Chorobates vel hydroscopium, czyli obserwacje na poziomie

Obserwatorium Mikołaja Kopernika

W  czasach Kopernika nie znano lunety, więc on sam mógł się tylko domyślać prawdziwej natury gwiazd i planet. Za to z powodzeniem opisywał ich ruch po niebie, badał jak zmieniają się położenia ciał niebieskich względem siebie i względem wybranych, charakterystycznych elementów nieba. Mikołaj Kopernik był zdecydowanie bardziej teoretykiem niż obserwatorem.

Jeszcze za życia dał się poznać w środowisku naukowym Europy jako bardzo zdolny matematyk. Jednak odkąd osiadł na stałe w odległej Warmii, informację o pracach innych astronomów docierały do niego z bardzo dużym opóżnieniem. W budowaniu nowych koncepcji Kopernik był w zasadzie zmuszony liczyć tylko na siebie, a do reformatorskich zamierzeń były mu potrzebne nowe dane o ,,chodzie'' machiny świata. 

Dlatego, chcąc nie chcąc, stał się systematycznym obserwatorem. Narzędzia do obserwacji musiał zbudować sam z drewnianych desek, gdyż odlewać ze spiżu potrafiono tylko zagranicą. W prostocie narzędzi, które Kopernik stworzył na podstawie starożytnych rozwiązań, ujawnia się cała jego natura teoretyka. Były one potrzebne Kopernikowi do wykonania prostych, ale za to bardzo starannie zaplanowanych obserwacji. Większość z nich sprowadzała się do wyznaczenia odległości wybranych obiektów od zenitu albo horyzontu, czyli wysokości na niebie dla danego momentu w czasie.

Płaszczyznę odniesienia (horyzontu), znajdował Kopernik za pomocą przyrządów używanych od dawna w geodezji i kartografii przy ustalaniu kierunku pionu i płaszczyzny poziomu. Swoje stanowisko do obserwacji przygotowuje wykorzystując przyrząd nazwany przez niego ,,chorobates''. Przyrząd o takiej nazwie najczęściej opisywany jest jako długa drewniana rynna, wylana od wewnątrz woskiem dochodząca do 20 stóp (5,80m) wypełniona wodą. W dwu skrajnych otworach górnych można było obserwować zmianę poziomu wody, a przezierniki na skrajach rynny pozwalały na wytyczenie poziomu w terenie. Nie dowierzano jednak wodnemu poziomowaniu, dlatego dla kontroli przyrząd był zawsze wyposażony w szereg pionów kontrolnych. Umiejętność używania precyzyjnych, przenośnych i wydajnych przyrządów niwelacyjnych sięga co najmniej epoki Cesarstwa Rzymskiego. Można to łatwo wywnioskować na podstawie analizy wyrafinowanego systemu akweduktów, które zostawiła po sobie cywilizacja rzymska.

Z pracy Witruwiusza, rzymskiego architekta żyjącego w I w. p.n.e możemy dowiedzieć się w zarysie jak wyglądały przyrządy do niwelacji używane w tamtych czasach. Jego traktat o architekturze odnaleziono dopiero w 1415 roku w Szwajcarii, niestety z niezwykle wartościowego dzieła przetrwał tylko tekst, a ilustracje zaginęły. Przez wieki więc narosły różne, często sprzeczne wyobrażenia jak dokładnie wyglądały i działały opisane przez niego przyrządy stosowane w starożytności.

Kopernik sprawdził za pomocą chorobates poprawność wypoziomowania pavimentum, czyli płaskiej, solidnej płyty, o rozmiarach około 4m x 4m, na której stawiał na czas obserwacji we Fromborku swoje trzy najważniejsze instrumenty astronomiczne - kwadrant, triquetrum i astrolabium. Niestety Kopernik wspomina tylko o chorobates, nie wtajemniczając czytelnika w szczegóły jego budowy. W części dotyczącej przygotowania miejsca do obserwacji pisze:

Stąd ani z opisu Kopernika, ani Witruwiusza nie dowiemy się jak dokładnie były one skonstruowane.

