Professori Tapio Markkanen, joka tutkii ja opettaa tähtitiedettä ja tieteen historiaa

Tieteenhistoriassa on usein tapana pitää luonnontieteiden vallankumouksen alkufanfaarina Nikolaus Kopernikuksen pääteosta De revolutionibus orbium coelestium libri sex (Kuusi kirjaa taivaan pallonkuorien pyörimisestä), joka ilmestyi Nürnbergissä tekijänsä kuolinvuonna 1543. Toitotusta tuki sointuisasti samana vuonna Andreas Vesaliuksen kirja ihmisruumiin anatomiasta De fabrica humanis corpora. Vallankumoussinfonian katsotaan päättyvän Isaac Newtonin rummuniskuihin teoksessa Philosophiae naturalis principia mathematica (Luonnonfilosofian matemaattiset periaatteet) vuodelta 1687.

Maailmankuvan mullistus

Luonnontieteiden mullistus oli monivaiheinen. Siinä muuttuivat käsitykset, kuinka ja mistä oikeaa tietoa saadaan, ja myös monet tieteen työtavat vaihtuivat. Enää ei kysytty vain menneisyyden viisailta ja uskon auktoriteeteilta, vaan ympäröivältä maailmalta. Nikolaus Kopernikusta muistetaan, koska hän käynnisti vakavassa mielessä keskustelun taivaiden kiertoliikkeistä ja liikkeiden keskuksesta. Uuden maailmankuvan muovaaminen jäi Kopernikukselta kesken. Sen viimeistelijöistä keskeisimpiä olivat Johannes Kepler, joka loi uudestaan maailman arkkitehtuurin, Galileo Galilei, joka osoitti että maanpäällä vallitsevat samat lait kuin taivaissa, ja Isaac Newton kertomalla, miten maailman koneisto käy.

Kuva 1. Johannes Kepler syntyi palkkasoturin poikana 1571. Hän joutui taloudellisesti niukoista oloista opintielle, koska Württembergin ruhtinaskunta halusi koota kaikki lahjakkuudet evankelista uskoa edistämään. Kepler joutui muun muassa puolustamaan äitiään noitaoikeudenkäynnissä ja onnistui hellittämättömällä sitkeydellään kumoamaan syytteet. Kuva vuodelta 1590.

Johannes Kepler sai papin koulutuksen Tübingenin yliopistossa Würtenbergissä, josta oli uskonpuhdistuksen myötä tullut luterilaisuuden vahva linnoitus. Kepler etsi Jumalan luomissuunnitelman perimmäistä tarkoitusta maailmankaikkeuden geometriasta ja julkaisi ensimmäisen teoksensa aiheesta 1596. Tübingenin vastuunsa tuntevat teologian professorit totesivat, ettei nuorta Kepleriä pidä päästää saarnastuoliin ja hankkivat hänelle lääninmatemaatikon toimen Itävallasta. Vuosisadanvaihteessa Kepler joutui yhteistyöhön Prahassa Tyko Brahen kanssa, joka oli joutunut maanpakoon Tanskasta. Tyko oli koonnut kahden vuosikymmenen aikana havaintoaineiston taivaankappaleiden liikkeistä. Se oli järjestelmällisempi ja tarkempi kuin edellisten vuosisatojen kuluessa kertyneet havainnot. Kepler sai tehtäväkseen tutkia tämän materiaalin pohjalta, kuinka planeetta Mars liikkuu. Löytääkseen vastauksen hänen oli selvitettävä myös Maan liike ja itse asiassa koko aurinkokunnan rakenne ja liikkeet. Vuosikymmenen sitkeän työn tuloksena syntyi täysin uusi kuva maailmankaikkeudesta, jonka perustukset Kepler loi kokonaan uudenlaisiksi. Kepler esitti kaksi planeettaliikkeen lakiaan 1609 ja kolmannen 1619. Ne kuvailevat aurinkokunnan rakenteen ja planeettojen liikkeet hyvin. Nykyinen kuvamme aurinkokunnasta on Keplerin luoma.

