracować we wszystkich matematycznych szczegółach nową teorię niebios, znaleźć czas i siły na niezbędne obserwacje i, przede wszystkim, obliczenia. Teorii takiej nie zaproponował ani żaden z astronomów islamskich, którzy przez wieki zastanawiali się nad dorobkiem Ptolemeusza, ani żaden z astronomów europejskich, sławnych poprzedników Kopernika, jak Georg Peurbach czy Regiomontanus. Dwaj ostatni żyli wprawdzie dość krótko, nic jednak nie wskazuje, aby mieli ideę równie wielkiego dzieła. Jeśli podziwiamy śmiałość Kolumba czy Vasco da Gamy, którzy potrafili zdobyć się na odszukanie nowych dróg i nie wahali się podejmować ryzyka, to należy także mieć podziw dla intelektualnej odwagi Kopernika, ktory podjął się opracowania nowego systemu astronomii, sprawdzenia do końca swojego odważnego pomysłu, mimo że wydawać on się mógł szalony. Oczywiście innego rodzaju odwagi wymaga morska podróż i astronomiczne obliczenia – w obu jednak wypadkach trzeba wierzyć w swoją szczęśliwą gwiazdę. Być może właśnie w odwadze zapuszczenia się w gąszcz rachunków i obserwacji niezbędnych do zbudowania nowej astronomii należy upatrywać wpływu epoki Odrodzenia, Kopernik jest człowiekem renesansu, człowiekem odważniejszym i podejmującym ryzyko.

Impulsem do opracowania traktatu stało się może zetknięcie z drukowanym wydaniem Almagestu (1515) Ptolemeusza, który ukazywał wyraźnie, czego potrzeba, aby zbudować kompletną teorię ruchu planet. Kopernik jako pierwszy nowożytny astronom podjął się tego zadania. Z tą myślą zaczął prowadzić obserwacje niezbędne, by wyznaczyć parametry ruchów planet. Jak się wydaje, to właśnie na potrzeby dzieła Kopernik zajął się poważniej obserwacjami astronomicznymi. Choć dokonywał ich także i wcześniej, i do książki weszła nawet jedna z obserwacji wykonanych jeszcze we Włoszech, to Kopernik nie był nigdy wielkim obserwatorem. Nie był też obserwatorem najdokładniejszym. Jego przyrządy były stosunkowo proste, by nie powiedzieć prymitywne i służyć miały jedynie uzyskaniu niezbędnych danych liczbowych. Ostateczna teoria nie była ani dokładniejsza, ani prostsza od Ptolemeuszowej. Istotny okazał się właściwie tylko heliocentryczny punkt wyjścia, cała reszta zestarzała się szybko. W 1609 r. Johannes Kepler wydał dzieło Astronomia nova i to ono stanowi początek nowożytnej astronomii.

(*) Przybysz z innego układu planetarnego mógłby się zdziwić, czemu tyle ulic i szkół w Polsce nosi imię Niemca z Prus Królewskich, który we Włoszech zapoznał się z astronomią Arabów i Persów rozwijaną w Azerbejdżanie irańskim oraz w Syrii i opracował alternatywę dla modelu aleksandryjskiego Greka Ptolemeusza, mieszkając całe życie na Warmii, która była oddzielnym księstwem, nie graniczącym z Polską.

Trochę rachunków na koniec. Wprowadźmy ruchomy układ współrzędnych x,y jak na rysunku. Mamy wtedy dla położenia planety w funkcji kąta M (proporcjonalnego do czasu):

\left\{\begin{array}{l} x=(e_1+e_2)\sin M \\[5pt] y=(e_1-e_2)\cos M.\end{array}\right.

Łatwo zauważyć, że tor jest elipsą o półosiach e_1+e_2,e_1-e_2 (wystarczy skorzystać z jedynki trygonometrycznej).

Można też obliczyć kąt M-v oraz odległość planety od Słońca r (przyjmujemy R=1:

\left\{\begin{array}{l} \mbox{tg}\, (M-v)=\dfrac{(e_1+e_2)\sin M}{1+(e_1-e_2) \cos M} \\[15pt] r^2=(1+y)^2+x^2.\end{array}\right.

Najlepsze dopasowanie do modelu Ptolemeusza uzyskamy, gdy

e_1=\frac{3}{2} e \ \ e_2=\frac{1}{2} e.

