مدار عجیب عطارد

اگر تصور می‌کنید سیارات در مدار های منظمی به دور خورشید می‌چرخند، سخت در اشتباهید! عطارد به زیبایی این باور را به چالش می‌کشد، این سیاره‌ که از بعضی اقمار منظومه هم کوچک‌تر است، مداری دارد که از جهات مختلف منحصر به‌ فرد است، بیضی‌ترین مدار در میان هشت سیاره، بیشترین نوسان سرعت مداری، و حرکتی که روزی نیوتن را به بن‌بست و انشتین را به شهرت جهانی رساند.

کشیدگی مدار عطارد

مدار تمام سیارات به دور خورشید، بیضوی است. اما کشیدگی مدار عطارد یا به اصطلاح خروج از مرکز آن بسیار بیشتر از دیگر سیارات است به طوری که مقدار خروج از مرکز زمین حدود 0.017 است و مداری تقریباً دایره‌ای دارد. در حالی که مقدار خروج از مرکز عطارد ۰.۲۰۵۶ است.

به صورت کلی خروج از مرکز میزان انحراف مدار یک شکل از حالت داره است که مقداری بین صفر تا 1 دارد.

حرکت تقدیمی مدار چیست؟

حرکت تقدیمی مدار یا پیشروی حضیض، به حالتی گفته می شود که در آن، مدار یک جسم به دور ستاره یا جسم غالب در منظومه، یک بیضی ثابت نیست و در مدت زمان مشخصی، مدار آن نیز به دور جسم غالب می چرخد و شکل گلبرگ مانندی را پدید می‌آورد.

حرکت تقدیمی چطور به‌ وجود می‌آید؟

حرکت تقدیمی یا پیشروی حضیض عموماً دو علت اصلی دارد:

1. علت نیوتنی(اثر گرانشی اجرام دیگر):
   
   در یک منظومه‌ی ایده‌آل که فقط دو جسم دارد، مدار جسم سبک‌تر یک بیضی ثابت است. اما وقتی در یک منظومه بیش از دو جسم وجود داشته باشند، اثر گرانشی آنها بر یکدیگر، تمام مدار‌ها را (بسته به جرم اجسام) آشفته می‌کنند. در منظومه‌ی شمسی نیز همین‌طور است، 7 سیاره و دیگر اجرام این منظومه بر مدار عطارد کم جرم اثر می‌گذارند و آن را از حالت بیضی ثابت خارج می‌کنند.
   
   سهم اثر گرانشی ناشی از جرم اجرام منظومه بر حرکت تقدیمی مدار عطارد، حدود 532 ثانیه‌ی قوسی در قرن است. (هر یک درجه، 3600 ثانیه‌ی قوسی است.)
   
2. علت نسبیتی (اثر خمیدگی فضا-زمان در نزدیکی خورشید بر مدار جسم):
   
   بر اساس نسبیت عام انشتین(Einstein)، اجرام سنگین مثل خورشید، فضا-زمان اطراف خود را خم می‌کنند و به اصطلاح یک چاه گرانشی خلق می‌کنند که بر اجرام نزدیک آنها، اثر گرانشی دارد و برای عطارد، سهم این اثر حدود 43 ثانیه‌ی قوسی است.

بنابراین حرکت تقدیمی عطارد حاصل جمع دو اثر است، یکی گرانش ناشی از همسایگان پرجرمش و دیگری ناشی از خمیدگی فضای اطراف آن.

43 ثانیه‌ی قوسی که پرونده‌ی فیزیک نیوتنی را بست!

در بخش قبل اشاره شد که اثر خمیدگی فضای اطراف خورشید بر مدار عطارد حدود ۴۳ ثانیه‌ی قوسی در هر قرن است. این مقدار حتی در محاسبات نجومی هم بسیار ناچیز و شاید قابل چشم‌پوشی به نظر برسد. اما علت اهمیت آن، تأثیر همین رقم کوچک بر سرنوشت یک نظریه‌ی بزرگ بود؛ نظریه‌ای که بیش از دو قرن بر دنیای فیزیک سلطه داشت.

