ทฤษฎีการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์

ทฤษฎีของของคลอดิอุส ปโตเลมี

จากหลักการความคิดของอาริสโตเติลที่เชื่อว่าโลกเป็นศูนย์กลางของจักรวาล โดยมีดาวเคราะห์และดวงดาวต่างๆ โคจรรอบโลกเป็นวงกลมสมบูรณ์นั้น ได้ทำให้ปโตเลมีใช้การสังเกต ทางดาราศาสตร์และความรู้ด้านคณิตศาสตร์ในการพัฒนาระบบจักรวาล "Ptolemaic System" ที่อธิบายว่า "โลกเป็นศูนย์กลางของจักรวาล" เนื่องจากปโตเลมีได้ใช้คณิตศาสตร์ในการพิสูจน์และอธิบายระบบจักรวาลดังกล่าว ทำให้ไม่มีผู้โต้แย้งเป็นเวลาร่วม 1,400 ปี จนกระทั่ง ค.ศ. 1543 โคเพอร์นิคัส นักดาราศาสตร์ชาวโปแลนด์ ได้พิสูจน์ว่าทฤษฎีของปโตเลมีที่ระบุว่าโลกเป็นศูนย์กลางของจักรวาลนั้นผิด โดยแท้ที่จริงแล้ว ดวงอาทิตย์ต่างหากที่เป็นศูนย์กลางของสุริยจักรวาล โดยมีโลกและดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์ ระบบจักรวาลของปโตเลมี ที่มีโลกเป็นศูนย์กลางของจักรวาล โดยมีดวงจันทร์ (LVNAE)ดาวพุธ (MERCVRII) ดาวศุกร์ (VENERIS) ดวงอาทิตย์ (SOLIS) ดาวอังคาร (MARTIS)ดาวพฤหัส (IOVIS) และดาวเสาร์ (SATVRNIS) โคจรไปรอบโลก เพื่อให้สอดคล้องกับผลการสังเกตบนท้องฟ้า ปโตเลมีได้อธิบายการโคจรของดาวเคราะห์และดวงดาวต่างๆ ด้วยวงกลมวงใหญ่ (deferent) ที่หมุนรอบโลก พร้อมกับมีวงกลมวงเล็กที่เรียกว่า "epicycles" ซึ่งเป็นวงโคจรของดาวเคราะห์โดยเคลื่อนที่บนเส้นรอบวงของวงกลมวงใหญ่ การเคลื่อนที่ของวงกลมใหญ่จะเคลื่อนที่ไปตามทิศทางของจุดที่ 1 จนถึง 7 โดยวงกลมวงเล็กจะเคลื่อนที่ในลักษณะที่ควงสว่าน และสังเกตได้ว่าดาวเคราะห์จะมีการโคจรถอยหลังจากจุด 3 จนถึง 5 ซึ่งปโตเลมีใช้อธิบายการโคจรถอยหลังของดาวเคราะห์ที่สังเกตได้ นักดาราศาสตร์รุ่นหลังได้วิเคราะห์แล้วว่า สาเหตุหลักที่ปโตเลมีใช้การอธิบายที่ค่อนข้างซับซ้อน ก็เนื่องจากว่า ปโตเลมีเชื่อว่าดาวเคราะห์โคจรเป็นวงกลม ทั้งที่ความเป็นจริงแล้วดาวเคราะห์โคจรเป็นวงรี (ค้นพบโดยเคปเลอร์ ในช่วงเวลาอีก 1,450 ปีต่อมา) ทำให้การพยากรณ์สำหรับการโคจรบางส่วนจึงผิดพลาดสะสมไปเรื่อยๆ อย่างไรก็ตาม นักดาราศาสตร์ในยุคปัจจุบันก็ได้ยอมรับว่า การอธิบายของปโตเลมีถือว่าดีที่สุดแล้วในเวลานั้น นอกจากนี้ ปโตเลมีได้แสดงความคิดเห็นไว้ว่า การที่เราเห็นดวงดาวต่าง ๆ บนท้องฟ้าเคลื่อนที่ไปนั้น อาจเกิดจากการที่โลกหมุนรอบตัวเอง (เฮอราไคลดัส Heraclidus นักปราชญ์กรีกได้เสนอความคิดนี้มาก่อนแล้ว) แต่ว่าทฤษฎีโลกหมุนรอบตัวเองนั้นยังไม่เป็นที่ยอมรับในเวลานั้น ความเชื่อตามความคิดของอาริสโตเติล และแบบจำลองระบบจักรวาลโดยปโตเลมี ที่ระบุและพิสูจน์ว่าโลกเป็นศูนย์กลางของจักรวาล ไม่เพียงแต่ฝังรากลึกในแวดวงวิทยาศาสตร์ในยุคดัง กล่าวเท่านั้น แต่ความเชื่อดังกล่าวยังได้ฝังรากลึกในศาสนจักรคาทอลิกอย่างเหนียวแน่นอีกด้วย ซึ่งมีผลกระทบอย่างรุนแรงต่อนักวิทยาศาสตร์รุ่นต่อมา อาทิเช่น โคเพอร์นิคัส หรือ กาลิเลโอ ที่พยายามพิสูจน์ว่าโลกไม่ได้เป็นศูนย์กลางของจักรวาล จากผลงานต่างๆ ทางวิทยาศาสตร์ของปโตเลมีที่ได้สร้างคุณประโยชน์มากมาย จนถือได้ว่าปโตเลมีเป็นผู้ยิ่งใหญ่แห่งยุคในเวลานั้น โดยเฉพาะผลงานทางด้านดาราศาสตร์ที่ได้มีอิทธิพลและเป็นที่ยอมรับมาเป็นเวลานานร่วม 1,400 ปี จนกระทั่งโคเพอร์นิคัส ได้พิสูจน์ว่าระบบจักรวาลของปโตเลมีไม่ถูกต้อง

ทฤษฎีของของนิโคลัส โคเปอร์นิคัส

เป็นนักดาราศาสตร์ยุคหลังอริสโตเติล ผู้โด่งดังกับทฤษฎี "โลกเป็นเป็นศูนย์กลางของระบบสุริยจักรวาล" โคเปอร์นิคัส เป็นชาวโปแลนด์ เกิดมาในฐานะร่ำรวยแต่กำพร้าบิดาตั้งแต่ยังเด็ก เขาอยู่ในการปกครองของ ลุง ซึ่งเป็นพระนักบวช ซึ่งมีบทบาทต่อเขาอย่างมาก และมุ่งหวังอยากให้เขาเป็นแพทย์ เขาจึงได้มาศึกษาด้านเตรียมการแพทย์ เช่น คณิตศาสตร์ ภูมิศาสตร์ ดาราศาสตร์ จนเบนเข็มให้เขาหันมาสนใจด้านดาราศาสตร์มากกว่า แต่ท้ายที่สุดเขาก็หันไปเรียนด้านกฎหมายแทน จนถึงระดับ ปริญญาเอก ที่มหาวิทยาลัย เฟอร์รารา อิตาลี แต่ลุงเขากลับไม่ชอบใจ เขาจึงกลับมาศึกษาต่อด้านแพทย์อีกทีที่ มหาวิทาลัยปาดัว จนสำเร็จการศึกษา ทำให้เขาเชี่ยวชาญหลายด้าน ทั้งกฎหมาย แพทย์ และปรัชญา ศาสนา ละติน และดาราศาสตร์ ซึ่งหลังจากลุงเขาเสียชีวิต เขาก็หันมาสนใจด้านดาราศาสตร์อย่างจริงจัง ทำการศึกษาค้นคว้า โดยยึดหลักทฤษฎีของนักดาราศาสตร์ท่านอื่นศึกษาไว้มาเป็นแนวทางเกี่ยวกับการหมุนรอบตัวของอาทิตย์ จนทำให้เขาได้ค้นพบทฤษฎีใหม่ แต่ขัดแย้งกับคนอื่นๆและหลักศาสนา จนเขาเสียชีวิตผลงานหนังสือและการค้นพบของเขาจึงได้รับการเผยแพร่ออกสู่สายตาสาธารณะชนชื่อว่า " การปฏิวัติทางโคจรแห่งดาวบนฟากฟ้า" (De Revolutionibus Orbrium Codestium) กับทฤษฎีที่พบ 3 ข้อคือ 1. ดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลางของระบบสุริยจักรวาล โดยโลกและดาวเคราะห์อื่นๆต้องหมุนรอบดวงอาทิตย์ใช้เวลา 365 วัน หรือ 1 ปี และทำให้เกิดฤดูกาลขึ้น 2. โลกมีสัณฐานกลมไม่ใช่แบนอย่างที่เข้าใจ โดยโลกใช้เวลาหมุนรอบตัวเอง 1 วัน หรือ 24 ชม. และทำให้เกิดกลางวัน และ กลางคืน 3. ดาวเคราะห์ต่างๆที่โคจรรอบดวงอาทิตย์เป็นไปในลักษณะเป็นวงกลม แต่นักดาราศาสตร์รุ่นหลังบอกว่าเป็นวงรี โคเปอร์นิคัส นับว่าเป็นนักดาราศาสตร์ที่ตั้งทฤษฎีได้ถูกต้องที่สุด และเป็นแนวทางกับการปฏิวัติความเชื่อแบบเก่าต่อในการศึกษาในปัจุบันนี้ เขาอุทิศทำงานอย่างหนัก ทั้งดาราศาสตร์ การแพทย์ และด้านเศรษฐกิจในฐานะบุคคลหนึ่งในคณะรัฐบาลสมัยนั้น ในการยึดนโยบายเงินตราที่มีหลักการ สามารถแก้ไขปัญหาเงินฝืดในบ้านเมืองประเทศโปแลนด์ได้

ทฤษฎีของโยฮันเนส เคปเลอร์

โยฮันเนส เคปเลอร์ (อังกฤษ: Johannes Kepler; 27 ธันวาคม ค.ศ. 1571 - 15 พฤศจิกายน ค.ศ. 1630) นักดาราศาสตร์ นักโหราศาสตร์และนักคณิตศาสตร์ชาวเยอรมัน ผู้มีส่วนสำคัญในการปฏิวัติวงการวิทยาศาสตร์ เขาค้นพบกฎการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ในงาน Astronomia nova, Harmonice Mundi ของเขา และได้แต่งหนังสือชื่อ Epitome of Copernican Astronomy โยฮันเนส เคปเลอร์ ประกอบอาชีพเป็นครูสอนคณิตศาสตร์ที่โรงเรียน Graz (ภายหลังเปลี่ยนเป็น มหาวิทยาลัย Graz) และเป็นผู้ช่วยของ ไทโค บราเฮ นักคณิตศาสตร์ในความอุปถัมภ์ของจักรพรรดิรูดอร์ฟที่ 2 ผู้ซึ่งรวบรวมรวมข้อมูลของดาวเคราะห์มาตลอดชีวิต และปูทางให้เคปเลอร์ค้นพบกฎการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ในเวลาต่อมา เขาทำงานด้านทัศนศาสตร์ และช่วยสนับสนุนการค้นพบกล้องโทรทรรศน์ของกาลิเลโอ กาลิเลอีเขาถูกยกย่องว่าเป็น "นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ทฤษฎีคนแรก" แต่คาร์ล ซาแกน ยกย่องเขาในฐานะ "นักโหราศาสตร์ทางวิทยาศาสตร์คนสุดท้าย" หลังจากที่กาลิเลโอพิสูจน์ว่า ระบบดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลางของระบบสุริยะ (Heliocentric) เป็นความจริง นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่ยังปักใจว่า วงโคจรของดาวเคราะห์เป็นรูปวงกลมที่สมบูรณ์ จึงไม่มีใครสามารถพยากรณ์ตำแหน่งของดาวเคราะห์ล่วงหน้าได้ถูกต้อง จนกระทั่ง โจฮานเนส เคปเลอร์ (Johannes Kepler) นักคณิตศาสตร์ชาวเยอรมันซึ่งมีชีวิตอยู่ในระหว่าง ค.