صفحه اصلی    تازه ها    ادبیات    تاریخ و سیاست    روانشناسی و جامعه شناسی    علوم    کودک و نوجوان    متفرقه

ناشر:سبزان
تاريخ چاپ: 1392
نوبت چاپ:اول
تيراژ:2000 نسخه
قيمت:5000 تومان
شابک: 7 - 099 - 117 - 600 - 978

 

نظریه‌های تاثیرگذار در علم نجوم

 

نویسنده: جوآن بیکر

مترجم: اميرحسين فرجادنسب- ندا مهبودي- سوسن بافنده

فهرست مطالب
مقدمه........................................ 5
سياره‌ها...................................... 7
نظریةخورشیدمرکزی............................. 12
قوانین کپلر.................................. 16
قانون جاذبه‌ی نیوتن........................... 20
نظریةفیزیک نور نیوتن......................... 25
تلسکوپ....................................... 30
خطوط فرانهوفر................................ 35
اثردوپلر..................................... 39
پارالاکس...................................... 43
مباحثة بزرگ................................. 48
پارادوکس‌اُلبرس................................ 53
قانون هابل................................... 57
نردبان فاصلة کیهانی.......................... 61
انفجار بزرگ................................. 65
تابش پس‌زمینة کیهانی.......................... 70
هسته‌زایی انفجار بزرگ......................... 74
پادماده...................................... 78
ماده تاریک................................... 83
تورم کیهانی.................................. 88
ثابت کیهانی.................................. 92
اصل ماخ...................................... 96
نسبیت خاص.................................... 100
نظریه نسبیت عام.............................. 105
سیاه‌چاله‌ها................................... 109
اختر فیزیک ذرات.............................. 114
ذرة خدا...................................... 119
نظریة ریسمان................................. 124
اصل انسان‌نگر................................. 128
توالی کهکشانی هابل........................... 132
خوشه‌های کهکشانی.............................. 137
سازه‌های بزرگ-مقیاس........................... 142
اخترشناسی رادیویی........................... 147
کوازارها..................................... 152
پس‌زمینه پرتوی ایکس........................... 157
سیاه‌چاله‌های بسیار پرجرم...................... 162
سیر تکامل کهکشانی............................ 167
همگرایی گرانشی............................... 171
طبقه‌بندی ستارگان............................. 176
تکامل ستاره‌ای................................ 180
تولد ستارگان ................................ 185
مرگ ستارگان.................................. 190
تپ‌اخترها..................................... 195
انفجارهای پرتوی گاما......................... 200
تغییرپذیری................................... 205
خورشید....................................... 209
سیارات فراخورشیدی............................ 214
پیدایش منظومه شمسی........................... 219
قمرها........................................ 224
اخترزیست‌شناسی................................ 229
تناقض فِرمی................................... 234

 

مقدمه
نجوم یکی از قدیمی‌ترین و ریشه‌دارترین علوم است. از زمانی که اجدادمان حرکت خورشید و ستارگان را دنبال می‌کردند تا به امروز، آنچه که آموختیم اساس نگرش ما را نسبت به جایگاه انسان در جهان تغییر داده است. هر پیشرفت غیرمنتظره‌ای با واکنشی اجتماعی روبه‌رو شده است؛ به عنوان مثال در قرن هفدهم گالیله به جرم آموزش بر خلاف تعالیم کلیسا مبنی بر گردش زمین به دور خورشید دستگیر شد. اثبات این موضوع که منظومه ‌شمسی ما در مرکز کهکشان راه شیری جای ندارد، موجبات اعتراضات و واکنش‌های مشابهی را فراهم آورد و این ادوین هابل بود که در دهه 1920 با کشف این‏که راه شیری، با 14 میلیارد سال سن، یکی از میلیاردها کهکشانی است که در پهنه‌کیهان وسیع و در حال گسترش پراکنده‌ شده است، بحث در این خصوص را برای همیشه خاتمه داد.
در طول قرن بیستم، پیشرفت فناوری بر سرعت اکتشافات افزود. آغاز این قرن با یافته‌های بیشتری در مورد ستارگان و ترکیبات محرک آنان، و افزایش همزمان دانش ما در زمینة‌ نیروی هسته‌ای، تشعشعات اتمی و ساخت بمب اتمی همراه بود. در طول جنگ جهانی دوم و دورة پس از آن، گسترش اخترشناسی رادیویی و شناسایی تپ‌اخترها (پالسارها)، کوازارها (اختروش‌ها) و سیاه‌چاله‌ها را به همراه داشت. پنجره‌های تازه‌ای به روی کیهان گشوده شده بود، از پس‌زمینة کیهانی گرفته تا پرتوهای ایکس و گاما، که هر یک اکتشافات خاص خود را به دنبال داشت.
این کتاب گذری دارد برعلم اخترفیزیک از منظر تحقیقات مدرن. در بخش‌های نخستین کتاب به توصیف جهش‌های فلسفی بزرگ بشر در شناخت مقیاس و اندازة کیهان و در عین حال به تشریح اصول اولیة اخترفیزیک، از نیروی جاذبه گرفته تا نحوة کار تلسکوپ، پرداخته شده است. بخش‌های بعدی به آموخته‌های ما در خصوص علم اخترشناسی (مطالعة‌کیهان به عنوان یک کل)- اجزای سازنده‌، تاریخچه و سیر تحولات آن- می‌پردازد، سپس جنبه‌های نظری کیهان‌ شامل نظریه‌ی نسبیت، سیاه‌چاله‌ها و جهان‌های موازی معرفی شده‌اند. در بخش‌های پایانی نیز به تشریح آموخته‌ها و دانش ما در مورد کهکشان‌ها، ستارگان و منظومه شمسی از کوازارها و سیر تکاملی سیاره‌ها گرفته،تا سیارات خارجی و علم نجوم زیستی پرداخته خواهد شد. سرعت اکتشافات همچنان بالاست: شاید در دهه‌های بعد شاهد یک تغییر رویکرد عظیم دیگر باشیم. کشف حیات در خارج از کره‌ زمین.

