Kopernikus og Kepler Per Arne Bjørkum Statoil Prof. II NTNU/UiS 22.09.2014 Skolelaboratoriet NTNU.

Presentasjon om: "Kopernikus og Kepler Per Arne Bjørkum Statoil Prof. II NTNU/UiS 22.09.2014 Skolelaboratoriet NTNU."— Utskrift av presentasjonen:

1 Kopernikus og Kepler Per Arne Bjørkum Statoil Prof. II NTNU/UiS 22.09.2014 Skolelaboratoriet NTNU

2 N. Kopernikus Hva er han kjent for? Kopernikus 1573-1543

3 N. Kopernikus Kopernikus 1573-1543 Sola, ikke Jorda er i sentrum -slik Aristoteles og Kikra hevdet!

4 Er det nødvendig med nye og/eller bedre data/observasjoner for å legget frem en ny teori? Vitenskapsteoretisk spørsmål:

5 Ptolemaios Jorda (E) var ikke helt i sentrum NB!! Dette la Kopernikus merke til, og likte det ikke

6 Kopernikus sin modell Slik den presenteres i innledningen Enkel og stilfull

7 Kopernikus lagde denne figuren i innledningen til sin bok, og dette alt forenklede bildet av modellen har festet seg hos mange. Bare et fåtall leste hele boken … den var for komplisert. Galilei var en av de som åpenbart også hadde festet seg ved den enkle modellen og det var den han forsvarte (han var nok klar over den mer komplekse modellen?). Kopernikus sin (forenklede) modell Jorda Himmelen

8 Geometrisk sentrum Kopernikus sin modell var komplisert…. og sola var ikke helt i sentrum…et forsøk på å tegne… Systemet var bygd opp av sirkler og sirker i sirker (tilleggssirkler) som i sum ble til ca 50! For å holde en slags orden på alle 6 planetene… … Uranus og Netptun og Pluto var ikke kjent enda) 1543 Kopernikus 1473-1543 Planeten Krystallinske (eter) utvendige og innvendige skall Man måtte anta et observasjonsperspektiv utenfor Sola for å få det til å stemme bedre.!!

9 Kopernikus sin modell: Skallmodell (krystallinske skall) ?

10 Kopernikus’ solsentriske modell – da jorda ble en planet! Kopernikus angrep problemet, dvs. Ptolemaios’ modell, ut fra rent Matematiske og tekniske innvendinger, og endte – motvillig – opp med at jorda (som en implikasjon) ble en roterende planet som beveget seg rundt sola. - Systemet var bygd opp av kystallinske skall (!), som planetene beveget seg i og han tenkte som Aristoteles når det gjaldt fysikk (dvs. skille mellom himmel og jord) Publisert på dødsleiet (1543), men han hadde det klart ca. 30 år tidligere (kompendium som sirkulerte)

11 Trenger man nye og bedre data for å tenke nytt?

12 Eksempel Fra ”Jorda i ro verdens sentrum ” (uten å rotere) Til ”Sola i sentrum”

13 Eksempel Fra ”Jorda i ro verdens sentrum ” (uten å rotere) Til ”Sola i sentrum” NB: Det var de samme observasjonene som lå til grunn for begge Modellene, men fakta ble forskjellig!!

14 Fakta er teori-ladet, og teorien er en midlertidig ”sannhet”. Det er teorien som bestemmer hva man kan se (Einstein)

15 15 1854-1912 H. Poincaré Poincaré om fakta og vitenskap

16 16 «Vitenskapen bygges opp av fakta slik hus bygges av steiner. Men en samling av fakta er ikke mer vitenskap enn en haug med steiner er et hus.» H. Poincaré Science and Hypothesis, 1903 Fakta og vitenskap 1854-1912 H. Poincaré Før man har en teori, fremstår observasjonene som kaotiske, Og man tror svaret er vanskelig. Så man leter etter kompliserte løsninger. Det har vist seg å være en blindvei.

