Rozwój poglądów na budowę wszechświata

Pierwsze wyobrażenia o budowie wszechświata

Od najdawniejszych czasów człowiek posiadał pewne wyobrażenia na temat otaczającego go
świata. Pierwsze wyobrażenia nie miały charakteru naukowego – mieszkańcy starożytnych Indii
wierzyli, że Ziemia jest płaska i spoczywa na grzbietach czterech słoni stojących na skorupie
olbrzymiego żółwia pływającego po nieskończonym oceanie. Mieszkańcy Mezopotamii uważali,
że Wszechświat jest podobny do pokoju, w którym płaska Ziemia pełni rolę podłogi a sufitem
jest płaskie sklepienie niebieskie. Wkrótce, wraz z rozwojem astronomii zaczęły powstawać
bardziej dojrzałe teorie.

Teoria geocentryczna

W naturalny sposób za centrum Wszechświata pierwsze teorie uważały Ziemię. System za-
kładający, że w centrum Wszechświata znajduje się Ziemia, obiegana dookoła przez planety,
Księżyc i Słońce a na zewnątrz otoczona sferą gwiazd stałych nazywa się systemem geocen-
trycznym (z greckiego Geos – Ziemia i centrum – środek). Koncepcja ta rozwinęła się w
starożytnej Grecji. Ostateczny kształt nadał jej Klaudiusz Ptolemeusz, żyjący w Aleksandrii
w II w n.e.

Dość szybko astronomowie zorientowali się, że założenie, jakoby planety obiegały Ziemię

po orbitach o kształcie okręgów jest sprzeczne z wynikami obserwacji astronomicznych. Kiedy
obserwujemy ruch planety na tle sfery niebieskiej widzimy, że nie porusza się ona ruchem
jednostajnym ale przyspiesza, zwalnia, a czasami nawet cofa się. Gdyby planety oiegały Ziemię
ruchem jednostajnym po okręgu coś takiego byłoby niemożliwe – obserwowany ruch planet
powinien być jednostajny.

Rozwiązanie tłumaczące tą sprzeczność bez rezygnowania z centralnej pozycji Ziemi we

Wszechświecie znalazł grecki matematyk i astronom, Euksodos z Knidos a rozwinął je Ptole-
meusz. Przyjęto, że ruch planet nie jest prostym ruchem po okręgu. W modelu Ptolemeusza
po orbitach kołowych (zwanych deferentami) poruszają się mniejsze okręgi, zwane epicyklami,
a dopiero po nich poruszają się planety (rys. ??). Tak skonstruowany system znacznie lepiej
tłumaczył zjawiska zachodzące na niebie. Ponieważ zdarza się, że planeta w swoim ruchu po
mniejszym okręgu (czyli epicyklu) porusza się w kierunku przeciwnym do kierunku ruchu po
orbicie więc możliwe jest, że planeta okresowo zwalnia i przyspiesza lub nawet cofa się. W
swoim dziele pod tytułem „Almagest” Ptolemeusz przedstawił skonstruowany w ten sposób
system i wykazał przez skomplikowane obliczenia, że pozwala on dość dokładnie przewidywać
ruchy ciał niebieskich. Teoria Ptolemeusza była (jak na swoje czasy) teorią dopracowaną i
dobrze tłumaczącą obserwowane zjawiska. Świadczyć może o tym fakt, że „Almagest” był
powszechnie używany i czytany aż do czasów Kopernika.

1

Rysunek 1: Ruch planety w modelu Ptolemeusza

Teoria heliocentryczna

Dalsze obserwacje astronomiczne wykazały, że również ten system nie jest idealnie zgodny z
rzeczywistością. Konieczne stawało się dodawanie kolejnych epicykli, żeby dopasować model
do pomiarów i system stawał się coraz bardziej skomplikowany. Pierwotnie zaletą systemu
geocentrycznego była możliwość prostego, eleganckiego i w miarę dokładnego wytłumaczenia
zjawisk astronomicznych. W miarę rozwoju stawał się coraz dokładniejszy, tracił jednak swoją
zaletę jaką była elegancja i prostota.

