این مطلب تا کنون ۱۵۱۲۴ بار خوانده شده است
چهارشنبه، ۲۶ اسفند ۱۳۸۸ | مکانیک مدارهای فضایی، کشف قانون کیهانی |
| |
 | در این بخش از سلسله مقالات مکانیک مدارهای فضایی می بینیم که نتیجه سالها کشمکش بشر بر سر یافتن مرکز عالم، و بعد از بارها دست به دست شدن این افتخار بین زمین و خورشید، سرانجام نظم کیهان به نثر زیبای ریاضی نوشته شده و عالم قانون دار می شود. |
|
| علم مکانیک مدارهای فضایی، بخشی از دانش فضایی است که به بررسی حرکت اجرام سماوی اعم از طبیعی و مصنوعی تحت اثر مستقیم گرانش سایر همسایگان فضایی خود می‌پردازد. برای درک صحیح این علم باید به صدها سال قبل برگردیم، یعنی به زمانی که یافتن مدلی صحیح جهت پاسخگویی به چگونگی حرکت اجرام منظومه شمسی نسبت به هم بزرگترین هدف اندیشمندان آن‌روزگار بوده است. در این راه خواهیم آموخت که مباحثات فراوان بر سر یافتن مرکز عالم چگونه پای نوع بشر را به فضا باز کرد. 
در جستجوی مرکز عالم | کشف قانون کیهانی| قوانین حرکت سیاره‌ای کپلر
|
نیکلاس کوپرنیک (۱۴۷۳-۱۵۴۳ میلادی)، ستاره‌شناس و ریاضیدان لهستانی که نظریه خورشیدمرکزی منظومه شمسی را بسط داد
| ستاره‌شناسی یا آنگونه که قدما می‌گفتند، نجوم، در زمان کپرنیک طرفداران بسیاری داشت. اطلاعات متعددی که از رصدهای مداوم و نسبتاً دقیق زمان نیکلاس کپرنیک (حدود ۱۵۰۰ سال بعد از میلاد) به دست می‌آمده با مدل بطلمیوسی مطابقت نداشت و منجمان با توسل یه ترفندهای مختلف سعی در توجیح عدم تطابقها با این مدل داشتند. کپرنیک نیز با همین انگیزه دست به کار شد تا مدلی غیر بطلمیوسی برای عالم تنظیم کند که به وضوح می‌توان ردپای دستاوردهای منجمین مکتب مراغه (رصدخانه مراغه) را در کارهای وی مشاهده کرد. کپرنیک که علاوه بر نجوم، دستی قوی در ریاضیات نیز داشت، با مطالعه دقیق حرکت سیارات در زمانهای مختلف و با استفاده از علم مثلثات توانست مدلی ارائه دهد که با حرکت ظاهری سیارات، خورشید و ستاره‌ها همخوانی داشت. در مدل کپرنیک زمین دیگر مرکز عالم نبود و همانند سایر سیاره‌ها به دور خورشید می‌چرخید. در آن زمان برای اروپاییان این تئوری جدید که بر پایه آن زمین هم‌سطح سایر سیارات منظومه شمسی فرض شده بود،به قدری غیر قابل باور بود که اصلاً با استقبال همراه نشد. |
در اواخر همان قرن منجم دیگری به نام تیکو براهه هر دو مدل قبلی را رد کرد و مدل جدیدی ارائه داد که هم قادر به توضیح پاره‌ای از مشاهدات نجومی بود و هم مرکزیت مقدس زمین را بر هم نمی‌زد. براهه معتقد بود که سیارات بر گرد خورشید و این مجموعه خود بر دور زمین میچرخند. طبق مدل براهه سایر ستاره‌ها در فاصله‌ای دورتر و روی یک صفحه به دور زمین می‌چرخیدند. این مدل تا حدود زیادی مشابه آن چیزی است که شاگردان خواجه نصیرالدین طوسی ۳۰۰ سال قبل از آن استفاده می‌کردند.
