ศิลปะโบราณแห่งการทำนายคราสกลายเป็นวิทยาศาสตร์ที่แน่นอนได้อย่างไร | นิตยสารควอนต้า

สุริยุปราคาถูกตีความตลอดประวัติศาสตร์ว่าเป็นข่าวร้ายสำหรับอธิปไตย ซึ่งเป็นสัญญาณลางร้ายต่อสุขภาพส่วนบุคคลหรือของอาณาจักร แต่ความกลัวเหล่านั้นช่วยเติมพลังให้กับทุนการศึกษานับพันปี ความก้าวหน้านี้เริ่มต้นขึ้นในเมโสโปเตเมียด้วยการตามล่าหารูปแบบเป็นระยะในข้อมูลทางประวัติศาสตร์ มันถึงจุดสุดยอดในยุคที่เราทราบล่วงหน้าถึงการเคลื่อนที่ในอนาคตที่พึ่งพาซึ่งกันและกันของวัตถุในระบบสุริยะล่วงหน้าหลายศตวรรษ โดยเปลี่ยนสิ่งที่ครั้งหนึ่งเคยเป็นสาเหตุของความกังวลในระดับจักรวาลให้กลายเป็นเรื่องของกลไกที่เย็นยะเยือก

หากคุณต้องเลือกจุดเปลี่ยนจุดหนึ่ง อาจเป็นเช้าวันที่ 22 เมษายน ค.ศ. 1715 ซึ่งเป็นช่วงที่สุริยุปราคาปรากฏเหนือลอนดอน นักคณิตศาสตร์ชาวอังกฤษ เอ็ดมันด์ ฮัลลีย์ ซึ่งเป็นที่จดจำได้ดีที่สุดว่าเป็นชื่อของดาวหางฮัลลีย์ ได้บอกไว้ล่วงหน้าแล้ว เขาได้ตีพิมพ์เอกสารที่มีแผนที่เส้นทางที่เงาดวงจันทร์จะลากปกคลุมอังกฤษ ในปีนั้น อังกฤษมีกษัตริย์ที่เพิ่งสวมมงกุฎพร้อมกับการกบฏที่ก่อกบฏต่อพระองค์แล้ว ด้วยการไขปริศนาสุริยุปราคาด้วยการทำนาย ฮัลลีย์หวังที่จะต่อต้านอำนาจของมันในฐานะลางบอกเหตุ

นอกจากนี้เขายังต้องการรับสมัครผู้รวบรวมข้อมูลซึ่งการสังเกตอาจนำไปสู่การพยากรณ์คราสที่ดียิ่งขึ้นในอนาคต “ผู้อยากรู้อยากเห็นปรารถนาที่จะสังเกตมัน และโดยเฉพาะอย่างยิ่งระยะเวลาของความมืดมิดทั้งหมด” เขาโฆษณา “... เพราะเหตุนี้สถานการณ์และขนาดของเงาจึงถูกกำหนดไว้อย่างดี และโดยวิธีการนี้ เราอาจจะสามารถทำนายการปรากฏที่คล้ายคลึงกันสำหรับอนาคต [นั้น] ได้อย่างแน่นอนในระดับที่สูงกว่าที่สามารถแสร้งทำเป็นได้ในปัจจุบัน”

ลางบอกเหตุที่รักษาจังหวะ

หลายทศวรรษก่อนหน้านี้ ฮัลลีย์ นักอ่านตำราโบราณตัวยง ได้ค้นพบและเผยแพร่วัฏจักรท้องฟ้าที่มีประโยชน์สำหรับการคิดเกี่ยวกับสุริยุปราคาและตำแหน่งของดวงจันทร์บนท้องฟ้า: 6,585 วัน หรือนานกว่า 18 ปีเล็กน้อย เขาเรียกวงจรนี้ว่า "Saros" ซึ่งนักประวัติศาสตร์สมัยใหม่มองว่าเป็นการแปลสัญลักษณ์ของชาวสุเมเรียนที่แปลผิดซึ่งแต่เดิมหมายถึงบางอย่างเช่น "จักรวาล" หรือ "จำนวนมาก"

