1. Matematički časovnik neba: Njutn, Halej i osvajanje gravitacije
Kada je Galileo Galilej 1642. godine preminuo u svojoj vili Arćetri nedaleko od Firence, pod strogim i ponižavajućim kućnim pritvorom Inkvizicije, činilo se da je borba za sistem dostigla dramatičnu, neizvesnu i tešku prekretnicu. Galilej je pružio neoborive posmatračke dokaze da se planeta Venera okreće oko Sunca pokazujući faze poput Mesečevih, da oko Jupitera kruže sopstveni sateliti i da je nebeski svod daleko od nekakve nepromenljive, kristalne savršenosti. Međutim, sama fizika koja bi objasnila kako i zašto se ta ogromna nebeska tela kreću kroz prazan prostor još uvek nije postojala. Dominantna misao tog doba još uvek nije imala mehanizam koji bi objasnio zašto stene ne otpadaju sa rotirajuće Zemlje ili šta to tačno gura planete u njihovim neprekidnim krugovima. Ali, iste 1642. godine, 25. decembra po tadašnjem engleskom kalendaru (4. januara 1643. po gregorijanskom kalendaru), u skromnom engleskom selu Vulstorp u okrugu Linkolnšir, rođeno je prevremeno rođeno, krhko dete koje će konačno sklopiti sve slagalice antičke, srednjevekovne i renesansne astronomije u jedinstvenu, veličanstvenu matematičku celinu. To dete bilo je Isak Njutn.
Do kraja 17. veka, astronomija se nalazila u neobičnom i duboko paradoksalnom stanju. Sa jedne strane, Johan Kepler je svojim genijalnim zakonima posmatračke astronomije fantastično precizno opisao KAKO se planete kreću oko Sunca — po eliptičnim putanjama u čijoj se jednoj žiži nalazi Sunce, menjajući svoju brzinu tako da u jednakim vremenskim intervalima prebrisavaju jednake površine. Ali, sa druge strane, niko na svetu — ni sam Kepler sa svojom teorijom 'magnetnih vrlina', ni Galilej koji je odbijao elipse, ni francuski filozof Rene Dekart sa svojom teorijom o 'eteričnim vrtlozima' koji nose planete — nije znao ZAŠTO se one tako kreću. Šta je to što sprečava Mesec da ne odleti u duboki kosmički ponor? Koja to nevidljiva, silovita ruka drži gigantske planete vezane za Sunce na rastojanjima od stotina miliona kilometara?
Odgovor na ovo sudbonosno pitanje Njutn je ponudio 1687. godine u svom monumentalnom radu „Philosophiae Naturalis Principia Mathematica“ (Matematički principi prirodne filozofije), knjizi koja se bez ikakvog preterivanja smatra najvažnijim i najuticajnijim pojedinačnim naučnim delom u celokupnoj istoriji ljudske civilizacije. Poznata legenda kaže da je ključna inspiracija došla tokom velikog epidemijskog talasa kuge u Engleskoj 1665. godine, kada je Univerzitet u Kembridžu bio privremeno zatvoren radi bezbednosti studenata, pa se mladi dvadesetdvogodišnji Njutn povukao na svoje mirno porodično imanje u Vulstorpu. Posmatrajući pad jedne obične zrele jabuke sa drveta u bašti, Njutn se zapitao: ako se sila teže oseća na vrhu najviše zgrade, na vrhu najviše planine, pa čak i u najvišim slojevima atmosfere, dokle se ona zapravo prostire? Da li se ta ista nevidljiva sila proteže još dalje — sve do samog Meseca?
Njutnov genijalni i revolucionarni uvid bio je u tome što je shvatio da je sila Zemljine teže nevidljiva nit koja spaja zemaljske i nebeske pojave u jedan neraskidivi fizikalni lanac. Sila koja vuče jabuku ka zemlji i sila koja prinudno savija putanju Meseca iz prave linije u zatvorenu eliptičnu orbitu oko Zemlje potpuno su jedna te ista sila! Njutn je pomoću novog matematičkog računa koji je sam izumeo (diferencijalnog i integralnog računa) iz posmatranja i proračuna izveo matematički zakon prema kojem: dve čestice privlače jedna drugu silom koja je direktno srazmerna proizvodu njihovih masa, a obrnuto srazmerna kvadratu njihovog međusobnog rastojanja.