Wielu astronomów podejrzewało, że ruch ciał niebieskich powinien dać się wyjaśnić w pro-

sty sposób. Pierwszą osobą, która zaproponowała model heliocentryczny (z greckiego helios –
Słońce) był żyjący w II w. p.n.e. Arystarch z Samos. Zauważył on, że dziwne zachowanie planet
można wyjaśnić przez umieszczenie w centrum świata nie Ziemi, a Słońca. Okaże się wtedy,
że ruch planet widziany z również poruszającej się Ziemi może przypominać ten dziwny ruch,
który obserwują astronomowie. Teoria ta dobrze tłumaczyła zjawiska obserwowane na niebie,
jednak nie została przyjęta ponieważ wyprzedzała ona swoje czasy. W starożytności zbyt słabo
rozwinięta była fizyka a przez to zwolennicy teorii heliocentrycznej nie umieli odpowiedzieć
na zarzuty, stawiane im przez zwolenników teorii geocentrycznej. Nie umiano wtedy wyjaśnić
jak to się dzieje, że choć Ziemia wiruje dookoła własnej osi to jednak siła odśrodkowa nie po-
woduje wyrzucenia wszystkich znajdujących się na niej przedmiotów w przestrzeń kosmiczną.
Starożytni nie potrafili również zrozumieć jak to się dzieje, że chociaż Ziemia, obiegając Słońce
porusza się z dużą prędkością to jednak nie ”ucieka” ona od latających w powietrzu ptaków.
Poza tym starożytni astronomowie i filozofowie przewidywali, że gdyby Ziemia poruszała się
to gwiazdy, widoczne z różnych kierunków powinny zmieniać swoje wzajemne położenie.

Po Arystarchu z Samos model heliocentryczny został zapomniany na siedemnaście wie-

ków. Na nowo odkrył go dopiero polski uczony, Mikołaj Kopernik. Mikołaj Kopernik żył w
latach 1473–1543 i był nie tylko astronomem, ale również matematykiem, lekarzem, praw-

2

nikiem, tłumaczem poezji włoskiej i ekonomistą. Pochodził on z rodziny wywodzącej się z
mieszczan krakowskich. Urodzony w Toruniu studiowal w Krakowie (1491-95), następnie w
Bolonii, Padwie i Ferrarze, gdzie w 1503 doktoryzował się z prawa kanonicznego. Po powrocie
do Polski zamieszkał w Lidzbarku Warmińskim jako lekarz i sekretarz swojego wuja, Łukasza
Watzenrode, biskupa warminskiego.

System stworzony przez Kopernika i przedstawiony w dziele p.t ”De revolutionibus orbium

coelestium” (O obrotach ciał niebieskich) zakładał, że w środku świata znajduje się nieru-
chome Słońce. Dookoła niego po kołowych orbitach poruszają się planety i Ziemia. Jak widać
system ten przypomina model zaproponowany przez Arystarcha z Samos. Przewagą Kopernika
było jednak dokładne dopracowanie naukowe swojego pomysłu i wykazanie, że tak stworzony
model może mimo swojej prostoty rzeczywiście dawać dobre przewidywania, podczas kiedy
koncepcja Arystarcha była tylko pomysłem pozbawionym naukowego opracowania. Mimo, że
umieszczenie Słońca w centrum Wszechświata uprościło sytuację Kopernik nie mógł całkowi-
cie zrezygnować ze stosowania epicykli. Pomimo to jednak jego system zawierał ich znacznie
mniej i był prostszy od geocentrycznego systemu Ptolemeusza.

