رفتن به نوشته‌ها

برچسب: ابن شاطر

مروری کوتاه بر تاریخ علم اخترشناسی تا قبل از دوره نوزایی

نگاهی به کتاب «مقدمه کوتاهی بر اخترشناسی در خاورمیانه» نوشته جان ام. استیل

تصویر جلد کتاب «مقدمه کوتاهی بر اخترشناسی در خاورمیانه» اثر جان ام. استیل

چند وقت پیش، کتاب «مقدمه‌ کوتاهی بر اخترشناسی در خاورمیانه» رو بصورت خیلی اتفاقی توی کتاب‌فروشی پیدا کردم. این‌قدر از خوندنش لذت بردم که بر آن شدم کتاب رو معرفی کنم تا شاید چند نفر دیگه هم تجربه‌اش کنن. نکته دلچسب این کتاب اینه که ترجمه خیلی خوب و روان و عالمانه‌‌ای داره. چیزی که متأسفانه کمتر توی کتاب‌های ترجمه شده علمی می‌بینیم.

این کتاب ، مروری بر تاریخ و دستاوردهای بشر در زمینه نجوم هست؛ از زایش آن در میان‌رودان، تا گسترش و مدل کردن آن توسط یونانیان باستان و بعد پیشرفت و اصلاحش توسط دانشمندان تمدن اسلامی که منجر به تفکرات ساختارشکنانه در میان دانشمندان دوره نوزایی -از جمله کوپرنیک و کپلر- شد.

در ادامه مرور کوتاهی می‌کنیم بر مطالب این کتاب (البته که خواندن خودِ کتاب لطف دیگه‌ای داره🙂).

اخترشناسی یکی از قدیمی‌ترین علوم در جهان است. از هزاران سال پیش، انسان با نگاه به آسمان بالای سر و بکارگیری تخیل خود، خطوط فرضی بین ستارگان رسم کرد و شکل‌هایی را متصور شد که امروزه آن‌ها را صورت‌های فلکی می‌نامیم. تا جایی که می‌دانیم محل زایش علم اخترشناسی، در بابل باستان (منطقه میان‌رودان) بوده‌ است. هر چند که چین نیز خیلی از آن‌جا عقب نبود.

اخترشناسی در بابل و تمدن میان‌رودان

از هزاره چهارم پیش از میلاد و اختراع خط، می‌توان شواهدی از نقش آسمان و ستارگان در زندگی بابلیان باستان مشاهده کرد. مردم میان‌رودان بر این باور بودند که آسمان شامل ستاره‌های بی‌شمار و هفت سیاره که آن‌ها را «بیبو» یا «گوسفند سرگردان» می‌نامیدند، است. این هفت سیاره عبات‌اند از: ماه، خورشید و پنج سیاره‌‌ای که با چشم غیر مسلح می‌توان در آسمان شب دید (عطارد، زهره، مریخ، مشتری و زحل). 

 یکی از کاربرد‌های اخترشناسی بی‌شک تهیه تقویم است. بابلیان بر اساس مشاهدات خود از هلال ماه تقویمی بنا کرده بودند که بسته به این‌که هلال ماه کی رویت شود،‌ می‌توانستند ماه‌های ۲۹ یا ۳۰ روزه داشته باشند. هم‌چنین میان‌رودانی‌ها مفهوم ماه‌های کبیسه را برای جلوگیری از قرار گرفتن ماه‌های مختلف سال در فصل‌های متفاوت مرسوم کردند. این ماه‌های افزوده شده، تقریبا هر سه سال یک‌بار اضافه می‌شدند. تقویم معمولا به دو منظور به کار برده می‌شد: اولا چارچوب زمانی برای جمع‌آوری مالیات‌ها و معاملات تجاری بود. ثانیا برای این‌که فعالیت‌های همگانی مانند جشنواره‌ها و به جا آوردن مراسم مذهبی در زمان مناسب انجام گیرند.

 یکی دیگر از موارد مرتبط با آسمان در زمان بابلیان باستان، اختربینی و پیشگویی‌های آسمانی بود. طبق دیدگاه میان‌رودانی‌ها، کیهان باید با نظم و ترتیب آفریده شده باشد. البته در این میان اراده‌ خداوندان گاهی نشانه‌هایی را در آسمان قرار می‌داد تا به انسان‌ها پیغامی برساند. بنابراین طالع‌بین‌ها وظیفه تفسیر و پیشگویی این وقایع را داشتند. به عنوان مثال پدیده ماه‌گرفتگی یکی از بدشگون‌ترین پدیده‌هایی بود که امکان داشت در آسمان اتفاق بیفتد. ماه‌گرفتگی می‌توانست خبر از جنگ، طاعون، قحطی و حتی مرگ شاه بدهد. حتی تشریفاتی در نظر گرفته می‌شد با عنوان «تعویض شاه» که طی آن، شاه کسی را جانشین خود می‌کرد تا طالع شیطانی گریبان جانشین را بگیرد. در طی این مدت شاه زندگی عادی و بدون تشریفاتی در قصر داشت و جانشین آن که معمولا یک زندانی یا اسیر بود از بیشتر لذت‌های منصب شاهانه بهره‌مند می‌شد. اما بعد از اتمام این دوره محکوم به اعدام بود! بنابراین تلاش‌هایی برای پیش‌بینی گرفت‌ها صورت گرفت.

