دستاورد‌های پدر علم ستاره‌شناسی/ از تلسکوپ کپلر تا داستان سفر به ماه

یوهانس کپلر (۱۵۷۱-۱۶۳۰) ستاره‌شناس برجسته آلمانی است، کسی که به عنوان پدر علم ستاره شناسی نوین شناخته می‌شود. کپلر با مطرح کردن این ایده که سیارات در مدار‌های بیضوی و نه دایره‌ای حرکت می‌کنند و حرکت‌شان در این مدار‌ها با مجموعه‌ای از قواعد انجام می‌شود، اصولی را معروف به قوانین کپلر وضع کرد.

او به جز ارتقای نظریه خورشید-محوری کوپرنیک، منجر به پذیرش عمومی آن شد و سه قانون وی که نحوه حرکت سیارات را توصیف می‌کرد، به قوانینی اساسی در علم نجوم مبدل شدند. با این حال، این تنها سهم او در علم نیست. او یکی از بزرگ‌ترین متفکران انقلاب علمی قرن هفدهم بود و در این گزارش برخی دیگر از دستاورد‌های مهم وی را شرح می‌دهیم.

تلسکوپ کپلری

ستاره‌شناس ایتالیایی گالیله (۱۵۶۴ -۱۶۴۲) اولین شخصی بود که اجرام آسمانی را با تلسکوپ مشاهده و ثبت کرد. با این حال، تلسکوپ گالیله فقط می‌توانست اشیا را ۳۰ برابر بزرگ‌تر کند و پس از آن، تصاویر وضوح و کیفیت خود را از دست می‌داد. همچنین تلسکوپ گالیله زاویه دید باریک و محدودی داشت.

کپلر در سال ۱۶۱۰ تحقیقات نظری و تجربی را در مورد نحوه کارکرد ترکیبات مختلف لنز‌ها برای ساخت یک تلسکوپ جدید، با دریچه‌ای بزرگ‌تر و تصاویری واضح‌تر آغاز کرد. وی یافته‌های خود را در کتابی به نام عدسی‌سنجی منتشر کرد و بنیان نورشناسی مدرن را بنا نهاد. او با استفاده از نتایج تحقیقات خود، نوع جدیدی از تلسکوپ را با ترکیبی از لنز‌ها متفاوت از آنچه گالیله به کار برده بود، اختراع کرد. این طرح جدید به تلسکوپ کپلری معروف شد. تلسکوپ کپلری امروزه همچنان مورد استفاده قرار می‌گیرد و قابلیت بزرگنمایی بالاتری را نسبت به تلسکوپ گالیله ممکن می‌سازد.

ابرنواختر ۱۶۰۴

در اکتبر ۱۶۰۴ کپلر شیء جدیدی را که در صورت فلکی مارافسای (Ophiuchus) ظاهر شده بود، مشاهده کرد. اگرچه او اولین کسی نبود که آن را می‌دید، اما طی یک سال موقعیت و روشنایی آن را به طور دقیقی اندازه‌گیری کرد. کپلر مشاهده کرد که این شیء جدید نسبت به ستارگان پس‌زمینه خود حرکتی ندارد، بنابراین شیء مزبور مانند یک سیاره یا دنباله‌دار به دور خورشید نمی‌چرخد.

همچنین این که هیچ پارالاکس (اختلاف رؤیت با در نظر گرفتن محل دید ناظر) را نشان نمی‌داد، به این معنی بود که باید فاصله زیادی با زمین داشته باشد و شی‌ئی نزدیک نیست که در مقابل ستاره‌ها قرار گرفته است.

ظهور ستاره‌ای جدید که درخشش آن افزایش می‌یابد و سپس به‌تدریج با گذشت زمان کمرنگ می‌شود، با یک اصل مهم آن زمان، مبنی بر اینکه همه ستارگان از نظر موقعیت و جایگاه، ثابت و بدون تغییر هستند مغایرت داشت.

او در سال ۱۶۰۶ نتایج خود را در کتابی به نام «De Stella nova in pede Serpentarii» منتشر کرد که مانند اکثر آثار علمی آن زمان به زبان لاتین نوشته شده بود. عنوان آن را به فارسی می‌توان اینطور ترجمه کرد: «در باب ستاره‌ای جدید در دامنه مارافسای».

امروزه می‌دانیم این جسم بیش از اینکه یک ستاره جدید باشد، به عنوان یک ابرنواختر شناخته می‌شود و ستاره‌ای عظیم است که در پایان عمر خود منفجر شده است. انفجار مزبور ستاره را کاملاً نابود کرده و لایه‌های خارجی آن را در ابر گازی درخشان و عظیم به فضا پرتاب کرده بود. این همان چیزی بود که کپلر مشاهده کرد. این ابرنواختر به طور رسمی «SN ۱۶۰۴» نامگذاری شده است، اما اغلب آن را «ابرنواختر کپلر» می‌شناسند. ابرنواختر کپلر ۲۰ هزار سال نوری با ما فاصله دارد و در کهکشان راه شیری واقع شده است. این آخرین بار بود که انفجار یک ابرنواختر آنقدر نزدیک انجام گرفت که با چشم غیرمسلح قابل مشاهده بود.

