Ugrás a tartalomhoz

CSILLAGÁSZATI FÖLDRAJZ

Dr. Gábris Gyula, †dr. Marik Miklós, dr. Szabó József

NEMZETI TANKÖNYVKIADÓ

2. fejezet - AZ EMBERISÉG VILÁGSZEMLÉLETÉNEK FEJLŐDÉSE (dr. Marik Miklós)

2. fejezet - AZ EMBERISÉG VILÁGSZEMLÉLETÉNEK FEJLŐDÉSE (dr. Marik Miklós)

A csillagászat a legrégibb természettudomány. Sokszor elcsodálkozunk azon, hogy az ókori kultúrnépek milyen széles körű csillagászati ismeretekkel rendelkeztek abban a korban, amikor pl. a fizikáról jóformán fogalmuk sem volt.

A csillagászat kifejlődése két fő okra vezethető vissza. Az ókori népeknek misztikus elképzeléseik voltak az „égi világról”. Az égitesteket vagy istenként tisztelték, vagy istenek jelének tekintették. Úgy hitték, hogy a túlvilági hatalmasságok a csillagok révén tudatják akaratukat az emberekkel. Azt gondolták, hogy a csillagok állásából kiolvasható a jövő. Az emberi eszmélkedés első megnyilvánulásai az első tévutat is jelentették, így kialakult az asztrológia (csillagjóslás) áltudománya. Bár az asztrológiáról egyértelműen ki lehet mutatni, hogy semmi köze sincs a valósághoz, még ma is jelentős tábora van a csillagászathoz nem értő és excentrikus lelki beállítottságú emberek körében. Az embereket, és közöttük az uralkodókat azonban annyira érdekelte a jövendő, a csaták várható kimenetele, hogy udvari csillagászokat foglalkoztattak a csillagos ég rejtélyeinek kifürkészésére. Ezek a csillagászok a horoszkóp-készítés mellett empirikus úton a csillagvilág sok törvényszerűségét is feltárták, és egyes jelenségek előrejelzésére is képesek voltak.

A csillagászat korai kifejlődésének másik, és az előbbinél lényegesebb oka a gyakorlat követelménye volt. A meginduló kereskedelem lebonyolításához tájékozódni kellett a sivatagban és a tengeren is. Mivel a helymeghatározás csillagászati alapokon nyugszik, a gyakorlati szükségszerűség magas fokú csillagászati ismereteket követelt meg. A mezőgazdasági termelés szükségessé tette a naptárkészítést, hiszen pl. a vetés csak akkor kecsegtetett a bő termés reményével, ha megfelelő időben történt. A naptárkészítés szintén csak jelentős csillagászati ismeretek birtokában volt lehetséges.

A babilóniaiak csillagászati feljegyzései i. e. több mint 3000-re nyúlnak vissza. Jól ismerték a Nap és a Hold járását, a hónap hosszát másodpercnyi pontossággal meg tudták adni, és felfedezték a napfogyatkozások bekövetkezésében levő időbeli szabályosságot. Tőlük származnak az állatövi csillagképek nevei. Hét „mozgó” égitestet ismertek: a Napot, a Holdat, a Merkúrt, a Vénuszt, a Marsot, a Jupitert és a Szaturnuszt. Minden nap más égitestnek áldoztak tornyaikban, innen ered a mai naptárunkban is meglevő hétnapos beosztás. A hét napjait ezekről az égitestekről nevezték el, aminek nyomai római közvetítéssel a mai nyugati nyelvekben is megtalálhatók. (Pl. angolul: Sunday = Nap-nap, Monday = Hold-nap.)