Pored formulisanja zakona gravitacije i tri osnovna zakona kretanja (inercije, sile i akcije-reakcije), Njutn je izumeo i potpuno nov tip teleskopa: koji koristi zakrivljeno primarno ogledalo umesto staklenih sočiva (tzv. Njutnov teleskop). Sočiva tadašnjih refraktora patila su od — pojave gde se bela svetlost prelama u dugine boje na ivicama slike, čineći posmatranje mutnim. Njutn je shvatio da ogledala reflektuju sve boje svetlosti pod potpuno jednakim uglom, stvorivši kompaktan i kristalno jasan instrument koji je postao nezaobilazan za sve buduće gigantske teleskope u astronomiji.
Ovim jednostavnim i ujedno sveobuhvatnim zakonom, Njutn je zauvek srušio više od dve hiljade godina staru Aristotelovu i scholastičku dogmu o suštinskoj razlici između „nesavršenog zemaljskog sveta“ ispod Meseca i „savršenog, nepromenljivog nebeskog sveta“ iznad njega. Isti zakoni mehanike, inercije i gravitacije važe i u našoj maloj laboratoriji na Zemlji i na najudaljenijim zvezdanim prostranstvima. Svemir je odjednom prestao da bude skup neobjašnjivih teoloških čuda, božanskih guranja ili mističnih kristalnih sfera — postao je veličanstven, predvidljiv, proziran i potpuno razumljiv matematički mehanizam, poput džinovskog, precizno podešenog satnog mehanizma koji otkucava u ritmu univerzalnih jednačina.
„Ako sam video dalje od drugih, to je zato što sam stajao na ramenima divova.“ — Isak Njutn u pismu Robertu Huku, 1675.
Pravu praktičnu, javnu i neoborivu potvrdu Njutnove teorije pružio je njegov bliski prijatelj, mlađi kolega i čovek koji je lično finansirao izdavanje „Principije“ iz sopstvenog džepa — engleski astronom Edmond Halej. Pre Njutna i Haleja, komete su u ljudskoj mašti, folklornim tradicijama i narodnom verovanju smatrane tajanstvenim, nepredvidivim i duboko zlokobnim nebeskim pojavama. Smatralo se da su to 'smrtonosna atmosferska isparenja' ili strašni božanski znaci koji najavljuju propast careva, epidemije kuge, suše, razorne ratove i iznenadne padove kraljevstava. Neki astronomi su već razmatrali komete kao nebeska tela, ali njihovo vraćanje po pravilnim putanjama još nije bilo ubedljivo pokazano.
Halej je bio fascinantan istraživač koji je pre izučavanja kometa otputovao na južnoatlantsko ostrvo Sveta Jelena da napravi prvi zvezdani katalog južnog neba. Kada se vratio u Englesku, odlučio je da na istorijske zapise o kometama primeni novu Njutnovu gravitacionu metodu. Prikupivši posmatračke podatke o kretanju sjajnih kometa koje su viđene 1531. godine (koju je posmatrao Petrus Apianus), 1607. godine (koju je detaljno zabeležio i analizirao Johan Kepler) i 1682. godine (koju je posmatrao sam Halej), primetio je nešto zapanjujuće. Putanje, nagibi i vremenski razmaci sve tri ove komete bili su skoro identični! Halej je izneo odvažnu i za to vreme šokantnu tvrdnju: to uopšte nisu tri različite komete, već jedan te isti nebeski posetilac koji kruži oko Sunca po izuzetno izduženoj elipsi, vraćajući se u našu blizinu svakih 75 do 76 godina.
Halej je 1705. godine u svom radu 'Synopsis Astronomiae Cometicae' javno objavio matematičke proračune i samouvereno predvideo da će se ista kometa ponovo pojaviti na novembarskom i decembarskom nebu 1758. ili najkasnije početkom 1759. godine. Samu naučnu objavu Halej je završio ponosnim rečima: 'Ako se kometa zaista vrati oko 1758. godine, pošteni potomci neće moći da zaborave da su engleski naučnici prvi nagovestili njen povratak'. Iako sam Halej nije doživeo taj istorijski trenutak (preminuo je mirno 1742. u 85. godini života), na sam Badnje veče, 25. decembra 1758. godine, nemački amaterski astronom i poljoprivrednik Johann Georg Palitzsch ugledao je na noćnom nebu blistavu repatu zvezdu. Bila je to istorijska, fantastična pobeda Njutnove nebeske mehanike! Kometa, koja od tada nosi ime , dokazala je da čak i nebeske lutalice slede iste one matematičke zakone gravitacije kao i mirne, stabilne planete.