 

مقدمة مترجمان
دانش امروزی مجموعة تجربیات و مطالعة گستردة پیشینیان ما در طول زمان است که امروزه به عنوان میراثی در اختیار ما قرار گرفته است. اگر به تاریخ علم نظر بی‏افکنیم می‏بینیم که مفاهیمی مثل اعداد، شمارش، عملیات ریاضی ساده، هندسه و موارد بسیار دیگر امروزه آنقدر برای ما بدیهی شده که هیچ وقت به ماهیت و نوع توسعة آنها فکر نمی‏کنیم. ولی وقتی در آنها دقت می‏کنیم مشاهده می‏کنیم که موارد بدیهی امروز چقدر مورد چالش و بررسی دانشمندان عصر خود بوده‏اند تا توانسته‏اند ستون‏های محکم دانش امروزی باشند.

امروزه دانش به دلیل گستردگی وسیع خود به رشته‏ها و تخصص‏های بسیار بسیار متنوعی تقسیم شده است. معمولاً افرادی که به فراگیری یکی از این حوزه‏ها می‏پردازند به دلیل حجم زیاد کار و مطالب مورد نیاز خود در آن رشته کمتر فرصت پیدا می‏کنند که حتی به مباحث تاریخی و پایه‏ای تخصص خود بپردازند، چه رسد به مباحث تاریخی علوم دیگر. این در حالی است که دانستن مفاهیم

بنیادی‏تر و همچنین فرآیند تحول آن رشته از دانش خودشان می‏تواند در موفقیت کاری‏شان مؤثر باشد. و نیز این سرگذشت‏ها و روندهای تاریخی علاوه بر این‏که مطالبی مفرح و دل‏انگیز هستند شرایط را برای انتقال بهتر دانسته‏ها از افراد متخصص به افراد عادی جامعه را نیز بیشتر فراهم ‏کرده و باعث ارتقاء سطح علمی عموم جامعه می‏شوند. ما مترجمین این مجموعة سه جلدی نظریه‏های تاثیرگذار در علم ریاضیات، فیزیک و نجوم شک نداریم که ردّ پای این سه کتاب را در ده سال آینده به صورت مستقیم یا غیر مستقیم در کتب درسی کودکان‏مان خواهیم دید.
نگاه بسیار زیبا و نکته‏بینانة مدیر مسئول انتشارت سبزان ما را تشویق به ترجمة چنین موضوعی کرد. بنابراین بر آن شدیم سه کتاب فوق را به فارسی برگردانده و در این حوزه قدم کوچکی برداریم و اگر خداوند یاری‏مان فرماید در نظر داریم دیگر عناوین این سری را نیز پیرامون علوم دیگر ترجمه و در اختیار مخاطبین عزیز قرار دهیم.
این برگردان‏ها از نظر اصول نشر در سطح بالایی قرار دارد. به طوری که در ترجمه، اهمیت موضوع در سطح جامعه و نظر مخاطبان، امانت‏داری در ترجمه، اصول نگارشی و مبانی زیبایی‏شناسی کتاب در حد بضاعت دست‏اندرکاران این اثر رعایت شده است.
در انتهای کتاب نیز بخش واژه‏نامه و نمایه نیز آورده شده است که می‏تواند برای مخاطبان مفید واقع شود.
از آن‏جایی که همه دست‏اندرکاران تهیة این آثار علاقه‏مند به ارتقاء کیفیت این آثار هستند، لذا از شما خوانندة محترم خواهشمندیم که نظرات خود را در مورد نقاط قوت و ضعف این کتاب‏ها به دفتر انتشارات یا ایمیل sabzan@gmail.com ارسال فرمائید.

مهدی خاکیان قمی


1

سياره‌ها


چند سیاره داریم؟ تا چند سال قبل این سئوال پاسخی ساده داشت: نُه سیاره. امروزه پاسخ به این پرسش کمی بحث‌برانگیز است. اخترشناسان با کشف اجرام سنگی خارج از منظومه شمسی که شبیه پلوتو بودند و همچنین با یافتن صدها ستارة دوردست، همه را به دردسر انداختند. آن‌ها مجبور به تجدید نظر در تعریف سیاره شده و اظهار می‌دارند در منظومه شمسی، هشت سیارة واجد شرایط و چند سیارة‌کوتوله مانند پلوتو وجود دارد.

