กฎเกี่ยวกับวงโคจร
มนุษย์พยายามจะทำความเข้าใจเรื่องจักรวาล โดยทำการศึกษาการเคลื่อนที่ของเทห์วัตถุท้องฟ้ามาแต่โบราณแล้ว ประมาณ 800 ปีก่อนคริสตกาล ชาวบาบีโลนได้สร้างปฏิทินโดยการศึกษาการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ผ่านหน้ากลุ่มดาวจักราศี พวกเขาได้ตั้งชื่อ ดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ และดาวเคราะห์ที่มองเห็นด้วยตาเปล่าทั้งห้าดวง ขึ้นเป็นชื่อวันในสัปดาห์ วันอาทิตย์, วันจันทร์, วันอังคาร, ……. ถึง วันเสาร์ ตามที่เราได้ใช้กันอยู่ตราบจนทุกวันนี้
เมื่อประมาณ 600 ปีก่อนคริสตกาล พีธากอรัส (Pythagoras) ชาวปราชญ์ชาวกรีกได้สร้างแบบจำลองของจักรวาลว่า 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)
ในช่วง 350 ปีก่อนคริสตกาล อริสโตเติล (Aristotle) นักปราชญ์ผู้มีชื่อเสียงของกรีกสอนว่า ดวงอาทิตย์และดวงจันทร์ เป็นทรงกลมที่สมบูรณ์ (มีผิวเรียบ) ทั้งดาวฤกษ์ ดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ และดาวเคราะห์ ต่างเคลื่อนที่รอบโลก ซึ่งเป็นศูนย์กลางของจักรวาล อริสโตเติลสอนด้วยว่า การเคลื่อนที่ของวัตถุบนโลกมีอยู่สองชนิด คือ การเคลื่อนที่ในแนวราบเรียกว่า “แรง” (Force) ส่วนการเคลื่อนที่ในแนวดิ่งนั้นถือว่าเป็น “การเคลื่อนที่ตามธรรมชาติ” (Natural motion) มิได้มีแรงอะไรมากระทำ ทุกสรรพสิ่งต้องเคลื่อนที่เข้าหาศูนย์กลางของโลก เนื่องจาก “โลกเป็นศูนย์กลางของจักรวาล” (Geocentric)
ในปี ค.ศ.125 คลอเดียส ปโตเลมี (Claudius Ptolemy) นักดาราศาสตร์ชาวกรีก ได้แต่งตำราดาราศาสตร์ฉบับแรกของโลก ชื่อว่า “อัลมาเจสท์” (Almagest) ปโตเลมีทำการศึกษาการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ ด้วยหลักการทางเรขาคณิตอย่างละเอียด โดยระบุว่า โลกเป็นทรงกลมอยู่ตรงใจกลางของจักรวาล โลกหยุดนิ่งไม่มีการเคลื่อนไหว เขาให้เหตุผลอธิบาย การเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ทั้งเจ็ด (รวมดวงอาทิตย์ และดวงจันทร์) ซึ่งเคลื่อนไปข้างหน้า และบางครั้งก็เคลื่อนที่ย้อนทาง (Retrograde) สวนกับกลุ่มดาวจักราศี บนทรงกลมท้องฟ้า ดังที่แสดงในภาพที่ 2 ว่า การที่เรามองเห็นดาวเคราะห์เคลื่อนที่ย้อนกลับไปมานั้น เป็นเพราะดาวเคราะห์ทั้งเจ็ด เคลื่อนที่อยู่บนวงกลมขนาดเล็กซึ่งเรียกว่า “เอปิไซเคิล” (Epicycle) ซึ่งวางอยู่บนวงโคจรรอบโลกอีกทีหนึ่ง
แบบจำลองของปโตเลมีได้รับการยอมรับกันในวงการวิทยาศาสตร์โบราณมานานกว่า 1,400 ปี จนกระทั่งในปี ค.ศ.1514 นิโคลาส โคเปอร์นิคัส (Nicolaus Copernicus) บาทหลวงชาวโปแลนด์ ได้ทำการศึกษาเรื่องการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์นานถึง 20 ปี ได้เสนอแนวความคิดซึ่งมีระบบดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลาง ดังนี้
- ทรงกลมท้องฟ้าทั้งหมด (ซึ่งเป็นที่ตั้งของดาวฤกษ์และดาวเคราะห์ เคลื่อนที่รอบดวงอาทิตย์ โดยมีดวงอาทิตย์อยู่ที่ศูนย์กลางของจักรวาล
