Kto odkryl, ze Ziemia jest okragla? Historia i dowody

Przekonanie, że Ziemia jest okrągła, nie jest wynalazkiem epoki nowożytnej ani rezultatem podróży Kolumba, lecz sięga co najmniej VI wieku przed naszą erą, kiedy to greccy filozofowie jako pierwsi w historii zachodniej myśli zaczęli formułować tę tezę na podstawie logicznych rozważań i systematycznych obserwacji przyrody. Przez kolejne stulecia uczeni dostarczali coraz dokładniejszych dowodów i obliczeń potwierdzających kulistość Ziemi. Historia tego odkrycia jest fascynującą opowieścią o metodycznym dążeniu do wiedzy i o tym, jak starożytna nauka osiągała wyniki, które współcześni mogą podziwiać z wyprzedzającą swój czas precyzją.

Warto na wstępie rozwiać powszechny mit, który głosi, że w starożytności i wiekach średnich ludzie powszechnie wierzyli w płaski kształt Ziemi. W rzeczywistości wykształcone osoby w tamtych epokach doskonale wiedziały o kulistości naszej planety. Przekonanie to było powszechne wśród greckich i rzymskich uczonych już od IV wieku p.n.e., a w wiekach średnich teolodzy i filozofowie chrześcijańscy nigdy oficjalnie go nie kwestionowali. Mit o powszechnej wierze w płaską Ziemię w przeszłości jest nowożytnym nieporozumieniem historycznym, spopularyzowanym dopiero w XIX wieku przez niektórych pisarzy popularnonaukowych.

Pierwsze koncepcje kształtu Ziemi w starożytności

Najwcześniejsze kultury ludzkie wyobrażały sobie Ziemię jako płaski dysk lub inną płaską formę otoczoną wodą lub podtrzymywaną przez mityczne istoty. Babilończycy wyobrażali sobie Ziemię jako okrągły dysk unoszący się na oceanie. Starożytni Egipcjanie mieli różne wyobrażenia kosmologiczne, podobnie Sumerowie. Koncepcja ta była powszechna i intuicyjna, wynikająca z codziennych obserwacji: płaski horyzont, płaskie tereny rolnicze, płaskie morze.

Przełom intelektualny nastąpił w starożytnej Grecji, gdzie rozwinęła się tradycja filozoficznego i matematycznego rozumowania opartego na obserwacji. To w tym środowisku zrodziły się pierwsze poważne argumenty na rzecz kulistości Ziemi.

Pitagoras i filozoficzne przesłanki kulistości

Za pierwszego myśliciela, który zaproponował kulisty kształt Ziemi, uznawany jest Pitagoras z Samos, grecki filozof i matematyk żyjący około 570-495 roku p.n.e. Jego przekonanie wynikało jednak nie tyle z obserwacji empirycznych, ile z filozoficzno-matematycznych rozważań estetycznych. Pitagoras i jego uczniowie wierzyli, że kula jest kształtem najdoskonalszym, najbardziej harmonijnym i symetrycznym spośród wszystkich brył geometrycznych. Jeśli zatem Ziemia jest ważnym ciałem kosmicznym, powinna mieć kształt kuli jako wyraz matematycznej doskonałości.

Choć argumentacja pitagorejska miała charakter bardziej filozoficzny niż empiryczny, odegrała ogromną rolę jako punkt wyjścia dla późniejszych myślicieli. Szkoła pitagorejska wpłynęła na kolejne pokolenia filozofów greckich, którzy zaczęli poszukiwać obserwacyjnych dowodów na tę teorię. Niektórzy pitagorejczycy głosili ponadto, że Ziemia nie jest centrum wszechświata, co było niezwykle odważną tezą na tamte czasy.

Inne wczesne poglądy na kształt Ziemi reprezentowali filozofowie jońscy. Anaksymander (ok. 610-546 p.n.e.) uważał Ziemię za cylindryczny bęben zawieszony w przestrzeni, co choć nieprawidłowe, było pierwszą koncepcją zakładającą, że Ziemia nie spoczywa na żadnej fizycznej podporze. Anaksymenes (ok. 585-525 p.n.e.) wyobrażał sobie Ziemię jako płaski dysk unoszący się w powietrzu.