انسان از زمان‌های ماقبل تاریخ از تمایز سیاره‌ها از ستاره‌ها آگاه بوده است. سیاره‌ها نام خود را از واژه‌ای یونانی به معنی «ولگرد» گرفته‌اند و در طول آسمان شب، از میان حایل ثابت ستارگان عبور می‌کنند. صور فلکی آنان همگی به آرامی و در کنار یکدیگر در مدار قطب شمال و جنوب می‌چرخیدند و هر ستاره روزانه دایره‌ای در آسمان ترسیم می‌نمود. جایگاه سیاره‌ها اما متناسب با ستارگان در مسیری در آسمان به نام برنامه کسوف و خسوف تغییر می‌یافت. تمام سیاره‌ها طبق یک برنامه معین همانطور که به دور خورشید می‌چرخیدند، به حرکت خود ادامه می‌دادند که این حرکت به عنوان نوعی خط سیر در آسمان طرح ریزی می‌شد.
سیاره‌های بزرگی چون عطارد، زهره، مریخ، مشتری و زحل جدای از سیاره ‌زمین هزار ساله شناخته می‌شوند. این سیارات به راحتی با چشم غیرمسلح قابل رویت بوده و اغلب درخشش همسایگان خود را نیز برجسته می‌سازند و حرکات واژگونه‌شان به آن‌ها ظاهری اسطوره‌ای می‌دهد. ظهور تلسکوپ در قرن هفدهم، شگفتی هراسناک‌تری ایجاد نمود؛ زحل حلقه‌هایی زیبا به خود پوشانده بود، مشتری قمرهایش را به رخ می‌کشید و سطح مریخ از وجود حفره‌هایی تیره، خال دار شده بود.

سیارة ناشناخته
این اطمینان خدای‌گونه در خصوص سیارات، با کشف سیاره‌ اورانوس در سال1781 توسط ستاره‌شناس انگلیسی «ویلیام هرشل » دچار خلل شد. با توجه به حرکت ضعیف‌تر و آهسته‌تر اورانوس نسبت به سایر سیاره‌های شناخته ‌شده، این سیاره در اصل یک «ستاره زنگارگرفته» محسوب می‌شد. در واقع پیگیری دقیق هرشل بود که ثابت کرد این سیاره حول خورشید می‌چرخد، اما این عنوان را بیشتر مدیون ویژگی‌های سیاره‌وارش است. هرشل با این کشف شهرتی به دست آورد، حتی توانست علاقه عالیجناب شاه جورج سوم را نیز با نام‌گذاری آن به نام پادشاه انگلستان به دست آورد.

 

تعریف سیاره
جرمی آسمانی است که؛ الف) به دور خورشید می‌چرخد  ب) جاذبه مناسب یک سیاره را برای غلبه بر جاذبه ‌سایر همسانان خود و حفظ شکل دایره‌وار خویش داراست پ) سیاره دیگری در مدار چرخشش به چشم نمی‌خورد.

 

اما اکتشافات بیشتری در راه بودند. نقیصه‌های اندکی که در چرخش اورانوس وجود داشت این فرضیه را مطرح ساخت که این سیاره در ماورای خود تحت تأثیر جرم آسمانی دیگری قرار دارد. بسیاری از اخترشناسان مناطق محتمل برای وجود چنین جرم مداخله‌گری را جستجو کردند و سرانجام در سال 1846 «اوريان ژان ژوزف لووريه » فرانسوی با فاصله‌ای اندک نسبت به همتای انگلیسی‌اش «جان کوچ آدامز » موفق به ثبت سیاره نپتون به نام خود شد.

مدتی بعد و در سال 1930 سیارة پلوتو به ثبت رسید. همانند مورد نپتون، انحرافات اندکی در حرکات مورد نظر این سیاره به چشم می‌خورد که وجود یک جسم خارجی را محتمل می‌نمود. در آن زمان، جرم

خارجی موردنظر سیاره ناشناخته نامیده می‌شد. «کلاید تامباء » در رصدخانه «لووِل» ایالات متحده هنگام مقایسه تصاویر گرفته شده از آسمان در فواصل مختلف، متوجه این شی گردید. سیارة ناشناخته خود را به واسطة حرکاتش از زمین دور ساخته بود. اما نام‌گذاری آن توسط یک دختر دانشجو انجام شد. «وِنِشیا برنی » از آکسفورد انگلستان در مسابقه‌ی نام‌گذاری با نام پیشنهادی‌اش «پلوتو» – خدای دنیای زیرین ـ الهام گرفته از دوران باستان، برنده شد. در آن زمان این سیاره نماد فرهنگی بسیار رایج و محبوبی بود که الهام‌بخش نام یک شخصیت کارتونی سگ و نام عنصر تازه کشف‌ شدة پلوتونیوم گردید.