17 17 “Facts are selected, by a process that is a kind of controlled neglect…” 2012 Man er selektiv…

18 18 «In most cases, the speculation stemming from the intuition or imagination of great scientists were based on relatively little evidence, and grew in importance only because they were then tested experimentally and by observation, and passed those tests.» The Fellowship – the story of a revolution, John Gribbin, 2005, p. 81 Observasjoner og /hypotese/teorie

19 Observasjoner og teori… Feynman, The Meaning of it All, 1998 «I Middelalderen trodde man at man bare skulle gjøre mange nok observasjoner, og at observasjonene deretter (ved bruk av logikk) foreslo lovene.» «Det starter med observasjoner, og ender med observasjoner» Einstein, Ideas and Opinions, 1954

20 20 En løsning blir ikke logisk avledet fra observasjoner, men oppfunnet for å forklare dem Einstein/Popper og andre Du må stole på ditt «vitenskapelige instinkt» Einstein Fra fakta til løsning

21 Retrograde (baklengse) bevegelser til planeten Mars, sett fra jorda

22 Kopernikus: Retrograde bevegelser ble forklart på en annen måte Retrograde bevegelser ble et synsbedrag, dvs. ikke reelle som i Ptolemaios’ modell, men noe som oppstår pga av at vi roterer rundt sola

23 Kopernikus dedikerte boka til paven! I forord, skrevet anonymt av utgiveren Osiander (han ville gi inntrykk av at det var skrevet av Kopernikus), og der han understreker det at det hele kun er en matematisk modell (som nedtonet alvoret). ”For disse hypotesene behøver ikke være sanne, eller engang sannsynlige, hvis de stemmer med observasjoner, så er det nok.» Det ufarliggjorde modellen…. NB: Dette var like etter reformasjonen (Luther) og derfor var den en ekstra religiøs spenning i lufta… så forsiktighet var nok på sin plass…

24 “For jeg har erfart at du ikke bare behersker oppdagelsene til de galme astronomene, men at du også har formulert en ny kosmologi. I den hevder du at jorda beveger seg, og at sola okkuperer den laveste plassen, og derfor den sentrale plassen i universet. Derfor bønnfaller jeg deg om at du så fort som mulig (. ….. ) kommuniserer denne oppdagelsen til dine kolleger” og deretter ber han om å få tilsendt dette materialet så raskt som mulig… Var Kirka imot Kopernikus sin modell?? I 1536, 7 år før utgivelsen, fikk han et brev fra erkebiskop Nikolaus von Schönberg;

25 Aristarchos (310-230 BC) verdt en påminnelse : Mente sola var i sentrum og han foretok måling og beregnet relativ størrelse til sol, måne og jorda Fra en kopi fra 1000 tallet Sun Hans argumentasjon var at det ikke var meningsfullt at Sola, som var så stor, skulle sirkle runde den lille Jorda. Han forklaring antok at himmellegemene fulgte de samme lovene og var laget av de samme stoffene som på jorda, og det var ikke slik man så det. Argumentene ble derfor ikke tatt på alvor. (paradigmebom)

26 Paradigmer: Skal man kunne forlate en teori/modell må det foreligge et alternativ (T. Kuhn). Det man legger frem må ikke bare være en ide. Det må være en (”fullt”) utviklet modell, noe man kan evaluere (empirisk/analyttisk). Det var det Kopernikus gjorde. Han la frem en utviklet modell. Det var et meget krevende arbeid. Det var matematisk komplisert, og ikke minst: det tok tid!!! Kopernikus bidrag var på legge frem et gjennomarbeidet alternativ!! NB!

27 Var modellen bedre? Det var igjen forskjell i prediksjon og ”tilpasning” til observasjoner mellom Kopernikus og Ptolemaios sine modeller. Det var ingen måter å avgjøre hvilke av modellene, Ptolemais eller Kopernikus, som var rett, - om noen. Kopernikus 1473-1543

28 Og det var (minst) ett problem med Kopernikus sin modell…..

29 Dette observerte man ikke? Hvorfor? At man ikke observerte det ble et godt argument mot modellen! Argumenet mot solsentrert univers man burde ha observert dette…

30 Kopernikus og fysikken…litt mer Hvor moderne var han?

31 Kopernikus om skillet mellom Jorda og himmelen… Han advarte mot å ”tillegge himmelen egenskaper som tilhører det jordiske” 1543, De Revolutionibus, 1. utgave side 3 Hvor moderne var Kopernikus?

32 Når et legeme er i en tilstand av ikke- bevegelse ”er det kun sirkulær som er mulig, fordi en slik bevegelse er selv-oppholdende og det samme som å være i ro” Kopernikus, De Revolutionibus, 1543 Om himmelens naturlige bevegelser

33 - Kopernikus sitt bidrag, er et s eksempel på at man ikke trenger nye eller bedre data for å lage nye modeller/teorier. - Mye fremskritt har skjedd ved at noen har lagte frem en nye Forklaring man allerede hadde en forklaring på. (ref. Einstein) NB: Nye og bedre data er imidlertid også viktig (som vi skal se). Trenger man nye data for å bidra med nye teorier?