تا به امروز، بیش از یک هزار قطعه از کتیبه‌هایی به خط میخی کشف شده‌اند که نشان می‌دهند از حدود ۷۵۰ سال پیش از میلاد، بابلیان هر شب مشاهدات خود از آسمان را ثبت می‌کردند. این نوشته‌ها که توسط کاتبان باستان شاهی ثبت می‌شدند با عنوان «شاگینه» به معنای «مشاهده منظم» بودند که امروزه پژوهشگران به آن‌ها لقب «روزنوشته‌های نجومی» داده‌اند. این سنت بیش از ۸۰۰ سال به طور مداوم وجود داشته که در نوع خود و در طول تاریخ کم‌نظیر است. در این روزنوشته‌های نجومی مواردی از قبیل: وضعیت ماه و رویت‌پذیری هلال نو، رصدهای سیاره‌ای، وضعیت آب و هوا و گرفت‌های خورشید و ماه ثبت می‌شدند. این رصدهای منظم آسمان موجب شد تا شیوه‌های متنوعی برای پیش‌بینی این رویدادهای نجومی ابداع شوند. 

اصول تمام شیوه‌های بابلی‌ها برای پیش‌بینی رویدادهای اخترشناسی، اصل «ارتباط دوره‌ای» است. روابط دوره‌ای، دو عدد را به یک پدیده وصل می‌کردند. مثلا تعداد سال‌های بین وقوع یک پدیده و تکرار دوباره‌اش در همان جای آسمان با تعداد دفعاتی که این پدیده اتفاق افتاده است، یکی از متداول‌ترین کاربردهای روابط دوره‌ای در اخترشناسی بابل بود. علاوه بر روابط ساده خطی برای پیش‌بینی پدیده‌ها که براساس همین اصل ساده روابط دوره‌ای بودند، برای در نظر گرفتن حرکت اجرام آسمانی که متغیر بودند‌ (مانند حرکت سیاره‌ها و ماه)، از «توابع پله‌ای» و «توابع زیگزاگ خطی» نیز استفاده می‌شد.

اخترشناسی در یونان باستان

در سال ۳۳۱ پیش از میلاد، با لشکرکشی اسکندر کبیر به بابل، میان‌رودانی‌ها به زیر سلطه یونانی‌ها درآمدند. یونانی‌ها بیشتر رویکرد فلسفی به اخترشناسی و به ویژه مباحث کیهان‌شناسی داشتند. داده‌های رصدی بابلیان موجب شد تا یونانیان با استفاده از آن بتوانند دیدگاه‌های فلسفی خود را با ابزارهای هندسی خود مدل‌سازی کنند. 

الگوی دایره‌های غیر هم‌مرکز برای خورشید. نگاره از کتاب

نقطه‌ اوج رویکردهای فلسفی یونانیان در مورد اخترشناسی را می‌توان عقاید فلسفی ارسطو دانست که توسط دانشمندان، طی قرون بعد مورد قبول عام قرار گرفته بود. ارسطو بر این باور بود که زمین، کره‌ای ثابت در مرکز عالم است که همه ستارگان و سیارات و ماه و خورشید به دور آن می‌چرخند. در منطقه‌ای که ماه، زمین و ساکنان آن قرار دارند، همگی از ترکیب چهار عنصر اصلی ساخته شده‌اند: خاک، هوا، آتش و آب. آن‌ها به طور ذاتی در سکون هستند یا بر روی خطوط راست حرکت می‌کنند. آسمان و هر چیزی که در بالای ماه قرار دارند از عنصر دیگری به نام «اثیر» ساخته شده‌اند که یک حرکت ذاتی دایره‌ای دارد. از این رو هر حرکتی در آسمان‌ها با مسیرهای دایره‌ای ساخته شده‌ است. البته شخصی به نام آریستارخوس ساموسی مدعی بود که زمین در هر روز به دور محور خود و خود نیز به دور خورشید که در مرکز عالم قرار دارد می‌چرخد. او مدلی بسیار شبیه به مدل کوپرنیک ارائه داد، اما با واکنش‌های خصومت‌آمیز مواجه شد و بعدها نیز کسی برای دفاع از این نظریه اقدام نکرد و این مدل به فراموشی سپرده شد.  

نظریات ارسطو در قرن دوم پیش از میلاد، توسط ابرخُس و پس از آن بطلمیوس مدل‌سازی شد. البته کتابی از ابرخُس بر جای نمانده است اما بطلمیوس در کتاب معروف خود «مجسطی» به مدل‌های ابرخُس پرداخته است. ابزار اصلی هر دو برای مدل‌سازی، فرضیه‌های هندسی فلک تدویر (مربوط به دایره‌هایی که روی محیط دایره بزرگ‌تر می‌گردند) و دایره‌های غیر هم‌مرکز بود. به عنوان مثال رصدهای دقیق زمان انقلابین و اعتدالین، نشان می‌دانند که بهار، ۹۴ و یک‌دوم روز طول می‌کشد؛ تابستان، ۹۲ و یک‌دوم روز؛ پاییز، ۸۸ و یک‌هشتم روز؛ و زمستان، ۹۰ و یک‌هشتم روز. بنابراین باید خورشید در بخشی از دایره تندتر و در بخشی کندتر حرکت کند که این امر برخلافِ فرض فلسفی اولیه ارسطو مبنی بر سرعت ثابت اجرام بر روی مدار دایره‌ای بود. این مشکل را می‌توان به دو روشی که در بالا اشاره شد حل کرد؛ ۱) الگوی دایره‌های غیر هم‌مرکز: زمین را کمی از مرکز دایره دور کنیم. چهار نقطه اعتدالی و انقلابی چنان که از زمین دیده شوند در زاویه‌ای قائمه نسبت به یک‌دیگر قرار دارند، اما حالا خورشید باید بر روی دایره مسیر طولانی‌تری بین اعتدال بهاری و انقلاب تابستانی بپیماید.