Ani Ibn aš-Šātir (który wymyślił ten podwójny epicykl), ani Kopernik, który go stosował, nie wiedzieli, jak dobrać optymalnie wartości e_1, e_2. Stosując rozwinięcia wzgledem e, otrzymujemy z dokładnością do wyrazów kwadratowych

\left\{\begin{array}{l}M-v=2e\sin M-e^2 \sin^2 2M \\[5pt] r=1+e^2+e\cos M-e^2 \cos 2M.\end{array}\right.

Błędy w stosunku do ruchu keplerowskiego są teraz równe

\left\{\begin{array}{l} \Delta v=-\frac{1}{4}e^2 \sin 2M \\[5pt] \Delta r=-\frac{1}{2}e^2 (1-\cos 2M).\end{array}\right.

Widzimy więc, że kąt v ma ten sam błąd co u Ptolemeusza, natomiast błędy odległości są dwa razy większe. Teoria Ptolemeusza była więc potencjalnie lepsza. Ideologia świata-boskiego zegara psuła astronomię.

 

 

Czemu Ptolemeusz był wielkim astronomem?

Klaudiusz Ptolemeusz – jak wskazuje rzymskie Klaudiusz i greckie Ptolemeusz – był Grekiem żyjącym w czasach imperium rzymskiego. Pracował w kosmopolitycznej, handlowej i uczonej Aleksandrii, jednym z wielu miast założonych przez Aleksandra Macedońskiego. Zdobywca światów umarł młodo, lecz poszerzył zasięg greckiej kultury. Egipska Aleksandria stała się głównym ośrodkiem nauki tworzonej w języku greckim: Muzeum albo Musejon, przybytek muz, był czymś w rodzaju instytutu naukowego ze słynną biblioteką, obserwatorium astronomicznym, ogrodami botanicznymi i zoologicznymi. Od Euklidesa przez Apoloniusza, Hipparcha do Ptolemeusza rozwijały się tam nauki matematyczne. Sam Ptolemeusz jest autorem Geografii, traktatów o muzyce, optyce i astrologii oraz podstawowego dzieła astronomicznego Mathēmatikē Syntaxis („Zbiór matematyczny”– bezbarwne tytuły nie są wynalazkiem współczesnych uczonych), znanego też jako Megiste („Największy”), co przeszło w arabskie al-majisṭī, z czego wzięła się używana od średniowiecza do dziś nazwa Almagest. Już sama historia tego tytułu pokazuje skomplikowane dzieje przekazywania wiedzy greckiej do nowożytnej Europy.

Mapa świata wg Geografii Ptolemeusza narysowana w XV wieku (Wikimedia Commons)

Mapka rozpowszechnienia Almagestu do czasów Kopernika (В.А. Бронштэн, Клавдий Птолемей, 1988)

Z czasem dzieło Ptolemeusza zawędrowało nawet dalej niż sięgały zdobycze Aleksandra Macedońskiego, bo aż do Indii i do Chin. Co było w nim tak niezwykłego, że tłumaczono je na różne języki, pracowicie kopiowano, a potem drukowano? Almagest i Elementy to najważniejsze dzieła greckie dotyczące nauk ścisłych. Elementy były popularne aż do końca XIX wieku, ponieważ zawierały podstawy geometrii i nadawały się do nauczania w szkołach. Jednak późniejsi uczeni greccy, jak Archimedes, Apoloniusz czy Pappus znacznie powiększyli wiedzę matematyczną. Inaczej w przypadku Almagestu: stanowił on szczyt osiągnięć greckich i można odpowiedzialnie powiedzieć, że dopiero Johannes Kepler posunął dalej sztukę rozumienia ruchów planet, przekraczając poziom osiągnięty przez Ptolemeusza. A więc od II w.n.e. aż do początku wieku XVII ludzkość nie miała lepszej astronomii niż Ptolemeuszowa. Zmieniały się mapy polityczne, wierzenia, religie, języki, kultury, a dzieło Ptolemeusza wciąż stanowiło punkt odniesienia, szczyt kiedyś już zdobyty, ale wciąż trudny do ponownego zdobycia.

