با استفاده از اختلاف منظر، فاصله‌ی اجرام نجومی دوردست را تا زمین محاسبه کنید.
مشاهده‌ي علمي ۱۱۵
مفاهیم کلیدی:
نجوم، ستاره، فیزیک، اندازه‌گیری
مقدمه:
آیا از تماشای آسمان در شب لذت می‌برید؟ فصل تابستان زمان مناسبی برای رصد آسمان و به‌خصوص مشاهده‌ی وقایع نجومی مثل بارش‌های شهابی است.
آیا می‌دانستید که در گذشته منجمان قادر به محاسبه‌ی فاصله‌ی دقیق ستاره‌ها تا زمین بوده‌اند؟ اما چگونه این کار را بدون داشتن تکنولوژی‌های امروزی انجام می‌دادند؟ در این فعالیت، شما رابطه‌ی بین اختلاف منظر و فاصله‌ی یک جسم را یاد خواهید گرفت و از آن برای محاسبه‌ی فاصله‌ی دقیق اجرام آسمانی با زمین استفاده خواهید کرد.
پیش‌زمینه:
منجمان چگونه فاصله‌ی سیاره‌ها، ستاره‌ها و کهکشان‌ها را با زمین می‌دانند؟ آنها برای محاسبه‌ی این فاصله‌ها از مفهومی تحت عنوان اختلاف منظر استفاده می‌کنند. اختلاف منظر به معنای نحوه‌ی تغییر ظاهری یک جسم به هنگام عوض شدن موقعیت ناظر زمینی است.
برای درک بهتر مفهوم اختلاف منظر، انگشت شست خود را در فاصله‌ای مشخص از صورت‌تان نگه دارید. چشم چپ خود را ببندید و با چشم راست به انگشتتان نگاه کنید. انگشت شما با توجه به وسایلی که در زمینه‌ی تصویر می‌بینید، در کدام قسمت از اتاق قرار گرفته است؟ حالا بدون اینکه انگشت شست‌تان را تکان دهید چشم راست خود را ببندید و با چشم چپ به انگشت خود نگاه کنید. حالا انگشتتان با توجه به وسایل زمینه در کدام قسمت از اتاق قرار گرفته است؟ آیا موقعیت انگشتتان تغییر کرده است؟ اگر این تغییر را باور نمی‌کنید آزمایش را در حالت‌ها و مکان‌های مختلف دیگر تکرار کنید. این خطای دید در واقع همان اختلاف منظر است. تفاوت فاصله‌ی بین دو چشم شما و انگشتتان که جسمی نسبتاً نزدیک است باعث می‌شود انگشت شما از دید هر کدام از چشم‌هایتان در موقعیت متفاوتی نسبت به وسایل اطراف که دور هستند دیده شود.
همانطور که می‌دانید، زمین در مداری به دور خورشید می‌چرخد و در زمانهای مختلف از سال، در جاهای مختلفی قرار می‌گیرد. حال اگر فردی در زمانهای مختلف که موقعیت زمین متفاوت است به ستاره‌های آسمان نگاه کند، موقعیت ظاهری ستاره‌های نزدیکتر نسبت به ستاره‌های دورتر تغییر می‌کند. از این حرکت ظاهری می‌توان برای محاسبه‌ی فاصله‌ی این ستاره‌ها با زمین استفاده کرد.
مواد و وسایل مورد نیاز:
یک فضای بزرگ مثل حیاط خانه یا پارک
دو تخته سنگ صاف
یک متر اندازه گیری فلزی یا خط‌کش (از متر یا خط‌کشی استفاده کنید که اعداد روی آن واضح باشد تا به راحتی از فاصله‌ی دور قابل خواندن باشد.)
یک میز کوچک که بتوانید آن را از خانه بیرون بیاورید.
یک نوار لاستیکی کلفت
یک سنگ بزرگ حداقل به اندازه‌ی یک توپ بیسبال؛ البته نباید آنقدر بزرگ باشد که نتوانید دور آن را با نوار لاستیکی بپیچید.