الگوی فلک تدویر برای خورشید. نگاره از کتاب

۲) الگوی فلک تدویر: در این الگو زمین دوباره به مرکز یک دایره که «فلک حامل» نامیده می‌شد، بازمی‌گردد، اما خورشید بر روی دایره‌ای کوچک‌تر که «فلک تدویر» خوانده می‌شود حرکت می‌کند که مرکز این دایره دوم بر روی دایره حامل [فلک حامل] استوار است. در الگوی خورشیدی ابرخُس، دو دایره با سرعتی یکسان اما در جهت‌های مخالف می‌چرخند. واضح است که در واقع این دو الگو از نظر هندسی یکی هستند.

این الگوها در مورد ماه با داده‌های رصدی هم‌خوانی نداشتند. بطلمیوس اصلاحی بر نظریه ماه ابرخُس ارائه داد؛ بدین صورت که فلک ترویر ماه بر روی دایره‌ای حمل می‌شود که مرکز آن دایره خود به دور زمین و در جهت مخالف می‌چرخد. اما این مدل یک ایراد فاحش داشت که البته خود بطلمیوس به شکل عجیبی در موردش ساکت ماند: در مدل بطلمیوس فاصله ماه از زمین با ضریبی از مرتبه دو تغییر می‌کند و این به این معنی ‌است که اندازه قرص ماه در زمان‌هایی می‌بایست دو برابر زمان‌های دیگر باشد! پر‌واضح است که هیچ‌گاه در آسمان چنین چیزی دیده نمی‌شود.

الگوی نهایی بطلمیوس برای ماه. نگاره از کتاب

هم‌چنین بطلمیوس دریافت که حرکت متغیر سیارات را نمی‌توان با الگوی ساده فلک تدویر یا دایره غیر هم‌مرکز توصیف کرد. وی برای حل این مسئله دو الگو را با هم ترکیب کرد که در آن یک سیاره در فلک تدویر روی یک فلک حامل که نسبت به مرکزیت زمین هم غیر هم‌مرکز است، حرکت می‌کند. علاوه بر این‌ها، ابزار ریاضی جدیدی را به این مدل اضافه کرد که بعدها به «فلک معدل المسیر» معروف شد. معدل المسیر نقطه‌ای است که خارج از مرکز دایره‌‌ای قرار گرفته است که گرداگرد آن دایره یک نقطه با سرعت زاویه‌ای ثابت حرکت می‌کند. بطلمیوس نقطه معدل المسیر خود را در مقابل زمین نسبت به مرکز دایره قرار داد. این امر باعث می‌شود یکی از اصول فلسفی ارسطو یعنی حرکت دایره‌ای یکنواخت نادیده گرفته شده و در واقع بین منطق فیزیکی و فلسفی اخترشناسی‌اش، جدایی آشکاری ایجاد شود.

مدل فلک معدل المسیر یطلمیوس برای یک سیاره خارجی. نگاره از کتاب

کتاب مجسطی بطلمیوس نقطه اوج اخترشناسی یونانی بود. بعد از آن ظرف چند قرن تمدن یونانی، رو به افول رفت و به فراموشی سپرده شد. اما بعدها آثار به جای مانده از یونانیان باستان به دست دانشمندان اسلامی رسید و فصل جدیدی در علم اخترشناسی رقم خورد.

اخترشناسی در جوامع اسلامی

ظهور اسلام کمک شایانی به عمومی‌سازی اخترشناسی در بین جامعه اسلامی کرد. اخترشناسی از سه جهت حائز اهمیت بود: ۱)رصد هلال‌های نو، برای تعیین اول ماه‌های قمری، به خصوص هلال ماه رمضان و شوال. ۲) تعیین ساعت پنج نوبت نمازهای روزانه ۳) تعیین جهت قبله (کعبه) برای مکان‌های مختلف. اهمیت این موضوع‌های مرتبط با اخترشناسی موجب توسعه آن و ابداع روش‌های جدید شد.

اگرچه رصد پدیده‌های آسمانی از نظر مناسک مذهبی اهمیت داشت، اما این تنها دلیل تمایل دانشمندان اسلامی به رصد آسمان نبود. آنها سعی داشتند تا با ثبت موقعیت دقیق ماه، خورشید و سیاره‌ها مدل بطلمیوسی را مورد آزمایش قرار داده و بهبود بخشند. علاوه بر این‌ها تلاش‌هایی برای اندازه‌گیری دقیق موقعیت ستارگان نیز صورت پذیرفت. از جمله آنها می‌توان به کتاب «صور الکواکب الثابته» اثر صوفی در قرن دهم میلادی (چهارم هجری) اشاره کرد. وی نخستین کسی بود که تلاش کرد فهرست بطلمیوس را با اندازه‌گیری موقعیت و قدر برخی از ستاره‌ها به‌روز کند. علاوه بر این، در قرن پانزدهم میلادی (نهم هجری)، چند تن از جمله الغ‌بیگ و غیاث الدین جمشید کاشانی تلاش کردند تا فهرست جدیدی شامل ۱۰۱۸ ستاره را تهیه کنند.

