الكواكب الثمانية في نظامنا الشمسي وشمسنا ، لقياس حجمها ولكن ليس من حيث المسافات المدارية. عطارد هو أصعب كوكب عاري يرى ؛ جميع الكواكب لا تتحرك في مدارات دائرية من أي نوع ، ولكن في الكواكب الإهليلجية. رصيد الصورة: مستخدم ويكيميديا ​​كومنز WP.

الفشل العلمي للكون الأصلي الأنيق

الأناقة والجمال والدقة الرياضية تجعل من قصة جذابة ونموذجا رائعا. لكن هذا لا يجعلها صحيحة.

النظريات العلمية ، في أفضل حالاتها ، بسيطة ومباشرة ومليئة بالقوة التنبؤية ، وتحتوي على أناقة أو جمال خاص بهم. معادلات نيوتن البسيطة F = ma و E = mc² لآينشتاين هي معادلات بسيطة توفر حقائق عميقة وتمكّن من استخلاص الكثير منها ؛ نموذج كوارك والنسبية العامة بسيطان لوصفهما ولكنهما نظريات عميقة بشكل لا يصدق تحكم التفاعلات بين الجسيمات ؛ أفكار مثل التناظر الفائق والتوحيد الكبير ونظرية الأوتار تمتد التماثلات الفيزيائية المعروفة إلى مستويات أكبر. يعتقد العديد من علماء الفيزياء أن الطريق إلى حقائق جديدة وعميقة حول الوجود هو من خلال المزيد من التماثلات والأناقة الأكبر. من خلال تطبيق طرق جديدة للرياضيات على الكون ، فإننا نسعى لحقيقة أعمق إلى الواقع من فهمنا الحالي. لكن نموذج "الكون الأنيق" الأصلي ، Kepler’s Mysterium Cosmographicum ، كان متماثلًا وجميلًا ومقره في رياضيات لم يسبق لها مثيل. في حكاية تحذيرية كبيرة ، كان أيضا فشل علمي هائل.

واحدة من الألغاز العظيمة في القرن السادس عشر كانت كيف تحركت الكواكب بطريقة رجعية على ما يبدو. يمكن تفسير ذلك من خلال نموذج مركز الأرض لبطليموس (L) ، أو نموذج مركز كوبرنيكوس (ع). ومع ذلك ، كان الحصول على التفاصيل بشكل صحيح التعسفي شيء لا يمكن لأحد القيام به. الصورة الائتمان: إيثان سيجل / ما وراء المجرة.

قبل كيبلر ، كان هناك ثلاثة أنظمة رئيسية تصف الكون:

  1. نموذج البطالمة ، حيث كانت الأرض ثابتة ، وكل شيء يدور حول الأرض في سلسلة من الدوائر ، وذلك باستخدام الرياضيات من equants ، و deferents ، والدوائر.
  2. نموذج كوبرنيكان ، حيث كانت الشمس ثابتة ، وكانت الأرض واحدة من ستة كواكب تدور حول الشمس بطريقة دائرية ، وتستخدم أيضًا الدراجات.
  3. نموذج Tychonian ، حيث تدور الشمس حول الأرض ثم تدور جميع الكواكب الأخرى حول الشمس ، كل ذلك في دوائر ، وكلها تستخدم الدراجات.

في كتابه قبل عقود من صعود غاليليو إلى الصدارة ، ظن كيبلر أن أفكار مركزية الشمس قد وعدت ، لكنها تحتاج إلى شيء أكثر من دوائر. لقد احتاجوا إلى بنية رياضية أنيقة لدعمهم. في سكتة دماغية رائعة ، في سن الرابعة والعشرين فقط ، نشر كبلر ما اعتقد أنه أجمل فكرة لديه على الإطلاق.

من خلال وجود كل كوكب يدور حول كرة مدعومة بواحدة (أو اثنتين) من المواد الصلبة الأفلاطونية الخمسة ، نظّر كيبلر أنه يجب أن يكون هناك بالضبط ستة كواكب ذات مدارات محددة بدقة. الصورة الائتمان: J. كيبلر ، Mysterium Cosmographicum (1596).