تیکو براهه عمیقاً معتقد بود که توانسته است مدلی بی‌نظیر جهت تشریح حرکت عالم کشف کند، اما از آنجا که برخلاف نگاه تیز و دقیقش، ریاضیاتی ضعیف داشت، هیچگاه نمی‌توانست مدل خود را از نظر ریاضی با مشاهدات واقعی تطبیق داده و آن را اثبات کند. این موضوع براهه را وسوسه کرد تا ریاضیدانی مانند یوهانس کپلر را استخدام نماید. اما نتوانست مدت زمان زیادی از خدمات این ریاضیدان جوان سود ببرد و اندکی بعد از آمدن کپلر، براهه دنیا را ترک گفت. یوهانس کپلر (27 دسامبر 1571 تا 15 نوامبر 1630) در موقعیتی استثنائی قرار گرفته بود و انبوهی از اطلاعات رصدی دقیق تیکو براهه در دسترس وی قرار داشت. کپلر به مدل براهه اعتقادی نداشت و می‌دانست که مدل خورشیدمرکز کپرنیک با قوانین ریاضی و نتایج رصدی مطابقت خوبی دارد. اما او که فردی مذهبی بود و اعتقادات کهن دینی درباره زمین مقدسی که مرکز عالم قرار داده شده بود، در اعماق وجودش لانه داشت به سختی می‌توانست خود را به پیروی از این مدل جدید قانع کند و از طرفی هم نمی‌توانست آنچه را می‌دید انکار کند. | 
ستاره‌شناسان دورهٔ اسلامی از زمان ابن هیثم به تناقضات فیزیکی و فلسفی موجود در مدل بطلمیوس پی برده و تلاشهای بسیاری برای حل آن از خود نشان داده بودند. خواجه نصیرالدین طوسی، قطب‌الدین شیرازی و مؤیدالدین عرضی از جمله کسانی بودند که در رصدخانه مراغه به تهیه و تنظیم مدلهای جدید غیر بطلمیوسی برای حل این مشکلات پرداختند. این مدلها توسط کسانی مانند ابن شاطر دمشقی در قرون بعدی به اوج خود رسید. اگر چه تمام این مدلها همچنان زمین مرکزی بودند، ولی تناقضات مدل بطلمیوسی را حل می‌نمودند. امروزه پس از کشف نظریات غیر بطلمیوسیِ مکتب مراغه در دهه ۱۹۵۰ توسط پروفسور کندی، تحقیقات بسیاری در زمینه ارتباط مدل کپرنیک با مدلهای غیربطلمیوسی در مکتب مراغه انجام گرفته است. از آنجاییکه بعضی از راهکارهای هندسی کپرنیک برگرفته از کتب منجمین اسلامی است، این ارتباط با قوت بیشتری مطرح می‌گردد: قضیه هندسی جفت طوسی، روش فلک تدویر ابن‌شاطر برای حذف معدل المسیر از جمله مباحثی است که از نجوم دوره اسلامی عینا در کارهای کپرنیک منعکس شده است.
|
تا اینجا به جز مدل بِهاسکارای هندی و سجزی سیستانی، همه مدلها مدار گردش سیارات و ستاره‌ها به دور جرم مرکزی را دایره می‌دانستند. دایره شکل مقدسی بود که از هر طرفی هماهنگی داشت و این موضوع از نظر آنها با نظم آفریننده همخوانی بیشتری از خود نشان می‌داد. کپلر نیز به پیروی از همین عقیده به سختی تلاش می‌کرد تا حرکت سیاره مریخ را در مدلهای گوناگونی که تا آن روز ارائه شده بود توجیح نماید. سرانجام زمانی که کپلر مدار مریخ را بیضی شکل فرض کرد و مدل خورشید مرکز کپرنیک را پذیرفت همه چیز در جای خود شروع به حرکتی منظم نمود. کپلر مریخ را از آن جهت انتخاب کرده بود که در اطلاعات به ارث رسیده از براهه، عدم تقارن زیادی در حرکت این سیاره مشاهده نمود.