صفحه‌ای از کتاب صوفی که صورت‌های فلکی را شرح می‌دهد. نگاره از کتاب

یکی از ویژگی‌های بارز اخترشناسی در دوره‌ اسلامی، ساخت ابزار‌های نجومی بوده است. صدها ابزار نجومی متعلق به دنیای اسلام حفظ شده که از جمله آن‌ها می‌توان به کره‌های آسمان، ساعت‌های آفتابی و ربع جداری اشاره کرد. اما بدون شک، پادشاه ابزارهای نجومی اسلامی، اسطرلاب بود. اسطرلاب در واقع عملکردی شبیه به یک کامپیوتر مکانیکی دارد که امکان تعیین زمان از روی موقعیت یک جرم آسمانی یا برعکس را فراهم می‌کند. علاوه بر این از اسطرلاب می‌توان به عنوان ساعت، قطب‌نما و ابزار محاسبه نیز استفاده کرد.

از جمله دیگر کارهای ارزشمندی که دانشمندان اسلامی در زمینه اختر‌شناسی انجام دادند، ساخت رصدخانه‌های نجومی بود که معمولا علاوه بر وظیفه رصد آسمان، به عنوان مکانی برای آموزش اخترشناسی نیز بودند. از جمله رصدخانه‌های معروف می‌توان به «بیت‌الحکمه» اشاره کرد که توسط هارون‌الرشید و مأمون عباسی در قرن نهم میلادی(دوم و سوم هجری قمری) ساخته شد تا از اخترشناسی حمایت شود.در قرن‌های بعدی رصدخانه‌های دیگری نیز ساخته شدند که بدون تردید مهم‌ترین و بزرگ‌ترین آن‌ها رصدخانه مراغه بود که توسط نصیرالدین طوسی در زمان هلاکو در قرن سیزدهم میلادی (هفتم هجری قمری)‌ در شمال ایران ساخته شد.

در قرن هشتم و نهم میلادی (دوم و سوم هجری قمری)، متون نجومی یونانی بین اخترشناسان مسلمان راه یافتند. کتاب مجسطی بطلمیوس پایه‌ای شد برای مطالعات نظری بعدی. دانشمندان اسلامی سعی کردند تا با انجام رصدهای تازه به تصحیح پارامتر‌های بطلمیوس بپردازند یا با ایجاد روش‌های نوین هندسی بخشی از آن را اصلاح کنند. برای نخستین بار در قرن یازدهم میلادی (پنجم هجری قمری) بود که اصول بنیادی نظریه‌های اخترشناسی بطلمیوس به صورت جدی توسط ابن هیثم زیر سوال رفت. جدی‌ترین نقد او به نظریه سیاره‌ای بطلمیوس و به طور مشخص فلک معدل المسیر مربوط می‌شد. طبق نظریه بطلمیوس تمام دایره‌ها باید کره‌هایی جامد تفسیر شوند؛ حال آن‌که تغییر سرعت در قسمت‌های مختلف وقتی از مرکز کره دیده شوند از نظر فیزیکی توجیهی ندارد. علاوه بر این همان‌طور که قبلا ذکر شد، مدل بطلمیوس برای ماه افزایش دو برابری اندازه ماه در آسمان را پیش‌بینی می‌کرد که خلاف واقع است.

جفت طوسی. نگاره از کتاب

در قرن سیزدهم میلادی (هفتم هجری قمری)، نصیر‌ الدین طوسی توانست ابزاری ریاضی را ابداع کند که بوسیله آن هر دو مشکل رفع شود. این ابزار ریاضی که امروزه به «جفت طوسی» معروف است، از دو دایره یا دو کره تشکیل شده که اندازه یکی از آن‌ها نصف دیگر بوده و درون یک دایره بزرگ‌تر می‌چرخد. اگر دایره داخلی در جهت مخالف اما با دو برابر سرعت دایره بزرگ‌تر بچرخد، در این صورت نقطه‌ای در دایره داخلی می‌تواند یک خط مستقیم ترسیم کند. بنابراین در جهان‌بینی ارسطوییان که همه چیز در آسمان‌ها باید به‌وسیله حرکت‌های یمنواخت دایره‌ای شرح داده شود، طوسی موفق شد سازوکاری برای ایجاد حرکت خطی ابداع کند که از نظر فلسفی درست باشد.

از دیگر کارهایی که به‌نوعی نقطه عطفی در اخترشناسی بود و بعدها پایه‌ای شد برای پیشرفت‌های دوران نوزایی در اروپا، ابداعات ابن شاطر بود. ابن شاطر با بهره‌گیری از رصدهای دقیقی که قبلا انجام شده بود توانست تغییر‌هایی را در نظریه‌های پیشین اعمال کند. اصل ابداعات وی بر روی الگو‌های اخترشناسی، جایگزین کردن دایره‌های غیر هم‌مرکز با فلک‌های تدویر و جایگزین کردن فلک معدل المسیر با فلک‌های تدویری باز هم بیشتر بود. برای مثال، مدل او برای سیاره‌های خارجی، فلک تدویری بر روی یک فلک تدویر دیگر بر روی یک فلک تدویر دیگر بر روی یک فلک حامل است. به رغم ظاهر پیچیده، اما نتیجه پایانی بسیار زیبا و دقیق است.