Kuva 2. Pohtiessaan Jumalan luomissuunnitelmaa Kepler uskoi löytäneensä rakennelman, jossa planeettojen pallonkuoret muodostivat tiiviin pakkauksen. Hän sovitti Platonin viisi säännöllistä monitahokasta kuuden, silloin tunnetun planeetan pallonkuorien väliin niin, että sisemmän monitahokkaan kärjet sivusivat planeetan pallonkuorta sisäpuolelta ja ulomman monitahokkaan tahot ulkopuolisesti. Teos herätti muun muassa Tyko Brahen kiinnostuksen ja johti Tykon ja Keplerin yhteistyöhön. Kuva Keplerin teoksesta Mysterium Cosmographicum (Kosminen mysteeri) vuodelta 1596.

Kepler selitti, millaisilla radoilla planeetat liikkuvat ja kuinka niiden ratanopeudet riippuvat etäisyydestä Auringosta. Lakeja etsiessään hän kehitti uudenlaisia menetelmiä, joiden soveltaminen vaati niin raskaita laskutöitä, että tietokoneiden nykyiseen laskentatehoon tottunut sellaisiin ponnistuksiin tuskin antautuu. Kepler otti tutkimusohjelmaansa useita uusia johtavia periaatteita. Hän oli ensinnäkin varma, että kiertoliikkeiden keskus on Aurinko eikä Maa. Siten hän sitoutui periaatteeseen, jonka Kopernikus oli esittänyt puoli vuosisataa aiemmin. Toinen tärkeä seikka oli, että siihen saakka taivaankappaleiden liikkeitä oli tarkasteltu geometrisena ongelmana. Niin olivat tehneet Klaudios Ptolemaios, niin oli tehnyt Nikolaus Kopernikus 14 vuosisataa myöhemmin.

Liikkeiden geometriaa tavoitellessaan Kepler vaati, että lakien muodon piti olla yhteydessä liikkeen aiheuttavaan vaikutukseen ja ymmärrettävästi perusteltavissa fysikaalisesti. William Gilbert oli julkaissut 1600 uraauurtavan tutkimuksen magneeteista ja osoittanut, että Maa oli suuri magneetti, joka pakotti kompassineulan asentoonsa. Kepler oletti, että Auringon ja planeetan välillä on jonkinlainen magneettinen kytkentä, joka määrää planeetan nopeuden sen mukaan, kuinka planeetan etäisyys Auringosta vaihtelee kun planeetta kiertää Aurinkoa. Tällä vaatimuksella Kepler asetti työlleen ankaran tavoitteen. On aihetta muistaa, että fysiikan keskeiset käsitteet, kuten voima, kiihtyvyys, liikemäärä tai energia eri muodoissaan, olivat vielä hämärästi määriteltyjä tai niitä ei vielä ollut käytettävissä. Vaikeuksista huolimatta Kepler saavutti ratkaisut, jotka antoivat hedelmällisen pohjan seuraavien sukupolvien tutkijoille.

Rudolfin taulukot

Kansalliskirjastolla on Keplerin koottujen teosten sarja, joka on ilmestynyt pääosin 1900-luvun jälkipuoliskolla. Kirjastolla on Keplerin kahden keskeisen teoksen varhaiset laitokset. Toinen niistä on Epitome astronomiae copernicanae, kopernikolaisen tähtitieteen esityksen ensimmäinen osa (Linz 1618). Kepler kirjoitti seitsenosaisen teoksen oppikirjaksi vuosina 1617 – 21. Kirjaston hallussa oleva kirja on sidottu yhteen Galileo Galilein Sidereus nuntius (Tähtien sanasaattaja, Venetsia 1610) –teoksen Lontoossa 1653 ilmestyneen laitoksen kanssa. Vaikka Kepler kunnioittaa teoksen nimessä suurta edeltäjäänsä Kopernikusta, nimi johtaa harhaan. Teos kertoo Keplerin, ei niinkään Kopernikuksen tähtitieteestä.

Kansalliskirjaston toinen varhainen Keplerin teos on Tabulae Rudolphinae quibus astronomicae scientiae (Rudolfin taulukot). Ensi painoksen kappale on painettu Ulmissa 1627. Kirja oli myös Kuninkaallisen Turun akatemian kokoelmissa, mutta tuhoutui ilmeisesti viimeistään Turun palossa 1827. Se on palannut kirjastoon A. E. Nordenskiöldin kokoelman mukana.

