Denne artikkelen er basert på et foredrag som professor emeritus ved Institutt for teoretisk astrofysikk Oddbjørn Engvold holdt i Realfagsbiblioteket 25.5.2015. Foredraget var det første i en serie ved UiO i forbindelse med FNs og UNESCOs internasjonale år for lys- og lysteknologi.
Fysikeren, matematikeren og astronomen og jesuittpresten Christoph Scheiner var født og virket i Schwaben, nåværende Baden-Württemberg, Tyskland. Fra 1610 til 1616 underviste han i matematikk og astronomi ved universitetet i Ingolstadt. Han er blitt spesielt kreditert som en av oppdagerne av solflekker, men han gjorde også mange andre arbeider knyttet til lys.
En bok rik på detaljer
Scheiner etterlot seg et spesielt imponerende bokverk som det tok ham fire år å fullføre, fra 1626 til 1630.
Rosa Ursina sive Sol er et praktverk på over 900 sider. Verket inneholder en rekke utrolig detaljrike illustrasjoner om optikk knyttet til hvordan vårt syn fungerer, og til design av teleskoper som Scheiner anvendte i sine observasjoner av flekker og andre strukturer på solskiven.
Boken er dedisert til den formuende familien Orsini, som dekket utgiftene til publiseringen av praktverket.
Universitetet i Oslo har et usedvanlig velholdt eksemplar av denne boken. Den ble opprinnelig skaffet til veie av Christopher Hansteen til det gamle Observatoriets bibliotek. Boken ble donert til biblioteket ved Institutt for teoretisk astrofysikk i 1930-årene, og er nå tilbake i det nyrestaurerte Observatoriets bibliotek og blir tatt godt vare på av Realfagsbiblioteket.
Hovedbibliotekar Line Nybakk Akerholt ved Realfagsbiblioteket har bistått til digitaliseringen av dette unike eksemplar av boken. Digitaliseringen har tilstrekkelig oppløsning til at Scheiners detaljerte tegninger av solflekker blir fullstendig gjengitt. Andre elektroniske kopier av tilsvarende høy kvalitet finnes ikke, etter det jeg kjenner til.
Den vitenskapelige revolusjon
Scheiner ble sentral i debatten som førte til at det heliosentriske verdensbilde ble akseptert fremfor oldtidens geosentriske system hvor Jorda stod i ro i sentrum.
Bruk av de første teleskoper førte til revolusjonerende ny kunnskap om verdensrommet. Det astronomene fikk se var høyst uventet og overveldende. Det snudde opp ned på tidligere godtatte forestillinger om vårt nære univers, og resulterte i til dels heftige debatter om de to verdensbildene. Det ble en kamp med sterke følelser og undertrykkelse av debatt. På den ene siden stod de med den sterke historiske og tradisjonelle oppfatning og tro, som ble utfordret av dem på den andre siden med ny og korrigerende kunnskap.
De mest sentrale vitenskapelige aktører i denne debatten var Kopernikus, Brahe, Kepler og Galilei, men den involverte en rekke øvrige kunnskapsrike personer.
For å gi et perspektiv på hvilken rolle og betydning Christoph Scheiner hadde under denne debatten gir vi en kort oversikt om den historiske bakgrunnen for det geosentriske verdensbildet og om den vitenskapelige utviklingen som ledet til og preget debatten omkring 1600.
Det geosentriske verdensbildet
Det geosentriske verdensbildet vokste fram etter en lang prosess gjennom mer enn 500 år, med imponerende bidrag fra en rekke av oldtidens matematikere, astronomer og filosofer, blant andre Pythagoras (569-475 f.Kr) og Philolaus (470-385 f.kr). Med bakgrunn i omfattende målinger av bevegelser av objekter på himmelen konkluderte man med at alt dreide rundt Jorda. Den stod stille i sentrum av det hele.
Antikkens store filosof Aristoteles (384-322 f.Kr.) definerte og beskrev det geosentriske system som bestående av en rekke roterende kuleskall, eller sfærer, utenpå hverandre. Stjernene var festet til den aller ytterste sfæren, mens planetene, Solen og Månen var knyttet til sfærer innenfor, som alle roterte forskjellig. Jorda var i ro i sentrum. Alt var perfekt og uforanderlig.