مدل ابن شاطر برای یک سیاره خارجی

دستاوردها و میراث اخترشناسان اسلامی احتمالا از راه اسپانیا و بیزانس به دست دانشمندان دوران نوزایی در اروپا رسید. کوپرنیک از نجوم اسلامی بهره بیشتری برد. او به دفعات از جفت طوسی استفاده کرده است. هم‌چنین الگوهای سیاره‌ای و ماهِ او از نظر ریاضی، همان ریاضی‌ای است که ابن شاطر استفاده کرده است (به جز یک جابجایی از جهانی زمین-مرکز به جهانی به مرکزیت خورشید). هر چند کوپرنیک اشاره‌ای به طوسی یا این شاطر در کارهای خود نکرده است اما احتمالا این امر به دلیل ناشناخته بودن هویت آن دو برای وی بوده است.

سخن پایانی

این پست رو با یک پاراگراف از قسمت پایانی کتاب تموم می‌کنم:

«تاریخ اخترشناسی فراتر از گزارش رصدها و محاسبه‌ها، ابداعات و افراد است. این تاریخ، داستان انتقال دانش اخترشناسی از نسلی به نسل بعد و از یک فرهنگ به فرهنگی دیگر را هم دربردارد. اخترشناسی در خاورمیانه، نخستین بار در میان‌رودان باستان توسعه یافت، به هند و یونان رفت، بعد به سرزمین‌های عربی و سرانجام در اواخر سده‌های میانه به اروپا رسید. هر فرهنگ بر میراث فرهنگ‌های گذشته چیزی اضافه کرد، عنصرهایی را از دانش پیشینیانش گرفت و آن‌ها را با اخترشناسی خود تلفیق کرد، که گاه باید خود را با آن سازگار می‌کرد، چیزهایی را تصحیح می‌کرد (گاهی به اشتباه) از نو می‌نوشت و درنهایت به چیزی جدید و ممتاز تبدیلشان می‌کرد.»

«مقدمه کوتاهی بر اخترشناسی در خاورمیانه» نوشته جان ام. استیل

جزر و مد چه جوری کار می‌کنه؟!

ما توی اصفهان زندگی می‌کردیم برای همین با اینکه زاینده‌رود اون‌موقع‌ها پر از آب بود ولی امکان مشاهد‌ه‌ی پدیده «جزر و مد» وجود نداشت. یادمه اولین باری که «جزر و مد» رو مشاهده کردم برمی‌گرده به ۱۲-۱۳ سال پیش (اوایل ابتدایی)، توی بندرگناوه! کنار ساحل آتش درست کرده بودیم که یکی از بومی‌های اونجا اومد و به من گفت: «برید بالاتر آتش درست کنید، آب میاد زیرش و خاموشش می‌کنه‌ها!». من فکر کردم منظورش این بوده که ممکنه یه موج بلندی بیاد و آتش ما رو خاموش کنه، ولی از اونجا که دریا واقعا آروم بود گفتم این بنده‌خدا فقط می‌خواست یه چیزی بگه و بره! تا اینکه همون اتفاق افتاد! برای من سوال شده بود که چی شد که سطح  آب دریا بالا اومد و توی ساحل پیش‌روی کرد که بهم گفتند جزر و مد رخ داده و وقتی پرسیدم که چرا جزر و مد اتفاق افتاده، عموم به ماه اشاره کرد و گفت:

وضعیت زمین، ماه و خورشید
وضعیت زمین، ماه و خورشید

«جاذبه‌ی ماه آب دریا رو بالا می‌کشه، فردا صبح آب دومرتبه برمی‌گرده سرجای اولش!». این توجیه یکم عجیب همراه من بود تا اینکه بعد از اون ماجرا فهمیدم ماه از خودش تابش نداره و علت دیده‌شدنش توی شب بازتاب نورخورشیده، همین‌طور علت دیده‌ نشدنش توی روز غلبه‌ی شدت نور خورشید بر نوربازتابیده شده از اونه نه اینکه ماه رفته یک جای دیگه! فهمیدن این موضوع برای من منجر به این سوال شد که به این‌ترتیب ماه همیشه هست، پس چرا فقط شب، ماه، آب رو به سمت بالا می‌کشه؟! خلاصه با مرور زمان جواب سوال من پیدا شد ولی باز هم بعد از پیدا کردن اون جواب، یک سوال دیگه پیش اومد و این سیر پرسش و پاسخ اینقدر با من همراه بود که من رو وارد رشته‌ی فیزیک کرد، جایی که بتونم برای هر سوالی،  لااقل یک جواب معقول پیدا کنم. البته کم‌کم فهمیدم که گاهی از اوقات پیدا کردن جواب اون‌قدرها هم ساده نیست! به هرحال بعد از گذشت چندین سال از اولین مشاهده‌ی من از جزر و مد، تصمیم گرفتم هر چیزی رو که تا به امروز در مورد این پدیده‌ی فوق‌العاده زیبا یاد گرفتم، بنویسم، شاید پسر بچه‌ای ۸-۹ ساله (یا بزرگتر!) با رجوع به اینجا بتونه جواب خوبی برای سوالی که براش مطرح شده پیدا کنه.