عزل پلوتو

نُه سیاره منظومه شمسی اما هفتاد و پنج سال دیگر دوام آوردند تا این که «مایکل براون » از دانشگاه کالتِک و همکارانش کشف کردند که پلوتو تنها نیست. کشف چند جرم نجومی دیگر در فاصله‌ای نه چندان دور از مدار چرخش پلوتو و در لبة یخ ‌بسته منظومه شمسی، موجب کشف سیاره‌ای دیگر شد که خود بسیار بزرگ‌تر از پلوتو بود و «اِریس» نام نهاده شد. انجمن ستاره‌شناسی با یک مسئلة بغرنج روبرو بود. آیا می‌بایست کشف براون را به عنوان دهمین سیاره ثبت می‌کرد؟ دیگر اجرام یخ بسته نزدیک به پلوتو و اریس را چطور؟ با این وضعیت سیاره بودن پلوتو خود زیر سئوال می‌رفت. مسیرهای بیرونی منظومة شمسی به وسیله اجرامی پوشیده از یخ که پلوتو و اریس بزرگ‌ترین آن‌ها بودند به هم ریخته بود. خرده‌سیارک‌هایی نیز با همین اندازه در جایی دیگر شناخته شده بودند؛ به عنوان مثال خرده سیاره «سِرِس» به قطر 950 کیلومتر در سال 1801 و حین جستجو برای یافتن نپتون مابین مریخ و مشتری کشف شد.

در سال 2005 کمیته‌ای از اتحادیة نجوم بین‌المللی، سازمان حرفه‌ای ستاره‌شناسان، جلسه‌ای برگزار کرد تا سرنوشت پلوتو را تعیین نماید. براون و برخی دیگر از اخترشناسان طرفدار حفظ خصوصیات پلوتو به همان شکل سابق، همچنین خواستار ثبت اریس به عنوان یک سیاره بودند. دیگران بر این عقیده بودند که اجرام پوشیده از یخ ورای نپتون سیاره‌های حقیقی نیستند. این امر در کنفرانس سال 2006 به رأی گذاشته شد. آنچه تصویب شد تعریفی تازه از واژة سیاره بود. تا آن زمان این مفهوم به این شکل ثبت نشده بود. برخی بر این باور بودند که این کار مثل این است که بخواهیم تعریفی جامع از قاره ارائه دهیم: اگر استرالیا قاره است، پس چرا «گرین لند» نیست؟ اروپا در کجا به پایان می‌رسد و آسیا از کجا شروع می‌شود؟ اما متخصصین فیزیک نجومی بر سر مجموعه‌ای از قوانین به توافق رسیدند.

 

ویلیام هرشل (1822-1738)
فردریک ویلیام هِرشِل در سال 1738 میلادی در هانوفر آلمان دیده به جهان گشود، وی در سال 1757 به انگلستان مهاجرت کرد و از راه موسیقی‌‌ به امرار معاش پرداخت. وی به همراه خواهرش کارولین که در سال 1772 به انگلستان آورده بود، به علاقة مشترکشان؛ یعنی نجوم، پرداخت. وی تلسکوپی برای رصد آسمان در شب ساخت و با آن صدها جفت ستاره و هزاران سحابی را فهرست کرد. او همچنین اورانوس را کشف کرد و آن را به افتخار شاه جورج سوم، «جورجیوم سیدیوم» نام گذاشت و شاه جورج نیز وی را به عنوان ستاره‌شناس دربار برگزید. از دیگر اکتشافات هرشل می‌توان  به طبیعت دوگانة بسیاری از ستارگان دوتایی، تغییرات فصلی کلاهک‌های قطبی مریخ و قمرهای اورانوس و زحل اشاره کرد.

 

تعریف سیاره به این شکل ارائه شد: سیاره جرمی آسمانی است که به دور خورشید می‌چرخد، نیروی جاذبه کافی جهت حفظ شکل دایره‌وارش را دارد و مدار چرخش خود را از سایر سیارات خالی می‌کند. طبق همین قوانین پلوتو دیگر سیاره نبود، چرا که مدار چرخش خود را از حضور سایر سیاره‌ها پاکسازی نکرده بود. پلوتو همانند اریس خرده سیاره نامیده شد. اجرام کوچک‌تر، به غیر از قمرها، تعریف نشده باقی ماندند.

ورای خورشید
این تعریف نجومی در حیطة منظومة شمسی برقرار و صادق است. اما به خوبی می‌تواند شامل ماورای آن نیز باشد. امروزه صدها سیاره شناخته شده‌اند که به جای خورشید حول محور ستارگان می‌چرخند. آن‌ها عموماً با پایداری جاذبه در ستارگان میزبان خود شناخته می‌شوند. اغلب این سیاره‌ها اجرام بزرگ گازی مانند مشتری هستند. اما سفینه‌های فضایی جدید مانند «کپلر» که در سال 2009 پرتاب شد، در پی کشف سیاره‌هایی کوچک‌تر، مانند زمین، اطراف ستارگانی دیگر هستند.
تعریف دیگری که اخیراً زیر سئوال برده شده، تعریف ستاره است. ستارگان توپ‌های گازی خورشیدمانند هستند که به اندازه کافی ترکیبات هسته‌ای مشتعل در مرکز خود دارند. این نیرو موجب درخشش ستاره می‌شود. اما تعیین وجوه اختلاف میان کره‌های گازی به اندازه سیاره‌ای مانند مشتری و کوچک‌ترین و کم‌نورترین ستارگان مانند خرده‌سیارک‌های براون به روشنی مشخص نیست. ستارگان غیرمشتعل و حتی سیاره‌های شناور هم ممکن است بخشی از فضا را اشغال کنند.

چکیده بحث: سیارات از شلوغی دوری می‌کنند.