Astronomen og matematikeren Aristarkhos fra Samos (310-230 f.Kr.) var tidlig ute og argumenterte mot dette bildet. Han mente at det var Solen som stod i sentrum, men hans syn slo ikke gjennom på den tiden.
Planet som beveger seg rundt Jorden. Prinsippet bak Ptolemeus sirkelbaner, såkalte episykler. Bilde: Wikipedia.
Den greske matematiker, geograf og astronom Claudius Ptolomeus (90 – 168 e.Kr.) bygget videre på Aristoteles geosentriske verdensbilde. Han forklarte planetenes tidvis skiftende retninger i forhold til stjernene, såkalt retrograde bevegelser, ved at planetene beveget seg i mindre sirkelbaner der sentrumet i de små sirkelbanene beveget seg i en større sirkelbane omkring Jorda.
Aristoteles teorier og hans generelle syn på vitenskap og metode kom til å dominere og prege europeisk og arabisk vitenskap i nesten to tusen år. Det aristotelisk-ptolemeiske verdensbildet fikk en dominerende plass og betydning både innen astronomien og i kirkens lære i de følgende 1500 årene og var ikke tema for diskusjon eller tvil.
FNs og UNESCOs internasjonale år for lys- og lysteknologi 2015
I 2015 er det tusen år siden utgivelsen av den arabiske vitenskapsmannen Ibn Al-Haythams 7-binds vitenskapelige bokverk om lys. Et betydelig antall av hans mange bøker er bevarte.
Den arabiske vitenskapsmannen Abū ʿAlī al-Ḥasan ibn al-Ḥasan ibn al-Haytham, i vesten kjent som Ibn Al-Haytham eller Alhazen. Foto: Wikipedia.
Ibn Al-Haytham ble født i år 950 i Basra, i det som i dag er Irak. Han levde størstedelen av sitt liv i Kairo, Egypt hvor han døde i 1040.
Lys er avgjørende for vår eksistens, og det er all grunn til å markere betydningen av den vitenskapelige tenkemåte og innsats som Ibn Al-Haytham ble opphav til. Han foretok blant annet omfattende studier av menneskets syn og hvordan øyet danner bilder. Han introduserte betegnelsene linse, retina og kornea.
Ibn Al-Haytham var også svært opptatt av usikkerhet i vitenskapelige målinger og resultater. Han var på flere måter langt forut for sin tid.
Al-Haytham har sitt navn på et månekrater: Alhazen og på en asteroide: 59239Alhazen. Disse navnene bruker den latinske varianten av navnet hans.
Observasjoner med og uten teleskop
Inntil teleskopet ble tilgjengelig, var øyet, sammen med rimelig enkle måleinstrumenter, det man hadde for å studere himmellegemers posisjoner og bevegelser.
Allerede på 1300-tallet var det kjent at konvekse, gjennomsiktige skiver av glass kunne brukes til å forstørre bilder av objekter og tekst. De tidligste kjente omtalene av briller går tilbake til omkring 1350. Det gikk likevel over 200 år før denne kunnskapen ble kombinert i et anvendbart teleskop.
Teleskopet er det avgjørende instrumentet for astronomene, spesielt på grunn av to ting:
- Teleskopers åpning, eller apertur, er mange ganger større enn øyets pupill og samler dermed tilsvarende mer lys.
- Detaljoppløsningen for en gitt bølgelengde av lyset øker proporsjonalt med diameteren på linsen i aperturen.
Galileis teleskop hadde diameter D = 1 tomme (ca. 2,5 cm) som er 8 – 12 ganger større enn en normal øyepupill (diameter ca. 2-3 mm). Galileis omfattende bruk av teleskopet blir beskrevet senere i artikkelen.
Selv om Galileis teleskop var meget beskjedent etter dagens målestokk, var overgangen fra kun å se ut i universet med våre øyne til å anvende de aller første teleskopene en enorm gevinst.
Fra tidligere kun å se planetene som lyse punkter (som stjerner), så man gjennom teleskoper at de var lysende skiver. I tillegg kunne man se skarpe detaljer på Månens overflate. Med teleskopet kunne man se omtrent 10 ganger lenger ut i verdensrommet, hvilket betyr at det tilgjengelige volum ble 1000 ganger større.