مع وجود ستة كواكب تدور حول الشمس (لن يتم اكتشاف أي كوكب زحل إلا بعد مرور 200 عام تقريبًا) ، أدرك كيبلر أنه يجب أن يكون هناك ستة مدارات فريدة: واحدة لكل كواكب. ولكن لماذا ستة؟ لماذا لا اكثر لماذا ليس أقل؟ ولماذا لديهم التباسات التي لاحظناها؟ العلاقة بين هذه المدارات والرياضيات كانت فكرته عن الكون الأنيق:

أقترح أن أظهر أن الله ، في خلق الكون وترتيب المجالات ، كان ينظر إلى الجوامد العادية الخمسة للهندسة ، ويثبت بأبعادها عدد ونسب وحركات المجالات.

كما ترى ، في ثلاثة أبعاد ، هناك بالضبط خمسة مواد صلبة يمكنك بنائها من مضلعات منتظمة: لا أكثر ولا أقل. اكتشفه الإغريق القدماء قبل أكثر من 2000 عام والمعروف باسم المواد الصلبة الأفلاطونية الخمسة (على الرغم من أنها تسبق أفلاطون بشكل كبير) ، تصور كيبلر سلسلة من المجالات المتداخلة ، مقيدة ومدرجة حول كل من المواد الصلبة الخمسة ، مما أدى إلى ستة مدارات كروية للكواكب للتحرك على طول.

المواد الصلبة الأفلاطونية الخمسة هي الأشكال المضلعة الخمسة فقط في ثلاثة أبعاد مصنوعة من مضلعات ثنائية الأبعاد منتظمة. رصيد الصورة: صفحة ويكيبيديا الإنجليزية لـ Platonic Solids.

سيكون مجال عطارد هو المجال الأعمق ، المدرج داخل المثمن ، وهو مضلع منتظم يتكون من ثمانية مثلثات متساوية الأضلاع. حول هذا المحيط هو الكرة التي تحمل كوكب الزهرة ، والتي هي نفسها مدرجة داخل مجسم عشري ، مضلع ذو 20 جانبًا مصنوع من مثلثات متساوية الأضلاع. حول هذا هو الأرض ، المدرج داخل dodecahedron ، الذي يحتوي على 12 جانب كل من خماسية. إن محيط المريخ هو محيط المريخ ، الذي هو نفسه مدرج داخل رباعي السطوح: مضلع ذو أربعة جوانب حيث كل جانب مثلث متساوي الأضلاع. حول رباعي الاسطح هو كرة كوكب المشتري ، وهي منقوشة داخل مكعب: المادة الصلبة النهائية. أخيرًا ، أرفق المكعب مجالًا أخيرًا ، حيث يدور كوكب زحل.

وفقًا لـ Mystium Cosmographicum الخاص بـ Kepler ، يجب أن تكون هناك تنبؤات دقيقة لنصف قطر الكواكب. ومع ذلك ، لا يتم تأكيدها بواسطة الملاحظة (لاحظ الفشل الواضح لمناطق كوكب المشتري / المريخ في حالة رباعي السطوح) ، واضطر كيبلر إلى التخلي عن نموذجه. الصورة الائتمان: ThatsMaths ، المادة 223 / الرياضيات.

لم تكن فكرة كبلر فكرة رائعة ، وتم التنبؤ بكل نموذج من نسب نصف قطر الكواكب. جاءت المشكلة عند مقارنتها بالملاحظات. في حين تصطف نسب عطارد إلى كوكب الزهرة ، فينوس إلى الأرض ، والأرض إلى المريخ بشكل جيد ، فشل العالمين الأخيرين في الالتزام بنسب كبلر المتوقعة. على وجه الخصوص ، كان مدار كوكب المريخ ، وفشلها في الامتثال لدائرة من أي نوع ، هو سقوط نموذج كبلر. على الرغم من أن كيبلر واصل العمل عليها ، وحتى نشر طبعة ثانية بعد أكثر من 20 عامًا ، فإن إسهامه الأكثر بروزًا جاء من فعل ما لم يتمكن معظم العلماء من تقديمه لأنفسهم: التخلي عن فرضيتهم الأكثر اعتزازًا.