از نقطه نظر تاریخ علم:

ماجرا از اینجا شروع میشه که ارائه یک مدل ریاضی برای نظریه خورشید مرکزی با قدرت پیش‌بینی کامل، تا قرن ۱۶ میلادی طول کشید. درست زمانی که نیکلاس کوپرنیک، با ارائه این مدل باعث بوجود اومدن انقلاب کوپرنیکی شد. البته كوپرنیک در كتاب «درباره گردش افلاك آسمانی» صادقانه بیان می‌كنه كه تحت تأثیر افكار «ابن شاطر» قرار داشته! بعد از کوپرنیک، یوهانس کپلر با اضافه کردن مواردی مثل اینکه مدار سیارات به دور خورشید بیضی است، این مدل رو تشریح و گسترش داد. این مدل توسط مشاهدات تجربی گالیله با استفاده از تلسکوپ تایید شد و بعد از اون جناب نیوتون با ارائه‌ی نظریه‌ی گرانش، مکانیک سماوی رو بنا کرد، گوشه‌ای از علم فیزیک که به کمکش می‌تونیم جزر و مد( کِشَند یا Tide) رو توجیه کنیم! از لحاظ تاریخی توجیه پدیده‌ی جزر و مد از مواردی بود که به شدت بر درستی نظریه‌ی خورشید مرکزی صحه گذاشت.

هنگامی که نیروهای کشندزای ماه و خورشید هماهنگ عمل می‌کنند، مثلاً هنگام ماه نو که هر دو در یک طرف زمین هستند، جزر و مدها در بیشینه خود هستند و به نام کشند فنری یا «مه‌کشند» (spring tide) نامیده می‌شود، حد دیگر وقتی است که خورشید و ماه باهم زاویه ۹۰ درجه (تربیع) می‌سازند در این هنگام جزر و مد را به کمینه و به کشندهای کوچک یا «که‌کشند» (neap tide) بدل می‌سازند.
هنگامی که نیروهای کشندزای ماه و خورشید هماهنگ عمل می‌کنند، مثلاً هنگام ماه نو که هر دو در یک طرف زمین هستند، جزر و مدها در بیشینه خود هستند و به نام کشند فنری یا «مه‌کشند» (spring tide) نامیده می‌شود، حد دیگر وقتی است که خورشید و ماه باهم زاویه ۹۰ درجه (تربیع) می‌سازند در این هنگام جزر و مد را به کمینه و به کشندهای کوچک یا «که‌کشند» (neap tide) بدل می‌سازند.

به بیان ساده:

همه‌ی ما می‌دونیم که زمین دور خورشید و ماه هم به دور زمین می‌چرخه و تمام این اجرام آسمانی میدان گرانشی ایجاد می‌کنند که متناسب با وارون مربع فاصله است ( ${۱/r^۲ }$). این میدان‌های گرانشی به همراه چرخش زمین به دور خودش سبب جزر و مد میشند.  نیروی گرانشی خورشید ۱۷۹برابر نیرویی هست که ماه به زمین وارد می‌کنه ولی از اونجایی که به طور متوسط خورشید ۳۸۹برابر ماه از زمین فاصله داره،‌گرادیان میدانش ضعیف‌تره.

tide04_400

  برای همین معمولا در گفتگوهای عامیانه علت جزر و مد رو به جاذبه‌ی ماه نسبت می‌دند که خب کافی نیست! (جاذبه‌ کره ماه علاوه‌بر جزر و مد باعث باثبات موندن محور گردش زمین به‌دور خودش هم می‌شه، یعنی اگر ماه وجود نداشت، انحراف محوری زمین مرتبا تغییر می‌کرد و  باعث آشفته شدن آب و هوا و فصل‌ها توی زمین می‌شد). اثر گرانشی ماه بر زمین جامد(صلب) بسیار ناچیز و از مرتبه‌ی سانتی‌متر است برای همین تغییر چشمگیری بر ساختار صلب زمین نداره، در عوض این اثر در مورد اقیانوس‌ها که سیال هستند به وضوح دیده میشه. قسمتی از اقیانوس‌ها که روبه‌روی ماه هستند به سمت ماه کشیده میشند و طرف دیگه‌ (پشت زمین) به نظر می‌رسه که جا مونده. علتش هم اینه که اولا گرانش با فاصله رابطه عکس داره و از طرف دیگه آب یک سیاله و می‌تونه حرکت کنه!

فاینمن توی درس‌گفتارش اینجوری توضیح می‌ده که:

«ساز و کار واقعی جزر و مد از این قراره که کشش ماه بر زمین و بر ماه در وسط متعادل است. اما آبی که نزدیک‌تر به ماهه، بیش‌تر از متوسط و آبی که دورتر از ماهه کمتر کشیده میشه. در حالی‌که زمین جامد و صلبه،‌ آب می‌تونه جریان داشته باشه. تصویرواقعی جزر و مد ترکیبی از این دو اتفاقه! خب منظور از تعادل چیه؟ چه چیزی تعادل پیدا می‌کنه؟ اگر ماه کل زمین رو به سمت خودش می‌کشه پس چرا زمین درست به سمت بالا (ماه) سقوط نمی‌کنه؟

