Newsletter subscribe

A Brief History of Time, Universe

ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#4 บทที่ 1 ภาพของจักรวาลของเรา : Heliocentric Model

Posted: 04/11/2020 at 12:40   /   by   /   comments (0)

 

 

บทแรก (ภาพของจักรวาลของเรา) “ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History of Time)” โดย สตีเฟน ฮอว์คิง

รูปแบบที่เรียบง่ายนี้ได้รับการเสนอในปี 1514 โดย นิโคลัส โคเปอร์นิคัส นักบวชชาวโปแลนด์ (ในตอนแรกอาจเพราะกลัวว่าคริสตจักรจะตราหน้าเขาว่าเป็นคนนอกรีต โคเปอร์นิคัสจึงเผยแพร่แบบจำลองของเขาโดยไม่เปิดเผยตัวตน) ความคิดของเขาคือดวงอาทิตย์หยุดนิ่งที่ศูนย์กลาง โลกและดาวเคราะห์เคลื่อนที่เป็นวงโคจรเป็นวงกลมรอบดวงอาทิตย์

เกือบหนึ่งศตวรรษผ่านไปก่อนที่ความคิดนี้จะถูกนำมาใช้อย่างจริงจัง จากนั้นนักดาราศาสตร์สองคน – โยฮันเนส เคปเลอร์ ชาวเยอรมัน และกาลิเลโอ กาลิเลอี ชาวอิตาลี – สานต่อแนวคิดนี้ต่อสาธารณชนเพื่อสนับสนุนทฤษฎีของโคเปอร์นิคัส แม้ว่าจะมีการทำนายวงโคจรไม่ค่อยตรงกับที่สังเกต การสิ้นสุดของทฤษฎี Aristotelian / Ptolemaic เกิดขึ้นในปี 1609 ในปีนั้นกาลิเลโอเริ่มสังเกตท้องฟ้ายามค่ำคืนด้วยกล้องโทรทรรศน์ที่เขาประดิษฐ์ขึ้นเอง เมื่อเขามองไปที่ดาวพฤหัสบดี กาลิเลโอพบว่ามีดาวเทียมหรือดวงจันทร์ขนาดเล็กหลายดวงโคจรรอบดาวพฤหัสบดี นี่เป็นนัยว่าทุกสิ่งไม่จำเป็นต้องโคจรรอบโลกโดยตรงอย่างที่อริสโตเติลและปโตเลมีคิด (แน่นอนว่ายังคงเป็นไปได้ที่จะเชื่อว่า โลกหยุดนิ่งที่ศูนย์กลางของจักรวาล และดวงจันทร์ของดาวพฤหัสบดีเคลื่อนที่ไปบนเส้นทางที่ซับซ้อนรอบโลก ทำให้ดูเหมือนว่าพวกมันโคจรรอบดาวพฤหัสบดี อย่างไรก็ตามทฤษฎีของโคเปอร์นิคัสง่ายกว่ามาก) ในขณะเดียวกัน โยฮันเนส เคปเลอร์ ได้แก้ไขทฤษฎีของโคเปอร์นิคัส เคปเลอร์บอกว่าดาวเคราะห์ไม่ได้เคลื่อนที่เป็นวงกลม แต่เป็นวงรี (วงรีคือวงกลมที่ยาว) ในที่สุดการคาดการณ์ก็ตรงกับการสังเกตการณ์ 

เท่าที่เคปเลอร์กังวล วงโคจรแบบวงรีเป็นเพียงสมมติฐานและไม่ได้รับการยอมรับในเวลานั้น เนื่องจากวงโคจรแบบวงรีมีความสมบูรณ์น้อยกว่าวงกลมอย่างชัดเจน เคปเลอร์ค้นพบโดยบังเอิญในเวลาต่อมาว่าวงโคจรแบบวงรีเข้ากับการสังเกตการณ์เป็นอย่างดี และเขามีแนวคิดว่าดาวเคราะห์นั้นโคจรรอบดวงอาทิตย์ด้วยแรงแม่เหล็ก