ناسا / مختبر الدفع النفاث

مدارات الكواكب الموجودة في النظام الشمسي الداخلي ليست دائرية تمامًا ، لكنها قريبة جدًا ، مع وجود أكبر عدد من المغادرين في ميركوري ومارس وإهليلجياتها. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الكائنات مثل المذنبات والكويكبات تشبه الحلقات وتطيع بقية قوانين كبلر ، طالما أنها مرتبطة بالشمس.

لم تكن الأجواء المتداخلة التي تنبأت بحركة الكواكب بشكل صحيح ، ولكنها تشبه الحذف. قوانين كبلر الثلاثة ، التي تتحرك الكواكب في الحذف حول الشمس ، والتي تكتسح مساحات متساوية في أوقات متساوية ، وأن نسبة المربعات في الفترة المدارية إلى مكعب محور شبه كبير هي ثابت لأي كتلة مركزية ، كلاهما يتناقض ويحل محل Mystium Cosmographicum. لقد مهد نجاح مداراته الإهليلجية الطريق لقانون نيوتن للجاذبية العالمية ، وبشر بعلم الفيزياء الفلكية. على الرغم من حبه غير المتواضع لفكرته الأكثر إشراقًا ، فقد كان النموذج الأقل أناقة الذي وصف عالمنا بشكل أفضل. من خلال ترك آماله جانبا وبدلا من ترك البيانات هي دليله ، كان قادرا على تحقيق التقدم الذي كان العقل الأصغر قد فشل في اكتشافه.

قوانين كيبلر الثلاثة ، التي تتحرك الكواكب في علامات الحذف مع الشمس في بؤرة واحدة ، وهي تكتسح مساحات متساوية في أوقات متساوية ، وأن مربع فتراتها يتناسب مع مكعب محاورها شبه الكبرى ، ينطبق أيضًا على أي جاذبية النظام كما يفعلون لنظامنا الشمسي. رصيد الصورة: RJHall / Paint Shop Pro.

هناك إغراء نحو الاختزال في الفيزياء: لوصف أكبر قدر ممكن بأقل قدر ممكن. إن فكرة وجود نظرية لكل شيء ، أو نظرية واحدة يمكنها التنبؤ ووصف كل ما يمكن التنبؤ به أو وصفه في الكون بأقصى قدر ممكن من الدقة ، هي الحلم النهائي لكثير من العلماء. ومع ذلك ، ليس هناك ما يضمن ، حتى من حيث المبدأ ، إمكانية تحقيق هذا الحلم. كما قال الفيزيائي الشهير لينكولن ولفنشتاين:

الدرس المستفاد من كيبلر ليس أنه يجب علينا الامتناع عن طرح الأسئلة التي تبدو أساسية ؛ الدرس هو أنه لا يمكننا معرفة ما إذا كان هناك أي إجابة بسيطة أو من أين أتت.

قد توفر الأناقة والجمال والاختزال بعض الفرص الهائلة للتنبؤ بنجاح بالظواهر الفيزيائية الجديدة ، ولكن ليس هناك ما يضمن أن هذه التوقعات ستتحقق في الواقع. عندما يتعلق الأمر باكتشاف الإنجاز الكبير المقبل في العلوم الأساسية ، فإن آمالنا وأحلامنا بأن نكون أقرب إلى النظرية الموحدة لكل شيء من خلال الجمال الرياضي والتماثل الإضافي هي أمر شائع ، ولكنها ليست شيئًا أكيدًا. قد نكون جميعًا منفتحين على كل ما تخبرنا به البيانات كما كان كبلر ، وعلى استعداد لمتابعتها ، بغض النظر عن المكان الذي تؤدي إليه.

يبدأ تطبيق "يبدأ بـ A Bang" الآن على "فوربس" ، ويتم إعادة نشره على "متوسط" بفضل أنصار باتريون لدينا. قام إيثان بتأليف كتابين ، "وراء المجرة" ، وعلم Treknology: "علم ستار تريك" من "ترايكردز" إلى "وارب درايف".