A kínaiak már az időszámításunk előtti harmadik évezredben jól ismerték a Nap és a Hold járását, sőt közelítő pontossággal tapasztalati úton előre ki tudták számítani a nap- és holdfogyatkozások időpontját. Elképzelésük szerint napfogyatkozás alkalmával egy sárkány akarja „bekapni” a Napot. Ezért már a fogyatkozások előtt felkészültek arra, hogy nyilaikkal és kiáltozásukkal elkergessék a sárkányt. Érthető tehát, hogy i. e. 2137. október 22-én (mai időszámításunk szerint), amikor két udvari csillagász, Hi és Ho elfelejtette bejelenteni a közelgő napfogyatkozást, a kínai császár lefejeztette őket. Ismerték a vízórát, a teljes szöget 365 1/4 fokra osztották úgy, hogy a Nap az égen egy nap alatt pontosan egy foknak megfelelő utat tett meg. Az i. e. 2. században Csang Heng a Földet gömbölyűnek, a világmindenséget pedig végtelennek tekintette.

Az ókori egyiptomiak csillagászata nem volt annyira átfogó, mint a babilóniaiaké vagy a kínaiaké; valószínűleg a nap- és holdfogyatkozásokat sem figyelték meg rendszeresen. Mesterek voltak viszont a naptárkészítésben. Egyiptom mezőgazdasága a Nílus áradásától függött, ami az évnek mindig ugyanabban a szakaszában következett be. Az egyiptomi papok szinte napra pontosan meg tudták előre jósolni a Nílus áradását, ami akkor a Szíriusz Nappal együtt történő (heliákus) felkelésével esett egybe. Ők használtak először egyszerű csillagászati „műszereket”, bemetszett pálcákat, függőónokat, amelyek segítségével például az égtájakat igen nagy pontossággal meg tudták határozni. A piramisok éleinek ívperc pontosságú tájolása ma is figyelemre méltó teljesítmény. A Vénuszról megállapították, hogy nem a Föld, hanem a Nap körül kering.

Közép-Amerika ősi kultúrnépei közül különösen a mayáknál találkozunk igen régi csillagászati megfigyelésekkel. Így például feljegyeztek egy i. e. 3379-ben lejátszódott teljes napfogyatkozást. Sok más, kőbe vésett feliratuk foglalkozik csillagászati eseményekkel, különösen olyanokkal, amelyek a naptárkészítéssel kapcsolatosak.

Igen fejlett volt a csillagászat az ókori Nyugat-Európában is. A dél-angliai Salisbury mellett ma is áll a „Stonehenge” nevű, kör alakú, kőből készült oszlopsor, amelyet i. e. 2000 körül építettek.

Ennek segítségével igen nagy pontossággal meg lehetett határozni a tavaszi napéjegyenlőség, valamint a hold- és napfogyatkozások bekövetkezésének pontos idejét. Az utóbbi néhány évben a szisztematikus kutatások nyomán több, a Stonehenge-hez hasonló kőépítmény nyomaira akadtak Nyugat-Európában.

Az ókori csillagászat Görögországban érte el tetőpontját. A görögök nem elégedtek meg az égi jelenségek puszta regisztrálásával, előtérbe került az okok keresése. Minden idők talán legjelentősebb csillagásza az i. e. 320 és 250 között élt számoszi Arisztarkhosz, az alexandriai akadémia tagja volt. Mérései és teljesen egzakt matematikai módszerekkel végzett számításai alapján meghatározta a Hold és a Nap viszonylagos távolságát, és kimutatta, hogy a Hold nem sokkal kisebb a Földnél, a Nap viszont a Földnél lényegesen nagyobb test. Így, arra a következtetésre jutott, hogy a Földnek kell a Nap körül keringenie, nem pedig fordítva. Arisztarkhosz gondolatmenete a következő volt: Megvárta, amíg a Hold a Földről nézve pontosan félholdnak látszott (1. ábra). Ekkor a Föld–Hold–Nap háromszögnek a Holdnál levő szöge éppen derékszög. Félhold idején megmérte a háromszög Földnél levő α szögét. Mivel (mai jelölésekkel) cos α = h/n, mérésével meghatározható a Hold–Föld távolság (h) és a Nap–Föld távolság (n) aránya. Bár Arisztarkhosz h/n-re 1/19-et kapott a helyes 1/400 helyett, még így is kitűnik, hogy a Nap sokkal messzebb van a Holdnál és így sokkal nagyobb is, mint a Hold, mivel a Nap és a Hold ugyanolyan szögátmérőjűnek látszik az égen.