 

 

Alan Walker & Ava Max – Alone, Pt. II (Live at Château de Fontainebleau) (YouTube)

 

 

   

ในศตวรรตที่ 15 นิโคลัส โคเปอร์นิคัส (Nicolaus Copernicus; 1473-1543) นักบวชคาทอลิกและนักดาราศาสตร์ชาวโปแลนด์ได้นำเสนอ “Heliocentric model” แบบจำลองที่มีดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลางของจักรวาลโดยไม่เคลื่อนที่ มีดาวเคราะห์ต่างๆ รวมทั้งโลกโคจรรอบดวงอาทิตย์เป็นวงกลม ซึ่งตรงข้ามกับ Geocentric model ที่วางโลกไว้ที่ศูนย์กลาง แต่แนวคิดนี้ของโคเปอร์นิคัสไม่เป็นที่ยอมรับในสมัยนั้น อีกทั้งขัดแย้งกับคำสอนในคัมภีร์ไบเบิลของศาสนาคริสต์ด้วย 

ในสมัยของโคเปอร์นิคัส นักดาราศาสตร์ส่วนใหญ่เชื่อในทฤษฎีที่นักดาราศาสตร์ชาวกรีก ปโตเลมี (Ptolemy) ได้พัฒนามานานกว่า 1,000 ปีก่อนหน้านี้ ปโตเลมีกล่าวว่าโลกเป็นศูนย์กลางของจักรวาลและไม่เคลื่อนที่ เขาเชื่อว่าร่างกายของสวรรค์อื่นๆ ทั้งหมดเคลื่อนที่ในรูปแบบที่ซับซ้อนรอบโลก โคเปอร์นิคัสรู้สึกว่าทฤษฎีของปโตเลมีไม่ถูกต้อง ในช่วงระหว่างปี 1507 ถึงปี 1515 เขาได้เผยแพร่หลักการของดาราศาสตร์ที่มีดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลางจักรวาลเป็นครั้งแรก โคเปอร์นิคัสทำการสังเกตุการณ์ด้วยตาเปล่า เขาเสียชีวิตไปแล้วกว่าห้าสิบปีก่อนที่กาลิเลโอจะกลายเป็นคนแรกที่ศึกษาท้องฟ้าด้วยกล้องโทรทรรศน์ 

 

 

Empire Of The Sun – High And Low (YouTube)

 

 

 

กาลิเลโอ (Galileo; 1564-1642) นักดาราศาสตร์ชาวอิตาลี ผู้ซึ่งได้รับการขนานนามว่าเป็น “บิดาแห่งดาราศาสตร์สมัยใหม่ และ “บิดาแห่งวิทยาศาสตร์ยุคใหม่” ได้ค้นพบดวงจันทร์โคจรรอบดาวพฤหัสบดีโดยใช้กล้องโทรทรรศน์ที่เขาสร้างขึ้น ผลงานสังเกตุการณ์ที่ว่า “มีดาวขนาดเล็กกว่าโคจรอยู่รอบดาวเคราะห์”

 

ซ้าย: ภาพของดาวพฤหัสบดีและดวงจันทร์กาลิเลียนสามในสี่ดวง เมื่อมองผ่านกล้องโทรทรรศน์สมัครเล่นคล้ายกับที่กาลิเลโอเคยเห็นจากกล้องโทรทรรศน์ของเขา

ขวา: ภาพจากกล้องโทรทรรศน์ขนาดเล็ก ถ่ายในปี 2010 แสดงภาพของดวงจันทร์ขนาดใหญ่ 4 ดวงของดาวพฤหัสบดี 

