ระบบโลกเป็นศูนย์กลาง

พีธากอรัส (Pythagoras)         เมื่อประมาณ 600 ปีก่อนคริสตกาล พีธากอรัส (Pythagoras) นักปราชญ์ชาวกรีกได้สร้างแบบจำลองของจักรวาลว่า โลกของเราเป็นทรงกลมตั้งอยู่ ณ ศูนย์กลาง ถูกห้อมล้อมด้วยทรงกลมขนาดใหญ่ เรียกว่า ทรงกลมท้องฟ้า (Celestial sphere) ดวงดาวทั้งหลายติดอยู่บนทรงกลมท้องฟ้า ซึ่งเคลื่อนที่จากทางทิศตะวันออกไปยังทิศตะวันตก    นอกจากทรงกลมใหญ่ซึ่งเป็นที่ตั้งของดาวฤกษ์ทั้งหลายแล้ว ยังมีทรงกลมข้างในอีก 7 วง ซ้อนกันอยู่อันเป็นที่ตั้งของ ดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ และดาวเคราะห์ที่มองเห็นด้วยตาเปล่าอีก 5 ดวง อันได้แก่ ดาวพุธ ดาวศุกร์ ดาวอังคาร ดาวพฤหัสบดี และดาวเสาร์ ทรงกลมทั้งเจ็ดเคลื่อนที่สวนทางกับทรงกลมท้องฟ้า จากทางทิศตะวันตกไปยังทิศตะวันออกด้วยความเร็วที่แตกต่างกันไป คนในยุคก่อนสังเกตการเคลื่อนที่ของดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ และดาวเคราะห์ทั้งห้า สวนทางกับกลุ่มดาวจักราศีทั้งสิบสอง ซึ่งตั้งอยู่บนทรงกลมท้องฟ้า จึงเกิดเป็น “ปฏิทิน” (Calendar) โดยมีชื่อของดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ ดาวเคราะห์เป็น “ชื่อของวัน” (Day) และมีชื่อของกลุ่มดาวจักราศีเป็น “ชื่อเดือน” (Month)

อริสโตเติล(Aristrotle) สองร้อยห้าสิบปีต่อมา (250 ปีก่อนคริสตกาล) อริสโตเติล นักปราชญ์ชาวกรีกผู้มีชื่อเสียง ได้ปรับปรุงแบบจำลองระบบสุริยะของพิธากอรัส โดยเพิ่มทรงกลมใสข้างในอีก 7 ชั้น เพื่อเป็นที่ตั้งของ ดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ และดาวเคราะห์ที่มองเห็นด้วยตาเปล่าอีก 5 ดวง ได้แก่ ดาวพุธ ดาวศุกร์ ดาวอังคาร ดาวพฤหัสบดี และดาวเสาร์ ทรงกลมทั้งเจ็ดเคลื่อนที่สวนทางกับทรงกลมท้องฟ้า และเคลื่อนที่จากทางทิศตะวันตกไปยังทิศตะวันออกด้วยความเร็วที่แตกต่างกันไป  อริสโตรเติลให้ความเห็นว่า ดวงอาทิตย์และดวงจันทร์เป็นทรงกลมที่สมบูรณ์ (มีผิวเรียบ) ทั้งดาวฤกษ์ ดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ และดาวเคราะห์ต่างเคลื่อนที่รอบโลกซึ่งเป็นศูนย์กลางของจักรวาล  การเคลื่อนที่ของวัตถุบนโลกมีสองชนิด คือ การเคลื่อนที่ในแนวราบเรียกว่า “แรง” (Force)  ส่วนการเคลื่อนที่ในแนวดิ่งเป็น “การเคลื่อนที่ตามธรรมชาติ” (Natural motion) มิได้มีแรงอะไรมากระทำ ทุกสรรพสิ่งต้องเคลื่อนที่เข้าหาศูนย์กลางของโลกเนื่องจาก “โลกเป็นศูนย์กลางของจักรวาล” (Geocentric)