Da li ste znali?
„Došao sam sa 1835. Ona ponovo dolazi sledeće godine i očekujem da odem sa njom. Biće to najveće razočaranje u mom životu ako ne odem sa kometom.“ Mark Tven je rođen 1835. godine, u godini kada se vratila na nebo (prolazi svakih 75-76 godina).
Kometa je 20. aprila 1910. prošla kroz perihel, najbližu tačku Suncu. Mark Tven je umro od srčanog udara sledećeg dana, 21. aprila, u vreme kada je kometa ponovo bila vidljiva sa Zemlje.
Dok je Halej osvajao putanje kometa, danski astronom je došao do još jedno epohalno otkriće koje je iz korena promenilo shvatanje same prirode svetlosti i vremena u astronomiji. Danski astronom je 1676. godine, radeći u Kraljevskoj opservatoriji u Parizu pod upravom Žana-Dominika Kasinija, vršio sistematska posmatranja pomračenja Jupiterovog satelita Io. Satelit Io ulazi u senku Jupitera u vrlo pravilnim vremenskim intervalima od oko 42,5 sata, što ga čini prirodnim nebeskim satom visoke preciznosti.
je primetio neobična neslaganja koja su mučila astronome decenijama: kada se Zemlja na svojoj orbiti kreće ka Jupiteru, pomračenja satelita Io se dešavaju nekoliko minuta ranije nego što predviđaju matematičke tablice; suprotno tome, kada se Zemlja udaljava od Jupitera na suprotnu stranu Sunca, pomračenja kasne i do 16 do 17 minuta! Zbog čega nastaje ovo neobično kašnjenje? je došao do genijalnog zaključka: kašnjenje nastaje zato što svetlosti treba vremena da pređe dodatno rastojanje preko cele Zemljine orbite! Svetlost ne putuje beskonačno brzo, kako su mnogi tada pretpostavljali, već ima konačnu, merljivu brzinu. je procenio da svetlosti treba oko 22 minuta da pređe prečnik Zemljine orbite; brzinu u kilometrima u sekundi iz tog vremenskog zakašnjenja kasnije je izračunao Kristijan Hajgens — merenje koje je za 17. vek bilo zapanjujući trijumf posmatračke preciznosti!
2. Svemir kao matematička mašina: Laplas i nebeska mehanika XVIII veka
Tokom čitavog 18. veka, astronomija se razvijala pod snažnim uticajem prosvetiteljstva i naglog procveta matematičke analize na evropskim univerzitetima i akademijama nauka. Najveći umovi epohe — , , , i — takmičili su se u tome ko će preciznije primeniti Njutnove zakone na izuzetno složena kretanja unutar Sunčevog sistema. Njutnov prvobitni račun bio je idealizovan: pretpostavljao je kretanje samo dva tela (na primer, Sunca i jedne planete). Ali stvarni Svemir nije tako jednostavan! U stvarnom Sunčevom sistemu postoje desetine tela koja se međusobno privlače gravitacijom: Jupiter privlači Saturn i pomera ga sa idealne elipse, Mesec privlači Zemlju i stvara plimu i oseku, a Sunce svojom masom neprekidno remeti orbitu Meseca.
Ovaj takozvani „“ (problem tri i više gravitacionih tela) bio je toliko matematički težak da je sam Isak Njutn u starosti posumnjao da će međusobna gravitaciona privlačenja planeta s vremenom dovesti do nagomilavanja nepravilnosti i destabilizacije orbita. Njutn je čak izneo mišljenje da će Bog s vremena na vreme morati lično da interveniše i 'podesi' satni mehanizam Svemira kako se planete ne bi sudarile ili popadale na Sunce! Ta ideja o 'Bogu koji popravlja sat' mučila je naučnike decenijama.
Matematičari poput i Žozefa-Luja Lagranža napravili su ogromne korake u razumevanju ovih problema. Lagranž je 1772. godine otkrio čuvene '' — posebne položaje u sistemu dva velika tela (poput Sunca i Zemlje) u kojima malo telo može obilaziti Sunce u istom ritmu kao Zemlja; nisu sve te tačke stabilne. Ova čisto matematička teorija iz 18. veka danas je od vitalnog značaja za moderno svemirsko doba: upravo u drugoj (L2), na 1,5 miliona kilometara od Zemlje, nalazi se svemirski teleskop Džejms Veb; ranije je blizu L2 radila misija Plank!