Teorie wykładane w Almageście nie są autorstwa Ptolemeusza. Konstrukcje geometryczne zawierające złożenia ruchów po okręgach zastosował już Apoloniusz. Wiele ważnych obserwacji dokonał Hipparch. Do Ptolemeusza jednak należy synteza całej tradycji i sformułowanie jej w postaci pewnego systemu wiedzy. Korzystał z nagromadzonych obserwacji, sam był aktywnym obserwatorem, poprawił też zastane rozwiązania. Almagest pozwala dla danej daty i godziny znaleźć położenie na niebie Słońca, Księżyca, a także pięciu znanych wówczas planet. Sądzono, że położenia te mają wpływ na los człowieka – astrologia była głównym motywem badań astronomicznych. Można wszakże sądzić, że matematyczne umysły w rodzaju Apoloniusza czy Ptolemeusza tak czy owak zgłębiałyby ruchy planet. Są one bowiem powtarzalne, ale niezupełnie, ich usytuowanie nigdy się naprawdę nie powtarza, choć w oczywisty sposób zawiera pewne cykle. Sądzę, że i bez astrologii ruch planet byłby wyzwaniem. Astrologia była raczej koniecznym dopowiedzeniem: skoro świat jest tak urządzony, że owe boskie ciała krążą w zawiły sposób po niebie, to musi to w jakiś sposób dotyczyć także naszego losu. Oczywiście, przeskok od matematyki do cech charakteru czy obliczenia daty odpowiedniej  np. na ślub był logicznie i empirycznie wadliwy, ale i zrozumiały: ludzie zawsze starają się znaleźć w świecie przede wszystkim to, co może ich dotyczyć. Egocentryzm jest postawą jeszcze bardziej naturalną niż geocentryzm.

Podstawowa idea modeli planetarnych była prosta. Mamy dwa okręgi: większy o środku O (deferent) i mniejszy o środku C (epicykl). Wektor \overrightarrow{OC} obraca się, unosząc epicykl, planeta P znajduje się na jego obwodzie, na końcu wektora \overrightarrow{CP}. Ziemia spoczywa w punkcie Z. Ruch zachodzi tu w jednej płaszczyźnie. Planety znajdują się na niebie zawsze w pobliżu ekliptyki, czyli rzutu płaszczyzny orbity Ziemi na sferą niebieską. A więc w pierwszym przybliżeniu możemy ich ruchy rzutować na tę jedną płaszczyznę – dla nas jest to płaszczyzna orbity Ziemi, dla starożytnych była to płaszczyzna orbity Słońca. Dzięki temu model płaski może opisywać najważniejszą część ruchu planet. Odchyleniami od ekliptyki zajmowano się również, ale było to niejako drugie przybliżenie, którego szczegóły tutaj sobie darujemy. Warto pamietać, że dopiero Johannes Kepler wpadł na pomysł, iż orbity planet leżą w płaszczyznach, które przecinają się w Słońcu. Nie wiedzieli o tym starożytni ani Mikołaj Kopernik.

Zazwyczaj dominuje ruch po deferencie w lewo i planeta porusza się względem gwiazd z zachodu na wschód. Czasem jednak zatrzymuje się i zaczyna poruszać się ruchem wstecznym, ze wschodu na zachód. Potem znów wraca do ruchu prostego, tzn. z zachodu na wschód. Pętla w naszym przybliżeniu powinna być spłaszczona: zostaje tylko zmieniający się ruch w płaszczyźnie ekliptyki. Epicykl potrzebny był właśnie do tego, by odtwarzać ruch wsteczny planety.

 

Ptolemeusz ani jego koledzy nie wiedzieli prawie nic o odległościach planet. Wiadomo wprawdzie, że np. Mars jest najjaśniejszy w środku swego ruchu wstecznego, kiedy jest na niebie po przeciwnej stronie niż Słońce (jest w opozycji do Słońca, mówią astronomowie). Sugeruje to, że powinien wtedy być bliżej, ale epicykl ma taki, a nie inny kształt z przyczyn estetyczno-filozoficznych: co się porusza w cyklu, powinno się poruszać koliście. Kierunki przewidywane przez ten model są  opisane prawidłowo – tyle wiedział Ptolemeusz. Fakt, że również i odległości są opisane prawidłowo, jest dodatkową cechą modelu, z czego pierwszy zdał sobie sprawę Kopernik. Jeśli znamy kierunki obu wektorów \overrightarrow{OC}, \overrightarrow{CP}, to znamy i wektor położenia planety

\overrightarrow{ZP}=\overrightarrow{ZO}+\overrightarrow{OC}+\overrightarrow{CP}.

Pierwszy z wektorów po prawej stronie jest stały. Zauważył bowiem Hipparch, że Ziemię lepiej jest odsunąć nieco od środka deferentu O (dla każdej planety inaczej i w innym kierunku). Dwa ruchome wektory obracają się jednostajnie i ich kierunek dla danej chwili można zawsze obliczyć.