سرانجام کپلر پاسخ را یافته بود و در قوانین سه‌گانه خود مدل جدیدی از عالم را ارائه می‌نمود که تمام تصورات بشر از دنیای اطراف خود را هدف گرفته بود. این قوانین نه تنها در مورد حرکت سیارات منظومه شمسی به دور خورشید به خوبی پاسخگو بود، بلکه چگونگی حرکت چهار قمر بزرگ مشتری که چندی بعد گالیله آنها را یافت را نیز به دقت خوبی پیش‌بینی کرد. کشف این اقمار چهارگانه دلیل خوب و واضحی بود که همه اجرام جهان هستی به دور زمین نمی‌چرخند. ما امروزه از همین قوانین به منظور بررسی حرکت ماهواره‌ها به دور زمین استفاده می‌کنیم.
گالیلو گالیله در زمان خود دانشمند و پژوهشگری شناخته شده، توانا و صاحب سبک در زمینه‌های گوناگون علمی بود. او برای تحقیقات علمی خود روش قاعده‌داری را پایه‌گذاری کرده بود که امروزه به نام "روش علمی تحقیق" شناخته می‌شود.
مطالعات گالیله در مورد حرکت اجسام، زمینه را برای کشف اصطکاک، اینرسی و شتاب اجسام در حال سقوط فراهم نمود. همچنین او اولین کسی بود که با ترکیب لنزهای گوناگون اقدام به ساخت تلسکوپ نمود. با استفاده از همین ابزار بود که گالیله توانست کشفیات اعجاب‌برانگیزی در آسمان انجام دهد که از آن جمله می‌توان به کشف چهار قمر بزرگ مشتری اشاره نمود. امروزه به این چهار قمر، اقمار گالیله‌ای می‌گویند.
تصویری از مشتری و چهار قمر گالیله‌ای آن
مطالعات عمیق گالیله در مورد حرکت اجسام و قوانین سه‌گانه کپلر، ابزار لازم را در اختیار اسحاق نیوتن قرار دادند تا سرانجام وی قادر به تشریح و تبیین مکانیک مداری گردد. سِر اسحاق نیوتن نابغه زمان خود بود و با مطالعات و اکتشافات حیرت‌انگیز خود تحولی عظیم در دانش بشری به وجود آورد. در زمان نیوتن، پنجاه سالی می‌شد که اندیشمندان با قوانین کپلر و سایر موضوعات مرتبط با حرکت اجرام سماوی آشنا شده بودند.
لازم به ذکر است که قوانین کپلر به صورت تجربی و بر اساس نتایج ثبت شده مشاهدات تیکو براهه استخراج شده بود. تا آن زمان هنوز ریاضیات و فیزیک بر این قوانین حاکم نشده بود و دانشمندان نمی‌دانستند که اجرام سماوی به چه دلیلی با این نظم بر گرد یک جرم مرکزی (خورشید) میچرخند. مباحث عمیق، پیچیده و پر تنشی درباره این قوانین در جوامع علمی آن زمان در جریان بود و همه به دنبال قانون‌مند کردن این نتایج تجربی بودند.
سر اسحاق نیوتن در حوزه‌های مختلف علمی شگفتیهای فراوانی آفرید
| سر ادموند هالی که از دوستان نیوتن به شمار می‌رفت، روزی درباره این موضوع به بحث با نیوتن پرداخت و با کمال تعجب از نیوتن شنید که وی پاسخ مسئله را مدتها پیش یافته اما زحمت انتشار آنها را به خود نداده است. با اصرار فراوان ادموند هالی، نیوتن نتایج تحقیقات خود که شامل سه قانون حرکتی و قانون عمومی جاذبه وی می‌باشد را منتشر کرد. استفاده از همین روابط بود که سر هالی را قادر به پیشگویی زمان بازگشت دنباله‌دار هالی نموده بود. |
نیوتن و کپلر یافته‌های خود را مدیون تحقیق در مورد حرکت سیارات به دور خورشید می‌باشند. اما امروزه ما می‌دانیم که قوانین آنها حرکت هر دو جرمی را در فضا تشریح می‌نماید. در ادامه این سلسله مقالات، ما به بررسی این قوانین و نقش آنها در تشریح حرکت سیارات می‌پردازیم و سپس به بررسی خصوصیات مدارگردها و تشریح حرکت آنها خواهیم پرداخت.