کاغذ و مداد یا خودکار (اختیاری)
آماده‌سازی:
اگر کاغذ دارید، سه ستون روی آن بکشید و آنها را به ترتیب نام‌گذاری کنید: چپ، راست و اختلاف
وسایل لازم را با خود به حیاط یا یک پارک ببرید.
یک جسم با فاصله¬ی دور در نظر بگیرید. بهتر است این جسم بلند و نازک باشد مثل درخت یا تیر چراغ برق. در آزمایش شما این جسم بعنوان جسم دوردست خواهد بود.
تا جایی که می‌توانید از این جسم فاصله بگیرید. (باید حداقل 20 تا 30 قدم با آن فاصله داشته باشید و فاصله هرچه از این مقدار بیشتر باشد بهتر است.)
حال از آن فاصله روبه‌روی جسم بایستید و دو تخته سنگ را در دو طرف خود طوری روی زمین قرار دهید که با هم 3 تا 4 قدم فاصله داشته باشند. هرکدام از این تخته سنگها یک نقطه‌ی رصد برای شما خواهد بود.
حدود 5 تا 7 قدم از تخته سنگها به سمت جسم دور حرکت کنید و میز را در آنجا قرار دهید.
یک سنگ بزرگ روی میز بگذارید. نوار لاستیکی خود را دور این سنگ و متر اندازه‌گیری طوری بپیچید که متر در مقابل سنگ به صورت افقی از چپ به راست قرار بگیرد. در ضمن دقت کنید که اعداد روی آن به سمت شما باشد تا بتوانید از نقاط رصد خود آن را بخوانید.
مجموعه‌ی میز، تخته‌سنگ روی آن و متر اندازه‌گیری، بعنوان جسم نزدیک در این آزمایش هستند که می‌خواهید فاصله‌ی آن را با خود اندازه بگیرید.
وسایل آزمایش آماده هستند. اما قبل از شروع کار یک بار دیگر تمام وسایل را چک کنید که به خوبی در جای خود تنظیم شده باشند. همچنین دقت کنید که فاصله‌ی بین دو تخته سنگ روی زمین، نوار لاستیکی و جسم دوردست همگی در طول یک خط فرضی قرار داشته باشند. برای تنظیم کردن این خط می‌توانید میز را جابه‌جا کنید.
روش کار:
روی تخته سنگ سمت چپ بنشینید و به جسم دوردست خود نگاه کنید. موقعیت جسم مطابق با چه عددی از متر اندازه گیری است؟ اگر از کاغذ استفاده می‌کنید این عدد را در ستون چپ بنویسید.
حال روی تخته سنگ سمت راست بنشینید و به جسم دوردست نگاه کنید. موقعیت جسم مطابق با چه عددی از متر اندازه گیری است؟ اگر از کاغذ استفاده می‌کنید این عدد را در ستون راست بنویسید.
میز را به اندازه‌ی 3 تا 5 قدم جلو ببرید تا به جسم دوردست نزدیکتر شود.