W 1953 roku, z okazji rocznicy kopernikańskiej zorganizowano szereg wystaw poświęconych Astronomowi. Dwie z nich skupiły się na jego instrumentarium. Jedna umiejscowiona w Krakowie oparta na pracy dra Tadeusza Przypkowskiego, historyka astronomii, a druga w Warszawie była dziełem naukowców z Politechniki Warszawskiej. Obie dawały nieco inne wyobrażenie o instrumentarium Kopernika i przez długi czas na łamach prasy popularnej i naukowej toczyła się polemika, która nie rozstrzygnęła, kto jest bliższy prawdy, historycy czy astronomowie.

Praca z chorobates polega na odczytaniu przez oba skrajne przezierniki wartości ze skali umieszczonej na tyczce trzymanej w pewnej odległości przez pomocnika. Jeżeli przy zmianie miejsca posadowienia tyczki (lub chorobates) odczytane wartości będą takie same, oznacza to że badany teren jest wypoziomowany. Odczyt odbywa się tylko, gdy instrument jest wykalibrowany tzn. powierzchnia wody dosięga dwóch otworów umieszczonych niedaleko przezierników. Różnica wartości odczytanych z tyczki oznacza różnicę poziomów mierzonego terenu.

Kalibracji przyrządu można także dokonać za pomocą pionów, czyli ciężarków zawieszonych na napiętych sznurach. Ten sposób był dokładniejszy, ale miał jedno istotne ograniczenie - sprawdzał się tylko podczas bezwietrznej pogody. Ze względu na rozmiar pavimentum (około 4m x 4m), Mikołaj Kopernik najprawdopodobniej używał do poziomowania tylko pionów. Długa rynna sprawdza się lepiej przy niwelacji większych obszarów.

 W 2004 roku grupa hiszpańskich miłośników historii zrekonstruowała, a nawet opatentowała ich zdaniem najbliższą czasów starożytnych i najdokładniejszą wersję chorobates.

W tej współczesnej realizacji wykorzystano długą przezroczystą rurkę, której oba końce dosięgały przezierników. Rurka powyginana była w taki sposób, aby stworzyć system naczyń połączonych. Oznacza to, że woda może swobodnie przepływać od jednego jej końca do drugiego, podobnie jak w wersji z rynną. Dzięki temu wodę uzupełniano wlewając ją przez jeden z końców rurki, a do kalibracji wykorzystystywano dwie powierzchnie wody z obu końców rurki. Wykorzystywano prostą fizyczną zasadę, która mówi że w układzie naczyń połączonych poziomy wody ustalają się na tej samej wysokości. Jest to rozwiązanie skuteczniejsze i prostsze niż uzupenianie wodą długiej, wąskiej rynny.

Podobne rozwiązanie zostało zaprezentowane w 1953 roku na wystawie kopernikańskiej w budynku Politechniki Warszawskiej. Skupiono się tu na prezentacji podstawowych zasad działania, i stąd mogło to być niezupełnie historycznie poprawne spojrzenie na działalność badawczą Mikołaja Kopernika.

Dzisiaj na tej samej zasadzie co hydroscopium działają poziomice wężowe, szeroko wykorzystywane w budownictwie. Powstające w międzyczasie przyrządy niwelacyjne, najczęściej były znane tylko samym rzemieślnikom. Przechodziły z drobnymi ulepszeniami, w zwykłej praktyce z pokolenia na pokolenie, nie zwracając najmniejszej uwagi uczonych. W niektórych regionach Polski można spotkać się z  określeniem szlauchwaga, od niemieckiego słowa Schlauchwaage. W 1573 roku roku Olbrycht Strumieński w dziele o hodowli ryb w stawach, opisuje wyczerpująco narzędzia niwelacyjne, używane w Polsce w XVI wieku. Bardzo podobny do chorobates przyrząd nazywa swojsko ,,instrumentem korytkowym''. Na koncu jego dzieła, znajdziemy też rekomendację: ,,Ja nie znajduję lepszego odważenia ziemie i wody, jedno tymi instrumenty, którem pierwej naznaczył''