เมื่อวันที่ 7 มกราคม 1610 กาลิเลโอ กาลิเลอี นักดาราศาสตร์ชาวอิตาลี สังเกตเห็นแสงสามจุดใกล้โลกเมื่อมองผ่านกล้องโทรทรรศน์ที่เขาประดิษฐ์ขึ้นมาเอง ในตอนแรกเขาคิดว่าเป็นดาวที่อยู่ห่างไกล จากการสังเกตพวกมันในช่วงหลายคืน เขาสังเกตจากการเคลื่อนตัวของพวกมัน ดูเหมือนจะเคลื่อนตัวไปผิดทางที่จะเป็นดาวฤกษ์ที่อยู่ไกลออกไป และพวกมันยังคงอยู่ในระยะใกล้ของดาวพฤหัสบดี ต่อมาเขาสังเกตเห็นดาวดวงที่สี่ปรากฏตัวที่มีพฤติกรรมผิดปกติเช่นเดียวกัน หลังจากผ่านไปหนึ่งสัปดาห์ กาลิเลโอสังเกตว่าดาวทั้งสี่ดวงไม่เคยออกจากบริเวณใกล้เคียงกับดาวพฤหัสบดี และดูเหมือนว่าจะเคลื่อนไปพร้อมกับดาวพฤหัสบดี ในที่สุดกาลิเลโอก็ตัดสินได้ว่าสิ่งที่เขาสังเกตเห็นไม่ใช่ดาวฤกษ์ แต่เป็นดาวเคราะห์ที่อยู่ในวงโคจรรอบดาวพฤหัสบดี การค้นพบนี้เป็นหลักฐานชัดเจนที่ช่วยสนับสนุนทฤษฎีของนิโคลัส โคเปอร์นิคัส ที่ว่าวัตถุท้องฟ้าส่วนใหญ่ไม่ได้หมุนรอบโลก และโลกไม่ได้เป็นศูนย์กลางของจักรวาล ในเดือนมีนาคม 1610 กาลิเลโอตีพิมพ์การค้นพบดวงจันทร์ของดาวพฤหัสบดีและการสังเกตการณ์ท้องฟ้าอื่นๆ ในหนังสือชื่อ Sidereus Nuncius (The Starry Messenger)

ดวงจันทร์สี่ดวงที่โคจรรอบดาวพฤหัสบดีซึ่งปัจจุบันได้รับการตั้งชื่อเพื่อเป็นเกียรติแก่กาลิเลโอ “ดวงจันทร์กาลิเลียน (Galilean moons)” เป็นดวงจันทร์ที่ใหญ่ที่สุด 4 ดวงของดาวพฤหัสบดี ได้แก่ ไอโอ (Io), ยูโรปา (Europa), แกนีมีด (Ganymede),และคาลลิสโต (Callisto) ดวงจันทร์ของกาลิเลียนทั้งสี่เป็นดวงจันทร์ของดาวพฤหัสบดีที่รู้จักกันดี จนกระทั่งมีการค้นพบดวงจันทร์ดวงที่ 5 ของดาวพฤหัสบดี “แอมัลเธีย (Amalthea)” ในปี 1982 ณ วันนี้นักดาราศาสตร์ระบุว่ามีดาวจันทร์ 79 ดวงที่โคจรรอบดาวพฤหัสบดี

 

ซ้าย: หน้าปก Sidereus Nuncius   ขวา: ภาพสเก็ตของดวงจันทร์โดยกาลิเลโอจากหนังสือ Sidereus Nuncius (en.wikipedia.org)

“Sidereus Nuncius (The Starry Messenger)” บทความทางดาราศาสตร์สั้นๆ (หรือจุลสาร) ที่จัดพิมพ์ในภาษาละตินโดย กาลิเลโอ กาลิเลอี (Galileo Galilei) เมื่อวันที่ 13 มีนาคม 1610 เป็นผลงานทางวิทยาศาสตร์ที่ตีพิมพ์เป็นครั้งแรกโดยอาศัยการสังเกตการณ์ผ่านกล้องโทรทรรศน์ มีผลการสังเกตการณ์หลุมอุกกาบาตและภูเขาบนดวงจันทร์ ระยะของดาวศุกร์ วงแหวนของดาวเสาร์ ดวงจันทร์ของดาวพฤหัสบดี จุดดับในดวงอาทิตย์ และดวงดาวในกาแล็กซี่ทางช้างเผือกของเรา

