Studiu de caz: Știința normală în comunitatea astronomilor

Dana Jalobeanu

Ptolemeu și Copernic au multe lucruri în comun, dincolo de faptul că se află, ne spun unii istorici, de o parte și de alta a marii rupturi numite „revoluția științifică”. Sunt, amândoi, astronomi. Aparțin uneia dintre cele mai vechi discipline, una dintre primele discipline științifice propriu-zise, adică una dintre primele discipline care se constituie, conform lui Kuhn, în jurul unei paradigme.

Paradigma, ne spune Kuhn, are mai multe componente. Unele privesc metodele de recunoaștere, formulare și rezolvare ale problemelor. Acestea sunt componentele teoretice. Alte componente țin de practici și instrumente; altele de limbajul și tehnicile de lucru (și calcul). Altele, în fine, de valorile implicite sau explicite ale comunității. Dacă ne uităm la comunitatea astronomilor, aceste componente sunt ușor de recunoscut. Problemele astronomilor se referă, fără excepție, la tehnica de observare a mișcării corpurilor cerești, respectiv la explicațiile pe care astronomul trebuie să le formuleze pentru aceste mișcări.

Care sunt practicile astronomului? E interesant să pornim de la o reprezentare clasică. Faimosul potret al lui Veermeer (Astronomul).

Activitățile astronomului reprezentate aici presupun hărți și texte; un model de univers (globul sferic de pe masă nu este un glob pământesc ci o hartă a cerurilor) și tabele. Pe masă și pe perete sunt și câteva instrumente de măsurare – bine ascuns este un instrument care se numește astrolab: o proiecție în plan a globului către care se îndreaptă mâna astronomului. Pe perete este ceva ce seamănă cu un quadrant. Un instrument de măsurare a unghiului.

Cu două sute de ani înainte de Vermeer, găsim o reprezentare similară a activităților astronomului într-un frumos manuscris iluminat al cărții lui Nicole Oresme, Le livre du ciel et du monde.

Și aici astronomul (numit mathematicus) lucrează tot cu toc și cerneală, plus un model de univers. Acest obiect straniul care re-apare mereu și mereu în reprezentările astronomului reprezintă principalul instrument al astronomiei tradiționale de la Ptolemeu și până la Kepler. Este o sferă armilară (pentru a vedea cum arată, cum se construiește și cum funcționează acest model, vă puteți uita aici).

Presupozițiile teoretice ale paradigmei astronomiei tradiționale: modelul celor două sfere

Ptolemeu și Copernic lucrează cu un model de univers foarte asemănător. Se numește „modelul celor două sfere”(pentru o prezentare foarte introductivă a acestui model vezi aici și aici). Acesta este modelul reprezentat, cu diferite grade de precizie, de diferite sfere armilare. Premisele teoretice ale acestui model sunt următoarele: universul este finit, mărginit și sferic, închis de bolta celestă (pe care astronomii o numesc sfera stelelor fixe, pentru că pe ea se află constelațiile). Există o mare diferență de scară între Pământ și bolta stelelor fixe, ceea ce ne permite să reprezentăm universul în termenii a două sfere: una foarte mică, centrală, alta foarte mare, înglobând totul în ea. La Ptolemeu, sfera cea mică este Pământul, aflat în centrul universului. la Copernicus, ea este Soarele. Putem construi sfere armilare de ambele tipuri, și în slide-urile cursului v-am pus câteva exemple din fiecare (iar la cursul următor vom discuta pe larg și despre modul în care Kepler își construiește propria lui sferă).

Comunitatea astronomilor lucra, prin urmare, cu același model de univers. Avea, oare, și aceeași teorie? Într-un sens da: toți astronomii, până târziu în secolul al XVII-lea, lucrează cu niște premise teoretice comune dintre care cea mai puternică este ceea ce am putea numi „ficțiunea traiectoriilor circulare”.