سامانه زمین و ماه به همراه جزرومد- The Feynman Lectures on Physics

علتش اینه که زمین هم، همین کلک رو می‌زنه، یعنی اینکه زمین بر روی دایره‌ای – که مرکزش در داخل حجم کره‌ی زمینه ولی با مرکز زمین خیلی فاصله داره – گردش می‌کنه. اوضاع صرفا به این سادگی نیست که ماه به دور زمین بچرخه، زمین و ماه هر دو حول یک مرکز مشترک می‌چرخند. یعنی هر دو دارند به طرف این مرکز مشترک که مرکز جرم این منظومه‌ی دوتایی است سقوط می‌کنند.  حرکت به دور مرکز مشترک همون چیزیه که سقوط اون‌ها رو متعادل و متوازن می‌کنه! بنابراین زمین هم روی خط راست حرکت نمی‌نکنه، روی یک دایره حرکت می‌کنه! آب طرف دورتر به ماه، متعادل نشده، چون که کشش ماه اونجا ضعیفتره تا در مرکز زمین که در اونجا نیروی کشش ماه درست با نیروی مرکزگریز متعادل (برابر) است. نتیجه‌ی نبود این تعادل اینه که آب بالا میاد، یعنی از مرکز زمین فاصله می‌گیره. در طرف نزدیک به ماه،‌ جاذبه ماه شدیدتره، بنابراین نیروی خالص ناشی از نبود تعادل، به سمت دیگر فضاست.  ولی این بار هم در جهتی است که از مرکز زمین دور بشه. نتیجه‌ی خالص همه‌ی این‌ها اینه که دو تا مد، هر کدوم در یک طرف زمین داریم!»

ارتفاع یا دامنه جزرومد در روزهای مختلف یک ماه قمری متفاوته به این دلیل که علاوه بر ماه، خورشید هم تاثیرگذار هست. اگر ماه، خورشید و زمین روی یک خط واقع بشند، معروف به حالت «مه‌کشند- Spring Tide»، در حالت ماه نو یا ماه کامل، اون موقع بیشترین ارتفاع یا دامنه رو جزر و مد پیدا می‌کنه. واگر ماه عمود بر خط واصل خورشید و زمین قرار بگیره، معروف به حالت «که‌کشند – neap tide»، کمینه‌ی ارتفاع و یا دامنه‌ی جزر و مد به‌وجود میاد. تقریباً یک هفته بعد از ماه نو، از دید ناظر زمینی، ماه دقیقا از پهلو مورد تابش نور خورشید قرار می‌گیره. توی این حالت نصف ماه تاریک و نصفه‌ی دیگه روشن دیده میشه؛ به این وضعیت «یک‌چهارم نخست» میگند. دوباره یک هفته بعد، ماه از دید این ناظر، دقیقا در مقابل خورشید قرار می‌گیره و ماه به صورت قرص کامل نورانی دیده‌ می‌شه (بدر یا در اصطلاح عامیانه ماه شب چهارده). در هر سال اگر که حالت مه‌شکند مصادف با اعتدالین واقع بشه اون‌موقع بیشترین حد ممکنه برای جزر و مد اتفاق می‌افته. بنابراین به طور عادی، در هر شبانه روز دوبار جزر و دوبار مد اتفاق می‌افته که البته فاصله‌ی بین هر دو جزر یا مد حدود ۱۲ ساعت و ۲۴/۴ دقیقه‌ است.

به بیان علمی‌تر:

زمین با تقریب خوبی یک کره‌ی صلب هست که سطح زیادی از اون رو سیال(آب اقیانوس‌ها و دریاها) فراگرفته. با در نظر نگرفتن جریان‌های اقیانوس‌ها میشه سطح اقیانوس‌ها رو یک سطح هم‌پتانسیل (معروف به زمین‌واره) در نظر گرفت. از اونجایی که نیروهای گرانشی، گرادیان پتانسیل هستند، هیچ نیروی مماسی بر این سطوح وجود نداره و سطح اقیانوس‌ها در تعادل گرانشی قرار دارند. اجرام خارجی سنگین، مثل ماه و خورشید، به

زمین در مرکز و ماه در سمت راست. جهت‌ رو به بیرون پیکان‌ها نمایان‌گر میدان گرانشی حاصل بر سطح اقیانوس‌هاست.
زمین در مرکز و ماه در سمت راست. جهت‌ رو به بیرون پیکان‌ها نمایان‌گر میدان گرانشی حاصل بر سطح اقیانوس‌هاست.

خاطر این‌که میدان‌های گرانشی متناسب با فاصله ایجاد می‌کنند، شکل این سطح هم‌پتانسیل رو به‌هم می‌زنند (این تغییر شکل دارای جهت‌گیری فضایی ثابتی نسبت به اجسام اثرگذار هست). این وسط یک دفعه سر و کله‌ی نیروهای جزر و مدی یا نیروهای کشندی پیدا میشه! در حقیقت، نیروهای کشندی (Tidal Forces) از آثار ثانویه نیروی گرانش هستند که باعث بوجود اومدن جزر و مد میشند. نیروی کشندی به این دلیل به‌وجود میاد که نیروی گرانشی وارد شده از یک جسم به یک جسم دیگه، در طول قطرش یکسان نیست و سطوحی از جسم که به جسم اول نزدیکترند با نیروی بیشتری از نقاط دورتر جسم کشیده می‌شند. برای درک بهتر، جاذبه گرانشی ماه بر روی اقیانوسهای نزدیک به ماه، زمین جامد(صلب) و اقیانوسهای دور از ماه را در نظر بگیرید. بین زمین جامد و ماه یک جاذبه دوجانبه وجود داره که بر گرانیگاه (مرکزثقل) وارد می شه. اما اقیانوسهای نزدیکتر با نیروی بیشتری جذب می شند و چون سیال هستند، کمی به سوی ماه کشیده و باعث مد میشند. برخلاف نیروهای گرانشی، با تقریب خوبی، نیروهای کشندی با وارون مکعب فاصله( ${۱/r^۳ }$) متناسب هستند. درحقیقت سطح اقیانوس‌ها به خاطر تغییر هم‌پتانسیل‌های کشندی (tidal equipotentials) جابه‌جا میشند.

