आकाश को देखना: ब्रह्मांड के शुरुआती विचार
हर संस्कृति ने आकाश देखा। सूर्य, चंद्रमा, तारे और पाँच चमकीले "भटकते तारे" (ग्रह: बुध, शुक्र, मंगल, बृहस्पति, शनि) खेती और त्योहारों का कैलेंडर बनाने में काम आए। बेबीलोन, मिस्र, चीन, भारत और यूनान के प्रेक्षकों ने ध्यान से रिकॉर्ड लिखे।
पृथ्वी-केंद्रित मॉडल
ऊपर देखो: सूर्य उगता है, आकाश पार करता है और डूबता है। ज़मीन स्थिर लगती है। इसलिए सोचना स्वाभाविक था कि पृथ्वी नहीं हिलती और सब कुछ उसके चारों ओर घूमता है। यह भू-केंद्रीय (geocentric) मॉडल है। यूनानी विचारक अरस्तू ने इसका समर्थन किया। लगभग 150 ईस्वी में टॉलेमी ने इसे ग्रहों की जगह बताने वाली विधि बना दिया।
यह जटिल क्यों हुआ
ग्रह आराम से सीधे नहीं घूमते। कभी कोई ग्रह धीमा होकर कई हफ़्ते पीछे जाता है (वक्री गति, retrograde motion) और फिर आगे बढ़ता है। टॉलेमी ने इसकी नक़ल के लिए बड़े घेरों पर छोटे घेरे (अधिचक्र, epicycles) जोड़े। भविष्यवाणी अच्छी हुई, पर बहुत सारे घेरे चाहिए थे।
सब लोग पृथ्वी को स्थिर नहीं मानते थे। लगभग 250 ईसा पूर्व अरिस्टार्कस ने सूर्य को केंद्र में रखने का सुझाव दिया। भारत में आर्यभट (लगभग 500 ईस्वी) ने बताया कि पृथ्वी अपनी धुरी पर घूमती है और इसी से तारे चलते लगते हैं। एराटोस्थनीज़ (लगभग 240 ईसा पूर्व) ने छड़ियों की परछाइयों से पृथ्वी का आकार भी नाप लिया।
नया नज़रिया: सूर्य बीच में
नीचे के विचार एक के ऊपर एक बने। हर किसी ने पहले वालों का काम इस्तेमाल किया।
कोपरनिकस (1543): सूर्य-केंद्रित मॉडल
पोलैंड के खगोलशास्त्री निकोलस कोपरनिकस ने लिखा कि पृथ्वी भी एक ग्रह है और सभी सूर्य का चक्कर लगाते हैं। यह सूर्य-केंद्रीय (heliocentric) मॉडल है। यह वक्री गति आसानी से समझाता है: भीतर के रास्ते का तेज़ ग्रह धीमे ग्रह से आगे निकलता है, तो धीमा ग्रह कुछ समय पीछे जाता दिखता है।
टायको और केपलर: बेहतर आँकड़े, बेहतर आकार
टायको ब्राहे ने बिना दूरबीन के ग्रहों की जगहें बहुत सही नापीं। उनके शिष्य योहानेस केपलर ने मंगल के आँकड़ों से पाया कि कक्षाएँ पूरा गोल नहीं, दीर्घवृत्त (ellipse) हैं, जिसकी एक नाभि पर सूर्य है। केपलर के तीन नियम (1609 और 1619): (1) कक्षाएँ दीर्घवृत्त हैं; (2) ग्रह बराबर समय में बराबर क्षेत्रफल बनाता है, इसलिए सूर्य के पास सबसे तेज़ होता है; (3) T² अनुपाती है a³ के।
गैलीलियो (1610): दूरबीन
गैलीलियो ने दूरबीन बनाई और नई चीज़ें देखीं: चंद्रमा के पहाड़ और गड्ढे, बृहस्पति के चार चंद्रमा, आकाशगंगा में अनगिनत तारे और शुक्र की कलाएँ। उन्होंने यह भी दिखाया कि विचारों को देखकर और नापकर परखना चाहिए।