ประมาณ 600 ปีก่อนคริสตศักราชในเมโสโปเตเมีย นักคณิตศาสตร์และนักคณิตศาสตร์ชาวอัสซีเรียและบาบิโลนได้สำรวจวันที่เกิดสุริยุปราคาในอดีตที่บันทึกไว้ในแผ่นดินเหนียว โดยหวังว่าจะพัฒนากลยุทธ์ในการอนุมานว่าคราสครั้งถัดไปจะเกิดขึ้นเมื่อใด Eclipses สร้างความกังวลให้กับกษัตริย์ในวัฒนธรรมเหล่านี้ และในไม่ช้า ด้วยการประดิษฐ์จักรราศีและดวงชะตาส่วนตัว ความจำเป็นในการติดตามตำแหน่งของดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ และดาวเคราะห์ จะทำให้ทุกคนกังวล

วิธีแก้ปัญหาแรกคือกฎทั่วไป เช่น จันทรุปราคามักจะติดตามกันหลังจากผ่านไปหกเดือน เป็นต้น ชาวบาบิโลนยังตระหนักด้วยว่าสุริยุปราคาและจันทรุปราคาโดยเฉพาะมักแยกออกจากเหตุการณ์ที่คล้ายกันโดยสิ่งที่ฮัลลีย์เรียกว่า Saros

เพื่อทำความเข้าใจวัฏจักรนี้ในแง่สมัยใหม่ ลองจินตนาการถึงรูปทรงเรขาคณิตของเทห์ฟากฟ้าในช่วงเวลาที่เกิดสุริยุปราคา เมื่อดวงจันทร์โคจรอยู่ระหว่างดวงอาทิตย์กับโลกโดยตรง และวัตถุทั้งสามก่อตัวเป็นเส้นตรง เพื่อให้สิ่งนี้เกิดขึ้น ดวงจันทร์จะต้องเป็นพระจันทร์ใหม่ มันจะต้องอยู่ในจุดที่วงโคจรเอียงของมันเองรอบโลกพุ่งผ่านระนาบที่โลกเคลื่อนตัวผ่านวงโคจรของมันเองรอบดวงอาทิตย์

ทีนี้ลองนึกภาพการเคลื่อนนาฬิกาไปข้างหน้าเพื่อหาเวลาที่สภาวะเดียวกันนี้เกิดขึ้นอีก เราจะต้องกระทบยอดรอบดวงจันทร์หลายรอบที่ทับซ้อนกันแต่ไม่เท่ากัน รอบที่ 29.5306: จะใช้เวลาประมาณ 27.2122 วันในการเคลื่อนจากพระจันทร์ใหม่หนึ่งไปยังอีกข้างหนึ่ง รอบที่สอง: ดวงจันทร์จะใช้เวลาประมาณ 27.5546 วันในการเคลื่อนผ่านระนาบหนึ่งของวงโคจรโลกไปยังระนาบเดียวกันในรอบถัดไป รอบที่ XNUMX: เนื่องจากวงโคจรทรงรีของดวงจันทร์ดึงมันเข้ามาใกล้และไกลจากโลกมากขึ้น ดวงจันทร์จึงแกว่งขนาดและความเร็วที่ปรากฏบนท้องฟ้าเหนือโลก ซึ่งเป็นวัฏจักรที่ใช้เวลาประมาณ XNUMX วัน

ดังนั้น Saros จึงเป็นเพียงช่วงการปัดเศษที่ดีในระหว่างที่วัฏจักรเหล่านี้เกิดขึ้นซ้ำจำนวนครั้งทั้งหมด: 223 รอบที่ผ่านดวงจันทร์ใหม่เกือบจะเท่ากับ 242 รอบเข้าและออกจากสุริยุปราคาพอดี ซึ่งเกือบจะเท่ากันทุกประการ ถึง 239 การสั่นในขนาดปรากฏของดวงจันทร์ หากคุณเห็นสุริยุปราคาหรือจันทรุปราคา ให้รอ Saros แล้วการจัดเรียงทางเรขาคณิตคร่าวๆ ของเทห์ฟากฟ้าจะเกิดขึ้นซ้ำอีกครั้ง

จริงๆ แล้ววงโคจรของดวงจันทร์มีความซับซ้อนมากกว่าแค่พารามิเตอร์เหล่านี้ และไม่ว่าโครงการนี้จะไม่ได้บอกคุณว่าคราสที่เกิดขึ้นจะมองเห็นได้ที่ไหนบนโลก