I w tym miejscu pojawia się z pozoru drobne ulepszenie autorstwa Ptolemeusza: ekwant. Miał on do dyspozycji więcej obserwacji niż Hipparch, minęły między nimi stulecia – postęp naukowy był wówczas niesłychanie powolny. Zresztą po Ptolemeuszu w zasadzie postępu nie było przez następne tysiąc pięćset lat. Piszę w zasadzie, ponieważ astronomowie islamscy i potem chrześcijańscy aż do Kopernika i do końca XVI wieku wprowadzali rozmaite udoskonalenia, które jednak niczego nie poprawiały. Na początku XVII wieku nadal najlepszą teorią była ta Ptolemeuszowa. Jej błędy dla Marsa zwykle nie przekraczały 1°.

Błędy w położeniach Marsa według efemeryd Origanusa (Ptolemeusz) i Keplera (źródło: O. Gingerich, Johannes Kepler and the Rudolphine Tables, „Sky and Telescope”, December, 1971, s. 328). Warto może dodać, że oprócz uczonych islamskich i Kopernika nikt nie dodawał epicykli do epicykli. Spotyka się czasem powiedzenie, że dalsze poprawianie jakiejś niezbyt udanej teorii to dodawanie kolejnych epicykli. Otóż takiego dodawania kolejnych epicykli w historii nie było. Teoria Ptolemeusza zestarzała się, by tak rzec moralnie (heliocentryzm itd.), ale matematycznie i pod względem zgodności z obserwacjami – wcale. Dalsze epicykle nie były potrzebne.

Gdy obserwuje się ruchy Marsa (w tym przypadku widać to najwyraźniej), okazuje się, że pętle ruchu wstecznego mają różne wielkości w różnych częściach nieba. Planeta w opozycji porusza się też raz szybciej, raz wolniej. Odsunięcie Ziemi od środka deferentu nie wystarczy. Dlatego Ptolemeusz wprowadził kontrowersyjne, ale znakomite rozwiązanie. Przyjął mianowicie, że punkt C  porusza się jednostajnie nie względem środka okręgu O, lecz względem pewnego innego punktu E (zwanego ekwantem) i położonego po drugiej stronie środka deferentu tak, że ZO=OE.

Teraz kąt M jest proporcjonalny do czasu, planeta nadal krąży jednostajnie po epicyklu (kąt \gamma=\angle{HCP} jest proporcjonalny do czasu). Teoria przewiduje następujące ruchy Marsa:

Z punktu widzenia obserwatora ziemskiego Mars zatacza skomplikowane spirale: ich pętle odpowiadają ruchowi wstecznemu. Widzimy, że ich wielkość zależy od miejsca, w którym planeta znajdzie się najbliżej Ziemi: opozycje bliskie ujemnemu kierunkowi osi x odpowiadają mniejszej odległości planety od Ziemi niż opozycje po przeciwnej stronie ekliptyki. Dobrą zgodność ilościową otrzymujemy, uwzględniając ekwant – kontrowersyjne, jako się rzekło, rozwiązanie Ptolemeusza. Popatrzmy jeszcze na pętle Wenus:

Na drugim wykresie widać, że tor planety podwaja się po ośmiu latach. Zjawisko to wynika ze szczególnej wartości stosunku okresów obiegu Ziemi i Wenus wokół Słońca i nie ma dotąd przekonującego wyjaśnienia.

Jak dobrym przybliżeniem rzeczywistości jest ekwant? W przypadku Marsa deferent odpowiada orbicie planety, epicykl – orbicie Ziemi. Ograniczmy się do deferentu.

Położenie punktu C, czyli heliocentrycznie rzecz biorąc, planety, dane jest odległością r i kątem v. Kąt M jest proporcjonalny do czasu. Można łatwo obliczyć, że w modelu Ptolemeusza dla R=1, otrzymujemy (pomijając wyrazy z potęgami e wyższymi niż druga):

\left\{\begin{array}{l}M-v=2e\sin M-e^2 \sin 2M\\[5pt] r=1+\frac{3}{4}e^2+e\cos M-\frac{3}{4}e^2\cos 2M.\end{array}\right.

Porównajmy to z wynikami dla ruchu keplerowskiego po elipsie z tą samą dokładnością:

\left\{ \begin{array}{l} M-v=2e\sin M-\frac{5}{4}e^2 \sin 2M \\[5pt] r=1+\frac{1}{2}e^2+e\cos M-\frac{1}{2}e^2 \cos 2M.\end{array}\right.

Zatem błędy równe są

\left\{\begin{array}{l}\Delta v=-\frac{1}{4}e^2 \sin 2M \\[5pt] \Delta r=-\frac{1}{4}e^2(1-\cos 2M).\end{array}\right.

