مدل زمین‌مرکزی و توصیف ستاره‌شناسان باستان از حرکت اجرام آسمانی
پیش از آن که به بررسی حرکت سیارات در آسمان و البته فیزیکِ حرکت بازگشتی مریخ در آسمان بپردازیم، بد نیست کمی درباره‌ی مسیرهایی که بشر طی کرده تا به دانش امروز دست یابد بدانیم. دانشمندان در طول عصرهای مختلف تاریخ برای توصیف حرکت ستاره‌ها و سیارات در آسمان مدل‌های مختلفی ارائه کرده‌اند.
مدل‌سازی در علم و فیزیک
مدل‌سازی در دنیای علم و پیرو آن در علم فیزیک و ستاره‌شناسی معنای مشخصی دارد. مدل‌سازی در علم به این معناست که ما دانش خود درباره‌ی قوانین علمی را به کار می‌گیریم تا تصویری ذهنی از طریقه‌ی کارکردن چیزی ایجاد کنیم. پس از آن ما این مدل را برای پیش‌بینی رفتار چنین سیستمی در آینده به کار می‌بریم. اگر مشاهدات ما از طرز کار آن سیستم و واقعیتی که در مورد آن اتفاق می‌افتد با پیش‌بینی‌های مدلی که طراحی کرده‌ایم منطبق باشد، ما شواهدی داریم که مدل ما یک مدل خوب برای توصیف این سیستم یا پدیده به شمار می‌رود. همین‌طور اگر مشاهدات ما از نمونه‌ی واقعی، با پیش‌بینی مدل ما مغایر باشد، این موضوع به ما می‌آموزد که لازم است در تصویری که ساخته‌ایم تجدید نظر کنیم یا آن را اصلاح کنیم تا مشاهدات ما را بهتر توصیف کند. در بیشتر موارد مدل تنها یک ایده است، یعنی هیچ نمایش فیزیکی از آن وجود ندارد. بنابراین بهتر است دقت کنیم که اینجا واژه‌ی عام مدل را با مفهوم مدل در علم اشتباه نگیریم (به معنای عام ممکن است تصور کنیم مدل یک نمونه از چیزی واقعی در مقیاس بسیار کوچک‌تر است، مثل مدلی از یک کشتی یا یک ساختمان، اما این چیزی نیست که ما در علم با آن سر و کار داریم). البته این تعریف مانع از آن نمی‌شود که ما نمایشی فیزیکی از مدل خود بسازیم. در علم مدرن بسیاری از مدل‌ها ماهیت محاسباتی دارند؛ به این معنا که می‌توانیم برنامه‌ای بنویسیم که رفتار یک شیئ یا پدیده‌ی واقعی را شبیه‌سازی می‌کند، و اگر پیش‌بینی‌های مدل کامپیوتری ما با واقعیت آن شیئ یا پدیده منطبق باشد، این یک مدل کامپیوتری خوب به شمار می‌آید.
این فرصت خوبی است که اشاره‌ای هم داشته باشیم به اصل «تیغ اُکام» یا «اصل اختصار تبیین». این اصل می‌گوید که اگر دو مدل برای توصیف یک پدیده وجود داشته باشد، به احتمال زیاد مدلی درست است که ساده‌تر است. به این ترتیب هرچه مدل ما ساده‌تر باشد احتمال درست بودن آن بیشتر است. هرچند در دنیای امروز علم مدل‌های پیچیده‌ای هم وجود دارد که به خوبی قوانین حاکم بر طبیعت را توصیف می‌کند. شاید اگر روزی مدل بهتری پیدا شود، جایگزین مدل‌های کنونی شود، اما تا آن زمان و تا زمانی که مدل‌های حاضر خوب کار می‌کنند ما از همین مدل‌ها استفاده می‌کنیم.