34 Betydningen av Nye og BEDRE data Kepler

35 Kepler, som la grunnlaget for Newtons oppdagelser, var en religiøs mystiker, en soldyrker, som forsøkte å finne ut av himmelens matematiske musikk. Med denne motivasjonen klarte han å finne ut noe nyttig. Johannes Kepler ( 1561-1630 )

36 36 Kepler mente selv han var en “prest” som studerte “ The Book of Nature ” (Guds “andre” bok). Han forsøkte å “tenke Guds tanker etter ham”. For ham - og mange andre- var kunnskap om naturen en måte å bekjempe “ateisme” på. Fant de en lov (naturlov, et mønster) var det en bekreftelse på at Gud stod bak og hadde skapt en ordnet verden. Det utviklet seg en egen bevegelse omtalt som “ Natural Theology”, som så og si alle vitenskapsmenn på 1600-tallet og utover “bekjente” seg til. «The Book of Nature»

37 For Einstein var opplevelsen av det mystiske utgangspunktet for ny kunnskap fordi «den vakreste opplevelsen vi kan få, er det mystiske. Den er en grunnleggende følelse som er den sanne kunst og den sanne vitenskapens vugge. Den som ikke lengre kan undre seg, og som ikke kan bli overrasket, er så godt som død …» Ideas and Opinions, Einstein, 1954. Kepler og andre trodde på magi, men den var ikke av den overnaturlige typen. Magien var naturlig (“Natural magic”), og det var derfor mulig å finne ut av den.

38 38 “Gud, som har skap alt i henhold til normer for kvalitet, har også utstyrt oss med evner til å forstå disse normene” “Fornuften forstår ting bedre jo nærmere en kommer det rent kvantitative ved alt” Letter to a friend 1597 Kepler om Gud, - og menneskets evne til å forstå hans skaperverk (ref. Aquinas) “Gud uttrykker seg gjennom matematiske lover” (geometrier) Letter to a friend 1599

39 Kepler 1561-1630 ”Mentalt” sett

40 Kepler 1561-1630 = Kepler ”Mentalt” sett

41 Kepler 1561-1630 = Kepler ”Mentalt” sett ”Det burde ha vært sirkler” (hevdet Kepler helt til sin død ) 

42 Senioren Brahe til Junioren Kepler: «For en må definitivt sette sammen bevegelsene til utenomjordiske legemer som sirkulære bevegelser, for ellers vil de ikke kunne komme tilbake til samme punkt i det uendelige…» og slo videre fast at andre geometrier «ikke lar seg behandle vitenskapelig» Kilde: Thematic Origins of Scientific Thought, G. Holton 1988. Sirkelparadigme

43 43 Galillei mente på sin side at ellipser ”var deformerte sirkler”, og ”hva skulle naturen med det?” ?

44 Kepler kom til Brahe i januar 1600 Da fikk han tak i nye og bedre data Så startet jobbinga…. Hvordan kom han frem til ellipser?

45 Planetene beveger seg i ellipser…. Kepler’s 1. lov Måten det skjedde på: Han studerte planeten Mars, og etter 6 år fant han ut at planeten måtte bevege seg i Elliptiske baner. Han var heldig med valget av Mars (”krigen mot Mars”) fordi den er den planeten, nest etter Merkur, som har den mest utpregete ellipsebanen. Han antok – generaliserte - at alle planeten fulgte samme type bane (han sjekket det ikke skikkelig!), men begrunnet det med at det ikke var noen grunn for at Gud skulle har laget ulike baner for de ulik planetene, dessuten ville det være i strid med prinsippet om naturens enkelhet (”det er det mest allment aksepterte aksiom i naturfilosofi at Naturen tar i bruk færrest mulige virkemidler”), dvs. Ochams barberkniv (Ocham’s Razor) Mars Det bemerkelsesverdig med oppdagelsen (om at planeten beveget seg i ellipser) var at Kepler i et brev til en venn 6 år tidligere hadde vært inne på at planetene kunne bevege seg i ellipser, men han hadde utelukket denne muligheten fordi hvis problemet var så enkelt «ville problemet allerede vært løst av Arkimedes og Apollonius».

