3.Kalandozások a világegyetem óraművében
Egy éjjel azt álmodtam, hogy be vagyok zárva apám órájába, Ptolemaiosszal és a gömbökbe foglalt huszonegy rubincsillaggal; az Első Mozgató ott
tekergett és csillámlott az űrben, a fogazott körök egymás bőrébe martak, hogy belekapaszkodjanak az időbe; s ekkor csukódott rám a fedél.
Toth Ciardi: Apám órája
Amint azt Shovell admirális és Anson sorhajókapitány példája is mutatja, még a legkiválóbb tengerészek is elbizonytalanodtak, amint elvesztették szemük elől a szárazföldet, mert a tenger nem kínált semmilyen tájékozódási pontot a hosszúsági kört illetően. Az ég viszont táptalaja lett a tengerészek reményeinek. Hátha van olyan módszer, mellyel ki lehet olvasni a hosszúsági fokot az égitestek állásából.
Az égen a nappalból szürkület lett, majd éjszaka; az eltelt hónapokat a Hold fázisai mérték, az évszakok váltakozását pedig a napforduló, illetve a napéjegyenlőség. A keringő, önmagában is forgó Föld maga is fogaskerék volt az univerzum óraművében, és az emberek már a legősibb korokban felhasználták mozgását az idő meghatározására.
Amikor a tengerjárók a csillagok felé fordították tekintetüket, hogy segítséget kapjanak a navigáláshoz, feltalálták az iránytű és az óra kombinációját. A konstellációk - kiváltképpen a Kisgöncöl, a Sarkcsillaggal a rúdjában - megmutatták a utat - feltéve persze, hogy az ég tiszta volt. Nappal a Nap nem csak irányt mutatott, de ha követték útját, akkor elárulta az időt is. Hajnalban narancsszínű korongként emelkedett ki keleten az óceánból, azután sárgára, majd vakító fehérre váltott, ahogyan emelkedni kezdett, majd délben megállt pályája csúcsán - hasonlóan a feldobott labdához, mely egy pillanatra megáll a levegőben, nyugalmi állapotban az emelkedés és a lehullás között. Ez volt a nap közepe. A homokórákat mindig ekkor állították be. Most már semmi másra nem volt szükség, csak valamilyen csillagászati jelenségre, mely elárulja az időt valahol máshol. Például ha Madrid felett éjfélre jelezték előre a teljes holdfogyatkozást, és a Nyugat-India felé tartó hajósok a jelenséget a saját óráik szerint tizenegykor észlelték, akkor tudták, egyórányival vannak Madrid előtt, vagyis a hajó tizenöt hosszúsági fokkal nyugatra található a várostól.
A nap- és holdfogyatkozások sajnálatosan ritkán következtek be azonban ahhoz, hogy a navigáció alapjául szolgálhassanak. Kis szerencsével az ember reménykedhetett benne ugyan, hogy egy évben egyszer meg tudja állapítani a helyzetét ezzel a technikával, de a tengerészeknek a navigációhoz mindennapos égi eseményre volt szükségük.
A német csillagász, Johannes Werner már 1514-ben azon fáradozott, hogy a Hold mozgását használja fel a helyzetmeghatározáshoz. A Hold nagyjából a saját átmérőjével megegyező utat jár be minden órában. Éjjel ebben a tempóban halad végig a mindeközben változatlan helyzetű csillagok mezőjén. Nappal (márpedig ilyenkor a Hold minden hónap felében szabad szemmel is látható) a Nap felé, illetve ellenkezőleg mozog.
Werner azt javasolta, hogy az asztronómusoknak fel kellene állítaniuk egy térképet a Hold útjába eső csillagok elhelyezkedéséről, és előre meghatározniuk, hogy a Hold mikor fog a közelükben járni - minden holdas éjszakára, hónapról hónapra, akár évekre előre. És a Nap, illetve a Hold nappali relatív pozícióit is hasonlóképpen kellene feltérképezni. A csillagászok ezáltal képesek lennének táblázatokat előállítani a Hold által bejárt útvonalról, mellékelve az adott csillagokkal való találkozások idejét egy ponthoz képest - ez lehetne Berlin, esetleg Nürnberg -, melynek a hosszúsági foka ezután szolgálhatna nulla kiindulópontként. Felfegyverkezve ezzel az információval, a navigátor egy adott időpontot, amikor észlelte a Hold és az adott csillag pozícióját, össze tudja vetni azzal az idővel, amikor ugyanez bekövetkezik a kiindulópont felett is. A hosszúsági kör meghatározása ezután már gyerekjáték: ki kellett számítani a két hely közti időbeli különbséget, a kapott számot tizenöt fokkal fel kellett szorozni.