Arystoteles i pierwsze empiryczne dowody

Przełomem w historii poznania kształtu Ziemi były prace Arystotelesa (384-322 p.n.e.), który jako pierwszy zgromadził konkretne obserwacyjne argumenty na rzecz kulistości planety. W dziele O niebie (gr. Peri Ouranou, łac. De Caelo) Arystoteles przedstawił kilka rozumowań, które do dziś uznawane są za modelowe przykłady starożytnego myślenia naukowego:

• Kształt cienia Ziemi podczas zaćmień Księżyca: Arystoteles zauważył, że cień rzucany przez Ziemię na tarczę Księżyca podczas zaćmień ma zawsze kształt okrągły lub łukowy. Jeśliby Ziemia była płaskim dyskiem, jej cień byłby elipsą lub wąską linią w zależności od kąta obserwacji. Ponieważ cień jest zawsze okrągły niezależnie od pory roku, Ziemia musi mieć kształt kuli.
• Znikające statki za horyzontem: Obserwując statki wpływające na morze, można zauważyć, że najpierw za horyzontem znikają kadłuby, a dopiero potem maszty. Gdyby Ziemia była płaska, całe statki znikałyby stopniowo jako malejące punkty. Zaobserwowany efekt można wyjaśnić jedynie kulistością powierzchni wodnej.
• Zmiana widocznych gwiazdozbiorów wraz z szerokością geograficzną: Podróżując z północy na południe lub odwrotnie, można zaobserwować, że pewne gwiazdy pojawiają się nad horyzontem, podczas gdy inne znikają. Arystoteles wskazywał, że gwiazdy widoczne w Egipcie nie są widoczne w północnej Grecji. To zjawisko jest możliwe tylko na kulistej powierzchni.

Arystoteles podał też przybliżoną wartość obwodu Ziemi wynoszącą 400 000 stadiów, obliczoną przez bliżej nieokreślonych matematyków. Był to wynik zawyżony, ale sam fakt podawania konkretnej liczby świadczy o tym, że starożytni uczeni rozumieli nie tylko kształt, lecz i skalę naszej planety.

Eratostenes i pierwsze precyzyjne obliczenia obwodu Ziemi

Triumfem starożytnej nauki był pomiar obwodu Ziemi dokonany przez Eratostenesa z Cyreny (ok. 276-194 p.n.e.), greckiego uczonego, geografa i matematyka, piastującego urząd kierownika słynnej Biblioteki Aleksandryjskiej. Około 240 roku p.n.e. Eratostenes przeprowadził obliczenie, które do dziś uważane jest za wzorzec naukowego geniuszu.

Eratostenes wiedział z relacji podróżników, że w mieście Syene (dzisiejszy Asuan w Egipcie) w dniu letniego przesilenia słońce stoi dokładnie w zenicie: pionowy kij nie rzuca żadnego cienia, a odbicie słońca widać na dnie głębokiej studni. W tym samym momencie w Aleksandrii, leżącej na północ od Syene, pionowy kij lub obelisk rzuca wyraźny cień. Mierząc kąt tego cienia z obeliskiem, Eratostenes ustalił, że wynosi on ok. 7,2 stopnia, czyli dokładnie jedną pięćdziesiątą pełnego koła (360 stopni).

Wnioskowanie było eleganckie w swojej prostocie:

1. Jeśli kąt między linią pionową w Aleksandrii a pionową w Syenie wynosi 7,2 stopnia (co odpowiada 1/50 pełnego okręgu), to łuk między tymi dwoma miastami stanowi 1/50 obwodu kuli ziemskiej.
2. Odległość między Aleksandrią a Syene wynosi 5000 stadiów, zmierzoną przez zawodowych mierniczych zwanych bematystami, szkolonych w równomiernym chodzie i precyzyjnym liczeniu kroków.
3. Zatem obwód Ziemi = 5000 x 50 = 250 000 stadiów.

Przyjmując, że 1 stadion równał się ok. 157,5 metra (co jest najczęściej przyjmowaną przez historyków nauki wartością dla stadium attyckiego), obwód Ziemi według Eratostenesa wynosiłby ok. 39 375 km. Współcześnie zmierzony obwód biegunowy Ziemi to 40 008 km, a równikowy 40 075 km. Błąd obliczenia Eratostenesa wynosił zatem zaledwie około 1,5 procent, co jest wynikiem zadziwiającym, biorąc pod uwagę ograniczone dostępne mu metody pomiarowe.

Inni starożytni uczeni i weryfikacje

Wyniki Eratostenesa były weryfikowane i uzupełniane przez kolejnych starożytnych uczonych. Posejdonios (ok. 135-51 p.n.e.), grecki filozof i polihistor, przeprowadził niezależny pomiar, obserwując zmianę kąta wznoszenia się gwiazdy Canopus nad horyzontem między Rodosem a Aleksandrią. Jego wynik był niższy od wartości Eratostenesa i wynosił ok. 180 000 do 240 000 stadiów w różnych wersjach przekazu, co zbliżało się do późniejszych, niedokładnych szacunków Kolumba.