Nacionalni ponos Francuske i vrhunac matematičke astronomije 18. veka predstavlja rad . je posvetio čitav svoj život dokazivanju da je Njutnov sistem potpuno samodostatan i da mu nikakve božanske intervencije nisu potrebne. U svom monumentalnom, petotomnom delu „Traité de Mécanique Céleste“ (Traktat o nebeskoj mehanici), objavljivanom u Parizu od 1799. do 1825. godine, je razvio sekularne račune poremećaja i u okviru tadašnjih približnih modela pokazao da se pojedina odstupanja u planetarnim orbitama menjaju periodično. Prostranstva i nagibi orbita planeta osciluju u dugim ciklusima od deseta hiljada godina, ali to ne znači da je Sunčev sistem apsolutno i zauvek stabilan; dugoročna dinamika više tela ostaje složeno pitanje.
Prema poznatoj, ali ne sasvim pouzdano dokumentovanoj anegdoti, je svoje delo predstavio Napoleonu Bonaparti. Napoleon, koji je obožavao nauku i sam bio član Francuskog instituta, pažljivo je prelistao knjigu i sa dozom provokativnog humora upitao autora: „Gospodine , napisali ste tako obimno i detaljno delo o celokupnom sistemu Svemira, a u celoj knjizi ni na jednom mestu niste pomenuli Tvorca i Boga!“. U toj priči mu odgovara rečenicom koja je postala simbol prirodnih objašnjenja: „Vaše veličanstvo, ta hipoteza mi nije bila potrebna“ („Sire, je n'avais pas besoin de cette hypothèse“).
3. Širenje nebeskih granica: Porodica Heršel i graditelji gigantskih reflektora
Dok su se matematičari u Parizu i Londonu bavili teorijskim računicama na papiru, u posmatračkoj astronomiji pripremao se najveći proboj od Galilejevog doba. Sve do kraja 18. veka, granice poznatog Sunčevog sistema bile su potpuno jednake onima koje su poznavale drevne civilizacije Babilona, Egipta i Grčke. Ljudski rod je poznavao samo pet planeta koje se vide golim okom: Merkur, Veneru, Mars, Jupiter i Saturn. Smatralo se da je Saturn, koji kruži na oko 1,4 milijarde kilometara od Sunca, krajnja i nepremostiva granica planetarnog sveta.
A onda je na naučnu scenu stupio čovek koji uopšte nije bio školovani astronom, već nemački muzičar, oboista i kompozitor — . Heršel se rođen u Hanoveru 1738. godine, a u Englesku je prešao kao vojni muzičar, nastanivši se u banjskom gradu Batu gde je radio kao orguljaš i profesor muzike. Međutim, strasno čitanje knjiga iz optike i astronomije pretvorilo je njegov život u nezaustavljivu opsesiju: želeo je da vidi najdublje i najtamnije kutke noćnog neba.
Želeći teleskope prilagođene svojim posmatranjima, Heršel je odlučio da sam pravi svoje teleskope. Pretvorio je svoju kuću u Batu u optičku radionicu. Sam je livao ogledala od legure bakra i kalaja (poznate kao 'speculum' metal) i provodio po šesnaest sati dnevno ručno polirajući ogledala do savršene parabolične površine. U tom poslu imala je neprocenjivu ulogu njegova rođena sestra , koja je došla iz Nemačke da mu pomaže. Karolina ga je doslovno hranila kašikom dok je on satima polirao stakla ne smejući da odvoji ruke sa ogledala!
U noći 13. marta 1781. godine, dok je svojim samograditeljskim dužine 7 stopa sistematski pregledao zvezde u sazvežđu Blizanaca, Heršel je uočio jedan objekat koji nije izgledao kao oštra tačkasta zvezda, već kao mali, zelenkasti disk. Isprva je posumnjao da je reč o nekoj novoj kometi bez repa. Međutim, kada su ruski, francuski i engleski matematičari izračunali orbitu tog objekta, ustanovljeno je nešto zapanjujuće: objekat se kretao po skoro savršenoj kružnoj putanji daleko iza orbite Saturna, na rastojanju od oko 2,8 milijardi kilometara od Sunca! Bilo je to otkriće potpuno nove, sedme planete Sunčevog sistema — planete !