A legnagyobb problémát az okozta, hogy a “holdtávolság metódus” a csillagok pozícióján alapult, mely akkoriban egyáltalán nem volt ismert. Ezenkívül nem akadt olyan csillagász, aki pontosan meg tudta volna mondani, mi lesz a Hold helyzete a következő éjjel vagy nappal, hiszen a Hold mozgását meghatározó törvények zömét akkoriban még homály fedte. A tengerészeknek olyan eszköz sem állt a rendelkezésére, mellyel le tudták volna mérni a Hold-csillag távolságot egy hánykolódó hajó fedélzetén. Werner ötlete jócskán megelőzte korát. A kozmikus helyzet-meghatározás még váratott magára.
1610-ben azután, majdnem egy évszázaddal Werner szerénytelen javaslata után, Galileo Galilei padovai erkélyén állva csodálatos dolgokat fedezett fel. Egyikeként azoknak, kik teleszkópjukat az égnek fordították, Galilei zavarba ejtő gazdagságnak lehetett szemtanúja: megfigyelhette a Hold hegységeit, a Nap foltjait, a Vénusz fázisait, gyűrűket a Szaturnusz körül (melyet ő egymáshoz közel keringő holdakként azonosított), és négy szatellitát, melyek ugyanúgy keringtek a Jupiter körül, mint a bolygók a Nap körül. Ez utóbbiakat Galilei Mediceán-csillagoknak nevezte el. Ezáltal felhasználva az új holdakat arra, hogy szívességet tegyen vele firenzei patrónusának, Cosimo Medicinek. Galilei legalább olyan pontosan meglátta, mennyiben lehet hasznára a felfedezése a hajósoknak, mint saját magának.
Galilei ugyan nem volt tengerjáró, de ismerte a hosszúsági körök problémakörét - korának minden valamire való természettudósával együtt. Az elkövetkezendő több mint egy évben türelmesen megfigyelte a Jupiter holdjait, kiszámította keringési idejüket, és hogy hányszor tűnnek el a parányi égtestek az óriás árnyékában. A planetáris holdak eme táncából azután kidolgozta a megoldást. A Jupiter holdjainak fogyatkozása, állította, évente ezerszer történik meg - és az események annyira kiszámíthatóak, hogy órát lehet hozzájuk igazítani. Megfigyelései alapján táblázatokat készített, melyben több hónapos időtartamra kivetítve feldolgozta az egyes szatelliták eltűnési, illetve feltűnési periódusait, és megálmodta a kort, amikor majd egész flották indulnak útnak az ő asztronómiai mozgásokat leíró táblázatai alapján, melyek efemeridák néven váltak ismertté.
Galilei tervéről írt III. Fülöp spanyol királynak is, aki gazdag, spanyol dukátokban fizetendő életjáradékot ajánlott fel a “földrajzi hosszúság felfedezőjének”. Mikorra Galilei benyújtotta sémáját a spanyol udvarhoz - közel húsz évvel azután, hogy 1598-ban bejelentették a díj kitűzését -, addigra szegény Fülöp már jócskán belefáradt a mindenféle labilis, működésképtelen elképzelésbe. Udvari emberei végül azon az alapon utasították el Galileit, hogy a hajósoknak nehézségekbe ütközne a vízi járművek fedélzetéről megfigyelni a szatellitákat - és minden bizonnyal nem reménykedhetnek abban, hogy elég gyakran, vagy elég könnyen megláthassák őket ahhoz, hogy az egész navigációt ezekre építsék. Végül is ennek a jupiteri órának a mutatóit lehetetlen nappal megfigyelni, amikor a bolygó vagy teljesen hiányzik az égboltról, vagy elhomályosítja a Nap fénye. Az éjjeli megfigyelés csak az év bizonyos szakaszaiban járható út, és ilyenkor is csak akkor, ha tiszta az égbolt.