Sidereus Nuncius ทำให้กาลิเลโอเป็นคนดังในอิตาลี การค้นพบของเขาด้วยกล้องโทรทรรศน์ได้ปฏิวัติวงการดาราศาสตร์และปูทางไปสู่การสนับสนุนแบบจำลอง “Heliocentric model” ของโคเปอร์นิคัส ที่มีดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลางและโลกกำลังโคจรรอบดวงอาทิตย์ แต่การค้นพบของกาลิเลโอเป็นสิ่งที่ขัดแย้งกับแนวคิดหลักที่เชื่อกันมานานแสนนานนับแต่ยุคของอริสตอเติล ที่เชื่อว่าโลกเป็นศูนย์กลางของจักรวาล และวัตถุบนท้องฟ้าทุกอย่างล้วนต้องโคจรรอบโลก  พื้นผิวที่ขรุขระของดวงจันทร์ก็ขัดต่อความคิดเรื่องความสมบูรณ์แบบของสวรรค์ที่ว่า “ทรงกลมเป็นรูปทรงที่สมบูรณ์แบบที่สุด” ที่พระเจ้าใช้

ในปี 1616 คริสตจักรคาทอลิกได้ให้ “De Revolutionibus” ของนิโคลัส โคเปอร์นิคัส เป็นหนังสือต้องห้าม สมเด็จพระสันตะปาปาปอลที่ 5 เรียกกาลิเลโอมาที่โรม และบอกเขาว่าเขาไม่สามารถสนับสนุนโคเปอร์นิคัสต่อสาธารณะได้อีกต่อไป เพราะขัดแย้งกับการตีความตามพระคัมภีร์ไบเบิ้ล

ในปี 1632 กาลิเลโอได้ตีพิมพ์ “Dialogue Concerning the Two Chief World Systems” หนังสือเล่มนี้เป็นการอภิปรายระหว่างทฤษฎีของโคเปอร์นิคัสและทฤษฎีของอริสโตเติล แม้ว่าเขาจะบอกว่าหนังสือเล่มนี้เป็นกลาง แต่ทำให้ผู้สนับสนุนทฤษฎีของอริสโตเติลไม่พอใจ กาลิเลโอถูกเรียกตัวมาสอบสวนของในปี 1633 และถูกคริสตจักรคาทอลิกตัดสินว่า “สงสัยอย่างรุนแรงว่าเป็นคนนอกรีต” กาลิเลโอถูกลงโทษ ถูกกักบริเวณในบ้าน กาลิเลโอใช้ชีวิต 9 ปีสุดท้ายภายใต้การกักบริเวณ โดยเขียนบทสรุปของการทดลองการเคลื่อนที่ ซึ่งกลายเป็นผลงานทางวิทยาศาสตร์ที่ยิ่งใหญ่ชิ้นสุดท้ายของเขา เขาเสียชีวิตเมื่ออายุ 77 ปีหลังจากป่วยด้วยอาการหัวใจสั่นและเป็นไข้

 

 

Chris Brown & Ariana Grande – Don’t Be Gone Too Long (YouTube)

 

 

โยฮันเนส เคปเลอร์ (Johannes Kepler; 1571-1630) เป็นนักคณิตศาสตร์และนักดาราศาสตร์ชาวเยอรมันที่มีชีวิตอยู่ในยุคที่ผู้คนยังเชื่อว่า โลกเป็นศูนย์กลางของระบบสุริยะและวงโคจรของดาวเคราะห์เป็นรูปวงกลมที่สมบูรณ์ เคปเลอร์เป็นอีกคนหนึ่งที่เห็นด้วยกับแบบจำลอง Heliocentric ของโคเปอร์นิคัสที่ว่าดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลางของระบบสุริยะ (เคปเลอร์ได้แก้ไขทฤษฎีของโคเปอร์นิคัส โดยบอกว่าดาวเคราะห์ไม่ได้เคลื่อนที่เป็นวงกลม แต่เป็นวงรี)