Hipparch z Nikei (ok. 190-120 p.n.e.), jeden z najwybitniejszych astronomów starożytności, opracował pierwsze tablice trygonometryczne i system określania pozycji geograficznej przez szerokość i długość geograficzną. Jego prace w całości opierały się na założeniu kulistości Ziemi i stanowiły fundament dla późniejszej Geografii Klaudiusza Ptolemeusza, czyli pierwszego kompleksowego atlasu świata starożytnego.

Warto też wspomnieć o wybitnym uczonym arabskim Al-Birunim (973-1048), który niezależnie od europejskiej tradycji opracował metodę wyznaczania promienia Ziemi na podstawie obserwacji kąta elewacji horyzontu z wierzchołka góry. Jego obliczenia dały wyniki zbliżone do współczesnych pomiarów z błędem nieprzekraczającym jednego procenta.

Wiedza o kulistości Ziemi w wiekach średnich

Wiedza o sferycznym kształcie Ziemi nie zaginęła wraz z upadkiem starożytnej Grecji i Rzymu. Uczeni chrześcijańscy w wiekach średnich doskonale znali i akceptowali tę koncepcję. Beda Czcigodny (673-735) w swoim dziele De Natura Rerum opisywał Ziemię jako kulę. Tomasz z Akwinu (1225-1274) traktował kulistość Ziemi jako fakt naukowy i filozoficzny zarazem. Roger Bacon (ok. 1214-1294) cytował starożytnych autorów i rozwijał argumenty na rzecz kulistości Ziemi.

Dante Alighieri w Boskiej Komedii (ok. 1308-1320) opisuje Ziemię jako kulę z Jerozolimą na szczycie półkuli północnej i górą Czyśćca na antypodach. Jest to spójny model kosmologiczny oparty na kulistej Ziemi, dowodząc, że dla Dantego i jego czytelników kulistość Ziemi była oczywistym faktem.

Legenda o tym, że Kolumb walczył z ludźmi wierzącymi w płaską Ziemię, jest nowożytnym wymysłem. Sprzeciw wobec jego projektu wynikał ze słusznej wątpliwości co do odległości do Azji, a nie z przekonania o płaskości świata. Uczeni na dworze królów Hiszpanii wiedzieli, że Ziemia jest okrągła, lecz słusznie szacowali, że ocean jest zbyt szeroki, by przepłynąć go w planowanym czasie.

Nowoczesna wiedza o kształcie Ziemi

Współczesna nauka ustaliła, że Ziemia nie jest idealną kulą, lecz geoidą, czyli bryłą obrotową lekko spłaszczoną na biegunach i wybrzuszoną na równiku. To spłaszczenie wynika z siły odśrodkowej związanej z rotacją planety. Średnica mierzona przez równik wynosi 12 756 km, natomiast mierzona przez bieguny 12 714 km, co daje różnicę ok. 42 km.

Kształt geoidy jest jeszcze bardziej złożony: nieregularności w rozkładzie masy w skorupie ziemskiej i płaszczu powodują miejscowe wybrzuszenia i wgłębienia rzędu setek metrów, widoczne dopiero w precyzyjnych pomiarach satelitarnych.

Pierwsze zdjęcia Ziemi z kosmosu, wykonane podczas misji NASA w latach 60. XX wieku, vizualnie potwierdziły jej kulisty kształt. Słynna fotografia Earthrise z 1968 roku, wykonana przez astronautę Williama Andersa podczas misji Apollo 8, i fotografia Blue Marble z 1972 roku (misja Apollo 17) stały się jednymi z najbardziej ikonicznych fotografii w historii i trwale zmieniły sposób, w jaki ludzkość postrzega swoją planetę.

Satelity geostacjonarne, systemy GPS i nawigacja lotnicza opierają się na precyzyjnych modelach matematycznych uwzględniających dokładny kształt geoidy. Precyzja tych systemów sięga centymetrów, co jest możliwe jedynie dzięki dokładnemu modelowaniu kulistości i nieregularności Ziemi.

Znaczenie historyczne odkrycia kulistosci Ziemi

Odkrycie kulistości Ziemi i precyzyjny pomiar jej obwodu przez Eratostenesa miało ogromne znaczenie praktyczne dla starożytnej cywilizacji i dla późniejszej historii nauki. Na podstawie obwodu Ziemi starożytni geografie i kartografowie mogli tworzyć mapy i szacować odległości między punktami na kuli ziemskiej. Klaudiusz Ptolemeusz w II wieku n.e. opracował swoje dzieło Geographia, zawierające koordynaty geograficzne setek miejsc w świecie śródziemnomorskim i poza nim. Dzieło to, oparte na kulistej Ziemi, służyło jako podstawowy atlas świata przez ponad 1400 lat.