 


2 نظریةخورشیدمرکزی


با وجود این‏که امروزه می‌دانیم زمین و سایر سیارات به دور خورشید می‌چرخند، این امر تا گردآوری کامل شواهد در قرن هفدهم پذیرفته نبود. این مسئله نگرش ما را نسبت به کیهان متحول کرد. انسان‌ها که دیگر مرکز جهان نبودند، خود را با فلسفه و باورهای نوین آن دوران روبه‌رو می‌دیدند. در این دوران، مباحث تکان‌دهنده‌ مشابهی پیرامون جایگاه بشر در جهان، از تئوری آفرینش گرفته تا جوانب عقلانی کیهان‌شناسی، نمایان شد.

جوامع اولیه به معنای حقیقی کلمه دنیا را در حال گردش حول محور خود می‌خواستند. در الگوی دوران باستان، زمین در مرکز کهکشان قرار داشت و همه چیز تحت‌الشعاع آن بود. تصور می‌شد تمام اجسام آسمانی دنبالة اجرام شفافی هستند که حول زمین چرخیده و موجب ثبات ستارگان در فرادست و یا آزاد شدن آن‌ها از میان حفره‌هایی درون خود می‌شوند. تا پیش از آن، جایگاه کلیدی انسان به عنوان تقدیر کهکشان تضمین شده بود.
شواهدی اما دال بر نادرست بودن این الگو وجود داشت که سال‌های متمادی فیلسوفان مابعدالطبیعه را گیج و متحیر می‌کرد. ایده چرخش فلک به دور خورشید به جای زمین - الگوی خورشید محور- اوایل سال270 پیش از میلاد برگرفته از کلمه یونانی «هلیوس» به معنای خورشید و توسط فیلسوفان یونان باستان مطرح شد. ارشمیدس از ساموس یکی از کسانی بود که چنین ایده‌هایی را در نوشته‌هایش منعکس کرد. وی پس از برآورد اندازه‌های تقریبی خورشید و زمین، متوجه شد که خورشید بسیار بزرگ‌تر از زمین است. این مسئله الهام‌بخش ایدة چرخش جسم کوچک‌تر به دور جسم بزرگ‌تر بود.

بطلمیوس در قرن دوم از ریاضیات برای پیش‌بینی حرکت ستارگان و سیاره‌ها استفاده کرد؛ و این کار را  فوق‌العاده خوب انجام داد، با این وجود الگوهای مبرهنی  وجود داشت که با معادلات وی همخوانی نداشت. گیج‌کننده‌ترین مسئله این بود که گاهی اوقات سیارات تغییر مسیر داده و سیر قهقرایی طی می‌کنند. بطلمیوس، که چون گذشتگان خویش، بر این باور بود که سیارات بر مدارات وسیع مدوری در آسمان می‌چرخند، با افزودن چند چرخه‌، توصیفی جدید از آن‌ها ارائه کرد. وی ادعا کرد سیارات مانند ساعتی عظیم، همچنان که به دور خود می‌چرخند، بر مدارهای دایره‌ای کوچک‌تری نیز می‌گردند. این مدارات جانبی، تغییر مسیر ناگهانی سیارات را توجیه می‌نمایند.
این ایده در آن زمان باقی ماند و در سال‌های بعد مجدداً به اثبات رسید. فیلسوفان بر این باور بودند که طبیعت میل بسیاری به ابقای شکل هندسی خود دارد. با این وجود، هر اندازه که اخترشناسان با دقت بیشتری حرکت سیارات را محاسبه می‌کردند، ناتوانی تئوری ریاضی‌وار ساعت عظیم آن‌ها در توضیح و تفسیر این پدیده بیشتر رخ می‌نمود. هر چه اطلاعاتشان بیشتر می‌شد، اختلافات نیز بیشتر می‌شد.

مدل کوپرنیک
نظریات خورشید-محورانه تا قرن‌ها محل بحث و مجادله بودند، اما چندان جدی گرفته نمی‌شدند. دیدگاه زمین-محور نظریة غالب بود و نظریات دیگر مطلقاً تشویش اذهان عمومی تلقی می‌شد، بنابراین تا قبل از قرن شانزدهم اثرات تئوری خورشیدی تکمیل نشد. ستاره‌شناس لهستانی نیکولاس کوپرنیک به سال 1543 و در کتاب «انقلاب» خود الگوی ریاضی‌وار دقیقی از نظریة خورشید-محور ارائه داد که حرکات واژگونه سیارات را به عنوان بخشی از جریان گردششان به دور خورشید، همچنان که در حرکات چرخشی زمین مشاهده می‌شد، در نظر می‌گرفت.

در نهایت مجبوریم  خود خورشید را در مرکز کیهان بنشانیم.
نیکولاس کوپرنیک

 الگوی کوپرنیک با به چالش کشیدن شکوه پیشین انسان عواقبی در بر داشت.کلیسای شرعی و جامعة آن زمان به شدت از نظریة ‌زمین - مرکزی بطلمیوس حمایت می‌کردند. کوپرنیک بسیار محتاط بود و تا آخرین سال حیات خود از چاپ کار خود اجتناب کرد. مباحث مطرح ‌شده از سوی او پس از مرگش دریافت شد و در خفا به گوشه‌ای انداخته شد. فرصت در اختیار شخصیتی قدرتمند‌تر قرار گرفته بود که کار او را کامل کند.