ในปี 1596 ตอนอายุ 25 เขาได้ตีพิมพ์หนังสือ Mystery of the Cosmos หนังสือของเขาอธิบายว่าเหตุใดดวงอาทิตย์จึงอยู่ตรงจุดศูนย์กลางของระบบสุริยะ เคปเลอร์ตั้งข้อสังเกตว่าดาวพุธและดาวศุกร์ดูเหมือนจะอยู่ใกล้ดวงอาทิตย์เสมอ ซึ่งแตกต่างจากดาวอังคารดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์ เนื่องจากวงโคจรของดาวพุธและดาวศุกร์อยู่ใกล้ดวงอาทิตย์มากกว่าโลก เคปเลอร์เขียนว่าหากโลกเป็นศูนย์กลางของระบบสุริยะ มีดวงอาทิตย์และดาวเคราะห์ทั้งหมดโคจรรอบโลก ดาวพุธและดาวศุกร์จะไม่ควรอยู่ใกล้ดวงอาทิตย์เสมอไป

เคปเลอร์ทำงานเป็นผู้ช่วยของ ทีโค บรา (Tycho Brahe) นักดาราศาสตร์ผู้ยิ่งใหญ่ชาวเดนมาร์ก ผู้ซึ่งบันทึกข้อมูลทางดาราศาสตร์ไว้มากมายจากการสังเกตการณ์ดวงดาวและดาวเคราะห์เป็นเวลาหลายสิบปี เมื่อทีโคเสียชีวิตในปี 1601 เคปเลอร์สืบทอดตำแหน่งของทีโคในฐานะนักคณิตศาสตร์ของจักรพรรดิรูดอล์ฟที่ 2 แห่งโรมัน เคปเลอร์ได้นำข้อมูลเชิงสังเกตที่แม่นยำที่ทีโคบันทึกไว้เป็นจำนวนมากมาใช้ในการศึกษาวงโคจรของดาวอังคาร แต่เคปเลอร์ไม่ได้ใช้กล้องโทรทรรศน์ในการศึกษา เคปเลอร์พบว่าตำแหน่งการเคลื่อนตัวของดาวอังคารเป็นไปตามกฎทางคณิตศาสตร์ และเขาใช้กฎทางคณิตศาสตร์ในการอธิบายว่าดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์อย่างไร

เคปเลอร์ได้คิดค้น “กฎการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ของเคปเลอร์ (Kepler’s laws of planetary motion)” ที่มีอยู่ 3 ข้อ ที่ปฏิวัติความเข้าใจของมนุษย์เกี่ยวกับจักรวาล ในปี 1609 เขาได้ตีพิมพ์ Astronomia Nova ในนั้นเขาได้ประกาศกฎการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์สองข้อแรก ในปี 1619 เขาได้ตีพิมพ์ Harmonices Mundi ซึ่งอธิบายถึงกฎข้อที่สามของเขา

 

กฎการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ของเคปเลอร์ (Kepler’s laws of planetary motion)

กฎข้อแรก: จากแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ เคปเลอร์ค้นพบว่าวงโคจรของดาวอังคารไม่ได้เป็นวงกลมดังที่เข้าใจกันตั้งแต่สมัยของอริสโตเติล แต่ดาวอังคารมีวงโคจรเป็นรูปวงรี ทำให้เขาสรุปว่าดาวเคราะห์อื่นๆ ในระบบสุริยะก็มีวงโคจรเป็นวงรีด้วย และมีดวงอาทิตย์อยู่ที่ตำแหน่งโฟกัสของวงรีดังกล่าว ดาวเคราะห์โคจรตามวงรีในวงโคจร ซึ่งหมายความว่าระยะห่างของดาวเคราะห์ถึงดวงอาทิตย์มีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลาเมื่อดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์