Nawet dla Marsa, gdy e\approx 0,1, błędy są mniejsze niż \Delta v=0,0025 \mbox{ rd}=8,5', a \Delta r=0,0025. Teoria Ptolemeusza jest więc rewelacyjnie dokładna, biorąc pod uwagę ówczesny stan wiedzy i dokładność pomiarów. O takiej dokładności marzył Mikołaj Kopernik, ale jej nie osiągnął. Problemem była tu nie teoria, lecz dobór parametrów modelu na podstawie obserwacji.

Jeszcze na koniec powiedzmy, dlaczego pomysł z ekwantami był kontrowersyjny przez 1500 lat, zanim Kepler nie zrozumiał, jak świetne jest to przybliżenie rzeczywistych ruchów i nie poszedł dalej. Teoria geometryczna była znakomita, ale nie bardzo sobie wyobrażano, jak niebiosa realizują taki ruch. Planety były, jak wierzono, unoszone przez pewne sfery, rodzaj mechanizmu zegarowego. Można wyobrazić sobie, że ów mechanizm zawiera mniejsze i większe kółka. Można było nawet umieścić Ziemię ekscentrycznie. Jednak obrót, który nie jest jednostajny względem swego środka C, ale względem innego punktu E, wydawał się mechanicznie niewykonalny. Ludzie rozumieją zawsze tyle, ile potrafią wykonać albo przynajmniej wyobrazić sobie jako pewną idealną wersję tego, co działa tu na Ziemi. Ptolemeusz wykazał się niezwykłą odwagą, przedkładając zgodność z obserwacjami nad fizyczną realizację. Jego ekwant był ogniskiem elipsy w zarodku: w jednym ognisku mamy Słońce, wokół drugiego ogniska, które jest puste, prędkość kątowa jest niemal stała.

Pokażemy jeszcze, jak w dzisiejszym języku opisać można Ptolemeuszowe tory planet i jak wyznaczyć M-v,r w funkcji M, czyli czasu.

Z trójkąta COE i twierdzenia sinusów dostajemy

\dfrac{\sin (\beta-M)}{e}=\dfrac{\sin M}{R} \Rightarrow \beta=M+\arcsin (\frac{e}{R}\sin M).

Wektor położenia planety jest zatem równy:

\overrightarrow{ZP}=[e+R\cos\beta+\varrho \cos\alpha,R\sin\beta+\varrho\cos\alpha],

gdzie \alpha jest kątem CP z osią x. Oba kąty M, \alpha zmieniają się liniowo z czasem:

 M=\dfrac{2\pi}{T_1}+M_0,\; \alpha=\dfrac{2\pi}{T_2}+\alpha_0,

gdzie T_1,T_2 są okresami obiegu deferentu i epicyklu. Linie zakreślane przez P narysowane zostały wyżej dla przypadku Marsa i Wenus.

Z rysunku tego łatwo wyznaczyć M-v,r w funkcji M, czyli czasu.

Mamy bowiem kolejno:

\mbox{tg}\,(M-v)=\dfrac{ZE''}{CE''}=\dfrac{2e\sin M}{CE'+E'E''},

CE'=1^2-e^2\sin^2 M,\, E'E''=e\cos M.

Ostatecznie więc

\mbox{tg}\, (M-v)=\dfrac{2e\sin M}{\sqrt{1-e^2\sin^2 M}+e\cos M}.

Odległość r znajdujemy z tw. Pitagorasa. Wynik dla ruchu keplerowskiego znaleźć można w podręcznikach mechaniki niebios, np. klasycznej książce F.R. Moultona. Nasza konwencja jest zgodna z tradycją dawnej astronomii: mierzymy kąty od apogeum. Obecnie panuje zwyczaj mierzenia ich od perigeum/perihelium, różnią się więc o 180º, co daje nieco inne znaki.

Wieczny powrót od Retyka i Kopernika do Poincarégo

Niebo Greków składało się z wirujących z różną prędkością sfer. Jak pisał Platon w Timajosie:

…aby dać jasną miarę relatywnej powolności i szybkości, z którymi gwiazdy wykonują swoich osiem ruchów, Bóg umieścił na drugiej po Ziemi orbicie światło, które nazywamy teraz Słońcem, aby całe niebo było oświetlone, a jestestwa żyjące, wszelkie, jakie natura zamierzyła, mogły uczestniczyć w Liczbie, ucząc się arytmetyki przez obroty Tego Samego i podobnego. (…)  A na obieg innych gwiazd ludzie, z bardzo małymi wyjątkami, nie zwracają uwagi, nie nadają im nazw, nie porównują ich obiegów ilościowo, tak, że powiedzieć można, nie wiedzą, że czas to błędne wędrówki tych gwiazd nieprzeliczone i przedziwnie różnorodne. Mimo to można pojąć, że doskonała liczba czasu wypełnia rok doskonały wtedy, gdy wszystkie osiem obrotów, mających swoje względne stopnie szybkości, dokona się wspólnie i zakończy w tym samym czasie, mierzonym obrotem Tego Samego, które się porusza w sposób jednostajny. (39 c-39d)