Tidlige observasjoner av solflekker
Observasjoner av solflekker ble sentrale i debatten om verdensrommet rundt år 1600. Hva var kjent om solflekkene før teleskoper ble tilgjengelig?
To solflekker (1130-1140) tegnet av den britiske munken John of Worcester. Fra hans Chronicon ex chronicis. Kilde: Wikipedia.
For ikke å utsette øynene for den meget sterke strålingen fra Solen unngikk man å se direkte på den. Under en tid med kraftige skogbranner i Russland rundt 1370-årene, ble Solen observert gjennom tette røkskyer. Skriftlige kilder (Niconovsky) beretter om at mange da så svarte flekker på Solen. Flekkene ble sammenlignet med svarte nagler som var slått inn i solskiven.
I dag vet vi enda mer om hvor skadelig det er å se på Solen uten tilstrekkelig beskyttelsesutstyr. De samme reglene som gjelder for å se på en solformørkelse, gjelder for å se på Solen når det ikke er formørkelse.
Kun de aller største solflekker kan sees med det blotte øye. Øyets pupill, som har en diameter på 2-3 mm, vil kunne skille strukturer på omkring ett bueminutt i vinkelmål. Dette svarer til utstrekningen av de aller største flekkene som en gang i blant opptrer på solskiven.
Det finnes en mengde skriftlige kilder om observasjoner av solflekker fra Kina, Korea, Japan og Vietnam som går tilbake år 165 f.Kr. Disse var observert gjennom sterk dis, tåke, og noen ganger svært nær horisonten hvor intensiteten blir merkbart svekket. I noen av nedtegnelsene beskrives det de så som svarte flekker i varierende fasonger, blant annet som «svarte kråker».
Det er rimelig å forvente at visuelle observasjoner av mørke flekker på Solen også ble observert og notert i Europa, men den sterke posisjonen som Aristoteles perfekte univers med den plettfrie Solen hadde gjennom mange hundre år kan ha gjort det mindre attraktivt, til og med farefullt, å skrive og fortelle om dette for omverdenen.
Den engelske munken og kronikøren John av Worcester er et unntak. Det finnes et bilde han har tegnet av to solflekker den 8. desember 1128. Trolig var det de samme to flekkene som også er omtalt i tilgjengelige koreanske og kinesiske kilder.
Johannes Kepler registrerte ved en tilfeldighet en solflekk den 16. november 1607, gjennom å bruke et såkalt camera obscura: En indirekte måte å se på Solen på som er trygg for øynene, fordi man ser på et bilde av Solen og aldri direkte på den. Se en demonstrasjon av en moderne variant.
Kepler hadde beregnet en Merkur-passasje over solskiven den dagen som han ønsket å sjekke, men det viste seg senere at han i stedet hadde observert en solflekk. Hvis det ikke hadde vært overskyet de påfølgende dagene ville han ha innsett at det ikke kunne ha vært Merkur han hadde observert, men en flekk på solskiven.
Solflekker ble notert og lagt merke til gjennom mange 100 år før Galilei, Kepler og Scheiner kunne observere dem med teleskop. Takket være teleskopene fikk de se at solskiven tidvis inneholdt et mylder av både små og store flekker.
De sentrale aktørene i debatten
Oldtidens astronomer, filosofer og vitenskapsmenn er her representert ved Aristoteles og Ptolomeus, men som allerede nevnt var det en rekke andre som bidro med betydelig kunnskap, innsikt og ikke minst også med motforestillinger til rådende hypoteser.
Omskiftingen til den mer moderne vitenskapelige tilnærmelse ble inspirert av Ibn Al-Haytham og videre med Kopernikus, Brahe, Kepler, Galilei, og flere. Vi vil mot slutten av artikkelen fortelle om den noe mindre kjente, men også betydningsfulle matematikeren og astronomen Christoph Scheiner.
Nikolaus Kopernikus (1473 – 1543)
Kopernikus ble født i Torun, Polen. Han vokste opp hos en onkel som var biskop, og han fikk dermed også nær kontakt med kirken. Han var meget allsidig interessert og dyktig på flere felt. Han var også opptatt av økonomi, og han utarbeidet blant annet et forslag om pengereform.