กฎข้อที่สอง: นอกจากจะค้นพบว่าดาวอังคารเคลื่อนที่ในวงโคจรคล้ายวงรี เคปเลอร์ยังค้นพบว่าบางครั้งมันก็อยู่ใกล้กับดวงอาทิตย์มากกว่าที่อื่น และเมื่อมันอยู่ใกล้กับดวงอาทิตย์มันจะเคลื่อนที่เร็วกว่าเมื่อมันอยู่ไกลออกไปจากดวงอาทิตย์ เคปเลอร์ได้ประกาศกฎข้อที่สองของเขาว่า “เส้นสมมุติที่ลากจากดาวเคราะห์หนึ่งไปยังดวงอาทิตย์จะกวาดพื้นที่เท่าๆกันในเวลาที่เท่ากัน และความเร็วในการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ไม่คงที่ ดาวเคราะห์จะเคลื่อนที่เร็วขึ้นเมื่อเข้าใกล้ดวงอาทิตย์ และเคลื่อนที่ช้าลงเมื่ออยู่ห่างจากดวงอาทิตย์”

กฎข้อที่สาม: “ระยะเวลาในการโคจรของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์” ยกกำลังสอง เป็นสัดส่วนโดยตรงกับ “ความยาวครึ่งหนึ่งของวงโคจรรูปวงรีของดาวเคราะห์” กำลังสาม เป็นการแสดงความสัมพันธ์ระหว่างเวลาที่ดาวเคราะห์ใช้ในการโคจรรอบดวงอาทิตย์กับระยะห่างจากดวงอาทิตย์
 
ในปี 1600 วิลเลียม กิลเบิร์ต (William Gilbert; 1540-1603) นักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษได้ตีพิมพ์ผลงาน De Magnete ที่มีชื่อเสียง ซึ่งเป็นการอภิปรายเกี่ยวกับธรรมชาติแม่เหล็กของโลก เคปเลอร์ได้รับแรงบันดาลใจจาก De magnete เคปเลอร์เขียนเกี่ยวกับ “แรงแม่เหล็ก” ที่ทุกวันนี้เราเรียกว่า “แรงโน้มถ่วง (gravity force)” เคปเลอร์อธิบายว่า จักรวาลเป็นระบบของร่างกายแม่เหล็ก มีพลังแม่เหล็กระหว่างดาวเคราะห์และดวงอาทิตย์ แรงแม่เหล็กจากดวงอาทิตย์ลากดาวเคราะห์ให้โคจรรอบดวงอาทิตย์เป็นรูปวงรี และแรงแม่เหล็กจะน้อยลงไปตามระยะทาง ซึ่งเป็นสาเหตุที่ทำให้ดาวเคราะห์วงนอกเคลื่อนที่ช้ากว่าดาวเคราะห์ชั้นใน เคปเลอร์ถูกจดจำในฐานะนักวิทยาศาสตร์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดคนหนึ่งในประวัติศาสตร์ NASA ได้ตั้งชื่อ “กล้องโทรทรรศน์อวกาศเคปเลอร์ “ตามชื่อเขา
 
งานของเคปเลอร์เป็นรากฐานสำหรับงานของไอแซก นิวตัน (Isaac Newton) ในการกำหนดและอธิบายว่าแรงโน้มถ่วงทำงานอย่างไร นิวตันแสดงให้เห็นความสอดคล้องระหว่างทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของเขากับกฎการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ของเคปเลอร์ ซึ่งช่วยยืนยันแนวคิดดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลางจักรวาล มันเป็นความเข้าใจที่ทรงพลังที่สุดเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วง จนกระทั่งอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) ปรากฏตัวในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 มาโต้แย้งว่า “ความโน้มถ่วงไม่ใช่แรง” อย่างที่นิวตันเข้าใจ

 

 

Tate McRae x Ali Gatie – lie to me (YouTube)