คลอเดียส ทอเลมี (Claudius Ptolemy) ปี ค.ศ.125 (พ.ศ.668) คลอเดียส ทอเลมี (Claudius Ptolemy) นักดาราศาสตร์ชาวกรีก ได้ปรับปรุงแบบจำลองของอริสโตรเติลให้สอดคล้องกับผลที่ได้จากการสังเกตการณ์  เขาสังเกตว่า ในบางครั้งดาวเคราะห์เคลื่อนที่ถอยหลัง (Retrograde motion) เมื่อเทียบกับกลุ่มดาวจักราศีที่อยู่ด้านหลัง   ในปี ค.ศ.125 คลอเดียส ปโตเลมี (Claudius Ptolemy) นักดาราศาสตร์ชาวกรีก แต่งตำราดาราศาสตร์ฉบับแรกของโลกชื่อ ว่า “อัลมาเจสท์” (Almagest) ปโตเลมี ทำการศึกษาการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ ด้วยหลักการทางเรขาคณิตอย่างละเอียด โดยระบุว่า โลกเป็นทรงกลมอยู่ตรงใจกลางของจักรวาล โลกหยุดนิ่งไม่มีการเคลื่อนไหวการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ทั้งเจ็ด (รวมทั้งดวงอาทิตย์ และดวงจันทร์) ซึ่งเคลื่อนไปข้างหน้า และบางครั้งก็เคลื่อนที่ย้อนทาง (Retrograde) สวนกับกลุ่มดาวจักราศี บนทรงกลมท้องฟ้า เป็นเพราะว่า  การที่เรามองเห็นดาวเคราะห์เคลื่อนที่ย้อนกลับไปมานั้น เป็นเพราะดาวเคราะห์ทั้งเจ็ดเคลื่อนที่อยู่บนวงกลมขนาดเล็กซึ่งเรียกว่า “เอปิไซเคิล” (Epicycle)ซึ่งวางอยู่บนวงโคจรรอบโลกอีกทีหนึ่ง

ไทโค บราฮ์ (Tycho Brahe) ในปี ค.ศ.1576 (พ.ศ.2119) ไทโค บราฮ์ (Tycho Brahe) นักดาราศาสตร์ชาวเดนมาร์กได้สร้างหอดูดาว Uraniborg เพื่อติดตั้งควอดแดรนท์ (Quadrant) ซึ่งเป็นอุปกรณ์วัดมุมดาวขนาดรัศมี 1.96 เมตร ดังแสดงในภาพที่ 5 เพื่อทำการวัดตำแหน่งการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์อย่างละเอียด โดยมีโจฮานเนส เคปเลอร์ นักคณิตศาสตร์ชาวเยอรมันเป็นผู้ช่วยวิเคราะห์ข้อมูล แม้ว่าจะทำการตรวจวัดตำแหน่งของดาวเคราะห์อย่างละเอียด ไทโคก็ยังเชื่อในแบบจำลองระบบสุริยะของเขาว่า ดวงอาทิตย์และดวงจันทร์โคจรรอบโลก โดยที่ดาวเคราะห์ทั้งห้า ซึ่งได้แก่ ดาวพุธ ดาวศุกร์ ดาวอังคาร ดาวพฤหัสบดี และดาวเสาร์โคจรล้อมรอบดวงอาทิตย์ ดังที่แสดงในภาพที่ 6  อย่างไรก็ตามในเวลาต่อมาไม่นาน เคปเลอร์ได้ประกาศ กฎการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์

ระบบดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลาง

นิโคลาส โคเปอร์นิคัส(Nicolaus Copernicus) ปี ค.ศ.1514 (พ.ศ.2057) นิโคลาส โคเปอร์นิคัส (Nicolaus Copernicus) บาทหลวงชาวโปแลนด์ เป็นผู้มีประสบการณ์ในการติดตามการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์เป็นเวลา 20 ปี มีความคิดขัดแย้งกับระบบโลกเป็นศูนย์กลาง เขาให้ความเห็นว่า การอธิบายการเคลื่อนที่ถอยหลังของดาวเคราะห์ โดยใช้วงกลมเล็กในแบบจำลองของทอเลนั้น เลื่อนลอยไร้เหตุผล เขาได้เขียนหนังสือชื่อ De revolutionibus orbium coelestium (ปฏิวัติความเชื่อเรื่องท้องฟ้า) นำเสนอแนวความคิดที่มีระบบดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลาง (Heliocentric) ดังภาพที่ 2 อธิบายดังนี้ I. วงโคจรของดาวฤกษ์  II. วงโคจรของดาวเสาร์ III. วงโคจรของดาวพฤหัสบดี IIII. วงโคจรของดาวอังคาร V. วงโคจรของโลกและดวงจันทร์​ VI. วงโคจรของดาวศุกร์  VII. วงโคจรของดาวพุธ จุดศูนย์กลางคือดวงอาทิตย์        หนังสือเล่มนี้ซึ่งถือเป็นจุดเริ่มต้นของดาราศาสตร์ยุคใหม่ ดังนี้ 1.