न्यूटन (1687): गुरुत्व से कक्षाएँ समझ आईं
आइज़क न्यूटन ने दिखाया कि एक ही बल, गुरुत्वाकर्षण, सेब को गिराता है और चंद्रमा व ग्रहों को कक्षा में रखता है। केपलर के नियम न्यूटन के नियमों से निकल आए। बाद में हर्शल ने अरुण (1781) खोजा, और वरुण 1846 में ठीक उसी जगह मिला जहाँ न्यूटन के नियमों ने बताया था।
सौरमंडल से आगे
1838 में बेसेल ने पास के तारे का बहुत छोटा खिसकाव (लंबन, parallax) नापकर उसकी दूरी निकाली। 1920 के दशक में हबल ने दिखाया कि कुछ "बादल" दूसरी आकाशगंगाएँ हैं और हमसे दूर जा रही हैं: ब्रह्मांड फैल रहा है। देखिए पाठ ब्रह्मांड विज्ञान।
आज के मॉडल के प्रमाण
मॉडल तब माना जाता है जब वह जो दिखता है उसे समझाए और उसकी भविष्यवाणियाँ सच निकलें। आज हम सूर्य-केंद्रीय मॉडल क्यों मानते हैं:
- शुक्र की कलाएँ। टॉलेमी के मॉडल में शुक्र पृथ्वी और सूर्य के बीच ही रहता है, इसलिए सिर्फ़ पतला अर्धचंद्र दिखता। गैलीलियो को लगभग पूरा गोल शुक्र भी दिखा। यह तब होता है जब शुक्र सूर्य का चक्कर लगाता है और कभी उसके पीछे जाता है।
- बृहस्पति के चंद्रमा। चार चंद्रमा बृहस्पति का चक्कर लगाते हैं। यानी गति का केंद्र सिर्फ़ पृथ्वी नहीं है।
- तारों का लंबन। पृथ्वी सूर्य का चक्कर लगाती है, तो पास के तारे दूर के तारों के सामने ज़रा-सा खिसकते दिखते हैं। यह पृथ्वी के चलने का सीधा सबूत है। खिसकाव बहुत छोटा है, इसलिए 1838 में ही मिला।
- सरल वक्री गति। एक ही विचार (आगे निकलना) सभी ग्रहों के लूप समझा देता है, अतिरिक्त घेरों के बिना।
- गुरुत्व और भविष्यवाणियाँ। न्यूटन के नियम ने धूमकेतुओं की वापसी और वरुण ग्रह की भविष्यवाणी की।
- आज। अंतरिक्ष यान इन्हीं कक्षा-नियमों से ग्रहों तक पहुँचते हैं। आकाशगंगाओं का रेडशिफ़्ट और कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड फैलते ब्रह्मांड के मॉडल का समर्थन करते हैं।
विज्ञान यहाँ कैसे काम करता है
पुराने मॉडल "बेवकूफ़" नहीं थे। वे अपने समय के आँकड़ों से मेल खाते थे। जब नए औज़ार (दूरबीन) और नए आँकड़े (टायको की संख्याएँ, गैलीलियो के प्रेक्षण) आए तो दिक़्क़तें दिखीं और बेहतर मॉडल ने जगह ली। कई देशों के लोगों ने हिस्सा लिया: बेबीलोन, यूनान, भारत, अरब, चीन और यूरोप के खगोलविदों ने अपना-अपना टुकड़ा जोड़ा।
एक नज़र में समय-रेखा
- ~240 ई.पू.: एराटोस्थनीज़ ने पृथ्वी का आकार नापा।
- ~250 ई.पू.: अरिस्टार्कस ने सूर्य-केंद्रित व्यवस्था सुझाई।
- ~150 ई.: टॉलेमी का अल्माजेस्ट (पृथ्वी-केंद्रित, अधिचक्रों के साथ)।
- ~500 ई.: आर्यभट ने पृथ्वी का घूमना बताया।