A nyilvánvaló nehézségek ellenére Galilei egy speciális navigációs sisakot is tervezett a jupiteri szatellitákkal való tájékozódáshoz. A fejrevaló - a celatone - külsőleg egy rézből készült gázmaszkra emlékeztet, melynek egyik szemnyílásához egy teleszkópot erősítettek. Az üresen hagyott nyíláson át a megfigyelő szabad szemmel is azonosíthatta a Jupiter erősebb fényét az égbolton, míg a teleszkóp lehetővé tette a bolygó holdjainak vizsgálatát.
A fáradhatatlan kísérletező Livorno kikötőjében bemutatók során próbálta meg igazolni szerkezete használhatóságát. Bár még egyik tanítványát is utasította, hogy egy hajó fedélzetén folytasson különböző teszteket, a metódus mégsem szerzett magának támogatókat. Ugyanakkor magának Galileinek is be kellett ismernie, hogy még a szárazföldön is előfordulhat, hogy a megfigyelő szívének egyetlen nagyobb dobbanására a Jupiter egésze kikerül a teleszkóp látószögéből.
Mindezek ellenére Galilei minden erejével megpróbálta a módszert rásózni a toszkán kormányzatra, illetve a németalföldiekre, ahol szintén nagyobb pénzjutalmak vártak gazdájukra. Nem sikerült begyűjtenie a díjak egyikét sem, habár a holland kormány egy aranylánccal hálálta meg fáradozásait a hosszúsági fokszámítás problematikájának terén.
Galilei ragaszkodott holdjaihoz (melyeket joggal hívunk Galilei-holdaknak) egész hátralévő életében, és hűségesen követte mozgásukat, mígnem túl öreg és túl vaksi lett ahhoz, hogy láthassa őket. Amikor 1642-ben meghalt, az érdeklődés a holdak iránt nem szállt a sírba vele. A hosszúsági fokok fellelésének Galilei-féle metódusa 1650 utánra általánosan elfogadott lett de csak a szárazföldön. A földmérők és a térképészek ezt a technikát használták fel, hogy újrarajzolják világképünket. És éppen a térképészet területe lett, ahol a hosszúsági fokok meghatározásának képessége első dicső tettét véghezvitte. A korábban készült térképek jócskán alábecsülték a kontinensek közötti távolságot, ugyanakkor jelentősen felnagyították az egyes országok kerületét. Ezután már globális léptékek alkalmazásával készülhettek a hivatalos térképek, az égitestek segítségével. XIV. Lajos francia királynak meg is gyűlt a baja a pontos hosszúsági fokméréseken alapuló térképekkel, és állítólag arról panaszkodott, hogy nagyobb területeket vesztett el országából csillagászai keze által, mint ellenségei miatt.
A Galilei-metódus sikere arra indította a térképészeket, hogy zajosan követeljék a jupiteri holdak pályájának pontosabb előrejelzését. Az egyes fázisok idejének pontosabb mérése ugyanis nagyobb térképészeti precizitást tett volna lehetővé. Miután az egyes királyságok határa volt a tét, számos asztronómus talált megélhetést abban, hogy a holdakat figyelte, és tökéletesítette a nyomtatott táblázatokat. 1668-ban Giovanni Domenico Cassini, a bolognai egyetem asztronómiaprofesszora publikálta az akkori legjobb sorozatot, mely számtalan, a lehető leggondosabban végrehajtott megfigyelésen alapult. Cassini alaposan kidolgozott efemeridáival megszolgálta azt is, hogy meghívást kapjon a Napkirály párizsi udvarába.
XIV. Lajosnak, bármennyire is zsörtölődött zsugorodó birtokai miatt, a tudomány volt a gyengéje. 1666-ban áldását adta miniszterelnöke, Colbert szellemi gyermekére, a French Académie Royale des Sciences-re, és szintén Colbert unszolására, valamint az egyre növekvő nyomásra válaszul jóváhagyta egy Párizsban létrehozandó csillagászati obszervatórium tervét is. Colbert ezután egy sor híres külföldi tudóst Franciaországba csábított, hogy feltöltse az akadémia sorait, illetve az obszervatórium állományát. Így lett előbbinek alapító tagja Christiaan Huygens, és Cassini vezetője az utóbbinak. (Huygens egy idő után végül hazatért Németalföldre, és több alkalommal is járt Angliában a földrajzi hosszúság kérdésében, de Cassini gyökeret vert Franciaországban, és soha többé nem hagyta el az országot. Az 1673-ban hivatalosan is francia állampolgárrá váló tudós a történelembe is francia csillagászként került be, és manapság is legalább annyiszor írják nevét Jean Dominique-nek, mint Giovanni Domenicónak).