1. ábra - Arisztarkhosz mérési elve a Föld–Hold és a Föld–Nap távolságának meghatározására

kepek/42294_1_III_001.jpg


Eratoszthenész (i. e. 276–194) meghatározta a Föld méreteit, és eredményül a Föld kerületének hosszára nagyjából a ma ismerthez hasonló értéket kapott, Hipparkhosz (i. e. 190–125) pontos csillagkatalógust készített, amelyben több mint ezer csillag helyzetét adta meg 6 ívpercnél nagyobb pontossággal. Ő osztályozta először a csillagokat fényrendekbe, a legfényesebbeket elsőrendűnek, a szabad szemmel még láthatókat hatodrendűnek sorolta. Felfedezte a tavaszpont lassú eltolódását az égbolton, amit ma precessziónak nevezünk.

2. ábra - A Ptolemaiosz-féle világkép szerint minden bolygóhoz egy külön szféra tartozik

kepek/42294_1_III_002.jpg


Bár Ptolemaiosz (i. sz. 90–161) ismerte Arisztarkhosz heliocentrikus világképét, mégis a korábbi, főként Eudoxosztól (i. e. 408–355) származó geocentrikus világképet fogadta el, és fejlesztette tovább. Úgy vélte, hogy az Arisztarkhosz-féle heliocentrikus világkép „ellentétben áll a földi fizika törvényeivel”. Szerinte a világegyetem középpontjában a mozdulatlan Föld helyezkedik el, amely körül az összes többi égitest mozog. Felfogása szerint minden bolygóhoz, valamint a Naphoz és a Holdhoz egy Föld középpontú átlátszó kristálygömb (szféra) tartozik (2. ábra). A legkülső szférán helyezkednek el a csillagok. A szférák különböző sebességgel forognak a Föld körül. Így azonban nem lehetett megmagyarázni a bolygóknak az égbolton megfigyelhető hurokszerű mozgását. Ezt, azzal a feltevéssel próbálta kiküszöbölni, hogy a bolygók nem magukon a kristálygömbökön vannak, hanem egy kisebb méretű gömbön (epicikluson) gördülnek, amelynek középpontja a nagyobb kristályszférán helyezkedik el. Mivel ezzel sem lehet teljes pontossággal a bolygók mozgását leírni, még további epiciklusokat kellett bevezetnie. A ptolemaioszi világrendszer, bár matematikailag elég bonyolult volt, mégis lehetőséget adott a bolygók égbolton elfoglalt helyének előrejelzésére, amire az arisztarkhoszi világrendszer – kiforratlansága következtében – nem volt képes. Talán ez lehetett az oka annak, hogy a későbbiekben a ptolemaioszi világrendszer általánosan elfogadottá vált. (Ptolemaiosz elképzelését főművében, a „Megale Syntaxis”-ban foglalta össze. Ezt a munkát később az arabok lefordították „Tabir al maghesti” címen, amelynek eltorzításából keletkezett a közismert „Almagest” cím.)

A rómaiak lényegében semmivel sem gazdagították a csillagászat tudományát, és az, hogy a görög csillagászat eredményei mégis fennmaradtak, az araboknak köszönhető. Az arabok a ptolemaioszi világképet fogadták el és fejlesztették tovább. Közép-Ázsiában főleg Ulug bég (1394–1449) és Al-Birumi munkássága emelkedik ki, akik elsősorban csillagkatalógusok készítésével foglalkoztak. Ulug bég felfedezte az ekliptika és az ekvátor hajlásszögének változását. A XVI. században aztán az arab csillagászat hanyatlásnak indult.