Retrograd bevegelse: Planeten Mars sin bevegelse sett fra Jorden i 2003. Kilde: Eugene Alvin Villar/Wikipedia
Fra sitt observatorium utenfor Praha observerte Kopernikus stjerner og planeters posisjoner og innbyrdes forflytninger. Dette var før teleskopene var tilgjengelige.
Kopernikus gjorde en rekke observasjoner av planetenes besynderlige, periodevis retrograde, bevegelsesmønster. Det stod tidlig klart for ham at planetene ikke kunne bevege seg i sirkelformete baner rundt Jorda, men at vår jord og planeter alle måtte bevege seg i baner om Solen som et felles sentrum, med andre ord et heliosentrisk system.
Et argument for at Jorda sto i ro var at siden man ikke kunne se at de aller nærmeste stjernene flyttet seg relativt til dem som ligger lengre borte i løpet av året (parallakse), så kunne ikke Jorda bevege seg i løpet av året. Kopernikus motargument var at stjernene var så langt ute i rommet at det ikke ville kunne bli noen målbar forflytning av de nærmeste stjernene, selv om Jorda beveget seg i en stor sirkulær bane slik som de øvrige planetene.
Kopernikus hadde allerede i 1507 utviklet og gjort skriftlig rede for det heliosentriske system, men han så seg tvunget til å holde dette hemmelig. Hans heliosentriske verdenbilde ble beskrevet i hans store verk De revolutionibus orbium coelestium, som ble trykket samme år som han døde.
Tycho Brahe (1546 – 1601)
Den danske astronomen Tyge Brahe utførte en lang rekke nøyaktige målinger av stjerne- og planetposisjoner med en astronomisk sekstant (som måler vinkelavstander mellom stjerner) ved sitt observatorium Stjerneborg på øya Hven i perioden 1579 – 1597. Han brukte også i samme periode observatoriet utenfor Praha.
Brahe målte avstander til kometer, blant annet til en lyssterk komet i 1577. Målingene viste at kometen befant seg lenger borte enn Månen i sin bane. Dette kunne han beregne fra nær samtidige observasjoner gjort fra observatoriene utenfor Praha og på Hven. Disse viste parallaktiske forskyvninger av månen, men ikke av kometen, dermed måtte kometen befinne seg lengre borte. Brahes observasjoner viste således at disse områdene ikke var uforanderlige, og at oldtidens aristoteliske verdensbilde og forestillinger om uforanderlige perfekte sfærer ikke kunne være korrekt.
Selv med sine svært nøyaktige målinger av stjerners posisjoner på himmelen kunne Brahe ikke påvise parallakse av stjerner. Derfor formulerte han sin egen modell hvor han kombinerte Kopernikus elegante modell med sin egen hybride heliogeosentriske modell hvor Jorda fremdeles stod i ro i sentrum. Brahes modell fremstår visselig noe merkverdig, sett med dagens øyne, men den var basert på hans rasjonelle observasjonelle argumenter.
Johannes Kepler (1571 – 1630)
Med Kepler ble astronomien tilført en spesielt dyktig matematiker. Han utviklet en elegant og enkel modell hvor planetenes baner ikke var sirkulære, men hadde en elliptisk form. Slike baner viste seg umiddelbart å gi mer nøyaktige og korrekte forutsigelser.
Johannes Kepler ble invitert til å bli Tycho Brahes assistent ved hans observatorium utenfor Praha. Kepler og Brahe samarbeidet nært frem til Brahe døde i 1601. Kepler overtok Brahes store og rikholdige observasjonsmateriale, det mest nøyaktige som den gang fantes, som han brukte til å blant annet studere bevegelsene til planeten Mars. Han oppdaget og utviklet de nå så kjente tre karakteristiske forhold ved planetenes banebevegelser, som nå kalles Keplers lover.
Kepler bidro også med ny kunnskap om lysets natur og om optikk. Han studerte brytning av lys og han foreslo praktiske, gode teleskopløsninger som bestod av to konvekse linser. Han bistod Galilei og Scheiner med å forbedre deres teleskoper. For øvrig var Kepler også tidlig ute med å påpeke at flo og fjære er en følge av Månens tiltrekning.
Det er betimelig å nevne to andre aktører som var tidlig ute med både å konstruere og anvende teleskoper. Med tilgang til eget teleskop gjorde den engelske astronomen Thomas Harriot (1560 – 1621) sin første observasjon av Månen i august 1609 og av solflekker så tidlig som 3. desember 1610. Han etterlot seg 199 detaljerte tegninger av solskiven med flekker.