Według Platona po 36 000 lat cykl kosmiczny się powtarza. W XVI w. Georg Joachim Retyk, jedyny uczeń Kopernika, powiązał epoki historyczne ze zmianami mimośrodu orbity Ziemi. Środek orbity Ziemi poruszał się bowiem u Kopernika po niewielkim kółku , a okres tego ruchu wynosił 3434 lat egipskich. Kiedy mimośród orbity Ziemi był największy Rzym stał się z republiki cesarstwem. Po ćwierci obiegu owego małego kółka powstał islam, a po następnej ćwierci ok. 1652 r. – upadnie, jak prorokował. Drugie przyjście Chrystusa miało nastąpić w roku 2510, gdy mimosród wróci po raz drugi do swej wartości w chwili stworzenia. W książce Kopernika nie znajdziemy rozważań tego typu. Nie ma jednak podstaw by sądzić, że ich nie aprobował. Astrologia była dziedziną respektowaną, głównym powodem badania położeń planet na niebie. Więc choć Kopernik nie był z pewnością entuzjastycznym astrologiem – nie zachowały się tworzone jego ręką horoskopy, to mógł wierzyć, że los Ziemi i jej mieszkańców jest powiązany ze zjawiskami niebieskimi. O obrotach było dziełem czysto astronomicznym i matematycznym, zatem umieszczanie w nim astrologicznych konkretów byłoby nie na miejscu.

Środek orbity Ziemi \bar{S} porusza się po małym kółku, rzeczywiste Słońce spoczywa sobie spokojnie obok, nie biorąc udziału w tych „rewolucjach”. Słowo użyte przez Kopernika w tytule De revolutionibus oznaczało obroty, a więc coś cyklicznego, z czasem zaczęło oznaczać wszelkie dramatyczne przemiany, na ogół już jednokierunkowe. Proporcje na rysunku są oczywiście przesadzone, inaczej niewiele byłoby widać.

Wraz z upadkiem idei sfer niebieskich znaczenie cyklów planetarnych zmalało, a czas zaczął wydawać się nieskończony niczym prosta euklidesowa: od minus do plus nieskończoności. Oczywiście, chrześcijanie obowiązani byli wierzyć w stworzenie świata i jego koniec, ale z braku dopływu nowych bodźców wiara ta wyraźnie słabła. Już w XVIII wieku niezbyt się buntowano, gdy Buffon obliczył wiek Ziemi na mniej więcej dziesięć razy dłuższy, niż wynikałby z Biblii. Potem Fourier, zajmując się stygnięciem Ziemi, jeszcze powiększył tę wartość. Mechanistyczny wszechświat najłatwiej było sobie wyobrażać jako trwający od zawsze i mający istnieć zawsze. Od połowy XIX w. do obrazu tego doszły dwie zasady termodynamiki. Według pierwszej – zasady zachowania energii – istnieje wielkość, która we wszystkich przemianach się nie zmienia, co przemawia za tym, że wszechświat nie ma końca. Według drugiej zasady energia rozkłada się z czasem coraz bardziej równomiernie, świat powinien stawać się jednolitym ośrodkiem o stałej gęstości i temperaturze. Tak więc choć istniałby zawsze, po pewnym czasie przechodziłby w postać mało interesującą i praktycznie martwą. Mówiło się o „śmierci cieplnej” wszechświata.

Pomysł wiecznego powrotu pojawił się w latach osiemdziesiątych XIX stulecia nie u uczonego, lecz u filozofa, Friedricha Nietzschego. Pisał on:

Jeśli wszechświat należy uważać za pewną ilość energii, za pewną liczbę ośrodków energii, a każda inna koncepcja pozostaje nieokreślona i przez to bezużyteczna, to wynika stąd, że wszechświat przejść musi przez obliczalną liczbę kombinacji w wielkiej grze losowej, którą jest jego istnienie. W nieskończoności, w takim albo innym momencie, zrealizowana musi zostać każda możliwa kombinacja; a nawet więcej: musi ona zostać zrealizowana nieskończenie wiele razy. (…) wszechświat ukazuje się więc jako ruch kolisty, który zdążył się już powtórzyć nieskończenie wiele razy i który toczy swą grę przez całą wieczność.