Az új obszervatóriumban betöltött posztja lehetővé tette, hogy követeket menesszen Dániába, az “égi kastély”, Uraniborg romjaihoz, melyet az a Tycho Brache épített, aki minden idők legnagyobb, szabad szemmel dolgozó asztronómusa volt. Felhasználva a két helyszínt, Párizst és Uraniborgot érintő megfigyeléseket, Cassini jóváhagyta mindkettő szélességi, illetve hosszúsági fokát. Cassini ezenkívül több lengyel és német csillagvizsgálót is felszólított az együttműködésre abban a nemzetközi kutatásban, melyet a földrajzi hosszúság meghatározására szentelt, és melyben a Jupiter holdjainak mozgását vette alapul.
A lázas tevékenység kellős közepén történt, hogy a párizsi obszervatóriumban vendégeskedő dán csillagász, Olaf Roemer meglepő felfedezést tett: Mind a négy jupiteri holdnak a vártnál előbb bekövetkezett a holdfogyatkozása, ha a Föld Nap körüli pályáján a legközelebbre került a Jupiterhez. Hasonlóképpen elmaradtak néhány perccel a menetrendtől, amikor a Föld a lehető legtávolabb járt a Jupiterhez képest. Roemer ebből - helyesen - azt a következtetést vonta le, hogy a magyarázat a fény sebességében keresendő. A fogyatkozások nyilvánvalóan csillagászati rendszerességgel következtek be, ahogyan ~, csillagászok is állították, de az időpont, amikor a jelenség a Földön is megfigyelhetővé vált, függött a távolságtól, melyet a Jupiter holdjainak fénye utazott a téren keresztül.
Egészen idáig úgy gondolták, hogy a fény egy szempillantás alatt jut el egyik helyről a másikra, és nincs véges sebessége, mely mérhető lenne az ember számára.
Roemer azt is felismerte, hogy a korábbi kísérletek a fénysebesség mérésére azért buktak el, mert a vizsgált távolság túlságosan rövid volt. Galilei például hiábavaló kísérleteket tett arra, hogy a fény haladási sebességét egy lámpás segítségével két itáliai dombtető között mérje le, mert hiába mászott ő, illetve segítője egyre magasabbra a dombokon, a sebességben nem lehetett észlelni semmilyen különbséget. De Roemer jelenlegi, jóllehet nem szándékos kísérletében a földi asztronómusok egy másik világ árnyékából felénk tartó fényt figyelhettek meg. A planéták közti irdatlan távolságokon mutatkoztak bizonyos eltérések a fény érkezési idejében. A várható fogyatkozási idő figyelembevételével Roemer már 1676-ban lemérte a fény sebességét (bár egy kicsit alábecsülte a korunkban elfogadott 300 000 km/s fénysebességet).
Angliában mindeközben azt a hiábavaló ábrándot kergették, hogy a földrajzi hosszúság megtalálható a hajó mágneses iránytűjének elhajlási szöge alapján. II. Károly király, a világ legnagyobb kereskedőflottájának feje szorító szükséget érzett a probléma feloldására, és elkeseredetten reménykedett benne, hogy a megoldást végül az ő országa nyújtja át a világnak. Károly minden bizonnyal elégedett volt, amikor ágyasa, egy fiatal francia, Louise de Keroualle egy apró hírecskét juttatott el a fülébe: Egyik honfitársa nemrégiben döntő felfedezést tett a földrajzi koszszúság kérdésében, és éppen mostanában kelt át a Csatornán, hogy Őfelségétől egy kihallgatást kérjen. Károly beleegyezett abba, hogy fogadja a férfit.