مدل زمین‌مرکزی در یونان باستان
یافته‌های فیلسوف‌ها، ریاضی‌دان‌ها و ستاره‌شناسان سرشناس یونان باستان بی‌شک اهمیت به سزایی بر دانش بشر درباره‌ی آسمان داشته است. آن‌ها توانسته بودند، بر اساس ادراک قوی که از هندسه داشتند، به درک پیچیده‌ای از منظومه خورشیدی دست پیدا کنند. حدود پانصد سال پیش از میلاد بیشتر یونانیان بر این باور بودند که زمین گرد است، اما تخمینی از اندازه‌ی آن نداشتند، تا زمانی که در حدود دویست و چهل سال پیش از میلاد، اراتوستن روش هوشمندانه‌ای برای اندازه‌گیری محیط زمین ارائه کرد. اراتوستن محیط زمین را حدود ۲۵۰۰۰۰ استادیا حساب کرده بود. هرچند امروز اختلاف نظرهایی درباره‌ی طول دقیق این یکای باستانی وجود دارد، اما مقدار آن چیزی بین پانصد تا حدود ۶۰۰ پا (برابر با چیزی بین حدود ۱۵۲ متر تا ۱۸۸ متر) بوده است. بر این اساس اراتوستن محیط زمین را چیزی حدود ۲۴۰۰۰ مایل تا ۲۹۰۰۰ مایل (چیزی حدود ۳۸۰۰۰ کیلومتر تا ۴۶۰۰۰ کیلومتر) تخمین زده بود. امروز می‌دانیم که محیط زمین در نزدیکی استوا حدود ۴۰۰۰۰ کیلومتر و در راستای قطب کمی کم‌تر است.
زمانی که مدل‌های یونانیان باستان ساخته شد، قوانین پایه فیزیک که ما امروز آن‌ها را می‌شناسیم، شناخته نشده بود. گرچه، در عوض آن‌ها به شدت به عقایدی پایبند بودند که بنیان مدل‌های آن‌ها از منظومه خورشیدی را شکل می‌داد. چهار عقیده مهم یونانیان باستان عبارت‌اند از:
- زمین مرکز جهان است و در جای خود ساکن است؛
- خورشید، سیاره‌ها و ستاره‌ها به دور زمین می‌چرخند؛
- دایره و کره شکل‌های «کامل» هستند، بنابراین حرکت هر شیئ در آسمان باید مسیر یک دایره را دنبال کند، که این قانون را می‌توان به هر شیئ روی سطح یک پوسته کروی نسبت داد؛
- اشیاء از قوانین «حرکت طبیعی» پیروی می‌کنند، که برای سیاره‌ها و ستاره‌ها به این معناست که با سرعت یکنواختی به دور زمین می‌چرخند.
با فرض این مجموعه قوانین، یونانیان مدلی برای پیش‌بینی مکان سیاره‌ها در آسمان ساختند. یک نکته مهم در مورد این قوانین این است که، آن‌چه ما به زبان علم مدرن به آن قانون می‌گوییم، مفروضات یک مدل است؛ در حالی که یونانیان بر این باور بودند که این‌ها قوانینی غیرقابل تغییرند. به هر روی آن‌ها مسیر حرکت سیاره‌ها در آسمان را دنبال کرده بودند و حرکت بازگشتی سیاره‌ها را می‌شناختند. بنابراین مدل‌هایشان را منطبق با حرکت بازگشتی سیاره‌ها ساخته بودند. مدل آن‌ها را مدل زمین‌مرکزی می‌نامیدند، چون در این مدل زمین در مرکز کیهان قرار داشت.