Nietzsche, pogrążający się już w szaleństwie, przekonany był, że rozumowanie takie przeczy mechanistycznej nauce, którą traktował pogardliwie. Jednak w roku 1889 Henri Poincaré udowodnił, że w newtonowskiej mechanice także mamy do czynienia z wiecznym powrotem. Jego rozprawa zatytułowana O problemie trzech ciał i równaniach dynamiki zawierała nowatorskie podejście do klasycznego tematu za pomocą metod topologii, czyli rozważań operujących ogólnymi pojęciami takimi jak ciągłość, które okazały się bardzo owocne. Poincaré stał się prekursorem teorii chaosu. A metody topologiczne wykazywały jeszcze nieraz swą przydatność: np. w badaniu osobliwości w ogólnej teorii względności (czarne dziury, początek wszechświata) czy w badaniach osobliwych stanów materii (Nobel 2016).

Poincaré udowodnił następujące twierdzenie: Jeśli dopuszczalne stany układu mechanicznego zawarte są w pewnym ograniczonym obszarze D, to w dowolnym otoczeniu U każdego punktu obszaru D znajdzie się punkt s, który powraca do otoczenia U.

Można to narysować. Przestrzeń stanów to zbiór punktów, których współrzędnymi są położenia i pędy x,p (same położenia nie wystarczą, bo nie precyzują, jak zachodzi ruch; jest to tzw. przestrzeń fazowa układu). Naszym obszarem D jest niebieska elipsa (obszar ograniczony odpowiada temu, że np. energia układu jest stała). Rozpatrujemy dowolnie mały obszar U (u nas ma postać czerwonego kółka). Stany z obszaru U po jakimś kroku czasowym przechodzą w stany g(U), niemające wspólnego punktu z U (gdyby tak nie było, to już mamy tezę twierdzenia). Po kolejnych krokach czasowych otrzymujemy g^2(U),\ldots g^n(U). Wiadomo z mechaniki, że objętości tych wszystkich obszarów U, g(U),\ldots g^n(U) są jednakowe (twierdzenie Liouville’a). Skoro tak, to któryś z obszarów ciągu g^n(U) musi przeciąć się z U, a tym samym istnieć będzie punkt s należący zarówno do U, jak i g^n(U) (*)

Oznacza to, że wybierając dowolny stan początkowy i czekając dostatecznie długo, doczekamy się powrotu naszego układu jeśli nie do punktu początkowego to dowolnie blisko tego punktu. Wynik jest zupełnie ogólny, nie musimy nic wiedzieć na temat działających sił, a nasz układ może być dowolnie duży. Twierdzenie Poincarégo pokazuje więc, że na gruncie mechaniki mamy do czynienia z wiecznym powrotem. Można pokazać, że powroty takie będą się powtarzać nieskończenie wiele razy. Idea powrotu nie przeczy więc mechanicznemu światu, choć niezgodna jest ze śmiercią cieplną wszechświata. Poincaré zauważył filozoficzne konsekwencje swego twierdzenia. Zauważył je także młody matematyk Ernst Zermelo, asystent Plancka, który wystąpił z polemiką przeciwko koncepcji entropii Boltzmanna. Zermelo dał się potem poznać jako wybitny specjalista od podstaw matematyki, jego aksjomaty teorii mnogości stosowane są dziś powszechnie.

(*) Idea dowodu twierdzenia Poincarégo opiera się na zachowaniu objętości w przestrzeni fazowej. Kolejne zbiory g^k(U) mają takie same objętości, nie mogą więc być parami rozłączne, gdyż wtedy suma ich objętości przekroczyłaby każdą zadaną liczbę, a wszystko musi się zmieścić w większym obszarze D. Jeśli zaś jakaś para tych obszarów nie jest rozłączna, np. g^k(U) \cap g^l(U)\neq \O przy pewnych k>l\geq 0, to g^{k-l}(U)\cap U \neq\O , co oznacza, że dla jakiegoś punktu s\in U mamy s=g^{k-l}y, gdzie y\in S.