 

نیکولاس کوپرنیک (1543-1473)
کوپرنیک، متولد تورن در لهستان، آموزش‌های لازم را در کلاس‌های حقوق، پزشکی، نجوم و طالع‌بینی دید تا تبدیل به یک شارع مسیحی شود. وی مجذوب و در عین حال منتقدِ نظریة بطلمیوس در باب نظام کهکشان بود و در عوض نظام خودش را که در آن زمین و سیارات به دور خورشید می‌چرخیدند، مطرح نمود. کتاب او با نام «اندر احوالات انقلاب اجرام آسمانی» که در سال 1543 میلادی (درست دو ماه پیش از مرگش) منتشر شد، در ایجاد کیهان با مرکزیت خورشید بسیار تأثیرگذار بود. با این وجود نظریات او، همچنان فاصلة بسیاری با نظریات مدرن ستاره‌شناسی داشت.

  1.  

محکومیت گالیله

ستاره‌شناس ایتالیایی گالیلئو گالیله صراحتاً کلیسای کاتولیک را با دفاع از نظریة مرکزیت خورشید زیر سئوال برد. گستاخی وی به پشتوانة

مشاهداتش با تلسکوپ تازه‌اش بود. به واسطة مشاهدة دقیق‌تر آسمان در مقایسه با پیشینیان، گالیله به شواهدی مبنی بر مرکزیت نداشتن زمین دست یافت. وی دریافت که مشتری قمرهایی دارد که در اطراف آن می‌چرخند و زحل حلقه‌هایی همانند این قمرها دارد. وی این یافته‌ها را در سال 1610 در کتاب خود «پیام‌آور درخشان» منتشر کرد.
گالیله با اعتماد کامل به نظریة خورشید - محور خویش، طی نامه‌ای به دوشس اعظم کریستینا از دیدگاه خود در این زمینه دفاع کرد. پس از این ادعا که چرخش زمین موجب حرکت طولی خورشید در آسمان می‌شود، کلیسای واتیکان او را به روم احضار کرد. واتیکان صحت مشاهدات وی را تصدیق نمود، چرا که پیش از او اخترشناسان دیگر نیز با استفاده از تلسکوپ‌های خود موارد مشابهی را رصد کرده بودند، اما کلیسا از پذیرفتن نظر گالیله امتناع کرده و اظهار داشت که این مورد تنها یک فرضیه است و نمی‌تواند عینیت داشته باشد، هر چند که در نهایت سادگی مطرح شده باشد. در سال 1616 میلادی، کلیسا گالیله را از تعلیم نظریة خورشید مرکزی بازداشت و مانع از حفظ یا دفاع وی از این ایدة جدال‌برانگیز گردید.

مسلماً انگ کفر زدن برای باور چیزی که اثبات شده، درد‌آور است.
گالیلئو گالیله

دلیل کپلر
در همین احوال ستاره‌شناسی آلمانی نیز مشغول کار بر روی محاسبات حرکت سیارات بود. یوهان کپلر در همان سال که گالیله تلسکوپ خود را راه‌اندازی می‌کرد حاصل تفحصات خود را در کتاب «شناخت نواخترها» به سال 1609 منتشرکرد. کپلر متوجه شد که شکل بیضی بهتر می‌تواند گردش این سیارة سرخ را به دور خورشید توجیه نماید. با رهایی از قید و بندهای شکل دایره، کپلر به الگویی فراتر از الگوی کوپرنیک دست یافته و توانست حرکات سیارات را پیش‌بینی نماید. دیدگاه کپلر، هر چند که امروزه یکی از قوانین پایه در علم فیزیک محسوب می‌شود، در آن دوره بسیار فراتر از زمان خودش بود و مدت زیادی طول کشید تا پذیرفته شود، حتی خود گالیله نیز هیچ توجهی به آن نکرد.
با وجود محدودیت‌های ایجاد شده، گالیله همچنان قاطعانه معتقد به صحت نظریة خورشید مرکزی خود بود. پاپ آربن هشتم از وی خواست تا موازنه‌ای بر هر دو حالت موجود در کتابی به نام «گفتگوی دو دیدگاه در باب جهان» بنویسد، اما گالیله با یک طرفه به قاضی رفتن و جانب‌داری از دیدگاه خود پیشوا را رنجاند. بار دیگر واتیکان او را به روم فراخواند و در سال 1633 او را به جرم نقض تعهداتش محاکمه کرد. گالیله تا پایان عمر در حبس خانگی به سر برد و سرانجام در سال 1642 چشم از جهان فرو بست. چهار قرن بعد و در سالگرد تجدید چاپ کتاب جنجال‌برانگیز وی، واتیکان رسماً از بابت رفتارش با وی عذرخواهی کرد.

پذیرش تدریجی
شواهد دال بر درستی نظریة خورشید مرکزی تا قرن‌ها بر روی هم انباشته شد. بنا بر شواهد موجود، مکانیزم ابداعی کپلر در طول این مدت به قوت خود باقی مانده و بر نظریة گرانش نیوتن نیز تأثیرگذاشت. با کشف سیارات جدیدتر، این حقیقت که آن‌ها به گرد خورشید می‌چرخند نیز آشکار‌تر می‌شد. تئوری مرکزیت انسان دیگر قابل دفاع نیست.