ทรงกลมฟ้า (ซึ่งเป็นที่ตั้งของดาวฤกษ์และดาวเคราะห์) เคลื่อนที่รอบดวงอาทิตย์ โดยมีดวงอาทิตย์อยู่ที่ศูนย์กลางของจักรวาล 2.ระยะทางจากโลกไปยังทรงกลมฟ้าอยู่ไกลกว่าระยะทางจากโลกไปยังดวงอาทิตย์ 3.การเคลื่อนที่ปรากฏของทรงกลมฟ้าสัมพัทธ์กับเส้นขอบฟ้าในแต่ละวัน เป็นผลจากการที่โลกหมุนรอบตัวเอง 4.การเคลื่อนที่ย้อนกลับของดาวเคราะห์ (Retrograde motion) เกิดขึ้นเนื่องจากการเคลื่อนที่ไปตามวงโคจรของโลกสัมพัทธ์กับการเคลื่อนที่ไปตามวงโคจรของดาวเคราะห์ วงกลมเล็ก (Epicycle) ของทอเลมีมิได้มีอยู่จริง   โคเปอร์นิคัสอธิบายการมองเห็นการเคลื่อนที่ย้อนกลับของดาวอังคารในภาพที่ 3 ว่า วงโคจรรอบดวงอาทิตย์ของโลกมีขนาดเล็กกว่าวงโคจรของดาวอังคาร ดาวอังคารจึงต้องใช้คาบเวลาในการโคจรรอบดวงอาทิตย์นานกว่าโลก  เมื่อโลกเคลื่อนที่แซงดาวอังคาร เราจะมองเห็นดาวอังคารเคลื่อนที่ย้อนกลับเมื่อเปรียบเทียบกับทิศทางการเคลื่อนที่ของกลุ่มดาวทั้งหลายที่อยู่บนทรงกลมฟ้า

กาลิเลโอ กาลิเลอี (Galileo Galilei) การค้นพบของกาลิเลโอ  ในต้นคริสต์ศตวรรษที่ 17 (พุทธศตวรรษที่ 22) กาลิเลโอ กาลิเลอี (Galileo Galilei) นักวิทยาศาสตร์ชาวอิตาลี ซึ่งมีชีวิตอยู่ในช่วง ค.ศ.1564 - 1642 (พ.ศ.2107 - 2185) ได้นำกล้องส่องทางไกลซึ่งประดิษฐ์คิดค้นโดยชาวฮอลแลนด์ มาประยุกต์สร้างขึ้นเป็นกล้องโทรทรรศน์ชนิดหักเหแสงเพื่อใช้ส่องดูวัตถุท้องฟ้า กาลิเลโอพบว่า พื้นผิวของดวงจันทร์เต็มไปด้วยหลุมขรุขระ พื้นผิวของดวงอาทิตย์มีจุด (Sunspots) และมิได้เป็นทรงกลมที่สมบูรณ์ (มีผิวราบเรียบ) ดังคำสั่งสอนของอริสโตเติล กาลิเลโอพบว่าดาวพฤหัสบดีมีดวงจันทร์บริวาร 4 ดวง เขาเฝ้าบันทึกการเคลื่อนที่ของดวงจันทร์ทั้งสี่ด้วยการสเก็ตรูป (ภาพที่ 2) และสรุปว่า ดวงจันทร์ทั้งสี่มิได้โคจรรอบโลกแต่โคจรรอบดาวพฤหัสบดี สิ่งที่กาลิเลโอค้นพบขัดแย้งกับคำสอนของอริสโตเติลที่ว่า “โลกคือศูนย์กลางของจักรวาล วัตถุท้องฟ้าทุกอย่างโคจรรอบโลก” เมื่อกาลิเลโอใช้กล้องโทรทรรศน์ส่องมองดาวศุกร์ เขาพบว่าขนาดปรากฏของดาวศุกร์เปลี่ยนแปลงไปในแต่ละวันคล้ายข้างขึ้นข้างแรม  ขนาดของเสี้ยวดาวศุกร์เปลี่ยนแปลงไปตามตำแหน่งในวงโคจรรอบดวงอาทิตย์ เมื่อดาวศุกร์โคจรอยู่ด้านเดียวกับโลก ดาวศุกร์จะปรากฏเป็นเสี้ยวขนาดใหญ่ดวงจันทร์ข้างแรม