Heršel je u čast engleskog kralja Džordža III želeo novu planetu da nazove 'Georgium Sidus' (Džordžova zvezda), dok su francuski astronomi predlagali ime 'Heršel'. Međutim, na kraju je prihvaćen predlog nemačkog astronoma Johana Boda da se nastavi tradicija grčko-rimske mitologije: pošto su antičke planete dobile imena po bogovima, nova planeta iza Saturna nazvana je — po grčkom bogu praroditelju neba.
Otkriće preko noći je proslavilo . Britanski kralj Džordž III imenovao ga je za zvaničnog kraljevskog astronoma i dodelio mu redovnu godišnju penziju. Ali u tom uspehu jednako mesto pripada i . Karolina je postala među prvim ženama plaćenim za astronomski istraživački rad! Sama je noćima posmatrala nebo manjim teleskopom tragajući za kometama i otkrila čak osam novih kometa. Pored toga, Karolina je revidirala i dopunila čuveni Flamstidov zvezdani katalog, stvorivši nezaobilaznu osnovu za sve astronome 19. veka.
Dodeljena kraljevska sredstva omogućila su Heršelu da ostvari svoj najsmeliji san: izgradnju do tada najvećeg teleskopa u istoriji čovečanstva. U mestu Slau kraj Londona, Heršel je 1789. godine sagradio gigantski dužine cevi od 40 stopa (12 metara), sa ogledalom prečnika 120 centimetara i masom od preko jedne tone! Ova ogromna drvena konstrukcija pokretana je pomoću složenog sistema koturova i užadi. Pomoću ovog džina Heršel je otkrio nove satelite Saturna (Mimas i Encelad) i (Titanija i Oberon).
Pored otkrića planeta i satelita, Heršel je bio prvi naučnik koji je krenuo u sistematsko kartografisanje celokupne naše Galaksije. Metodom 'brojanja zvezda' u različitim pravcima na nebu, zaključio je da je Mlečni put gigantski, spljošten zvezdani disk, jedno 'ostrva zvezda' u kome se naše Sunce nalazi uronjeno. Takođe, Heršel je 1800. godine napravio jedno od najvažnijih fizikalnih otkrića: propuštajući Sunčevu svetlost kroz prizmu i mereći temperaturu termometrom izvan vidljivog crvenog dela spektra, otkrio je nevidljivu toplotno zračenje — infracrvene zrake!
Heršelovu strast za građenjem sve većih teleskopa u 19. veku nastavio je irski plemić , treći grof od Rosa. U svom zamku Bir u centralnoj Irskoj, je 1845. godine konstruisao teleskop nazvan 'Levijatan iz Parsonstona' — čudovišni sa ogledalom teškim četiri tone i prečnikom od čak 180 centimetara (72 inča)! Kroz ovaj gigantski teleskop je prikazao spiralnu strukturu pojedinih maglina, nacrtavši čuvenu spiralnu (). Nije ni slutio da gleda u potpuno drugu galaksiju izvan Mlečnog puta!
4. Merenje nebeskih daljina: Paralaksa, otkriće Neptuna i nebeska kartografija
Iako su astronomi početkom 19. veka znali izuzetno mnogo o kretanju planeta i obliku Sunčevog sistema, jedna drevna, ključna zagonetka još uvek je ostala nerešena: koliko su zvezde zapravo udaljene od nas? Znalo se da moraju biti izuzetno daleko, jer još od doba Aristarha iz Samosa i Kopernika niko nije uspeo da uoči prividno pomeranje zvezda dok se Zemlja okreće oko Sunca. Ali bez tačnog merenja te udaljenosti, celokupna slika Svemira bila je lišena prave razmere.
Metoda koja se čekala vekovima zove se zvezdana — prividna promena položaja bliže zvezde u odnosu na pozadinu nepokretnih, daleko udaljenijih zvezda kada se posmatra sa dve suprotne tačke Zemljine orbite u razmaku od šest meseci (što daje baznu liniju od 300 miliona kilometara). Međutim, pošto su zvezde nezamislivo daleko, ovaj ugao je mikroskopski mali. Za njegovo merenje bili su potrebni instrumenti neuporedivo precizniji od svega što je ljudska ruka do tada napravila.
Velika naučna trka ko će prvi izmeriti zvezdanu dostigla je svoj dramatični vrhunac u kasnim 1830-im godinama. U trci su učestvovala tri vrhunska astronoma: Škot koji je posmatrao zvezdu iz opservatorije na Rtu Dobre Nade, Rus nemačkog porekla koji je posmatrao zvezdu sa opservatorije Pulkovo kraj Sankt Peterburga, i Nemački matematičar i astronom u Kenigsbergu.