ฮัลเลย์และบียอนด์

เมื่อฮัลลีย์อ่านเกี่ยวกับ Saros และฟื้นคืนชีพเพื่อใช้เอง ความพยายามหลายวัฒนธรรมที่มีคุณค่ามานานหลายศตวรรษได้ช่วยขัดเกลาปัญหาสุริยุปราคาเพิ่มเติม ดังที่ Clemency Montelle นักประวัติศาสตร์คณิตศาสตร์บรรยายไว้ในหนังสือปี 2011 ไล่เงา- ในที่สุดชาวบาบิโลนก็ย้ายผ่านกฎเชิงประจักษ์ง่ายๆ เช่น "รอ Saros สักตัว" ไปสู่รูปแบบตัวเลขที่ซับซ้อนมากขึ้นซึ่งคำนวณพิกัดในอนาคตของดวงจันทร์บนท้องฟ้า ชาวกรีกโบราณผสมผสานแนวคิดทางเรขาคณิตของตนเองเกี่ยวกับจักรวาลเข้ากับการคำนวณเชิงตัวเลขแบบบาบิโลน นอกเหนือจากการสังเคราะห์ดังกล่าวแล้ว นักดาราศาสตร์โลกอิสลาม เช่น อัล-ควาริซมี ซึ่งเป็นชื่อเดียวกับคำว่า “อัลกอริทึม” ในศตวรรษที่ 9 ได้ดึงฟังก์ชันตรีโกณมิติและเลขทศนิยม (จากอินเดีย) ที่พวกเขาเขียนลงบนสื่อชนิดใหม่ ( จากประเทศจีน) เพื่อพัฒนาวิธีการพยากรณ์ขั้นสูงยิ่งขึ้น ซึ่งขณะนี้ได้สะท้อนไปทั่วยุโรปด้วย

แต่ฮัลลีย์มีอะไรที่ใหม่กว่าให้เล่นด้วย ในช่วงเวลาเดียวกับที่เขาหาปลา Saros ในยุคโบราณ เขายังสนับสนุนการตีพิมพ์แนวคิดของไอแซก นิวตัน เพื่อนของเขาเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วง ซึ่งนิวตันได้นำไปประยุกต์ใช้เพื่อทำความเข้าใจวงโคจรของดวงจันทร์ ภายในปี 1715 เมื่อสุริยุปราคาครั้งแรกในรอบหลายศตวรรษเข้าใกล้ลอนดอน แผนที่ทำนายของฮัลลีย์ได้ผสมผสานวิธีคิดแบบโบราณและสมัยใหม่เข้าด้วยกัน

ก้าวสำคัญต่อไปเกิดขึ้นในปี ค.ศ. 1824 เมื่อนักดาราศาสตร์ชาวเยอรมัน ฟรีดริช เบสเซล ได้ขยายแนวทางแบบนิวตันในการคิดเกี่ยวกับสุริยุปราคาโดยใช้กฎแรงโน้มถ่วง เขาจินตนาการถึงเงาของดวงจันทร์ที่ทอดลงบนระนาบจินตนาการที่วิ่งผ่านใจกลางโลก จากนั้นคุณสามารถฉายเงานั้นกลับขึ้นไปบนพื้นผิวโลกเพื่อดูว่าเงาจะกระทบที่ไหนและเมื่อใด ซึ่งเป็นกระบวนการที่ท้ายที่สุดต้องคำนึงถึงโลกว่าไม่ใช่ทรงกลม แต่เป็นวัตถุที่มีลักษณะเป็นก้อน เป็นหลุมเป็นบ่อ และหมุนอยู่ หลังจาก Bessel หลายประเทศก็สามารถเข้าถึงจักรวรรดิทั่วโลกเพื่อไล่ตามเงามืดเหล่านั้นกล่าว เดโบราห์ เคนท์, นักประวัติศาสตร์คณิตศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยเซนต์แอนดรูว์ ด้วยการทำเช่นนั้น พวกเขาสามารถปรับปรุงการคำนวณของตนเพิ่มเติมในการต่อสู้เพื่ออำนาจสูงสุดด้านพลังงานอ่อนทางวิทยาศาสตร์