دانسته‌های ما درباره‌ی مدل زمین‌مرکزی یونانی بیشتر از کتاب المجسطی حاصل شده است، که توسط بطلیموس و حدود پانصد سال پس از زمان ارسطو نوشته شده است. در المجسطی، بطلیموس جدولی آورده است که مکان سیاره‌ها را بر اساس آن‌چه مدلش پیش‌بینی می‌کند مشخص کرده است. بنابر آن‌چه در بخش قبلی دیدیم، حرکت بازگشتی سیاره‌ها بسیار پیچیده است؛ بنابراین بطلیموس برای آن که بتواند این حرکت را با استفاده از مدل خود بازآفرینی کند، باید مدلی به همان اندازه پیچیده می‌آفرید. به طور خلاصه می‌توانیم بگوییم: مدل بطلیموس سیاره‌ها و خورشید را در مدل ساده‌ای که همگی روی سطح یک کره قرار دارد در نظر نمی‌گیرد، اما دایره‌های کوچکی به نام فلک تدویر را روی دایره بزرگ‌تری به نام فلک حامل در نظر می‌گیرد که مرکز فلک تدویر روی محیط فلک حامل حرکت می‌کند. پیچیده‌ترین نسخه‌ی این مدل اغلب در پیش‌بینی‌هایش تا چندین مرتبه بزرگی خطا دارد و همین‌طور در فاصله‌های زاویه‌ای بزرگ‌تر از قطر ماه کامل درست عمل نمی‌کند. در شکل زیر مسیر حرکت سیاره در نظام بطلیموسی نشان داده شده است.
پویانمایی‌های زیر به ترتیب مسیر حرکت ماه و خورشید به دور زمین، و مسیر حرکت سیاره تیر (عطارد) و خورشید به دور زمین در نظام بطلیموسی و بر اساس دانش المجسطی را نشان می‌دهد که توسط یکی از اعضای هیأت علمی دانشگاه ایالتی فلوریدا ساخته شده است.
ترتیب سیاره‌ها در مدل زمین‌مرکزی
ترتیب سیاره‌ها، ماه و خورشید در مدل زمین‌مرکزی
گفتیم که یونانیان برای طراحی مدل‌ها و انجام آزمایش‌های خود از استدلال‌های ریاضی بهره برده‌اند. آن‌ها سیاره‌ها را به ترتیب فاصله از زمین مرتب کرده‌اند؛ هرچند این رتبه‌بندی ممکن است از نظر ما عجیب باشد. ترتیبی که یونانیان به دست آورده بودند به صورت زیر است:
- زمین (ساکن و ثابت در مرکز عالم)
- ماه
- تیر (عطارد)
- زهره
- خورشید
- مریخ
- مشتری
- زحل
آن‌ها برای این رتبه‌بندی از مفهوم سرعت زاویه‌ای استفاده کردند (که در بخش‌های بعد بیشتر به آن می‌پردازیم). هر جسمی که سرعت زاویه‌ای بیشتری داشته باشد، فاصله‌ی زاویه‌ای بیشتری را در زمان مشخصی طی می‌کند. به عنوان یک مثال ساده فرض کنیم دو هواپیما در آسمان پرواز می‌کنند؛ یکی نزدیک‌تر و دیگری دورتر از ماست. اگر هر دو هواپیما با سرعت یکسان و در جهت یکسانی در خط دید ما حرکت کنند، به نظر می‌رسد که هواپیمای دورتر فاصله زاویه‌ای کوتاه‌تری را طی کرده است. بنابراین اگر بتوانیم سرعت زاویه‌ای دو هواپیما را تخمین بزنیم، و اگر فرض کنیم آن‌ها با سرعتی یکسان و هم‌جهت با هم حرکت می‌کنند، هواپیمایی که فاصله‌ی کوتاه‌تری را در آسمان پیموده است، باید دورتر باشد.
یونانیان از این روش برای تخمین فاصله‌ی سیاره‌ها از زمین و رتبه‌بندی نسبی آن‌ها بر اساس فاصله از زمین استفاده کردند. مهم‌ترین اِشکال مدل یونانیان باستان، فرض آن‌ها مبنی بر بودن زمین در مرکز جهان بود.
در بخش بعد در مورد مدل خورشیدمرکزی و تاریخچه‌ی آن خواهیم گفت.
منابع:
دیدگاه خود را بنویسید