המודל הגאוצנטרי

סכימה של הגופים השמימיים – אילוסטרציה פשטנית של המודל הגאוצנטרי מאת המאייר והקוסמוגרף ברתלומיאו ואלהו, 1568. בתרשימים נפוצים כמו זה לא כלולה המערכת הסבוכה של דפרנטים, ספירות ואפיציקלים שכלולים במודל הגאוצנטרי של תלמי
המודל הגאוצנטרי (ביוונית: "גֶאה" [γῆ] – ארץ, בלטינית: "קֶנְטְרוּם" [centrum] – מרכז) הוא מודל של היקום או של מערכת השמש, המציב את הארץ במרכזו. גרסאות שונות של מודל זה משלו בכיפה מזמנו של אפלטון במאה ה-4 לפנה"ס ועד לתחילת המאה ה-17 בעקבות המהפכה הקופרניקאית.
שתי תצפיות תמכו ברעיון שכדור הארץ הוא מרכז היקום. ראשית, מכל מקום על פני כדור הארץ, נראה שהשמש מסתובבת סביב כדור הארץ פעם ביממה, ומכאן המחשבה שהבדל בין יום ללילה נעוץ בתנועה זו. בעוד שלירח ולכוכבי הלכת יש תנועות משלהם, נראה שגם הם מסתובבים סביב כדור הארץ בערך פעם ביממה. נראה היה גם ששאר הכוכבים קבועים על כדור שמימי המסתובב פעם ביממה סביב ציר דרך הקטבים הגאוגרפיים של כדור הארץ. שנית, נדמה שכדור הארץ אינו זז מנקודת המבט של צופה אל כדור הארץ; הוא מרגיש מוצק, יציב ונייח. הדבר תאם גם למרבית המיתולוגיות והאמונות שרווחו באותה תקופה (מיתוס הינדי קבע שהעולם ניצב על גבו של צב ענק; היוונים טענו שאת העולם נושא בידיו הטיטאן אטלס, וכו') ותאם את התפיסה הדתית לפיה היקום כולו, לרבות השמש, ושאר והכוכבים (שחשיבותם קטנה מהירח משום שהם נראו קטנים יותר) נוצרו כתהליך ששיאו היה בריאת בני האדם, שימשלו בכדור הארץ בהנחית האל.
בעקבות המהפכה הקופרניקאית, אסטרונומים טוענים שהמודל הגאוצנטרי שגוי מכמה טעמים (למרות שמדובר עדיין בתיאוריה):
החילופים בין היום והלילה בכדור הארץ לא נגרמים בגלל תנועת השמש מסביב לכדור הארץ פעם ב-24 שעות, אלא משום שכדור הארץ סב על צירו. הדבר יוצר אשליה אופטית כאילו הכוכבים, השמש, והירח סבים סביב כדור הארץ.
במערכת השמש אפשר אמנם לתאר את תנועת השמש והפלנטות מנקודת ייחוס בה כדור הארץ נייח, אך המסלולים המתוארים לא יהיו מעגליים ואף לא אליפטיים סביב כדור הארץ – כך שכדור הארץ יכול להיות נייח, אך אינו מרכז המסלולים – בניגוד למסלולים במודל ההליוצנטרי, בו השמש משמשת מוקד לתנועה אליפטית של כל הפלנטות (מודל המתאים לתצפיות בדיוק רב בהרבה, כמתואר להלן).
בנוסף לסירבול התיאורי-גרפי של מסלולי התנועה והמהירויות של הפלנטות סביב כדור הארץ הנייח, הסבר מכני שלהם (באמצעות כוחות) מחייב אימוץ של כוחות מדומים מלאכותיים, אשר ינטרלו את תנועת השמש סביב כדור הארץ. כיוון שהשמש כבדה בערך פי 300,000 מכדור הארץ, תאוצתה קטנה פי 300,000; לכן במודל גאוצנטרי, בו דווקא השמש זזה ולא כדור הארץ, כל שאר הפלנטות שמקיפות את השמש חייבות לנוע במסלול סביב מוקד משתנה, ולכן צריך להכניס למודל באופן מגושם כוחות מדומים שיאלצו תנועות שכאלה.
בקנה מידה גדול יותר, גם מערכת השמש נמצאת הרחק ממרכז הגלקסיה שלנו, שביל החלב, ומיקום הגלקסיה בעצמה ביחס ליקום חסר ייחוד כלשהו (כיום מקובל שליקום אין בכלל מרכז).