A középkori Európában a csillagászat jóformán semmit sem fejlődött. Az egyház a ptolemaioszi világképet dogmaként fogadta el. A görög csillagászat nagyszerű eredményei szinte teljesen feledésbe merültek. A XV. század végén azonban a hajózás nagyarányú fejlődése (gondoljunk Kolumbusz útjára) elengedhetetlenül szükségessé tette a tengeren való pontos tájékozódást. Ez a ptolemaioszi geocentrikus világszemlélet alapján kidolgozott bolygótáblázatok felhasználásával már nem volt lehetséges, mert az egyre pontosabbá váló észlelések adatai nem estek egybe a bolygótáblázatok adataival. Mikolaj Kopernik vagy másképpen Kopernikusz (1473–1543) is feltehetően azért kezdett el foglalkozni a bolygómozgások tanulmányozásával, hogy jobb bolygótáblázatokat készítsen. Már 1510 körül rájött arra, hogy a bolygómozgásokat sokkal egyszerűbben lehet értelmezni, ha felteszi, hogy a bolygók (köztük a Föld is) a Nap körüli körpályákon keringenek. Kopernikusz azonban az új heliocentrikus elképzelés alapján sem tudott a bolygók helyzetére a régieknél jobb előrejelzéseket adni, hiába próbálta javítgatni elméletét. (Ennek az volt az oka, hogy a bolygópályákat körnek vette.) Ez élete végéig bántotta, és emiatt sokáig halogatta művének kiadását. Csak közvetlenül halála előtt, 1543-ban adta ki „De Revolutionibus Orbium Caelestium” (Az égi pályák körforgásairól) című korszakalkotó könyvét. Kopernikusz heliocentrikus világképével igen egyszerűen és természetesen meg lehetett magyarázni a bolygók égbolton leírt pályájában időnként előforduló hurokszerű alakot és több más égi jelenséget.

Kopernikusz világképe gyökeres ellentétben állt az akkor általánosan elfogadott felfogással, ezért korszakalkotó művét 1616-ban indexre tették, amelyet csak 1835-ben oldottak fel. Kopernikusz egyik leglelkesebb követője Giordano Bruno (1548–1600) volt, aki szerint a Nap is csak egy a megszámlálhatatlanul sok csillag közül. Eretnekségéért 1600-ban máglyahalálra ítélték és megégették.

Kopernikusz munkáját Tycho de Brahe (1546–1601), a nagy dán csillagász sem fogadta el. Tycho ellenérvei azonban szigorúan tudományos jellegűek voltak. Szerinte, ha a Föld a Nap körül kering, akkor a csillagoknak az év folyamán mindig más és más irányban kellene látszaniuk. Mivel ez nem észlelhető, a Föld sem keringhet a Nap körül – mondta Tycho de Brahe. (Ma már tudjuk, hogy ezt azért nem figyelhette meg, mert a csillagok nagyon távol vannak tőlünk.) Tycho az ellentmondás feloldására egy nagyon érdekes „hibrid” megoldást javasolt: A Nap a Föld körül kering, de a bolygók a Nap körül keringenek. Csillagvizsgálójában rendszeresen mérte a bolygók pozícióit, és hatalmas észlelési anyagot halmozott fel.

A heliocentrikus világrendszer híve volt Galileo Galilei (1569–1642) is, akinek elévülhetetlen érdeme, hogy először használt távcsövet a csillagászatban, és ezzel ugrásszerű fejlődést indított meg. Felfedezte a Jupiter négy holdját, a Vénusz fényváltozásait, a Nap forgását és a napfoltokat, a Hold hegyeit és „tengereit”. Megfigyelte, hogy a távcsőben a Tejút apró csillagokra bomlik. A megfigyelési tények egyértelműen világossá tették előtte a kopernikuszi rendszer igazságát, hiszen például a Vénusz fényváltozásait csak úgy lehet értelmezni, ha az a Nap körül kering. Galilei azzal, hogy kétségbe vonta az ókori szaktekintélyekre hivatkozás bizonyító erejét, és hangsúlyozta a megfigyelések elengedhetetlen szükségességét, a modern tudományos módszer első úttörőjévé vált. Tanai miatt az inkvizíció elé idézték és meghurcolták. A máglyahalált csak úgy tudta elkerülni, hogy megtagadta nézeteit.