روند پیشرفت این نظریه

270 سال قبل از میلاد:

یونانیان باستان نظریة خورشید مرکزی را مطرح نمودند.

قرن دوم:

بطلمیوس برای توصیف حرکات واژگونه سیاره‌ها از ایدة وجود اپی‌سیکل‌ها استفاده کرد.

1543 میلادی:

کوپرنیک مدل خورشیدمرکزی خود را منتشر نمود.

1609 میلادی:

گالیله قمرهای مشتری را کشف نمود. کپلر الگوی چرخش بیضی شکل را ارائه داد.

1633 میلادی:

گالیله به جرم آموزش نظریات خورشیدمرکزی در دادگاه محاکمه شد.

چکیده بحث: خورشید در مرکز قرار گرفته است.

3 قوانین کپلر


یوهان کپلر در هر پدیده به دنبال الگویی می‌گشت. با بررسی حرکات چرخشی مریخ در آسمان، وی موفق به کشف سه قانون حاکم بر چرخش سیارات گردید. وی به تشریح چگونگی سیارات بر مدارات بیضوی پرداخته و توضیح داد که چگونه سرعت گردش سیارات دورتر، کمتر از سایر سیارات است. قوانین کپلر، علاوه بر ایجاد تغییرات در ستاره‌شناسی، بنیان قانون جاذبة نیوتن را نیز بنا نهادند.

 سیارات دورتر آهسته و سیارات نزدیک با سرعت بیشتری به دور خورشید می‌چرخند. عطارد تنها طی هشتاد روز زمینی، به دور خورشید می‌گردد. اگر بنا بود مشتری نیز با همین میزان سرعت حرکت کند، سه و نیم میلیون سال زمینی طول می‌کشید تا یک بار خورشید را دور بزند، در حالیکه تنها طی 12 روز این کار را انجام می‌دهد. همچنان که تمام سیارات یکدیگر را پشت سر می‌گذارند، چنین به نظر می‌رسد که برخی از آن‌ها به زمین اجازه می‌دهند تا از آن‌ها سبقت بگیرد. در زمان کپلر این حرکات «واژگونه» معمای بزرگی بودند و حل این معما بود که به کپلر بصیرت لازم برای توسعة قوانین سه‌گانة حرکت سیاره‌ای را‌ داد.

الگوهای چند وجهی

کپلر یک ریاضیدان آلمانی بود که در اواخر قرن شانزدهم و اوایل قرن هفدهم می‌زیست؛ یعنی زمانی که اختربینی بسیار جدی گرفته می‌شد و نجوم به عنوان شاخه‌ای از علم فیزیک هنوز در ابتدای راه بود. مذهب و معنویت به اندازة مشاهدات علمی در دست‌یابی به قوانین طبیعت حائز اهمیت بود. کپلر، سالکی که بر این باور بود زیرساخت‌های این جهان بر مبنای

اشکال دقیق هندسی استوارند، زندگی خویش را وقف یافتن این الگوهای چندوجهی پنهان در کارکرد طبیعت نمود.
نظریة کپلر مبنی بر گردش سیارات به دور خورشید به جای زمین حدود یک قرن پس از ستاره‌شناس آلمانی نیکولاس کوپرنیک مطرح شد. در ابتدا، کپلر از نظریة مرکزیت خورشید کوپرنیک ایده گرفت و بر این باور بود که سیارات در مداری دایره‌ شکل به دور خورشید می‌گردند. او سیستمی را در نظر داشت که در آن سیارات مطابق نسبت‌های هندسی مشخص و درون مجموعه‌ای از کره‌های کریستالی تو در تو قرار گرفته‌اند. این مقیاس‌ها از اندازة مجموعه‌ای از چندضلعی‌ها با اضلاع در حال افزایش مشتق شده بودند که داخل این کره‌ها قرار داشتند. این نظر که قوانین طبیعت از نسبت‌های هندسی پیروی می‌کنند، ریشه در یونان باستان داشت.
کپلر در تلاش برای اثبات الگوی هندسی خود از مناسب‌ترین اطلاعات در دسترس؛ یعنی جداول پیچیدة حرکت سیارات در آسمان، که با تلاش خستگی‌ناپذیر «تیکو براهه » تهیه شده بود، بهره گرفت. وی در میان ستون‌های اعداد این جداول، الگوهایی را مشاهده کرد که موجب شد ضمن تجدیدنظر در اندیشه‌های خود، قوانین سه‌گانة خویش را مطرح نماید.
کپلر موفقیت اصلی را با گره‌گشایی از حرکات واژگونة مریخ به دست آورد. مریخ هر از چندگاهی، تغییر مسیر داده و دور کوچکی می‌زند. کوپرنیک با افزودن چند گردش کوچک منطبق بر اپی-سیکل‌های مداری اضافه‌شده به مدار اصلی حرکت این سیاره توانسته بود به الگویی در خصوص گردش‌های مریخ دست یابد. اما کپلر متوجه شد که اندازه‌گیری‌های جدید و دقیق او با پیش‌بینی‌های سابق همخوانی ندارد. او در جستجوی تفسیری دیگر به این اندیشه رسید که حرکت بیضی‌شکل سیارات به جای حرکت مدور آن‌ها می‌تواند پاسخگوی تغییر مسیرهای ناگهانی آن‌ها باشد. این بدان معنا بود که طبیعت، آن‌گونه که وی در ابتدا فکر می‌کرد، از اشکال کامل هندسی پیروی نمی‌کند. اما او به اندازه کافی شهامت داشت تا شواهد را پذیرفته و نظرش را تغییر دهد.