Ficțiunea traiectoriilor circulare vine încă de la Platon (o găsiți în Timaeus). Ea este formulată de Aristotel în chip de condiție de lucru a astronomiei: lumea stelelor, spune Aristotel, nu este supusă devenirii. Generarea, corupția, mișcarea propriu-zisă, se consumă în sfera sublunară. Tot ce este deasupra sferei Lunii este etern și neschimbător. De asta, astronomul poate folosi, pentru a descrie și explica mișcările corpurilor cerești, matematica (știința celor eterne și neschimbătoare, însă abstracte & nemateriale). În această lume care nu e supusă devenirii, stelele și planetele sunt subiectul unor „mișcări perfecte”. Mișcarea perfectă (cea care nici nu accelerează, nici nu încetinește, este mereu egală cu sine și nici nu se termină vreodată) este cea a sferelor. Stelele și planetele trebuie să se miște „sferic”.

Dar stați puțin: nu sunt planetele „stele rătăcitoare”? Cum se pot ele mișca „sferic”? Exact asta are de făcut astronomia: ea trebuie să împace observațiile mișcărilor pe bolta cerească cu aceste condiții teoretice „tari”. Și să nu credeți că e ușor

Problemele astronomiei

Kuhn ne spune că o caracteristică a paradigmei este faptul că întreaga comunitate știe care sunt problemele „bine puse”, problemele pe care le are de rezolvat. Astronomia tradițională are o clasă de probleme care ar putea fi descrisă de o sintagmă clasică: salvarea fenomenelor.

Fenomenele sunt mișcările neregulate ale planetelor pe cer. Lucru ușor de observat dacă vă uitați puțin la fazele lunii. Sau la mișcarea unor planete pe cer mai multe zile. Mai jos e o reprezentare a traiectoriei aparente a planetei Marte, așa cum rezultă ea dintr-o serie de observații pe care le puteți face și voi dacă vă apucați, într-o vacanță mai lungă, să vă notați pozițiile acestei planete pe cer.

Wikipedia ne oferă și o animație a mișcării retrograde, aici

Ce se vede cu ochiul liber este că planeta se mișcă uneori mai repede, alteori mai încet, uneori de la stânga la dreapta, alteori de la dreapta la stânga (ultima se numește mișcarea retrogradă a unei planete).

Cum se poate explica această traiectorie neregulată păstrând ficțiunea mișcării circulare? Iată ce are de făcut astronomul. Și iată la ce folosesc instrumentele sale care modelează universul. Sfera armilară este o construcție care nu are decât „cercuri” (sfere de diferite dimensiuni). Cu ea avem de modelat mișcările neregulate descrise mai sus.

Metodele de rezolvare ale unor astfel de probleme sunt destul de bine sistematizate (și mereu aceleași). Ele revin la introducerea unor ficțiuni matematice numite epicicluri și ecuanți.

Colegii de la Universitatea Oregon au construit nai multe tipuri de animație cu ajugorul cărora putem înțelege mai bine ce sunt aceste obiecte matematice, pe larg descrise aici. Iată cum arată una dintre ele.

Un epiciclu animat găsiți și aici. Principiul este simplu: în loc să ne imaginăm că planeta Marte se învârte în jurul Pământului pe o traiectorie circulară cu centrul în centrul Pământului, ne-o reprezentăm ca rotindu-se pe o traiectorie compusă din mișcarea a două cercuri. Un cerc mare, al cărui centru este undeva în aproprierea Pământului (ca în imaginea de mai sus), și un cerc mai mic, al cărui centru se mișcă pe cercul cel mare. Planeta e de fapt situată pe cercul cel mic și execută două mișcări de rotație, sau o mișcare compusă. Fiecare dintre cele două mișcări circulare este uniformă, ficțiunea cercului este respectată. Mișcarea compusă, însă, mișcarea aparentă a planetei pe cer, apare astfel ca neregulată.

Putem reduce mare parte dintre problemele tradiționale ale astronomiei la un model comun. Și putem vedea cum marea majoritate a astronomilor lucrează cu astfel de probleme, clar definite de paradigmă.

„Revoluția” lui Copernic: de ce nu avem o schimbare de paradigmă?