Johannes Kepler (1571–1630) Prágában Tycho de Brahe asszisztense volt, és így első kézből jutott hozzá az értékes bolygóészlelési anyaghoz. Kepler egyértelműen a heliocentrikus világképet fogadta el, és ezen az alapon látott hozzá az észlelések feldolgozásához. Egy igen szellemes módszerrel megmérte a Mars térbeli helyzetét, és azt kapta, hogy a Mars olyan ellipszispályán mozog, amelynek egyik fókuszpontjában a Nap helyezkedik el. Később ezt más bolygók esetében is kimutatta, és kimondta az első Kepler-törvényt, amely a következőképpen szól:

Minden bolygó olyan ellipszispályán kering, amelynek egyik fókuszában a Nap helyezkedik el.

A bolygók ellipszispályán való mozgásának tanulmányozása során még két alapvető fontosságú tételre bukkant rá. Ezek a következők:

Második Kepler-törvény:

A Napból a bolygóhoz húzott rádiuszvektor egyenlő idők alatt egyenlő területeket súrol, vagy másképpen: a területi sebesség állandó.

A harmadik Kepler-törvény:

A bolygók Nap körüli keringési idejének négyzetei úgy aránylanak egymáshoz, mint pályáik fél nagytengelyeinek köbei.

Ha a bolygópálya fél nagytengelyének hosszát a-val, a keringési periódust T-vel jelöljük, akkor a harmadik Kepler-törvény a következőképpen is megfogalmazható:

a 3 T 2 = const

minden bolygóra.

Kepler törvényeinek felhasználásával a bolygók mozgásában mutatkozó minden rendellenességet hiánytalanul meg lehetett magyarázni, és igen pontos bolygótáblázatokat lehetett készíteni. Kepler munkássága a kopernikuszi heliocentrikus világrendszer győzelmének betetőzését jelentette.

Már Kepler gyanította, hogy a bolygók pálya menti mozgása a Napból eredő erő hatására történik, ezt azonban nem sikerült bebizonyítania. Ezt a lépést Isaac Newton (1643–1727) tette meg, aki a klasszikus mechanika alapjait képező három törvényének kimondásán kívül felfedezte az általános gravitációs törvényt is. Eszerint:

két test között ható vonzóerő egyenesen arányos a két test tömegének szorzatával, és fordítva arányos a köztük levő távolság négyzetével.

Ha a két test tömegét m1-gyel és m2-vel, távolságukat r-rel jelöljük, akkor a köztük fellépő F gravitációs vonzóerő a következőképpen írható fel:

F = G m 1 m 2 r 2

ahol G az univerzális gravitációs állandó (G=6,6681011Nm2kg2).

Newton gravitációs törvényének egyenes következményei a Kepler-törvények, és minden, a Naprendszerben észlelhető mozgás Newton törvényéből egyszerűen levezethető (kivéve a Merkúr-pálya nagytengelyének elfordulásában mutatkozó rendellenességeket, amelynek magyarázatához már a relativitáselmélet is szükséges).

Newton nagy érdeme annak bebizonyítása, hogy a Föld a Nap körül ugyanazon erő hatására kering, mint ami miatt az elengedett kő is leesik a földre. Így kimutatta a földi és „égi” természet egységét, bebizonyította az egységes, mindenütt ható természeti törvények létezését.

1672-ben sikerült Cassininak először megmérnie a Nap–Föld távolságot a Mars távolságának megmérése útján. Így sikerült a Naprendszer Kepler által felfedezett viszonylagos méreteinek léptéket is adni, hiszen könnyen látható, hogy a Nap–Föld távolság és a keringési periódusok ismeretében Kepler harmadik törvényéből bármely bolygó Naptól mért távolsága kiszámítható.