46 Kepler antok - for å få det til å passe bedre - at planetbanen var eggformet –oval - (det var en ide fra sin lærer) Prøvde med ellipse som tilnærming

47 Kepler antok - for å få det til å passe bedre - at planetbanen var eggformet –oval - (det var en ide fra sin lærer) Prøvde med ellipse som tilnærming Hastigheten varierte i banen 18 mnd etter at han prøve med ellipse, slå det han at det muligens var en ellipsebane!!! NB: man hadde ingen (algebraisk) formel for ellipser den gangen, så det var ikke så enkelt som vi lett kan tro – sett i ettertid

48 Not in scale

49 Kepler: Harmony of the World, 1619 Einstein (a letter in 1929) : ”God who reveals himself in the harmony of all that exsist” Kelper søkte estetiske svar, harmonier, enkel svar. (ligner på mange måter på Einstein) Kepler mente at man måtte i gi en årsak-virknings- forklaring. Det er ikke nok med en matematiske modell. Hvordan tenkte Kepler, analogier…?

50 Kepler: Harmony of the World, 1619 Musikalske (harmonier) begrunnelser for sin kobling til musikk. Han ville forsøke å finne ut hvilke musikk Gud hørte (men ikke vi) Observasjoner + toner (en ny relasjon!!??) a 3 /T 2 = konstant … og den samme for alle planeter !!!!!

51 Keplers 3.lov: a 3 /T 2 = en konstant!! for alle planetene T = Omløpstiden a = gjennomsnittlige avstand (planet - sola) Keplers 3. lov…. Det var sola - og kun sola - som påvirket planetene, planeten påvirket ikke sola, eller hverandre! Ellipse. a Litt trøst fant Kepler i det faktum at loven inneholdt gjennomsnittlig avstand (se a i figur) noe som gir assosiasjoner til en tenkt sirkel …..

52 Keplers 3. lov Keplers 2. lov For å kikke på

53 NB: Årsak-virkning For Kepler var det Geometrien (!?) som var årsaken til planetsystemet Dvs. årsaken var matematisk! Lærdom: selv om man har en uriktig forklaring (årsak-virkning), kan konkusjonen være fruktbar…. Underlig ? Vel: I Einsteins fysikk er det geometrien som ‘forklarer’ gravitasjon!!

54 Nye og bedre data kan tvinge frem behovet for nytenking, for å søke etter nye forklaringer, eller ad hoc justeringer av den etablerte Kepler overtok nye og bedre (”kontinuerlige”) data fra Brahe Kepler søkte en løsning med utgangspunkt i et arsenal av tilnærminger: religiøse, estetiske, metafysiske/musikk, matematiske/geometriske, - og fysiske. Endte (motvillig – datakvaliteten var ”årsaken”) opp med ellipser. Det er ikke kildene (inspirasjopnen) til det som blir en løsning som er viktig, men at løsningen virker/stemmer. ”Det starter med erfaringen, og slutter med erfaringen” (Einstein) Lærdom: Om nye og bedre data….

55 ”Det startet allerede i barndommen. I en alder av fire år ble han rammet av kopper. Han overlevde så vidt, men fikk redusert syn og noen forkrøplede fingrer. Helsen ble aldri god etter dette. Hans far var en drukkenbolt. Han eneste lyspunkt var bestefaren, som oppmuntret den unge Kepler til å bruke hodet, og til å lese Bibelen. Det ble ikke bedre da han ble voksen. Keplers ekteskap var en konstant ulykke, og ett av barna døde (det var ikke uvanlig den gang, men man venner seg ikke til slike hendelser). Kona ble gal og døde. Hans velmenende, men litt for pratsomme mor, havnet i fengsel for hekseri, og han jobbet i ett år med å få henne ut av torturkammeret. Selv unngikk han så vidt å bli dømt for kjetteri, og lønna var alltid på etterskudd. Det fortelles at da han skulle gifte seg andre gangen, gikk det enda dårligere, selv om han hadde vurdert ikke mindre enn 11 jenter før han valgte den gale. Og så var han tvunget til å øke inntekten ved å stille horoskop. Kanskje er noe av forklaringen på Keplers dragning mot det perfekte – sirkelen – i sine planetstudier å finne i hans ellers så miserable privatliv. Selv om det ikke ble sirkler til slutt, så var løsningen matematisk sett enkel og vakker. Det var Kepler i stand til å nyte – og å glede seg over.” (kilde Annerledestenkerne ) For å leses Keplers tragedie….

56 Outer space ”Inner space” Mentalt bilde