System heliocentryczny przywrócił astronomii prostotę, mimo to miał jednak wielu prze-

ciwników. Przede wszystkim wydaje się on być sprzeczny ze zdrowym rozsądkiem – przecież
każdy widzi co rano Słońce, które wychyla się zza horyzontu a później wędruje po niebie. W
tej sytuacji twierdzenie, że jest ono nieruchome brzmiało niedorzecznie. Trzeba też pamię-
tać, że w czasach Kopernika teoria Ptolemeusza cieszyła się wielkim autorytetem wspieranym
przez Kościół i podważanie go trąciło herezją. Przeciwnicy Kopernika często powoływali się
na Biblię, między innymi na fragment, w którym Bóg na prośbę Jozuego zatrzymuje na kilka
godzin Słońce – a przecież nie można zatrzymać czegoś, co się nie porusza.

Pomimo, że przed Kopernikiem byli już astronomowie którzy wykazywali, że Ptolemeusz

w swoich obliczeniach popełniał błędy księga Kopernika była źle przyjęta przez naukę i Ko-
ściół. Pomimo, że dzieło było dedykowane papieżowi Pawłowi III to jednak zwolennicy teorii
Kopernika popadali w konflikty z władzami kościelnymi a samo dzieło w 1616 znalazło się na
indeksie ksiąg zakazanych, skąd zostało usunięte w 1828. Doświadczalne potwierdzenie ruchu
orbitalnego Ziemi uzyskano dopiero w latach 20. XVIII w., po odkryciu przez J. Bradleya
aberracji astronomicznej.

Teoria Kopernika nie odrzucała całkowicie założenia, że planety poruszają się ruchem koło-

wym po epicyklach które krążą po własnych, kołowych orbitach czyli deferentach. Odrzucenie
teorii epicykli stało się możliwe dopiero kiedy przyjęto, że tory planet nie są okręgami lecz
elipsami. Wprowadziło to dalsze uproszczenie do modelu układu słonecznego. Orbity eliptycz-
ne wprowadził do astronomii niemiecki astronom i matematyk Johannes Kepler. Sformułował
on również trzy prawa, zwane od jego nazwiska prawami Keplera, opisujące ruch planet.

Pierwsze prawo Keplera: Orbita każdej planety jest elipsą, przy czym Słońce znajduje się

w jednym z jej ognisk.

Drugie prawo Keplera: Promień wodzący planety zakreśla w równych odstępach czasu

równe pola.

Trzecie prawo Keplera: Drugie potęgi okresów obiegu planet wokół Słońca są wprost pro-

porcjonalne do trzecich potęg ich średnich odległości od Słońca.

3

Rysunek 2: Układ Słoneczny w systemie Kopernika

4

Model stworzony przez Kopernika i Keplera daje dobry opis ruchu ciał niebieskich. Nie

mówi on jednak nic o przyczynie tych ruchów. W czasach, gdy żyli ci uczeni panował pogląd,
że ciała niebieskie nie podlegają prawom fizyki ziemskiej. Hipotezę, że świat stanowi jedność
i że zachowanie kuli armatniej opisują te sama prawa, które opisują również ruchy planet
jakom pierwszy wysunął żyjący w latach 1643–1727 Izaak Newton. Uczony ten doszedł do
wniosku, że gdyby na planetę nie działała żadna siła to musiałaby ona poruszać się po linii
prostej (albo pozostawać w spoczynku). W związku z tym, skoro planety poruszają się po
elipsach to prawdopodobnie działa na nie jakaś siła, zakrzywiająca ich tor. Newton domyślił
się, że źródłem tej siły jest Słońce i że natura tych jest taka sama jak natura sił powodujących
spadanie ciał na powierzchnię Ziemi. Newton nazwał je siłami grawitacji czyli wzajemnego
przyciągania i sformułował prawo mówiące, że każde dwa ciała przyciągają się z siłą wprost
proporcjonalną do iloczynu ich mas a odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości między
nimi.