הנחות תאולוגיות רבות שהיו מלוות למודל המדעי של תלמי התבררו כלא נכונות. לדוגמה כדור הארץ אינו הכוכב היחיד שיש סביבו ירח, הירח נראה לנו גדול אך הדבר נובע מפאת המרחק הקצר שבו הוא נמצא. כוכבים הם גדולים בהרבה מהירח וחלקם גדולים בהרבה מהשמש. כוכבים רבים הם עתיקים מהשמש, ולמעשה נוכחות של יסודות כבדים כדור הארץ מוסברת על ידי נוקליאוסינתזה כוכבית בכוכבים עתיקים יותר.
במאה ה-4 לפני הספירה, האסטרונום אריסטרכוס מסאמוס הציג מודל הליוצנטרי של מערכת השמש. אך מודל זה נדחה לטובת המודל הגאוצנטרי של אריסטו. במאה השנייה לספירה שוכלל המודל הגאוצנטרי על ידי תלמי, שאפשר דיוק רב יותר בהתאמה לתצפיות על כוכבי הלכת. במאה ה-3 אומצה התאוריה האריסטוטלית והתלמאית על ידי הכנסייה הקתולית. מודל זה נשאר המודל המקובל עד פרסום עבודתם של 3 חוקרים. בשנת 1543, פורסם ספרו של ניקולאוס קופרניקוס, "על תנועת גרמי השמיים" שהציג מחדש מודל הליוצנטרי של מערכת השמש. ב-1609 יוהאנס קפלר פרסם את ספרו "אסטרונומיה נובה" בשנת 1609, שמבוסס תצפיות שערך טיכו ברהה. קפלר ביסס את המודל ההליוצנטרי מבחינה מתמטית באמצעות שלושה חוקים, המכונים חוקי קפלר והדגים כיצד כוכבי הלכבת ובכללם כדור הארץ נעים באליפסה סביב השמש. בשנת 1610 פרסם גלילאו גליליי את ספרו "השליח הכוכבי" (Siderius Nuncius) ובו הוא סוקר את תגליותיו באמצעות הטלסקופ, שבו מצא תצפיות שסתרו הנחות תאולוגיות שהיו חלק מההצדקה למודל הגאוצנטרי - לדוגמה הוא מצא ירחים של צדק ובכך סתר טענה לפיה כדור הארץ הוא הכוכב היחיד שיש לו ירחים, וכי התנועה היחידה במערכת השמש היא סיבוב הכוכבים סביב כדור הארץ כפי שטען המודל של תלמי. בשנת 1632, כשהוא בן 70 פרסם גליליי את הספר "דיאלוג על שתי מערכות עולם". הספר קעקע את עמדות הכנסייה. הדבר גרר עימות עם הכנסייה ובעקבותיו נשפט גליליי ונידון למעצר בית. מאז ראשית המאה ה-17 אסטרונומים זנחו לחלוטין את המודל הגאוצנטרי, לטובת המודל ההליוצנטרי של קופרניקוס עם התיקונים של קפלר, בו מסלולי הפלנטות אליפטיים עם השמש במוקד האליפסה.
מסוף המאה ה-17 ניוטון הסביר גם את המכניקה של התנועה (באמצעות כוח הכבידה האוניברסלי), והראה שמוקד האליפסה הוא למעשה מרכז המסה בין כל פלנטה לבין השמש (עבור צדק מדובר בנקודה סמוכה מאוד לשמש, עבור שאר הפלנטות המוקד נמצא בתוך השמש ממש). מאז ראשית המאה ה-20 זנחו גם את מרכזיות מערכת השמש (והשמש בפרט) ביחס לשאר הגלקסיה והיקום, לאור ההבנה שניתן באופן שרירותי לקבוע כל נקודה שהיא כמרכז היקום – בלשון אחרת, ליקום אין מרכז כלל.
חשיבותו זניחתו של המודל הגאוצנטרי אינה נוגעת רק ביחס למיקומו של כדור הארץ או חקר מערכת השמש. המהפכה הקופראינית, ובעקבותיה גם המכניקה של ניוטון הובילה לשינוי הדרגתי בחקירה המדעית - אימוץ הדרגתי של גישות כמותיות, חישוביות ולוגיות, יחס עם ניסויים ודיוק בתצפיות, וזניחת הנמקות המבוססות על לוגיקה טהורה, טיעונים פילוסופים, מיסטיים או תאולוגיים במדע. בתחום האסטרונומיה עצמו, אימוץ המודל ההליונצנטרי הוביל לפיתוח שיטות וכלים נוספים (כמו התאוריה של ניוטון, שכלול טלסקופים) שהניבו שאלות חדשות ותאוריות ותגליות מפתיעות נוספות - לדוגמה היווצרות מערכת השמש, נוקליאוסינתזה כוכבית, חישוב גיל כדור הארץ ומערכת השמש, או פיתוח הרעיון של גלקסיות.