سهم کپلر در ریاضیات

مشارکت کپلر محدود به نجوم نبود. در سال ۱۶۱۱ او جزوه‌ای را با عنوان «Strena Seu de Nive Sexangula» (برف شش ضلعی، هدیه سال نو) ارائه کرد. او در این نوشتار اولین توصیف رسمی را از تقارن شش ضلعی دانه‌های برف منتشر کرد.

کپلر مجموعه‌ای از اشکال سه‌بعدی منظم را کشف کرد که به عنوان «اجسام سه‌بعدی کپلر» شناخته می‌شوند. اصطلاح منظم به این معنی است که این اشکال نما‌های مختلف، اما یکسانی دارند.

او در سال ۱۶۱۱ یک مسئله ریاضی را مطرح کرد، که به حدس کپلر معروف شد. این حدس ریاضی در مورد کارآمدترین روش بسته‌بندی تعدادی کُره در یک ظرف بزرگ بود. هدف این بود تا بررسی شود در چه شرایطی فضای خالیِ بلااستفاده تا حد ممکن کم خواهد شد. حدس کپلر را می‌توان به این صورت خلاصه کرد: تصور کنید یک ظرف بزرگ را با کره‌های کوچک با اندازه برابر پر کنید. چگالی بسته‌بندی، برابر با حجم کل کره‌ها تقسیم بر حجم ظرف است. طبیعتاً چگالی بسته‌بندی یک به این معنی است که فضای خالی وجود ندارد. حدس کپلر بیان می‌کند که حداکثر چگالی بسته‌بندی ممکن برابر است با ∏ / (۳√۲)، که تقریباً برابر با ۷۴۰۵/۰ است.

حرف کپلر این بود که در روش‌های مختلف دیگر، هیچ ترتیب دیگری برای بسته‌بندی کره‌ها وجود ندارد که چگالی بسته‌بندی‌اش بالاتر از رقم فوق باشد. اگرچه کپلر و دیگر ریاضیدانان پس از وی، این گفته را صحیح دانستند، اما نتوانستند راهی برای اثبات آن پیدا کنند. حدس کپلر برای بیش از ۴۰۰ سال، به عنوان یکی از بزرگ‌ترین مسائل حل نشده در ریاضیات باقی ماند. در سال ۱۸۳۱، ریاضیدانی به نام کارل فریدریش گاوس توانست حدس کپلر را در صورتی که کره‌ها در شبکه منظم باشند اثبات کند، اما رد کردن تمام شبکه‌های نامنظم بسیار پیچیده بود. داوید هیلبرت در سال ۱۹۰۰ این مسئله را به عنوان پرسش هجدهم در لیست ۲۳ پرسش حل نشده ریاضیات قرار داد (مسائل هیلبرت). تنها در سال ۲۰۱۷ بود که تیمی به سرپرستی ریاضیدان آمریکایی توماس هلز صحت آن را ثابت کرد.

سومنیوم

جالب اینجاست که کپلر استعداد نوشتن داستان را نیز داشت. اکثرا نویسندگان علمی‌تخیلی بیش از مردم عادی با علوم آشنا هستند. او در سال ۱۶۰۸ کتابی را به نام «سومنیوم» یا «رویا» به زبان لاتین نوشت که درباره مردی بود که به ماه سفر می‌کرد. کارل سیگن ستاره‌شناس و مدرس علوم، کتابی داستان کپلر را اولین اثر علمی‌تخیلی نامیده است.

کپلر در قالب یک اثر داستانی، در این کتاب توصیف می‌کند که خورشید، زمین و سایر سیارات برای یک ناظر روی کره ماه چگونه به نظر می‌رسند. در زمان کپلر هنوز مشخص نشده بود که ماه به عنوان یک کره جامد چقدر برای زیستن نامناسب است. از این رو برخی از نویسندگان دیگر حدس می‌زدند که ممکن است موجوداتی مانند موجودات روی زمین در ماه وجود داشته باشد و حتی یک تمدن پنهان در آنجا ساکن باشد.

با این حال برای کپلر روشن بود که تأثیرات آب و هوای دوگانه ماه و زمین‌های نامنظم و سخت آنجا بی‌شک باعث پیدایش گیاهان و جانوران بسیار متفاوت از ساکنان کره زمین خواهد شد. در لاوانیای کپلر (نامی که او در کتاب سومنیوم به کره ماه داده است) هیچ مرد و زن و هیچ تمدنی وجود ندارد؛ و در نهایت...

کپلر دستاورد‌های دیگری از جمله کشف چگونگی عملکرد چشم انسان دارد. این دانشمند شهیر در ۱۵ نوامبر سال ۱۶۳۱ در ۵۸ سالگی در حالی که از ضعف بینایی و صرع رنج می‌برد دار فانی را وداع گفت. امروزه کپلر به عنوان یکی از مهم‌ترین متفکران انقلاب علمی قرن هفدهم در اروپا شناخته می‌شود.

منبع:آنا