F = G

·

m

1

· m

2

r

2

(1)

Współczesna wiedza na temat budowy Wszechświata

Obecnie budową, historią i powstaniem wszechświata zajmuje się dział astrofizyki teoretycznej
zwany kosmologią.

Ocenia się, że Wszechświat powstał kilkanaście miliardów lat temu w wyniku Wielkiego

Wybuchu. Teoria Wielkiego Wybuchu zakłada, że w przeszłości cała materia i energia skła-
dające się na Wszechświat znajdowały się w nieskończenie małym obszarze. Wtedy był on
niezwykle gorący i niewyobrażalnie gęsty. Wszechświat, który obecnie obserwujemy gwałtow-
nie wyłonił się podczas Wielkiego Wybuchu. Od tej początkowej eksplozji Wszechświat stale
powiększa swe rozmiary i ochładza się. Nie można precyzyjnie określić wieku Wszechświata,
gdyż zależy on od krzywizny przestrzeni, a tej nie potrafimy dokładnie zmierzyć. Z tempa
rozszerzania się Wszechświata ocenia się, że powstał on 12-20 mld lat temu. Wiek Wszech-
świata nie jest ciągle znany, ale wiadomo, że Wszechświat jest dużo starszy od Słońca i Ziemi.
Gdy powstał w wyniku Wielkiego Wybuchu, był zupełnie odmienny od dzisiejszego Wszech-
świata zawierającego planety, gwiazdy i galaktyki. Bardzo wczesny Wszechświat był ognistą
kulą promieniowania. Materia nie była podobna do tej, jaką obecnie widzimy wokół nas i w
kosmosie. Wszechświat można porównać do zupy egzotycznych cząstek, gwałtownie stygną-
cej podczas początkowej ekspansji. Po upływie pierwszej milionowej części sekundy większość
energii była już przemieniona w protony, czyli jądra atomów wodoru. W następnej milisekun-
dzie powstały elektrony i zderzając się z protonami utworzyły neutrony. Następne parę minut
było decydujące o losach wyglądu Wszechświata, gdyż neutrony są w stanie przetrwać jako
niezależne cząstki tylko tysiąc sekund! Podczas pierwszego kwadransa protony łączyły się z
szybko rozpadającymi się neutronami, tworząc jądra atomów helu. W wyścigu z czasem, pod-
czas gdy Wszechświat stale ekspandował i stygł, jednocześnie był w stanie przemienić około
jednej czwartej wodorowej materii w hel. Z tej wodorowohelowej mieszanki powstała później
pierwsza generacja gwiazd.

Cała materia znajdująca się we Wszechświecie pogrupowana jest w struktury. Gwiazdy

tworzą skupiska zwane gromadami, te z kolei tworzą galaktyki. Galaktyki, podobnie jak gwiaz-

5

dy, zebrane są w gromady galaktyk, te zaś tworzą supergromady. Ziemia, na której żyjemy
krąży dookoła Słońca – dość typowej gwiazdy będącej żółtym karłem pierwszej populacji. Na-
ukowcy aż do XX wieku wyobrażali sobie Słońce jak płonące ognisko. Jeszcze w 1892 roku
wydano książkę opisującą Słońce jako piec wydzielający ciepło i światło. Inna XIX-wieczna
teoria sugerowała, że świecenie spowodowane jest przez spadające na Słońce meteoryty. Obie
teorie okazały się fałszywe. Jak wiemy obecnie, paliwem Słońca jest wodór, a energia, jaką
dostarcza ono Ziemi, pochodzi z reakcji jądrowych zachodzących głęboko w jego wnętrzu.

W skład układu Słonecznego oprócz Słońca i Ziemi wchodzi osiem pozostałych planet

(Merkury, Wenus, Mars, Jowisz, Saturn, Uran, Neptun, Pluton), księżyce planet (w tym nasz
Księżyc), planetoidy, komety, meteory oraz pył i gaz międzyplanetarny.

6