ศ.1571 – 1630 (พ.ศ.2114 - 2173) ได้ทำการวิเคราะห์ข้อมูลตำแหน่งของดาวเคราะห์ ซึ่งได้มาจากการตรวจวัดอย่างละเอียดโดย ไทโค บราเฮ (Tycho Brahe) นักดาราศาสตร์ประจำราชสำนักเดนมาร์ก ผู้มีชื่อเสียงในยุคนั้น (แต่ไทโคคงยังเชื่อในระบบโลกเป็นศูนย์กลาง) แล้วทำการทดลองด้วยแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ เคปเลอร์พบว่า ผลของการคำนวณซึ่งถือเอาวงโคจรเป็นรูปวงกลมไม่สอดคล้องกับข้อมูลที่ได้จากการสังเกตการณ์ แต่สอดคล้องกับการคำนวณซึ่งถือเอาวงโคจรเป็นรูปวงรี ในปี ค.ศ.1609 (พ.ศ.2152) เคปเลอร์ได้ประกาศกฎข้อที่ 1 (กฎของวงรี) "ดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์เป็นวงรี โดยมีดวงอาทิตย์อยู่ที่โฟกัสจุดหนึ่ง" ในปีเดียวกัน เคปเลอร์พบว่า ความเร็วในวงโคจรของดาวเคราะห์มิใช่ค่าคงที่ ดาวเคราะห์เคลื่อนที่เร็วขึ้นเมื่อเข้าใกล้ดวงอาทิตย์ และเคลื่อนที่ช้าลงเมื่อออกห่างจากดวงอาทิตย์ เคปเลอร์ประกาศกฎข้อที่ 2 (กฎของพื้นที่เท่ากัน) "เมื่อดาวเคราะห์เคลื่อนที่ตามวงโคจรไปในแต่ละช่วงเวลา 1 หน่วย เส้นสมมติที่ลากโยงระหว่างดาวเคราะห์กับดวงอาทิตย์ จะกวาดพื้นที่ในอวกาศได้เท่ากัน" เก้าปีต่อมา ในปี ค.ศ.1618 (พ.ศ.2161) เคปเลอร์พบว่า พื้นที่ของคาบวงโคจรของดาวเคราะห์ (คำว่า "พื้นที่" หมายถึง กำลังสอง) จะแปรผันตาม ปริมาตรของระยะห่างจากดวงอาทิตย์เสมอ (คำว่า "ปริมาตร" หมายถึง กำลังสาม) หรือพูดอย่างง่ายว่า "กำลังสองของคาบวงโคจรของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์ จะแปรผันตาม กำลังสามของระยะห่างจากดวงอาทิตย์ เมื่อนำค่ายกกำลังสองของคาบวงโคจรของดาวเคราะห์ p2 มาหารด้วย ค่ากำลังสามของระยะห่างจากดวงอาทิตย์ a3 จะได้ค่าคงที่เสมอ (p2/a3 = k, k เป็นค่าคงที่) มิว่าจะเป็นดาวเคราะห์ดวงใดก็ตาม กฎข้อที่ 3 นี้เรียกว่า "กฎฮาร์มอนิก" (Harmonic Law) สรุป กฎของเคปเลอร์ 1. กฎแห่งวงรี: ดาวเคราะห์โคจรเป็นรูปวงรีรอบดวงอาทิตย์ โดยมีดวงอาทิตย์อยู่ที่จุดโฟกัสจุดหนึ่ง 2.กฎแห่งการกวาดพื้นที่: ในเวลาที่เท่ากันดาวเคราะห์จะมีพื้นที่ที่เส้นรัศมีจากดวงอาทิตย์ถึงดาวเคราะห์กวาดไปเท่ากัน หรือ dA/dt มีค่าคงที่ 3.กฎแห่งคาบ: คาบในการโคจรรอบดวงอาทิตย์กำลังสองแปรผันตรงกับระยะครึ่งแกนเอกของวงโคจรกำลังสาม