A newtoni mechanika nagy győzelme volt, amikor az Uránusz bolygó mozgásának rendellenességeiből Adams angol és Leverrier francia csillagász kiszámította, hogy azt egy Uránuszon kívüli bolygó okozza. Leverrier számításai alapján Galle német csillagász 1846-ban meg is találat az új bolygót, a Neptunuszt. Később az Uránusz és a Neptunusz mozgásában mutatkozó rendellenességekből egy még távolabbi bolygó létezésére következtettek. A 10. bolygót, a Plútót azonban csak 1930-ban találta meg Tombough hosszú ideig tartó szisztematikus keresés után.

A távcső felfedezésével összemérhető lökést adott a csillagászat fejlődésének a spektroszkópia alkalmazása a csillagászatban a XIX. század végén. 1841-ben Fraunhofer összeállította a Nap nevezetesebb színképvonalainak első katalógusát. A színképelemzés segítségével fel lehetett deríteni a csillagok légkörében uralkodó viszonyokat. Véglegesen bebizonyosodott, hogy a csillagok lényegében ugyanolyan összetételű, energiatermelő égitestek, mint a mi Napunk. A csillagok színképének tanulmányozása tette lehetővé, hogy századunk első évtizedében Hertzsprung és Russel összefüggést állapítottak meg a csillagok felületi hőmérséklete és abszolút fényessége között. Ezzel bebizonyították, hogy a csillagok világában is általános törvényszerűségek érvényesülnek.

Még a múlt században, 1838-ban sikerült először Besselnek trigonometrikus módszerrel megmérni egy csillag távolságát. Ezzel a módszerrel azonban csak a közeli csillagok távolságát lehetett meghatározni. A XX. század elején aztán olyan új elven alapuló távolságmérések birtokába jutottunk, amelyek segítségével igen messze levő csillagok távolságának megmérése is lehetővé vált. Így sikerült megállapítani, hogy Naprendszerünk egy hatalmas, kb. 100 milliárd csillagból álló, 100 000 fényév átmérőjű rendszernek, az úgynevezett Tejútrendszernek a tagja. A Tejútrendszer feltérképezésében jelentős szerepet játszott még a hidrogénfelhők 21 cm-es rádiósugárzásának felfedezése is (van de Hulst, 1944).

Ugyancsak az új távolságmérési módszernek volt köszönhető, hogy századunk második évtizedében Hubble-nak sikerült bebizonyítania azt a régi sejtést, hogy az égbolton látható halvány ködfoltok egy osztálya a mi Tejútrendszerünkön kívüli, de hozzá hasonló csillagrendszer, úgynevezett extragalaxis. Ugyancsak Hubble mutatta ki (1926-ban), hogy az extragalaxisok tőlünk és egymástól is távolodnak. Ezt az észlelést sikerült a 60-as években még két másik megfigyelési ténnyel alátámasztani. Így alakult ki a ma általánosan elfogadott táguló Univerzum-hipotézis. Ennek értelmében az Univerzum 10–20 milliárd évvel ezelőtt igen sűrű, robbanó állapotban volt, és az extragalaxisok ma is észlelhető egymástól való távolodása ennek a robbanásnak a következménye.

A távcső és a színképelemzés felfedezése után a harmadik nagy forradalom a csillagászatban 1957. október 4-én kezdődött meg, amikor az első mesterséges holdat felbocsátották a Szovjetunióban. Azóta a mesterséges holdak és bolygók, valamint az embert szállító holdűrhajók oly sok eredménnyel gazdagították a bolygórendszer tagjairól – és általában az Univerzumról – való ismereteinket, ami példátlan a csillagászat történetében. Kőzetmintákat hoztunk a Holdról, űreszközeink leszálltak a Vénuszon és a Marson, közelfelvételeket készítettek a Merkúrról, a Jupiterről, a Szaturnuszról, az Uránuszról és a Neptunuszról. A szó szoros értelmében az ember kozmikus lénnyé vált. Biztosak lehetünk abban, hogy az elkövetkezendő évtizedek is sok meglepő eredménnyel gazdagítják majd a világmindenségről való ismereteinket.