- 1543: कोपरनिकस का सूर्य-केंद्रित मॉडल छपा।
- 1609-1619: केपलर के नियम।
- 1610: गैलीलियो की दूरबीन की खोजें।
- 1687: न्यूटन का गुरुत्वाकर्षण।
- 1838: पहला तारकीय लंबन (बेसेल)।
- 1929: हबल ने दिखाया कि ब्रह्मांड फैल रहा है।
मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ
- भू-केंद्रीय = पृथ्वी केंद्र में। सूर्य-केंद्रीय = सूर्य केंद्र में।
- केपलर का तीसरा नियम: T² = a³ (T वर्षों में, a खगोलीय इकाई AU में)
- लंबन से दूरी: d (पारसेक में) = 1 / p (p आर्कसेकंड में); 1 पारसेक = 3.26 प्रकाश-वर्ष
- पृथ्वी 24 घंटे में 360° घूमती है, इसलिए आकाश हर घंटे 15° घूमता लगता है
- बाहरी ग्रह के दो प्रतिमुखों (opposition) के बीच समय: 1/S = 1/T(पृथ्वी) − 1/T(ग्रह)
हल किए गए उदाहरण
1. एराटोस्थनीज़ ने पाया कि दोपहर में एक शहर में छड़ी की परछाईं का कोण 7.2° है और 800 किमी उत्तर (या दक्षिण) के शहर में शून्य। पृथ्वी की परिधि का अनुमान लगाओ।
पूरा घेरा 360° होता है। 360 ÷ 7.2 = 50, यानी 800 किमी घेरे का 1/50 है। परिधि = 50 × 800 = 40 000 किमी। (असली मान लगभग 40 075 किमी है।)
2. एक ग्रह सूर्य से 4 AU दूर है। उसका वर्ष कितना लंबा है?
T² = a³ = 4³ = 64, इसलिए T = 8 वर्ष।
3. बृहस्पति सूर्य का चक्कर 11.86 वर्ष में लगाता है। वह सूर्य से कितने AU दूर है?
a³ = T² = 11.86² ≈ 140.7। a = 140.7 का घनमूल ≈ 5.2 AU।
4. एक तारे का लंबन 0.25 आर्कसेकंड है। वह कितनी दूर है?
d = 1 / p = 1 / 0.25 = 4 पारसेक। प्रकाश-वर्ष में: 4 × 3.26 ≈ 13 प्रकाश-वर्ष।
5. आकाश 3 घंटे में कितने अंश घूमता लगता है? इससे पृथ्वी के बारे में क्या पता चलता है?
आकाश हर घंटे 15° घूमता है, तो 3 × 15° = 45°। अगर पृथ्वी 24 घंटे में एक बार घूमे तो ठीक यही मिलता है, इसलिए आकाश का घूमना पृथ्वी के घूमने से समझाया जा सकता है।
6. पृथ्वी 1 वर्ष में और मंगल 1.88 वर्ष में सूर्य का चक्कर लगाता है। पृथ्वी मंगल को कितने समय बाद फिर पार करती है?
1/S = 1/1 − 1/1.88 = 1 − 0.532 = 0.468। S = 1 / 0.468 ≈ 2.14 वर्ष। यानी मंगल लगभग हर 2 साल 2 महीने में पीछे जाता दिखता है।
आम गलतियाँ
- यह सोचना कि पुराने लोग मूर्ख थे। उनके मॉडल उनके पास के आँकड़ों से मेल खाते थे; बेहतर औज़ारों से बेहतर मॉडल बने।
- कहना कि मंगल सचमुच पीछे चलता है। वह सिर्फ़ पीछे दिखता है, क्योंकि पृथ्वी उसे पार करती है।
- यह मानना कि दूरबीन गैलीलियो ने बनाई। उन्होंने उसे सुधारा और आकाश की ओर सबसे पहले इस्तेमाल करने वालों में रहे।
- यह मानना कि ग्रह पूरे गोल घेरों में चलते हैं। वे दीर्घवृत्त पर चलते हैं, थोड़े खिंचे हुए।