Johann Fabricius (1587 – 1616) var hollender. Sammen med sin far David Fabricius observerte han solflekker, både med teleskop og med «camera obscura». De to synes å ha vært tidlig ute med å konstruere et teleskop. Johann Fabricius publiserte i juni 1611 en liten bok om sine observasjoner av solflekker: Maculae in Sole observatis, som inneholdt flere interessante iakttagelser. Han registrerte blant annet også atmosfæriske forstyrrelser. Resultatene hans synes å ha kommet i skyggen av den store oppmerksomhet som ble Galilei og den tyske pateren Christoph Scheiner til del.
Galileo Galilei (1564 – 1642)
Italias Galileo trenger knapt noen inngående introduksjon. Albert Einstein omtalte Galilei som «den moderne fysikkens far, ja hele verdens moderne vitenskaps far».
Galilei representerte renessansens nytenkning som førte til at oldtidens verdensbilde tok slutt. Han var opptatt av å finne ut hvordan ting skjedde og beveget seg, ved å foreta nøyaktige observasjoner og målinger. Galileo Galilei bidro vesentlig innen en rekke naturvitenskapelige felt. Han innså tidlig at Kopernikus heliosentriske bilde var korrekt. Han bygget dette på sine mange observasjoner, blant annet av at Jupiter er sentrum for sitt eget sett av måner, Venus viser skiftende faser, Månen er dekket av fjell og kratre og Solen har flekker.
Bruk av det astronomiske teleskopet gav revolusjonerende ny kunnskap om verden omkring oss. Det kan vanskelig overvurderes hvor overveldende de nye oppdagelsene den gang må ha vært.
Christoph Scheiner og hans Rosa Ursina sive Sol
Christoph Scheiner (1573 - 1650) var spesielt interessert i optikk. I Rosa Ursina sive Sol beskriver han inngående øyets optiske virkemåte. Han hadde inngående kunnskap om forskjellige optiske teleskopløsninger. Han viste for eksempel at lysets brytning i vår atmosfære førte til at den sirkulære solskiven fikk en noe flattrykt, elliptisk form når den kunne sees lavt på himmelen meget nær horisonten. Vi går ikke nærmere inn på disse temaene her, men konsentrerer oss i isteden om hans fascinerende solare observasjoner og hva samtiden lærte fra disse.
Scheiner utviklet også en hensiktsmessig såkalt ekvatorial montering av teleskopet, som gjorde det rimelig enkelt å følge Solen i dens daglige bevegelse på himmelen. Denne løsningen ble også kopiert og benyttet av Galilei.
Scheiners observasjoner
Scheiner gjorde sine første observasjoner av Solen og solflekker høsten i 1611. Denne virksomheten fortsatte han inn i 1613.
For å verne øynene mot det sterke sollyset valgte han gjerne å redusere teleskopets apertur fra 1 til omkring en halv tomme, men han kunne i tillegg benytte lysdempende mørkt, farget glass foran teleskopet. I dag vet vi at for å beskytte øynene trengs helt spesielle solfiltre foran teleskoper, disse kan kjøpes fra teleskopforhandlere.
Ved å se vekselvis i kikkerten og skissere flekkenes utseende og beliggenhet på solskiven var det krevende å gjengi alle detaljer helt korrekt. Dette endret seg betraktelig da Scheiner etter en tid lot solbildene bli projisert på hvite ark. Da kunne detaljene avtegnes rimelig enkelt og mer nøyaktig. Den samme teknikken ble etter hvert også benyttet av Galileo Galilei.
Scheiner beskrev sine tidlige observasjoner av Solen i tre omfattende brev som ble formidlet til interesserte kolleger. Disse ble også videreformidlet til Galilei. Brevene ble utgitt under pseudonymet «Apelles latens post tabulam» hvilket betyr noe slikt som «Apelles som skjuler seg bak maleriet/bildet». Apelles var en kjent gresk maler som levde omkring 330 f. Kr. Scheiner ble rådet til å gjøre dette av sin overordnede, fader Provincial Busaeus. Å påvise mulige feil i det antatt perfekte bilde av Solen kunne innebære betydelige personlige konsekvenser, spesielt for en teolog. Det kan ha vært motivet for ikke å stå åpent frem, i alle fall til å begynne med. Senere ble som kjent Galilei tvunget til å avsverge sine utsagn om det heliosentriske verdensbilde for derved å unngå alvorlig straffeforfølgelse fra rådende myndigheter. Med det lyktes han i å får redusert straffen til livsvarig husarrest.