เนื่องจากเรามองเห็นแต่ทางด้านหลังดาวศุกร์  แต่เมื่อดาวศุกร์โคจรไปอยู่อีกด้านหนึ่งของดวงอาทิตย์  ดาวศุกร์จะมีขนาดเล็กลงแต่ทำมุมสะท้อนแสงอาทิตย์เกือบเป็นวงกลม ดังที่แสดงในภาพที่ 3  สิ่งนี้เองที่เป็นหลักฐานยืนยันว่าทั้งโลกและดาวศูกร์ต่างโคจรรอบดวงอาทิตย์​ อริสโตเติล การเปลี่ยนแนวคิดใหม่ว่าดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลางของจักรวาลโดยมีข้อมูลสังเกตการณ์ทางวิทยาศาสตร์อย่างชัดเจน   การค้นพบของกาลิเลโอจะถูกต้องตรงความเป็นจริงแต่ขัดแย้งกับคำสั่งสอนของศาสนาในยุคนั้น ตำราที่เขาเขียนจึงถูกอายัดและตัวเขาเองก็ถูกจองจำอยู่กับบ้านจนวันตาย จนกระทั่งสามร้อยปีต่อมาในเดือนตุลาคม ค.ศ.1992 (พ.ศ.2535) โบสถ์แห่งสำนักวาติกันได้ออกมาแถลงการณ์ยอมรับข้อผิดพลาดที่ปฏิบัติต่อ กาลิเลโอ กาลิเลโอ มิได้เป็นเพียงนักดาราศาสตร์ผู้เฝ้าสังเกตการณ์แต่ยังเป็นนักฟิสิกส์ยุคใหม่อีกด้วย อริสโตเติลเคยอธิบายว่า “การที่สิ่งของตกลงสู่พื้นดินนั้น เป็นเรื่องของการเคลื่อนที่ตามธรรมชาติ โดยไม่มีเรื่องของแรงมาเกี่ยวข้อง หากเป็นเพราะโลกเป็นศูนย์กลางของจักรวาล ทุกสิ่งจึงต้องเคลื่อนที่เข้าสู่ศูนย์กลางของโลก”        กาลิเลโอคิดแตกต่างออกไป เขาเชื่อว่าการที่วัตถุตกลงสู่พื้นนั้นเป็นเพราะมีแรงมากระทำต่อวัตถุ กาลิเลโอได้ทำการทดลอง ณ หอเอนแห่งเมืองปิซา เพื่อพิสูจน์ให้เห็นว่า วัตถุต่างขนาดตกลงสู่พื้นโลกโดยใช้เวลาเท่ากัน แนวความคิดนี้ถูกนำไปพัฒนาเป็นกฎแรงโน้มถ่วงโดย เซอร์ไอแซค นิวตัน นักคณิตศาสตร์ชาวอังกฤษในยุคต่อมา

เคปเลอร์ (Johannes Kepler)            เคปเลอร์นำเสนอแบบจำลองสุริยจักรวาลที่มีดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลางและอธิบายถึงความสัมพันธ์ของระยะระหว่างดาวเคราะห์ทั้งหก (ดาวพุธดาวศุกร์โลกดาวอังคารดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์) หลังจากที่กาลิเลโอพิสูจน์ว่า ระบบดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลางของระบบสุริยะ (Heliocentric) เป็นความจริง  นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่ยังปักใจว่า วงโคจรของดาวเคราะห์เป็นรูปวงกลมที่สมบูรณ์ จึงไม่มีใครสามารถพยากรณ์ตำแหน่งของดาวเคราะห์ล่วงหน้าได้ถูกต้อง  จนกระทั่ง โจฮานเนส เคปเลอร์ (Johannes Kepler) นักคณิตศาสตร์ชาวเยอรมันซึ่งมีชีวิตอยู่ในระหว่าง ค.ศ.1571 – 1630 (พ.ศ.2114 - 2173) ได้ทำการวิเคราะห์ข้อมูลตำแหน่งของดาวเคราะห์ ซึ่งได้มาจากการตรวจวัดอย่างละเอียดโดย ไทโค บราเฮ (Tycho Brahe) นักดาราศาสตร์ประจำราชสำนักเดนมาร์ก ผู้มีชื่อเสียงในยุคนั้น (แต่ไทโคคงยังเชื่อในระบบโลกเป็นศูนย์กลาง) แล้วทำการทดลองด้วยแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ เคปเลอร์พบว่า ผลของการคำนวณซึ่งถือเอาวงโคจรเป็นรูปวงกลมไม่สอดคล้องกับข้อมูลที่ได้จากการสังเกตการณ์  แต่สอดคล้องกับการคำนวณซึ่งถือเอาวงโคจรเป็นรูปวงรี   ในปี ค.