دانشمندان فیزیک کلاسیک و در رأس آنها آیزاک نیوتن، فضا را مجموعه‌ای کاملاً صاف و بدون انحنا می‌پنداشتند. تصور آنها از برهم‌کنش‌های گرانشی بین خورشید و سیارات، همچون طنابی نامرئی بود که خورشید مانند یک گاوچران آن را در دست گرفته و سیارات را مجبور به گردش به دور خود می‌کند. در این دیدگاه، گرانش یک نیروی کششی از راه دور بود که آنی عمل می‌کرد.

اما تصور انشتین و فیزیک نسبیت از گرانش، چیزی کاملاً متفاوت بود. در نظریه‌ی او خبری از نیروی کششی مرموز نبود. گرانش نتیجه‌ی خمیدگی خود فضا به دلیل وجود جرم در نظر گرفته‌ می‌شد.

ولکان؛ راه فراری که به بن‌بست خورد!

فیزیکدانان پیش از انتشار نظریه‌ی نسبیت عام نظیر اوربن لو وریه(Urbain Le Verrier)، مکرراً مقدار پیشروی حضیض عطارد در قرن را محاسبه کردند، اما همیشه مقدار نظری حدود 43 ثانیه‌ی قوسی از مقدار عملی کمتر بود.

این اختلاف عددی کوچک، جامعه‌ی علمی آن روز را به تکاپو انداخت و ساده‌ترین راه‌حل این بود، یک جرم آسمانی نادیده.

لو وریه و همکارانش وجود سیاره‌ای را پیشنهاد دادند که از عطارد هم به خورشید نزدیک‌تر باشد.
سیاره‌ای بسیار کم‌جرم و بسیار نزدیک به خورشید که با کشش گرانشی خود، مدار عطارد را اندکی منحرف می‌کند.
به سبب فاصله‌ی بسیار کم تا خورشید و گرمای سوزان آن ناحیه، این سیاره را “ولکان” (Vulcan) یا گداخته نامیدند.

اخترشناسان و انجمن‌های رصدی، سال‌ها در خورشیدگرفتگی‌ها در پی کشف این سیاره‌ی جدید بودند و گزارشاتی هم از کشف آن داده شد که هرگز مورد تایید قرار نگرفتند.

بعدها در سال 1915 میلادی، انشتین با انتشار مقاله‌ی نسبیت عام و محاسبه‌ی مقدار خمیدگی فضای اطراف خورشید و اثر گرانشی آن بر عطارد، دقیقاً به عدد 43 ثانیه‌ی قوسی رسید و درستی نظریه‌ی خود را برای اولین بار اثبات کرد؛ نظریه‌ای که در آن گرانش نه به عنوان نیرو، که نتیجه‌ی خمیدگی فضا-زمان توضیح داده می‌شد.


این محاسبه اولین پیروزی بزرگ نسبیت عام بود. نظریه‌ای که تازه متولد شده بود، توانست معمایی دویست‌ساله را حل کند. موفقیتی که نام انشتین را در کنار نیوتن، در تاریخ فیزیک جاودانه ساخت. ولکان برای همیشه به تاریخ پیوست، اما عطارد به نمادی از ظرافت و دقت علم تبدیل شد.

نتیجه

عطارد، کوچک‌ترین سیاره‌ی منظومه‌ی شمسی، یکی از بزرگ‌ترین انقلاب‌های تاریخ علم را رقم زد. حرکت تقدیمی مدار این سیاره، تنها 43 ثانیه‌ی قوسی با مقدار محاسبه شده‌ توسط اخترشناسان اختلاف داشت.
رقمی ناچیز که فیزیک نیوتنی را به زانو درآورد و دانشمندان را به ساختن سیاره‌ای فرضی واداشت تا اثر گرانشی گم شده را جبران کند.
اما انشتین در سال ۱۹۱۵ نشان داد که نیازی به سیاره‌ی فرضی نیست؛ خورشید، خود با خم کردن فضای اطرافش، این اثر را ایجاد می‌کند.

پس عطارد به ما آموخت که شاید ساده‌ترین راه‌حل، همیشه بهترین نباشد. کوچک‌ترین ناهنجاری‌ها، گاهی نقطه‌ی شروع بزرگ‌ترین رنسانس‌ها هستند.