Prvi koji je objavio pouzdano merenje bio je . Koristeći specijalni optički instrument zvani '' (teleskop sa podeljenim objektovom koji je izradio ), Besel je tokom 1837. i 1838. godine vršio pedantna merenja zvezde (), koja je izabrana jer je imala veliko sopstveno kretanje. U kasnu jesen 1838. godine Besel je objavio da ugao zvezde iznosi svega 0,314 lučnih sekundi!
Da bismo razumeli koliko je to mali ugao: jedan lučni sekund je 3600-ti deo jednog jedinog stepena! To je ugao pod kojim se vidi debljina jedne ljudske dlake sa udaljenosti od tri stotine metara! Kada je Besel trigonometrijski preračunao taj ugao u stvarno rastojanje, celokupna ljudska civilizacija doživela je dubok kosmički šok: zvezda bila je udaljena od Zemlje preko 103 biliona kilometara (odnosno oko 11 svetlosnih godina)! Zvezde nisu bile bliske svetiljke zakačene za nebesku sferu, već nezamislivo udaljena, gigantska usijana sunca rasuta po bezdanu dubokog Svemira.
Samo nekoliko godina nakon Beselovog trijumfa, odigrao se još jedan od najdramatičnijih događaja u istoriji svetske nauke — otkriće pomoću 'vrha pera' i čiste matematičke fizike.
Nakon otkrića 1781. godine, astronomi su pažljivo pratili njegovo kretanje i izradili precizne tablice njegove buduće orbite na osnovu Njutnovih zakona. Međutim, do 1820-ih i 1830-ih godina primetili su nesto veoma čudno i uznemirujuće: se nije kretao tačno onako kako su matematika i Njutn predviđali! Delovalo je kao da ga neka nevidljiva sila s vremena na vreme usporava ili ubrzava. Mnogi skeptični naučnici počeli su otvoreno da sumnjaju da Njutnov zakon gravitacije uopšte važi na tako ogromnim udaljenostima od Sunca.
Međutim, mladi francuski matematičar u Parizu i mladi engleski student u Kembridžu nezavisno su imali daleko smeliju i genijalniju ideju: Njutnov zakon je savršen, ali iza orbite mora postojati još jedna, do tada nepoznata osma planeta, koja svojom moćnom gravitacijom privlači i skreće sa njegove pravilne putanje!
je proveo mesece u izuzetno teškim proračunima tzv. 'inverznog problema gravitacije': na osnovu sitnih odstupanja u kretanju morao je da izračunava kolika je masa nepoznate planete, kakva je njena orbita i gde se ona tačno nalazi na noćnom nebu. Kada je u septembru 1846. godine završio račun, je poslao pismo nemačkom astronomu u Berlinsku opservatoriju sa kratkom molbom: 'Uperite vaš teleskop u sazvežđe Vodolije na koordinatama koje sam izračunao i tamo ćete pronaći novu planetu'.
Pismo je stiglo u Berlin 23. septembra 1846. godine. Iste te večeri, i njegov mladi asistent Hajnrih d'Are uperili su teleskop u navedenu tačku na nebu. Nakon svega pedeset minuta pretraživanja i poređenja sa zvezdanom kartom, ugledali su modroplavi disk! Bila je to planeta , koja se nalazila na manje od jednog stepena od mesta koje je izračunao na papiru! Čuveni francuski naučnik Fransoa Arago izgovorio je rečenicu koja je ušla u sve udžbenike: 'Gospodin je otkrio novu planetu ne dodirnuvši teleskop — otkrio ju je na samom vrhu svog pera!'.
5. Rađanje astrofizike i hemije zvezda: Spektroskopija, fotometrija i fotografija
Sve do polovine 19. veka, astronomija je bila nauka koja se bavila isključivo položajima, kretanjima, orbitama i nebeskom mehanikom tela. Čuveni francuski pozitivistički filozof je 1835. godine u svom delu 'Kurs pozitivne filozofije' samouvereno izrekao sledeće reči: 'Razumemo oblike, kretanja i udaljenosti planeta i zvezda, ali nikada, ni pod kakvim uslovima, čovek neće moći da sazna njihov hemijski sastav, temperaturu ili fizičku strukturu'. Kont nije ni slutio koliko će ga buran naučni razvoj demantovati u svega četvrt veka!