ناگهان دریافتم که آن نخود کوچک آبی و زیبا، زمین است. انگشتم را بالا آوردم و یک چشمم را بستم، انگشتم زمین را محو کرد! احساس عظمت نکردم. بالعکس احساس کردم بسیار بسیار کوچک هستم.
نیل آرمسترانگ

 

قوانین کپلر
قانون اول: چرخش سیارات به دور خورشید، به عنوان یک نقطة تمرکز، در یک مدار بیضوی صورت می‌پذیرد.
قانون دوم: هر سیاره همزمان با گردش به دور خورشید، نواحی یکسانی را نیز درمی‌نوردد.
قانون سوم: دوره‌های گردش به اندازه بیضی بستگی دارند، به شکلی که مجذور زمان دوره متناسب با    مکعب طول محور اصلی است.

 


مدارها

کپلر در قانون اول خود تصریح کرده است که سیارات در مدارهایی بیضوی، در حالیکه خورشید بر یکی از دو نقطة کانونی بیضی‌ جای گرفته است، حرکت می‌کنند. قانون دوم سرعت سیاره را در زمان حرکت بر روی مدارش توضیح می‌دهد. همان‌طور که سیاره در مسیر حرکت خود پیش می‌رود، هم زمان بخشی از همان ناحیه را در مدت زمانی برابر پشت سر می‌گذارد. این بخش با رسم زاویة بین خورشید و دو موقعیت سیاره (خطوط AB یا CD )، مانند برشی از یک کیک، محاسبه می‌شود. با توجه به این‏که مدارها به شکل بیضی ‌هستند، زمانی‌که سیاره به خورشید نزدیک است، می‌بایست

منطقة وسیع‌تری را نسبت به زمانی که از آن فاصله دارد، پوشش دهد، بنابراین سیاره در نزدیکی خورشید، سریع‌تر از زمانی که از آن فاصله دارد، حرکت می‌کند. قانون دوم کپلر به بیان رابطة بین سرعت و فاصلة سیاره از خورشید می‌پردازد. علیرغم این‏که کپلر به موقع متوجه این مسئله نشد، اما این نیروی جاذبه است که موجب افزایش سرعت سیارات هنگام نزدیکی به خورشید می‌شود. 
قانون سوم کپلر باز هم یک گام جلوتر رفته و به تبیین چگونگی اندازه‌گیری دوره‌های گردش برای بیضی‌هایی با اندازه‌های مختلف در فواصل مختلف از خورشید می‌پردازد. براساس این قانون مجذور دوره‌های گردش در تناسب با مجموع مکعب بلندترین محور مدار بیضوی است. هرچه مدار بیضوی گردش بزرگ‌تر باشد، مدت زمان بیشتری طول می‌کشد تا یک گردش کامل صورت پذیرد. بنابراین سیارات دورتر از خورشید، آهسته‌تر از سیارات نزدیک به آن حرکت می‌کنند. گردش مریخ به دور خورشید دو سال زمینی، زحل 29 سال و نپتون 165 سال به طول می‌انجامد.

ما فقط نوع تکامل یافتة میمون‌ها در سیاره‌ای کوچک از ستاره‌ای متوسط هستیم. اما ما قادر به درک کیهان هستیم. همین مسئله ما را تا این اندازه خاص می‌کند!
استیفن ‌هاوکینگ

کپلر توانست در این سه قانون گردش مداری تمام سیارات منظومه شمسی را تشریح نماید. قوانین وی برای تمام اجرامی که به دور جرمی دیگر در گردشند صدق می‌کند، از ستارگان دنباله‌دار، خرده‌سیاره‌ها و قمرهای حاضر در منظومة شمسی ما گرفته، تا سیارات اطراف ستارگان دیگر و حتی قمرهای مصنوعی در حال گذر از کنار زمین. چهار قرن پس از ارائة این قوانین توسط کپلر، آن‌ها همچنان شالودة اصلی علم فیزیک‌اند. علاوه بر این،کپلر را باید به علت استفاده از روش‌های علمی نوین در اجرا و تحلیل مشاهدات و برای آزمایش نظریات خود، بسیار جلوتر از زمان خویش دانست.

آسمان‌ها را می‌شمردم، حال سایه‌ها را می‌شمرم؛ ذهنم به آسمان زنجیر شده بود و کنون جسمم به زمین میخ شده است.
نوشتة روی سنگ قبرکپلر

کپلر موفق شد تا اصول را به شکل قوانین هندسی در آورد، اما دلیل بقای این قوانین را نمی‌دانست. او بر این باور بود که آن‌ها برآمده از الگوهای هندسی پنهان در دل طبیعت‌اند. اما این نیوتن بود که این قوانین را در قالب نظریة جهانی گرانش یکی کرد.

و...