- ระยะทางจากโลกไปยังทรงกลมท้องฟ้าซึ่งเป็นที่ตั้งของดาวฤกษ์ อยู่ไกลกว่า ระยะทางจากโลกไปยังดวงอาทิตย์
- การเคลื่อนที่ของทรงกลมท้องฟ้าปรากฏสัมพัทธ์กับเส้นขอบฟ้าในแต่ละวัน เป็นผลมาจากการที่โลกหมุนรอบแกนของตัวเอง
- การเคลื่อนที่ย้อนกลับ (Retrograde motion) ของดาวเคราะห์ เกิดขึ้นเนื่องจากการเคลื่อนที่ไปตามวงโคจรของโลกสัมพัทธ์กับการเคลื่อนที่ไปตามวงโคจรของดาวเคราะห์ (ดังภาพที่ 5)
การค้นพบของกาลิเลโอ
ในต้นคริสต์ศตวรรษที่ 17 กาลิเลโอ กาลิเลอี (Galileo Galilei) นักวิทยาศาสตร์ชาวอิตาลี ซึ่งมีชีวิตอยู่ในช่วง ค.ศ.1564 – 1642 ได้นำกล้องส่องทางไกลซึ่งประดิษฐ์คิดค้นโดยชาวฮอลแลนด์ มาประยุกต์สร้างขึ้นเป็นกล้องโทรทรรศน์ชนิดหักเหแสง (Refracting telescope) เพื่อใช้ส่องดูเทห์วัตถุท้องฟ้า กาลิเลโอพบว่า พื้นผิวของดวงจันทร์เต็มไปด้วยหลุมขรุขระ และพื้นผิวของดวงอาทิตย์ก็มีจุด (Sunspots) มิได้เป็นทรงกลมที่สมบูรณ์ (มีผิวราบเรียบ) ดังคำสั่งสอนของอริสโตเติล
กาลิเลโอพบว่า ดาวพฤหัสบดีมีดาวจันทร์ 4 ดวง เขาเฝ้าบันทึกการเคลื่อนที่ของดวงจันทร์ทั้งสี่ด้วยการสเก็ตรูป (ภาพที่ 2) และสรุปได้ว่า ดวงจันทร์ทั้งสี่โคจรรอบดาวพฤหัสบดีมิได้โคจรรอบโลก แต่โคจรรอบดาวพฤหัสบดี สิ่งที่กาลิเลโอค้นพบ ขัดแย้งกับคำสอนของอริสโตเติลที่ว่า “โลกคือศูนย์กลางของจักรวาล เทห์วัตถุท้องฟ้าทุกอย่างโคจรรอบโลก”
เมื่อกาลิเลโอใช้กล้องโทรทรรศน์ส่องมองดาวศุกร์ เขาพบว่าขนาดของดาวศุกร์เปลี่ยนแปลงไปในแต่ละวัน เสี้ยวสว่างของดาวศุกร์เปลี่ยนแปลงสอดคล้องกับการที่ดาวศุกร์โคจรรอบดวงอาทิตย์ เมื่อดาวศุกร์โคจรอยู่ด้านเดียวกับโลก ดาวศุกร์จะมีขนาดใหญ่ แต่ปรากฏเป็นเสี้ยวบางคล้ายข้างแรมของดวงจันทร์ เนื่องจากเรามองเห็นแต่ทางด้านหลังดาวศุกร์ เมื่อดาวศุกร์โคจรไปอยู่อีกด้านหนึ่งของดวงอาทิตย์ ดาวศุกร์จะมีขนาดเล็กลง และปรากฏเกือบเป็นวงกลม
แม้ว่าการค้นพบของกาลิเลโอจะถูกต้องตรงกับความเป็นจริง แต่ทว่าขัดแย้งกับคำสั่งสอนของศาสนาในยุคนั้น ตำราที่เขาเขียนจึงถูกอายัด และตัวเขาเองก็ถูกจองจำอยู่กับบ้านจนวันตาย จนกระทั่งสามร้อยปีต่อมา ในเดือนตุลาคม ค.ศ.1992 ทางโบสถ์แห่งสำนักวาติกัน ได้ออกมาแถลงการณ์ ยอมรับข้อผิดพลาดที่ปฏิบัติต่อกาลิเลโอ
กาลิเลโอ มิได้เป็นเพียงนักดาราศาสตร์ผู้เฝ้าสังเกตการณ์ แต่ยังเป็นนักฟิสิกส์ยุคใหม่อีกด้วย ในยุคก่อนอริสโตเติลให้คำอธิบายไว้ว่า “การที่สิ่งของตกลงสู่พื้นดินนั้น เป็นเรื่องของการเคลื่อนที่ตามธรรมชาติ มิได้มีเรื่องของแรงมาเกี่ยวข้อง หากเป็นเพราะโลกเป็นศูนย์กลางของจักรวาล ทุกสิ่งจึงต้องเคลื่อนที่เข้าสู่ศูนย์กลางของโลก” กาลิเลโอคิดแตกต่างออกไป เขาเชื่อว่าการที่วัตถุตกลงสู่พื้นนั้น มิใช่เป็นแค่เพียงการเคลื่อนที่ตามธรรมชาติ แต่เป็นเพราะมีแรงมากระทำต่อวัตถุ กาลิเลโอได้ทำการทดลอง ณ หอเอนแห่งเมืองปิซา (Piza) โดยพิสูจน์ให้เห็นว่า วัตถุต่างชนิดตกลงสู่พื้นโลก ด้วยความเร่งที่เท่ากัน แนวความคิดนี้ถูกนำไปพัฒนาต่อโดย เซอร์ไอแซค นิวตัน นักคณิตศาสตร์ชาวอังกฤษในยุคต่อมา