Flekker på solskiven eller utenfor Solen?
Til å begynne med var både Scheiner og Galilei usikre på om flekkene virkelig var flekker på selve solskiven eller om de var mørke skyer som kretset omkring Solen i en viss høyde over overflaten.
Ved å studere i detalj hvor raskt flekkene flyttet seg fra randen (kanten på solskiven) inn mot sentrum av solskiven ble det klart at flekkene måtte være på Solens overflate. Scheiner nølte lenge med å akseptere dette, igjen kanskje fordi det var en noe problematisk erkjennelse med bakgrunn i hans religiøse ståsted.
Da Scheiner gjenopptok sine solobservasjoner i 1624 ble nedtegnelsene og skissene utført med meget stor presisjon. Detaljene i hans tegninger av flekkenes indre mørke umbra og omgivende penumbra er meget imponerende. Han registrerte og tegnet de omkringliggende lysere områdene rundt flekkene, såkalte fakkelområder, som er mest fremtredende i randnære områder på soloverflaten.
Solens rotasjon
Scheiner valgte å tegne observasjoner av solflekker fra påfølgende dager inn på det samme bildet av solskiven. Han kunne dermed lettere se at flekkene flyttet seg fra dag til dag og avgjøre hvordan de flyttet seg. Det ble umiddelbart klart at Solen roterte! Scheiners målinger gav en rotasjonshastighet på 13.8 grader per dag (ved lave solbredder), som er meget nær det som dagens målinger gir.
Vi solfysikere som gjennom en årrekke har hengt oss opp i detaljer om Solen er imponerte over at Scheiner også kommenterte at Solen rotasjonshastighet endret seg med avstanden fra Solens ekvator: Solen roterer differensielt. Det kan den gjøre fordi den er en gasskule.
Den mest fundamentale observasjonen som ble gjort av Scheiner var at Solen roterte om en akse som forandret seg systematisk gjennom året. Scheiners skisser tyder på at Solens nordpol heller mot oss første uke i oktober og i motsatt retning i mars måned.
Forklaringen på dette fenomenet, sett med dagens øyne, er at vi flytter oss i vår bane omkring Solen og dermed registrerer dens rotasjonsakse under skiftende vinkler. Så vidt vi kjenner til trakk ikke Scheiner denne konklusjonen. Imidlertid bør vi erkjenne at dagens opplagte tolkning av slike observasjoner bygger på kunnskap om Newtons bevegelseslover, som var ukjente for Scheiner og hans samtidige.
Det er kjent at Galileo Galilei hevdet at Scheiner tok feil når han påstod at Solens rotasjonsakse hellet i forhold til ekliptikken og også at rotasjonshastigheten ikke var den samme over hele Solen. Men i disse to tilfeller hadde Scheiner helt rett.
Scheiner bør utvilsomt regnes blant de fremste vitenskapsmenn i det 17. århundre. Han bidro betydelig med ny kunnskap og innsikt innen flere vitenskapelige felter.
Scheiners bidrag til bevis i debatten om de to verdensbildene var betydelige. Hans observasjoner og tolkninger av disse bidro med utfordrende ny, korrigerende kunnskap som ble tungtveiende.
Ved å skifte vårt bilde av verden fra et geosentrisk til et heliosentrisk system ble vår plass og betydning i det hele betydelig korrigert. Vår plass i universet ble mer perifer, hvilket den fortsetter å bli i økende grad. Det er trolig mentalt sunt og viktig at vi mennesker blir minnet om det.
De kritiske intellektuelle holdningene til de forskere vi har omtalt ovenfor illustrerer motivasjonen og drivkreftene som gjorde seg sterkt gjeldende i opplysningstiden som fulgte.
Forfatteren takker Anna Kathinka Dalland Evans for stor hjelp med redigering av opprinnelig manus og utvalg av illustrasjoner.