În 1452, când publică cartea numită Despre revoluțiile sferelor cerești, Copernic se desparte în mod radical de Ptolemeu. Dar nu e revoluționar (în sens kuhnian). Pentru Copernic, „revoluție” înseamnă pur și simplu mișcarea unei planete în jurul unui punct central. Și totuși, teoria pe care el o propune presupune o foarte importantă schimbare de perspectivă. În prefața cărții sale, Copernic vorbește despre „scandalul” și „criza” astronomiei ptolemaice, despre inflația de epicicluri și ecuanți, despre necesitatea de a reveni la modelul de univers platonico-(pitagoreico) -aristotelic, la simplitatea începuturilor. Prefața lui Copernic e o bijuterie (și mulți istorici ai științei nici nu mai citesc cartea, ci vorbesc direct de Revoluția Copernicană). Însă Despre revoluțiile sferelor cerești are și ea porția ei de epicicluri și ecuanți. Căci simplitatea inițală, pe care Copernicus spera să o obțină înlocuind, în centrul Universului, Soarele cu Pământul, este foarte greu de obținut. Chiar dacă, în anumite diagrame, universul lui Coperinic arată așa:

De fapt lucrurile sunt mai complicate (dar va trebui să așteptați semestrul II și cursul de Filosofie naturală pentru a afla de ce :)).

Să observăm doar că din perspectivă kuhniană, paradigma copernicană și cea ptolemaică par să aibă niște trăsături comune. Ele folosesc același model al mișcării circulare, aceleași instrumente de modelare (sfera armilară, astrolabul), aceleași modele matematice de rezolvare, același tip de observații.

Observația astronomică

Cum arată observațiile astronomice? Aici, din nou, practicile astronomilor sunt foarte asemănătoare: ei observă poziția planetei pe cer și o exprimă în grade, minute și secunde de arc. Istrumentele lor sunt foarte simple și arată așa

Firul cu plumb determină verticala locului, iar brațul mobil al instrumentului de-a lungul căruia ne uităm se mișcă de-a lungul unei rigle gradate (aici e dreaptă, dar ea poate fi circulară) care ne măsoară unghiul sub care se vede planeta pe cer.

Într-o formă mai sofisticată, acest instrument poate arăta ca în tabloul lui Vermeer (camuflat sub catifea se află un cuadrant, care face cam aceeași treabă ca și compasul simplu reprezentat mai sus). La sfârșitul secolului al XVI-lea, un mare astronom, poate cel mai mare dintre astronomii observaționali renascentiști, Tycho Brahe, se apucă să reformeze instrumentele astronomice: să le facă mai mari și mai precise. Dar principiul este același

Tabelele astronomice

Rezultatele acestor observații se trec în tabele astronomice. Cu ajutorul acestora, astronomul poate sistematiza observațiile și „urmări” deplasarea unor obiecte pe cer. Tabelele astronomice sunt una dintre cele mai durabile caracteristici ale astronomiei tradiționale. Din antichitate în Evul Mediu, în Renaștere și modernitate, astronomii fac și citesc tabele. Acestea circulă chiar și atunci când teoria se schimbă (cu Copernic) și continuă să circule chiar și atunci când paradigma se schimbă (cu Kepler). Tabelele astronomice reprezintă un obiect de studiu foarte interesant pentru istoricul (și filosoful) științei. Oare de unde le vine această stabilitate? Găsiți în slide-urile de curs numeroase exemple de astfel de tabele și alte câteva întrebări care vă îndeamnă la reflecție.

Elementele științei normale: recapitulare

• Teoria celor două sfere
• Probleme comune (reprezentarea pozițiilor și traiectoriilor aparente cu instrumentele teoriei celor două sfere, epiciclurile și ecuanții)
• Instrumente comune
• Puzzle-solving și mopping up: cum putem face tabele mai precise, îmbunătăți observațiile, îmbunătăți instrumentele, face predicții, îmbunătăți acuratețea calendarului lunar, prezice eclipse etc.
• Probleme ceva mai serioase: ordinea și mișcarea planetelor (aici există variații între astronomi, iar „revoluția” copernicană se poate citi ca o reordonare și re-organizare a modelului celor două sfere)
• Anomalii: comete, stele noi

Întrebare la care vă rog să reflectați:

Când are loc, de fapt revoluția astronomică? Ce o determină?

Further reading

Ceva ușor: o poveste a dezordinii din revoluția științifică

Arthur Koestler, Lunaticii, traducere de V. Tonoiu, Humanitas, 1996

Ceva mai serios:

Robert Westman, The Copernican Question. Prognostication, Skepticism and Celestial Ordern, University of California Press, 2011