Zachowanie objętości kolejnych obszarów wynika stąd, że gdybyśmy wyobrazili sobie punkty przestrzeni fazowej jako punkty w poruszającej się cieczy, to dywergencja pola prędkości owej cieczy równa się zeru, a to jest warunek dla cieczy nieściśliwej, czyli zachowującej objętość. Oznaczając wektor prędkości \vec{q}=(\dot{x}_i,\dot{p}_i) dla i=1,\ldots, 3N (gdzie N jest liczbą cząstek składających się na układ), mamy

\mbox{div } \vec{q}=\dfrac{\partial\dot{x}_i}{\partial x_i}+\dfrac{\partial\dot{p}_i}{\partial p_i}=\dfrac{\partial^2 H}{\partial x_i \partial p_i}-\dfrac{\partial^2 H}{\partial p_i \partial x_i}=0,

gdzie H=H(x,p) jest hamiltonianem układu, po wskaźniku i sumujemy.

Dodatek matematyczny, twierdzenie Poincarégo w nowoczesnym sformułowaniu. Ujęcie to zawdzięczamy Constantinowi Carathéodory’emu, matematykowi z Getyngi, był już rok 1919. Pojawiło się pojęcie miary, będące uogólnieniem zwykłej objętości. Twierdzenie Poincarégo można uściślić w ten sposób, że zbiór punktów przestrzeni fazowej, które nigdy nie powracają do wybranego otoczenia jest miary zero. Zbiory miary zero, czyli zerowej objętości, mogą mieć skomplikowaną strukturę, ale są rzadkie w tym sensie, że nie można im przypisać żadnej dodatniej objętości. Nowoczesne pojęcie miary zbioru rozszerza dodawanie miar na zbiory przeliczalne (dające się ponumerować liczbami naturalnymi, ciągi zbiorów). Miara spełnia więc warunek:

\mu(\bigcup\limits_{i=1}^{\infty} A_i)=\sum\limits_{i=1}^{\infty} \mu(A_i),

gdy zbiory są parami rozłączne: A_i\cap A_j=\O, dla różnych wskaźników i,j. Pokażemy, że jeśli odwzorowanie g zachowuje miarę, a miara obszaru D jest skończona, to miara zbioru tych punktów D, które nie mają własności powracania, jest równa zeru. W tym sensie prawie każdy stan ma własność powracania.

Dla dowodu pokrywamy obszar D przeliczalną liczbą kul U_1, U_2, \ldots, . Dla każdej kuli U_n definiujemy jej podzbiór B_n jako zbiór tych s\in U_n, dla których g^k(s)\in U_n tylko dla skończenie wielu wartości wskaźnika k. Zbiór B=\bigcup\limits_{i=1}^{\infty} B_i jest zbiorem punktów niepowracających. Ponieważ \mu(B)\leq \sum\limits_{i=1}^{\infty} \mu(B_i), wystarczy udowodnić, że każdy ze zbiorów B_n jest miary zero.

W tym celu wybierzmy dowolny wskaźnik i. Będziemy teraz pisać oznaczenia U_i bez indeksu dla  uproszczenia zapisu.

Rozpatrzmy zbiór C=U\setminus \bigcup\limits_{p=1}^{\infty}g^{-p}(U). Punkt s\in g^{-k}(U) wtedy i tylko wtedy, gdy g^k(s)\in U oraz g^m(s)\notin U przy m>k. Zbiory g^{-i}(C), g^{-j}(C) są parami rozłączne, gdy wskaźniki i, j są różne, przy czym dopuszczamy, aby któryś z nich równał się zeru (g^{-0}(C)=C). Zbiór B_i=\bigcup\limits_{p=0}^{\infty}g^{-p}(C). Zatem mamy

\mu(B_i)=\sum\limits_{p=0}^{\infty}\mu(g^{-p}(C)).

Miary wszystkich zbiorów po prawej stronie są takie same, bo nasze odwzorowanie zachowuje miarę. Gdyby miary te były dodatnie, suma byłaby nieskończona, co jest niemożliwe, gdyż B_i\subset U_i, więc jego miara musi być skończona. Zatem wszystkie miary po prawej stronie są zerowe i \mu(B_i)=0. Zbiór B jest przeliczalną sumą B_i, zatem i on musi być miary zero. Dowód ten pochodzi z artykułu R. Daniela Mouldina, Probability and Nonlinear Systems, „Los Alamos Science” nr poświęcony Stanisławowi Ulamowi.

Twierdzenie Poincarégo o powracaniu ilustruje tzw. kot Arnolda (chodzi o Vladimira Arnolda, wybitnego matematyka rosyjskiego). Mamy tu ograniczoną przestrzeń stanów i pewną grupę stanów początkowych, które ułożone są w kształt kociego pyszczka. Gdy puścimy w ruch tę animację, zobaczymy, że w pewnych chwilach kot powraca.