Revolucija koja je dovela do rađanja moderne započela je skromno, u radionici bavarskog optičara i pronalazača . je bio siroče koje je izraslo u najvećeg majstora za izradu optičkog stakla i sočiva u celoj Evropi. Da bi testirao čistoću i indekse prelamanja stakla, usmeravao je Sunčevu svetlost kroz uski prorez i staklenu prizmu, posmatrajući dobijeni spektar duginih boja pomoću malog teodolita.
Na svoje veliko iznenađenje, je 1814. godine primetio da nije neprekidna duga, već da je ispresecan stotinama tankih, tamnih, crnih linija koje su delovale kao nevidljive prečke! je pedantno kartografisao i ucrtao preko 570 ovih linija (koje danas u njegovu čast zovemo ) i označio ih slovima A, B, C, D, E, F, G. Međutim, zagonetku šta te tamne linije zapravo predstavljaju nije uspeo da razreši pre svoje prerane smrti.
Zagonetka je konačno rešena 1859. godine na , zahvaljujući genijalnoj saradnji fizičara i hemičara . Proučavajući svetlost koju emituju razni hemijski elementi kada se spale u plamenu čuvenog '', i su otkrili tri osnovna zakona :
1. Usijano čvrsto telo, tečnost ili gust gas emituju neprekidni spektar duginih boja.
2. Razređeni usijani gas emituje spektar koji se sastoji od svetlih, obojenih emisionih linija na tačno određenim talasnim dužinama.
3. Ako neprekidna svetlost prolazi kroz hladniji razređeni gas, gas će apsorbovati svetlost na tačno onim talasnim dužinama koje bi sam emitovao kada bi bio usijan, stvarajući tamne apsorpcione linije!
Bilo je to jedno od najveličanstvenijih otkrića u istoriji: te spektralne linije predstavljaju jedinstveni, neponovljivi 'otisak prsta' svakog hemijskog elementa! Ako u spektru Sunca vidimo dvostruku tamnu liniju u žutom delu (D-liniju), to je neoboriv dokaz da se u Sunčevoj atmosferi nalazi pare natrijuma! je postupno pokazala da na Suncu postoje vodonik, natrijum, gvožđe, kalcijum i magnezijum — potpuno isti hemijski elementi od kojih je sačinjena i naša planeta Zemlja!
Ovo otkriće označilo je zvaničan početak moderne . Astronomija više nije bila samo nauka o uglovima i položajima na nebu ('geografija neba'), već fizika i hemija nebeskih tela. Italijanski astronom i jezuitski sveštenik otac Anđelo Seki u Rimu bio je pionir u primeni na zvezde. Seki je pregledao i snimio spektre više od 4.000 zvezda i stvorio prvu spektralnu klasifikaciju zvezda u istoriji, podelivši ih u četiri osnovne klase na osnovu boje i karakterističnih linija. Time je napravljen prvi ključni korak ka razumevanju kako se zvezde rađaju, kako sijaju i kako umiru.
Pored , druga polovina 19. veka donela je još jedan revolucionaran pronalazak koji je zauvek promenio posmatračku astronomiju: primenu FOTOGRAFIJE. Ljudsko oko ima jedno veliko fiziološko ograničenje — ono mrežnjačom ne može da 'akumulira' svetlost tokom vremena. Ako je neki objekat na nebu suviše bled, ljudsko oko ga neće videti bez obzira koliko dugo gledali kroz teleskop. Ali fotografska ploča funkcioniše potpuno drugačije: što duže ostane izložena svetlosti (duga ), to više fotona prikuplja, otkrivajući nepoznate strukture maglina i bledo paukove mreže zvezda koje su za ljudsko oko potpuno nevidljive!
Izgradnja velikih optičkih opservatorija krajem 19. veka, poput Opservatorije Lik (1888) na planini Hamilton i Opservatorije Jerks (1897) kraj Čikaga sa njenim sočivom prečnika 40 inča (102 cm) koje je konstruisao Alvan Klark, u kombinaciji sa astrofotografijom i spektroskopijom, postavila je sve temelje za eksploziju astronomskih otkrića koja će uslediti u 20. veku.
6. Južnoslovenski i srpski pioniri XIX veka: Đorđe Stanojević, Milan Andonović i osnivanje Beogradske opservatorije
Dok su se u Berlinu, Parizu, Londonu i SAD dešavala ova velika naučna otkrića, kako je izgledala situacija u južnoslovenskim zemljama i kneževini/kraljevini Srbiji u 19. veku? Tokom ovog stoleća, nakon oslobođenja od viševekovne osmanske vlasti kroz Prvi i Drugi srpski ustanak, Srbija je prolazila kroz izuzetno brzu i dinamičnu modernizaciju, prihvatajući evropske naučne, obrazovne i prosvetiteljske tekovine.