ศ.1609 (พ.ศ.2152) เคปเลอร์ได้ประกาศกฎข้อที่ 1  (กฎของวงรี)  “ดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์เป็นวงรี โดยมีดวงอาทิตย์อยู่ที่โฟกัสจุดหนึ่ง”   ในปีเดียวกัน เคปเลอร์พบว่า ความเร็วในวงโคจรของดาวเคราะห์มิใช่ค่าคงที่  ดาวเคราะห์เคลื่อนที่เร็วขึ้นเมื่อเข้าใกล้ดวงอาทิตย์  และเคลื่อนที่ช้าลงเมื่อออกห่างจากดวงอาทิตย์   เคปเลอร์ประกาศกฎข้อที่ 2 (กฎของพื้นที่เท่ากัน)  “เมื่อดาวเคราะห์เคลื่อนที่ตามวงโคจรไปในแต่ละช่วงเวลา 1 หน่วย  เส้นสมมติที่ลากโยงระหว่างดาวเคราะห์กับดวงอาทิตย์ จะกวาดพื้นที่ในอวกาศได้เท่ากัน” เก้าปีต่อมา ในปี ค.ศ.1618 (พ.ศ.2161)  เคปเลอร์พบว่า พื้นที่ของคาบวงโคจรของดาวเคราะห์ (คำว่า “พื้นที่” หมายถึง กำลังสอง) จะแปรผันตาม ปริมาตรของระยะห่างจากดวงอาทิตย์เสมอ (คำว่า “ปริมาตร” หมายถึง กำลังสาม) หรือพูดอย่างง่ายว่า  “กำลังสองของคาบวงโคจรของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์ จะแปรผันตาม กำลังสามของระยะห่างจากดวงอาทิตย์   เมื่อนำค่ายกกำลังสองของคาบวงโคจรของดาวเคราะห์ p2  มาหารด้วย ค่ากำลังสามของระยะห่างจากดวงอาทิตย์ a3 จะได้ค่าคงที่เสมอ (p2/a3 = k, k เป็นค่าคงที่)  มิว่าจะเป็นดาวเคราะห์ดวงใดก็ตาม  กฎข้อที่ 3 นี้เรียกว่า “กฎฮาร์มอนิก” (Harmonic Law) ตารางที่ 1  กฏข้อที่ 3 ของเคปเลอร์ คาบการโคจรรอบ ดวงอาทิตย์ (ปี) ระยะห่างจาก ดวงอาทิตย์ (AU) กฏข้อที่ 3 ของเคปเลอร์ p p2 a a3 p2/a3 ดาวพุธ 0.24 0.06 0.39 0.06 0.97 ดาวศุกร์ 0.62 0.38 0.72 0.37 1.03 โลก 1 1.00 1.00 1.00 1.00 ดาวอังคาร 1.9 3.61 1.52 3.51 1.03 ดาวพฤหัสบดี 12 144 5.20 140.61 1.02 ดาวเสาร์ 29 841 9.50 857.38 0.98 ดาวยูเรนัส 84 7,056 19.20 7,077.89 1.00 ดาวเนปจูน 164 26,896 30.07 28,189.44 0.99 ดาวพลูโต 248 61,504 39.72 62,655.39 0.98 โดยที่ระยะทาง 1 หน่วยดาราศาสตร์ หรือ 1 AU (Astronomical Unit) เท่ากับ ระยะทางเฉลี่ยจากโลกไปยังดวงอาทิตย์ หรือ 149,600,000 ล้านกิโลเมตร (ในยุคของเคปเลอร์ยังไม่ทราบว่า 1 AU มีค่าเท่าไร จึงติดค่าไ่ว้ในลักษณะของสัดส่วน) อนึ่ง ในยุคของเคปเลอร์เป็นยุคที่เรขาคณิตรุ่งเรือง เคปเลอร์ได้สร้างแบบจำลองของระบบสุริยะแบบสามมิติ เป็นรูปทรงหลายเหลี่ยมซ้อนกันดังในภาพที่ 6 โดยถือว่า p2 คือพื้นที่ของเวลา และ a3 คือลูกบาศก์ของเวลา เป็นสัดส่วนกันในแต่ละชั้น