مکانیک سماوی

نگاه اجمالی

مکانیک سماوی محدوده ای از فیزیک فضا را تشکیل می دهد که در آن حرکت اجرام آسمانی مورد مطالعه قرار می گیرد. در مکانیک سماوی از موضوعات مکانیک کلاسیک و روابط و قوانین آن استفاده می گردد. مکانیک کلاسیک اغلب برای مطالعه میدان گرانشی و اثرات آن روی اجسامی مانند سیارات ، ماهواره ها ، سفینه های فضایی و موشکهای فضاپیما به کار می رود. البته لازم به ذکر است که علاوه بر نیروی گرانشی عوامل دیگری مانند مقاومت اتمسفر روی مدار اجسام و یا برهمکنش های پلاسمایی مانند باد خورشیدی و یا شهاب سنگها نیز در توصیف مکانیک سماوی دخالت دارند.

● سیر تحولی و رشد

▪ تقریبا می توان گفت که مکانیک سماوی با کارهای کپلر به صورتی دقیق شروع شد. کپلر توانست با نفوذ در فراسوی مرزهای مشاهده و توصیف ریاضی ، حرکت اجرام آسمانی را برحسب نیروهای فیزیکی توضیح دهد. در منظومه کپلر سیاره ها ، دیگر به سبب ماهیت آسمانی خود حرکت نمی کردند و دیگر به سبب داشتن شکلهای کروی در حرکت دورانی طبیعی نبودند. کپلر بر اساس پدیده های مشاهده شده به دنبال قوانین فیزیکی بود تا تمامی جهان را به شیوه دقیق کمی توصیف کند.

▪ یکی از دانشمندانی که کپلر با او درباره پیشرفتهای علمی مکاتبه داشت، گالیله بود. کمک اصلی کپلر به تئوری سیاره ای ، قوانین تجربی او براساس رصدهای تیکو براهه بود. گالیله هم در تئوری و هم در مشاهده کوشا بود. گالیله نظریه حرکت خود را بر مبنای مشاهده های مربوط به حرکت اجرام در سطح زمین استوار کرد. کارهای او در زمینه دانش جدید مکانیک با فرضیات ارسطویی در فیزیک و ماهیت حرکت های آسمانی مغایرت داشت. گالیله توانست نخستین تلسکوپ را بسازد.

▪ بعد از گالیله ، که در دوران خفگان حکومت نظریه ارسطویی زندگی می کرد، تحولی عظیم در علوم مختلف ایجاد شد و بساط نظریه ارسطویی تقریبا برچیده شد. این دوران همزمان با دوره نیوتن بود. نیوتن در این زمان قانون جهانی گرانش خود را بیان کرد. نیوتن با تکیه بر قوانین حرکت خود توانست ماهیت نیروهای وارد بر سیارات را کشف کند. وی به این نتیجه رسید که یک قانون جهانی گرانش در مورد همه اجسامی که در منظومه شمسی حرکت می کنند، وجود دارد.

▪ بعد از نیوتن دانشمندان دیگری در مورد حرکت سیارات منظومه شمسی به مطالعه پرداختند و هر روز نتایج و نظریه های جدیدی حاصل می شد. تا اینکه آلبرت انیشتین نظریه نسبیت عام خود را که در مورد گرانش بود، ارائه داد. بعد از کار انیشتین ، دانشمندان مختلفی در تشریح نظریه نسبیت عام تلاش کردند و نظریه های جدیدی در مورد کیهان شناسی و گرانش حاصل شد.

● قوانین حرکت اجرام آسمانی

در اوایل قرن هفدهم ، پیش از آنکه نیوتن قوانین حرکت خود را کشف کند، کپلر سه قانون زیر را در مورد حرکت سیارات اعلام کرد. کپلر این قوانین را از رصد دقیق و پردامنه ای که تیکو براهه از حرکت سیارات انجام داده بود، استنتاج کرد.

▪ سیارات در مدارهای بیضی شکل حرکت می کنند که خورشید در یکی از کانونهای آن قرار دارد. این قانون را می توان با در نظر گرفتن معادله مسیر حرکت ذره ای که تحت تاثیر میدان گرانشی حاصل از یک ذره دیگر حرکت می کند، تشریح کرد. در این حالت با احراز شرایط خاصی مسیر حرکت ذره یک مسیر بیضوی خواهد بود. کپلر با مشاهده مدار بیضوی مریخ به این نتیجه رسید که مسیر حرکت سیارات بیضوی خواهد بود. شکل مدار زمین را می توان با اندازه گیری بزرگی ظاهری خورشید در سال Sideral پیدا کرد. زمین یک مدار بسته را حول خورشید طی می کند.

▪ سطح جاروب شده توسط بردار شعاعی که از خورشید تا سیارات رسم می گردد، در زمانهای مساوی ، برابر است. این قانون نتیجه ای از قانون بقای اندازه حرکت زاویه ای است. این قانون نشان می دهد که نیروی وارد بر سیارات نیرویی مرکزی است. همانگونه که قانون اول از این حقیقت که نیروی وارد بر سیارات با عکس مربع فاصله متناسب است، حاصل شده بود.

▪ مربع زمان تناوب چرخش سیارات به دور خورشید با مکعب نصف محور بزرگتر بیضی متناسب است. قانون سوم ازاین حقیقت ناشی می شود که نیروی گرانشی وارد بر هر ذره با جرم آن ذره متناسب است. با استفاده از این قانون می توان جرم خورشید را محاسبه کرد. با استفاده از این قانون ، دانشمندان توانسته اند جرم پنج سیاره را که جرمشان به مراتب کمتر است، تعیین کنند.

براساس قوانین کپلر و با در نظر گرفتن اینکه زمین و ماه حول مرکز جرم خود در حال حرکت هستند، جرم ماه ۱.۸۱ جرم زمین محاسبه شده است. حرکت زمین سبب اختلاف نظر در وضعیت ظاهری اجرام آسمانی مانند زهره ، مریخ و سیارکها می شود. تعیین جرم سیاراتی مانند زهره و عطارد که فاقد ماه هستند، به مراتب مشکلتر است.

● ارتباط مکانیک سماوی با سایر علوم

می توان گفت که بین حرکت سیارات حول خورشید و مسئله حرکت الکترون ها حول هسته اتم ، مشابهت وجود دارد. به عبارت دیگر ، حرکت سیارات یک حالت تقریبا ماکروسکوپی در ابعاد خیلی بزرگ از حرکت در درون اتم است، هر چند که ماهیت این دو پدیده تفاوتهای زیادی با هم دارند. بنابراین از همین جا ارتباط مکانیک سماوی با مکانیک کلاسیک و مکانیک کوانتومی روشن می گردد. همچنین مکانیک سماوی با اختر فیزیک ، نجوم و کیهان شناسی نیز ارتباط تنگاتنگ دارد و اصولا در بعضی موارد تعیین حد و مرز میان این علوم کار بسیار دشواری است.

● اهمیت مکانیک سماوی