بار دیگر روی هر دو تخته سنگ سمت چپ و راست بنشینید و عدد نشان‌دهنده‌ی موقعیت جسم دوردست را از روی متر اندازه‌گیری بخوانید. اگر از کاغذ استفاده می‌کنید نتایج را یادداشت کنید. آیا تفاوتی بین این اعداد و اعداد مرحله‌ی قبل مشاهده می‌کنید؟
حداقل سه مرتبه‌ی دیگر این کار را تکرار کنید و هر بار میز را به جسم دوردست نزدیکتر کنید و عدد نشان‌دهده‌ی موقعیت جسم دوردست را از روی متر اندازه‌گیری بخوانید. این اعداد با کمتر شدن فاصله‌ی بین میز (جسم نزدیک) و جسم دوردست چه تغییری می‌کنند؟
اگر نتایج مشاهده‌های خود را روی کاغذ نوشته‌اید، می‌توانید برای هر مرحله عدد ستون اول را از عدد ستون دوم کم کنید و نتیجه را در ستون اختلاف یادداشت کنید. آیا رابطه‌ای میان فاصله (بین نقاط رصد و جسم نزدیک) و اختلاف دو عددی که از نقاط رصد سمت چپ و راست به دست آورده‌اید مشاهده می‌کنید؟
با توجه به این نتایج فکر می‌کنید منجمان چگونه با استفاده از اختلاف منظر فاصله‌ی ستارگان را بدست می‌آورند؟
آزمایش‌های تکمیلی:
شما در این فعالیت علمی جسم نزدیک (میز همراه با سنگ، نوار لاستیکی و متر اندازه‌گیری) را در فواصل مختلف از نقطه‌ی رصد قرار دادید. یک عامل تأثیرگذار دیگر در اختلاف منظر فاصله‌ی بین دو نقطه‌ی رصد است. آیا می‌توانید فعالیتی مشابه طراحی کنید که در آن بتوانید این متغیر را مورد بررسی قرار دهید؟ فاصله‌ی بین دو نقطه‌ی رصد چگونه روی اختلاف منظر تأثیر می‌گذارد؟
اگر در چند شب متوالی به صورت فلکی مورد علاقه‌ی خود نگاه کنید متوجه می‌شوید که ستاره‌های آن به صورت گروهی در آسمان جابه‌جا می‌شوند. حرکت صورت فلکی را با حرکت یک جرم نزدیکتر، مثل ماه یا یک سیاره مقایسه کنید. کدام سریع‌تر حرکت می‌کند؟ آیا می‌توانید با این روش تفاوت بین سیاره‌ها و ستاره‌ها را متوجه شوید؟
اختلاف منظر مشابه فرآیندی در مغز برای محاسبه‌ی عمق است. شما به طور شهودی درکی از میزان دور و یا نزدیک بودن اجسام دارید. با مقایسه‌ی دید دو چشمی و دید تک چشمی می‌توانید درک انسان از عمق را بررسی کنید. هرکدام چه تأثیری روی درک انسان از عمق دارد؟
مشاهده و نتیجه‌گیری:
با حرکت دادن جسم نزدیک و دور کردن آن از ناظر، آیا میزان حرکت ظاهری آن کاهش پیدا کرد؟ (میزان حرکتی که با مشاهده‌ی آن از دو نقطه‌ی رصد اندازه گرفتید.)
زمانی که یک جسم نسبتاً دور از دو نقطه‌ی مختلف مشاهده شود، نسبت به اجسام نزدیکتر حرکت ظاهری کمتری خواهد داشت. به طور مشابه در این فعالیت، شما باید مشاهده کرده باشید که با افزایش فاصله‌ی جسم نزدیک (میز، سنگ، نوار لاستیکی و متر اندازه‌گیری) و نزدیک کردن آن به جسم دوردست (درخت یا تیر چراغ برق) حرکت ظاهری آن بین دو نقطه‌ی رصد شما کمتر می‌شود. احتمالاً در دو آزمایش اول این تفاوت به راحتی قابل تشخیص نیست اما در ادامه این تفاوت واضح‌تر می‌شود.
به دلیل وابستگی حرکت ظاهری یک جسم (اختلاف منظر) به میزان دور بودن آن جسم از ناظر، منجمان می‌توانند فاصله‌ی ستاره‌های نزدیکتر را اندازه‌گیری کنند. به این صورت که به حرکت ظاهری ستاره‌ی نزدیکتر در زمینه‌ی ستاره‌های دورتر زمانی که از نقاط مختلف رصد می‌شوند دقت می‌کنند. (نقاط مختلف رصد به معنای موقعیت‌های مختلف زمین در مدار خود به دور خورشید است.)
منابع مفيد:
اختلاف منظر/ويکي پديا - اختلاف منظر و سرعت نور - محاسبه فواصل نجومي - Parallax - اختلاف منظر ستاره اي