Ključna centralna figura za rađanje moderne srpske , fizike i primenjene nauke bio je profesor (1858–1921), rodom iz Negotina. Stanojević je bio čovek zapanjujućeg renesansnog duha i neiscrpne energije: profesor i rektor Beogradskog univerziteta, ali ujedno i čovek koji je uneo svetlost u Srbiju — projektovao je i izgradio prve srpske hidroelektrane na Đetinji u Užicu, Vučju kod Leskovca i Sićevu kod Niša, zasnovane na Teslinim principima polifaznih struja!
Nakon završenih studija fizike na Velikoj školi u Beogradu, Stanojević se usavršavao u najpoznatijim svetskim opservatorijama, provodeći nekoliko godina u Pariskoj opservatoriji u Meudonu pod rukovodstvom čuvenog francuskog astrofizičara Žila Jansena. Stanojević se posvetio astrofizici, fizici Sunca i naučnoj fotografiji. Bio je prvi Srbin koji je objavljivao naučne radove iz u prestižnim francuskim naučnim časopisima (Comptes Rendus Francuske akademije nauka u Parizu). Učestvovao je u naučnim ekspedicijama za posmatranje potpunog pomračenja Sunca u Rusiji (1887) i u Alžiru (1905).
Stanojević je bio i strastveni popularizator astronomije među mladima. Godine 1882. objavio je izuzetno popularnu knjigu 'Zvezdano nebo nezavisne Srbije', a zatim i druge naučno-popularne radove, u kojima je na srpskom jeziku objašnjavao savremenu fiziku i astronomiju široj publici.
Drugo znamenito ime ovog doba bio je profesor (1849–1926), inženjer, geodeta i profesor kosmografije i premera na Velikoj školi. Andonović je 1888. godine napisao i objavio monumentalno, kapitalno delo od više od 500 stranica pod naslovom 'Kosmografija'. Ova knjiga predstavljala je pravu enciklopediju nebeske mehanike, kartografije, opšte astronomije i istorije nauke na srpskom jeziku i služila je kao osnovni udžbenik generacijama studenata.
Ipak, najvažniji institucionalni korak u celokupnoj istoriji srpske astronomije dogodio se 26. marta po julijanskom, odnosno 7. aprila po gregorijanskom kalendaru 1887. godine, kada je ministar prosvete Kraljevine Srbije Milan Kujundžić Aberdar potpisao istorijski ukaz o osnivanju Provizorne astronomske i meteorološke opservatorije Velike škole u Beogradu. Za prvog upravnika opservatorije postavljen je profesor (1857–1950), mladi učenjak koji se usavršavao na Pariskoj opservatoriji u Sorboni.
Nedeljković je sa ogromnom energijom, vizijom i neprevaziđenim patriotizmom počeo da nabavlja najsavremenije astronomske i meteorološke instrumente od najboljih evropskih proizvođača iz Francuske i Nemačke. Opservatorija je 1891. godine useljena u namensku, prelepu novu zgradu na Vračaru (današnja zgrada Meteorološke opservatorije u Parku Milutina Milankovića). Time je Srbija već krajem 19. veka dobila zvaničnu, stalnu naučnu ustanovu koja se postepeno opremala i razvijala, otvarajući širom vrata za ulazak domaće nauke i novih generacija astronoma u burni i uzbudljivi 20. vek!
Pregled ključnih pojmova i datuma III dela
1687. — Isak Njutn objavljuje „Principia Mathematica“ i formuliše Zakon univerzalne gravitacije.
1676. — pokazuje da svetlost ima konačnu brzinu posmatrajući pomračenja Jupiterovog satelita Io.
1758. — Povratak potvrđuje periodičnost i trijumf Njutnove nebeske mehanike.
1781. — otkriva novu .
1796–1825. — proučava dugoročne promene orbita i postavlja .
1838. — meri prvu zvezdanu () i određuje udaljenost jedne zvezde.
1846. — i otkrivaju planetu pomoću matematičkih proračuna na vrhu pera.
1859. — i razvijaju spektralnu analizu, označavajući zvanično rađanje moderne .
1887. — Osnovana Astronomska opservatorija u Beogradu pod upravom ; objavljuje pionirske astrofizičke radove.