St. Pierre, a francia uraság fittyet hányt a Jupiter holdjaira, mint a helymeghatározás eszközeire, habár akkoriban szinte Jupiter-láz tombolt Párizs-szerte. Ő, mint elmondta, személy szerint a Föld holdjában bízott, és felajánlotta, hogy a földrajzi hosszúságot a Hold és néhány kiválasztott csillag segítségével állapítja meg - nagyjából úgy, ahogy Johannes Werner is javasolta százhatvan évvel korábban. A király eléggé érdekesnek találta az ötletet ahhoz, hogy királyi különbizottságot nevezzen ki az erőfeszítések felügyeletére, melynek tagja lett Robert Hooke, a polihisztor, aki egyaránt otthon érezte magát a teleszkóp és a mikroszkóp mögött, valamint Christopher Wren, a Szent Pál-katedrális építésze.
St. Pierre teóriájának értékelésekor szakértőként meghallgatták John Flamsteedet, a huszonhét éves csillagászt is. Flamsteed jelentése a metódust elméletben helytállónak nevezte ugyan, de szélsőséges körülmények között alkalmazhatatlannak. Habár az idők során egy sor megfigyelőeszköz került kifejlesztésre - hála Galilei hatásának -, alkalmas csillag-térkép és Hold-pálya-leírás továbbra sem akadt.
Flamsteed, korával és kurázsijával az oldalán, azt javasolta a királynak, hogy a szituációra talán egy olyan csillagvizsgáló szolgáltathatna megoldást, melynek személyzete elvégezné a szükséges munkát. A király elfogadta a feltételt, ezenkívül kinevezte Flamsteedet első személyes “asztronómiai megfigyelőjének” - a titulust később királyi asztronómusra változtatták. A greenwichi obszervatórium alapító okiratában a király megbízta Flamsteedet, hogy “járjon el a legnagyobb körültekintéssel és igyekezettel az égitestek mozgását és az állócsillagok helyzetét leíró táblázatok kiigazítása érdekében, hogy meghatározhassák az annyira áhított földrajzi hosszúságot a tengeren is, ezáltal tökéletesítve a navigáció tudományát”.
Flamsteed későbbi számadásában a történteket illetően azt írta, hogy Károly király “semmiképpen nem akarta megfosztani a hajótulajdonosokat és tengerészeket semmilyen segítségtől, melyet az égbolt nyújtani tudott, ezáltal téve biztonságosabbá a navigációt”.
A Királyi Obszervatórium megalapítását tehát, akárcsak korábban párizsi társáét is, az a filozófia vezérelte, hogy a csillagászat egymagában eszközül szolgálhat a probléma megoldására. Minél előbb katalogizálják az összes messzi csillagot, annál előbb lesznek képesek a hajósok az óceánok biztonságos átszelésére.
A királyi különbizottság tagja, Christopher Wren lett az új Királyi Obszervatórium tervezője. Az épület, melynek helye, ahogy a királyi rendelkezés is kimondta, a Greenwich Park legmagasabb pontja lett, magában foglalt egy lakrészt Flamsteed és egy asszisztense elhelyezésére is. Hooke megbízott felügyelte a munkálatokat, melyek 1675 júliusában kezdődtek meg, és kis híján egy évet emésztettek fel.
Flamsteed a rákövetkező májusban foglalta el rezidenciáját (abban az épületben, melyet még ma is Flamsteed-háznak neveznek), és októberre már megfelelő műszerezettséggel rendelkezett ahhoz, hogy istenigazából munkához láthasson. Négy évtizeden át mást sem csinált, csak a feladattal foglalkozott. Az általa szerkesztett rendkívüli csillagkatalógus csak halála után, 1725-ben látott napvilágot. Ekkorra Sir Isaac Newton gravitációval kapcsolatos munkássága már kezdte szétoszlatni a Hold mozgásával kapcsolatos zűrzavart, s ez a haladás továbbra is életben tartotta a reményt, hogy egy napon az égbolt felfedi a hosszúsági körök titkát.
Mindeközben, távol az asztronómusok lakta hegytetőtől, a kézművesek és órakészítők a hosszúsági helymeghatározás megoldásának egy másik alternatívájával kísérleteztek. Az ideális navigációról szőtt reményteli álmokban a kapitány hajókabinja kényelmében állapíthatta meg hosszúsági helyzetét, összehasonlítva saját zsebóráját egy konstans órával, mely elárulta neki az otthoni kikötő pontos idejét ugyanabban a pillanatban.