Precyzyjna znajomość rozmiaru i kształtu Ziemi była kluczowa dla nawigacji morskiej. Arabscy i europejscy żeglarze średniowiecza i renesansu, tacy jak Vasco da Gama czy Ferdynand Magellan, korzystali z dostępnej im wiedzy o kulistości Ziemi przy planowaniu swoich wypraw. Wyprawa Magellana (1519-1522), która jako pierwsza okrążyła glob, była jednocześnie praktycznym potwierdzeniem teorii opracowanej przez greckich filozofów i matematyków ponad 1700 lat wcześniej.

We współczesnym świecie precyzyjna wiedza o kształcie Ziemi ma zastosowania, o jakich starożytni uczeni nie mogli marzyć. Systemy GPS działają dzięki dokładnym modelom matematycznym geoidy. Satelity telekomunikacyjne krążące po orbitach geostacjonarnych wymagają uwzględnienia spłaszczenia planety przy obliczaniu trajektorii. Badania zmian klimatu i podnoszenia się poziomu mórz opierają się na pomiarach satelitarnych uwzględniających precyzyjny kształt geoidy z dokładnością centymetrową.

Często zadawane pytania

Kto pierwszy odkryl, ze Ziemia jest okragla?

Za pierwszego, który zaproponował kulisty kształt Ziemi, uznaje się greckiego filozofa Pitagorasa z Samos (ok. 570-495 p.n.e.), lecz jego argumentacja była filozoficzna, nie empiryczna. Arystoteles ok. 330 roku p.n.e. jako pierwszy dostarczył obserwacyjnych dowodów, analizując zaćmienia Księżyca i zachowanie statków na horyzoncie. Eratostenes ok. 240 roku p.n.e. jako pierwszy obliczył obwód Ziemi z dużą dokładnością.

Jak Eratostenes obliczyl obwod Ziemi?

Eratostenes porównał kąt cienia w Aleksandrii w dniu, gdy w Syenie słońce stało dokładnie w zenicie. Zmierzony kąt wynosił 7,2 stopnia, czyli 1/50 pełnego koła. Odległość między miastami wynosiła 5000 stadiów, więc obwód Ziemi to 5000 razy 50 = 250 000 stadiów, czyli ok. 39 375 km. Faktyczny obwód biegunowy Ziemi wynosi 40 008 km, a błąd Eratostenesa wynosił zaledwie ok. 1,5 procent.

Czy w sredniowieczu wierzono, ze Ziemia jest plaska?

Nie. Wbrew popularnemu mitowi, wykształcone osoby w wiekach średnich doskonale wiedziały o kulistości Ziemi. Pogląd taki prezentowali Beda Czcigodny, Tomasz z Akwinu i Roger Bacon. Dante opisał kulistą Ziemię w Boskiej Komedii. Mit o powszechnej wierze w płaską Ziemię w średniowieczu jest historycznym nieporozumieniem spopularyzowanym w XIX wieku.

Kiedy czlowiek po raz pierwszy zobaczy Ziemie jako kule z kosmosu?

Pierwsze zdjęcia Ziemi z kosmosu wykonano w latach 60. XX wieku podczas misji NASA. Jednym z najsłynniejszych jest fotografia Earthrise z 1968 roku, wykonana przez astronautę Williama Andersa podczas misji Apollo 8. Pełna tarcza Ziemi uwidoczniona na fotografii Blue Marble pochodzi z misji Apollo 17 w 1972 roku.

Czy Ziemia jest idealną kulą?

Nie. Ziemia jest geoidą: bryłą lekko spłaszczoną na biegunach i wybrzuszoną na równiku. Średnica równikowa wynosi 12 756 km, a biegunowa 12 714 km, różnica to ok. 42 km. Ponadto nieregularności masy w skorupie ziemskiej powodują lokalne odchylenia kształtu geoidy mierzone precyzyjnymi pomiarami satelitarnymi.

Jaki jest dokladny obwod Ziemi?

Obwód równikowy Ziemi wynosi ok. 40 075 km, a obwód biegunowy ok. 40 008 km. Różnica wynika ze spłaszczenia planety na biegunach. Współczesne pomiary satelitarne pozwalają wyznaczać te wartości z dokładnością do kilku centymetrów.