 

تشدیدهای کشندی (Tidal Resonances):

node
از لحاظ نظری، حداکثر دامنه‌ی جزرومدی که توسط ماه ایجاد میشه حدود ۵۴ سانتی‌متر و حداکثر دامنه‌ای که توسط خورشید ایجاد میشه ۲۵ سانتی‌متر (۴۶٪ ماه) است. در حالت مه‌کشند، این دو اثر با یکدیگر جمع شده و ارتفاع جزر و مد حدودا به ۷۹ سانتی‌متر می‌رسه . در حالت که‌کشند هم این مقدار به ۲۹ سانتی‌متر کاهش پیدا می‌کنه. با این وجود در طبیعت بیشترین ارتفاعی که مشاهده شده ۱ یا ۲ متر بوده. همین‌طور در دریاچه‌ها و دریاهای منزوی به علت اینکه آب جریان نداره و ارتباطش با بیرون قطعه، دامنه جزر و مد کم‌تر از اقیانوس‌هاست. با این وجود در بعضی‌ جاها مثل خلیج فاندی، دامنه جزر و مد به ۱۵ متر هم می‌رسه! حقیقت اینه که همون جوری که ارتعاش هوا داخل لوله‌های صوتی تشدید ایجاد می‌کنه،‌ نوسانات آب درون کانال‌ها و خورها هم منجر به تشدید میشه. جزر و مدهای بزرگ هنگامی اتفاق می‌افتند که چرخه‌ی جزر و مد رفته‌رفته دامنه‌ی مناسب یک موج ایستاده(ایستا) رو داخل کانال ایجاد کنه. آب داخل کانال زمانی در حال تعادله که سطحش صاف و افقی باشه، همین‌طور زمانی که دچار آشفتگی میشه،‌ مثل فنر با نیروهای بازگرداننده مواجه ‌میشه. عامل به‌وجود اورنده‌ی این نیروهای بازگرداننده گرانش هست. (این موج‌ها به موج گرانش یا موج جاذبه معروف هستند – gravity waves. مواظب باشید که با موج گرانشی اشتباه نگیرید! موج گرانشی هم توسط میدان گرانشی تولید می‌شه، با این تفاوت که موج گرانشی به طور نظری انرژی تابش گرانشی رو منتقل می‌کنه). برای اینکه شهود بهتری نسبت به موج گرانش پیدا کنید کافیه زمانی که یک لیوان چای دستتونه و در حال راه رفتن هستید، لیوان رو به طور منظم عقب و جلو ببرید، اون‌موقع، موج گرانش رو مشاهده می‌کنید! اگر راه رفتنتون رو جوری تنظیم کنید که با فرکانس تشدید یک موج ایستاده هم‌گام(synchronized) بشه اون‌موقع شما دامنه‌ی یک موج بلند رو (با انتقال انرژی تشدید) ایجاد می‌کنید و احتمال زیاد بعد از اون مجبور می‌شید که لباستون رو عوض کنید! پس ترجیحا این آزمایش رو توی مهمونی انجام ندید!

خلیج فاندی به هنگام جزر و مد
خلیج فاندی به هنگام جزر و مد

امواج ایستاده سطح آب، مثل امواج ایستاده که روی سازهای زهی مثل ویولن تشکیل میشند، امواج عرضی هستند. جزر و مدهای بزرگی که در انتهای یک خور هستند در حقیقت شکم یک موج ایستاده هستند که بین قله و دره نوسان می‌کنند. اگر در یک تشت آب این رو آزمایش کنیم دوره‌ی تناوب موج‌های ما از مرتبه‌ی ثانیه یا چند میلی‌ثانیه میشه اما در مورد جزر و مدهای بزرگ،‌ دوره‌ی تناوب می‌تونه به چندین دقیقه و حتی ساعت هم برسه که به این دسته از امواج ایستاده سایش (Seiche) میگند! آب در خلیج فاندی داری سایش با دوره‌تناوب ۱۳/۳ ساعت است!

از جزر و مد برای تولید برق هم استفاده ‌می‌کنند که بیشتر مهندسیه تا فیزیک، پس به راحتی از خیرش می‌گذرم! نگاه کنید به اینجا!

اگر دوست دارید که این پدیده رو با دقت بیشتری بررسی کنید، پیشنهاد می‌کنم به فصل دوم از کتاب «مبانی ژئوفیزیک، نوشته‌ی ویلیام لوری – William Lowrie, Fundamentals of Geophysics» رجوع کنید. اونجا محاسبات دقیق رو می‌تونید پیدا کنید.

این ویدیو کوتاه رو ببینید:

همین طور این ویدیو رو:

  • اینجا هم منبع خوبی است به فارسی، بخوانید!