Kepler seurasi Tyko Brahea keisarillisena matemaatikkona Prahassa, jossa keisari Rudolf II piti hoviaan. Tähtitieteessä taulukkoteoksilla on pitkä perinne. Niitä on tarvittu erilaisten käytännön tarpeiden tyydyttämiseen, kuten kalenterien laadintaan. Rahoittajalle omistamansa teoksen Kepler laati perinteisessä tarkoituksessa, mutta nyt uudelle, aurinkokeskiselle perustalle ja nimenomaan omien tutkimustensa mukaisesti.

Kuva 3. Kuvassa Keplerin pöydällä on merkillinen esine. Se on Uranian temppelin katon malli. Kepler oli täysin tietoinen työnsä merkityksestä. Kuvalla hän halusi kertoa, että ilman häntä uuden tähtitieteen uljas temppeli ei olisi valmistunut. Hän loi sen huipun.

Keplerin Rudolfin taulukoiden nimilehden kansikuvan on piirtänyt Georg Coler. Se pursuu vertauskuvia ja kertoo paljon. Tähtitieteen muusan, Uranian, temppelin perällä näkyy kaldealainen astronomi muinaista tähtitiedettä edustavan rapautuneen pylvään vieressä. Vasemmalla seisoo Hipparkhos, oikealla istuu Ptolemaios kirjoittamassa, antiikin suurimmat astronomit kumpikin oman pylväänsä rinnalla. Uuden tähtitieteen suuruudet Kopernikus ja Tyko Brahe käyvät tieteellistä väittelyä lujien ja jalomuotoisten pylväidensä äärellä. Tyko osoittaa kohti temppelin sisäkattoa, johon on kuvattu hänen ehdottamansa maailmakaikkeuden rakennemalli. Tykon sormesta lähtevälle säteelle on kirjoitettu ”Quid si sic” eli ”Jospa se onkin näin”. Teoksen nimi on piirretty tauluun, joka riippuu katon keskipisteessä sijaitsevasta Auringosta kuin tuomiokirkon kattokruunu. ”Kyllä se kuitenkin on näin”, Kepler tarkoittaa painokkaasti.

Temppelin perustuksen etumuurissa näkyy Venin saari Juutinraumassa. Siellä sijaitsi Tykon observatorio, jossa hän teki tärkeät havaintosarjansa 1500-luvun lopulla. Kartan oikealla puolella nähdään kirjanpainajat työn touhussa. Äärimmäisenä vasemmalla lukija hädin tuskin erottaa kuvasta, kuinka Tykon perillinen ojentaa havaintoaineiston Keplerille. Temppelin räystäällä seisoo kuusi hahmoa, jotka symbolisoivat tieteenaloja optiikasta, tähtitieteeseen ja matematiikkaan. Niillä kaikilla tieteenaloilla Kepler julkaisi keskeisiä tutkimuksia. Mukana ovat niin Keplerin kaukoputki kuin planeetan ellipsiratakin.

Entä missä on Kepler itse? Hän istuu temppelin perustan vasemmassa kuvassa kuin kellarin kammiossa, jota valaisee vain yksi kynttiä. Työhuoneen kuvan ylälaidan kehyksessä eli kartussissa mainitaan Keplerin pääteokset. Hän kirjoittaa uupumatta laskelmiaan pöytäliinaan, rahaa paperiin ei siis ole. Korkealla temppelin yllä liihottelee keisarillinen kotka ja sirottelee kultarahoja nokastaan. Jokunen lantti on pudonnut Keplerin pöydälle, muutama on vielä ilmassa, toivoa palkkion saamisesta ei ole vielä menetetty. Elämänsä viimeiset vuosikymmenet Kepler joutui kiertämään paikkaa vaihtavien ruhtinaiden jäljessä yrittäen periä maksamatta jääneitä palkkojaan huonolla menestyksellä. Kolmekymmenvuotisen sodan puhjettua hän toimi sotapäällikkö Albrecht von Wallensteinin astrologina. Kepler kuoli 1630 Regensburgissa ja hänet haudattiin sinne. Ruotsin armeija liittyi sotaan Kustaa II Adolfin johdolla samana vuonna, eikä kestänyt kauan, ennen kuin Regensburg joutui Pohjolan sotajoukon jalkoihin, ja Keplerin hauta katosi.