ในศตวรรษต่อมา การสำรวจคราสช่วยไขปริศนาทางวิทยาศาสตร์ครั้งใหญ่ที่สุดเรื่องหนึ่ง นั่นคือ วงโคจรแปลก ๆ ของดาวพุธเกิดจากดาวเคราะห์ที่ยังกอดดวงอาทิตย์ซึ่งยังไม่มีใครค้นพบ (ซึ่งน่าจะมองเห็นได้ในระหว่างคราส) หรือไม่ หรือปรากฏว่ามีปัญหากับความเข้าใจเรื่องแรงโน้มถ่วงของนิวตันหรือไม่? ความเสี่ยงเหล่านี้ทำให้การพยากรณ์และการสังเกตการณ์คราสมีความสำคัญมากยิ่งขึ้น โดยนักวิทยาศาสตร์ได้ส่งไปยังทั่วทุกมุมโลกพร้อมคำแนะนำที่เข้มงวดว่าจะต้องอยู่ที่ไหนและข้อมูลใดที่จะบันทึก จากนั้นพวกเขาก็ยื่นรายงานแบบแห้งๆ โดยคั่นด้วย “ความกลัวที่ปะทุขึ้น” เป็นครั้งคราว เคนท์กล่าว “ในเกือบทุกย่อหน้า มีคำอธิบายแบบแรปโซดิก วิกตอเรียน และเหนือชั้นอยู่สองย่อหน้า”

ในศตวรรษที่ 20 ปัญหาก็เปลี่ยนไปอีกครั้ง การทำนายสุริยุปราคาที่ถูกต้องมักจะต้องต่อสู้กับความจริงที่ว่าดวงจันทร์และทุกสิ่งในระบบสุริยะนั้นดึงเข้าหากันตลอดเวลา นี่ไม่ใช่แค่ "ปัญหาสามร่างกาย" ที่โด่งดังซึ่งแก้ไขไม่ได้เท่านั้น มันคือ N-ปัญหาร่างกาย เมื่อ NASA เริ่มส่งคนและหุ่นยนต์ไปยังวัตถุในระบบสุริยะ ความจำเป็นเร่งด่วนในการรู้ว่าวัตถุเหล่านี้อยู่ที่ไหนและจะอยู่ที่ไหนในอนาคต ถือเป็นเรื่องเร่งด่วนใหม่ และง่ายต่อการเข้าใจมากขึ้น

เนื่องจากกระจกที่นักบินอวกาศ Apollo ทิ้งไว้บนดวงจันทร์ เราจึงรู้ว่าดวงจันทร์อยู่ที่ไหนสัมพันธ์กับโลกภายในระยะไม่กี่เมตร ไรอันพาร์คซึ่งเป็นผู้นำกลุ่ม Solar System Dynamics ที่ห้องปฏิบัติการ Jet Propulsion ของ NASA และด้วยยานอวกาศหลายลำที่ส่งข้อมูลกลับมาในขณะที่พวกมันโคจรรอบระบบสุริยะ เราจึงรู้ตำแหน่งของดวงอาทิตย์ได้อย่างแม่นยำเช่นกัน ทีมงานของปาร์คป้อนข้อมูลตำแหน่งดวงจันทร์และดวงอาทิตย์ ควบคู่ไปกับพารามิเตอร์ที่คล้ายกันสำหรับดาวเคราะห์และดาวเคราะห์น้อยหลายร้อยดวง และการแก้ไขสิ่งต่างๆ เช่น แรงกดดันจากลมสุริยะ ไม่ใช่แค่กฎแรงโน้มถ่วงของนิวตันเท่านั้น แต่ยังปรับแต่งรายละเอียดปลีกย่อยของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปให้กลายเป็น รุ่นคอมพิวเตอร์ จากนั้นแบบจำลองจะจัดทำรายการตำแหน่งที่คาดการณ์ไว้ของทุกสิ่ง รวมถึงดวงจันทร์ด้วย จากนั้น ทีมงาน JPL จะอัปเดตโมเดลของตนและเผยแพร่รายการใหม่เป็นระยะๆ

ตำแหน่งเหล่านี้ซึ่งเกินกำลังสำหรับงานทำนายสุริยุปราคา มีไว้เพื่อให้ดีพอสำหรับการเดินทางในอวกาศ “ฉันรู้สึกประหลาดใจเล็กน้อย” ปาร์คกล่าว เมื่อผู้พัฒนาภารกิจอวกาศถามว่าพวกเขาจะต้องใช้เวลาในการหาว่าดวงจันทร์จะอยู่ที่ไหนและเคลื่อนที่อย่างไร “ฉันแบบว่า ไม่ ไม่ ไม่ เราแก้ไขปัญหานี้ไปแล้วเมื่อหลายปีก่อน”