مکانیسم هندسی ابوریحان بیرونی: چگونه یک ریاضیدان ایرانی با یک اسطرلاب و یک کوه، شعاع کره زمین را اندازه گرفت؟
هزار سال پیش از اختراع ماهوارهها، ابوریحان بیرونی با ابداع یک روش مثلثاتی نوین و تنها با ایستادن بر قله یک کوه، شعاع کره زمین را با دقتی شگفتانگیز و خطایی کمتر از یک درصد محاسبه کرد.
به قلم فرشید جمشیدی
این خبر را به اشتراک بگذارید
بهطور خلاصه
- ابوریحان بیرونی در قرن یازدهم میلادی شعاع زمین را حدود ۶۳۴۰ کیلومتر محاسبه کرد.
- محاسبه او تنها کمتر از یک درصد با اندازه واقعی شعاع زمین (۶۳۷۱ کیلومتر) اختلاف داشت.
- او به جای مساحی طولانی در بیابان، از یک کوه و روابط مثلثاتی استفاده کرد.
امروزه وقتی نرمافزار نقشهیاب گوشی هوشمند خود را باز میکنیم، شبکهای از دهها ماهواره در مدار زمین با دقت میلیمتری موقعیت ما را روی یک کره بینقص محاسبه میکنند. ما ابعاد سیاره خود را به عنوان یک واقعیت بدیهی پذیرفتهایم. اما هزار سال پیش، زمانی که هیچ انسانی نمیتوانست از جو زمین خارج شود، درک ابعاد این کره خاکی نیازمند چیزی فراتر از ابزارهای پیشرفته بود: نیازمند یک جهش ذهنی و هندسی بود.
در قرن یازدهم میلادی، ابوریحان بیرونی، ریاضیدان و ستارهشناس برجسته ایرانی، به این جهش دست یافت. او موفق شد شعاع کره زمین را با خطایی کمتر از یک درصد نسبت به اندازهگیریهای ماهوارهای امروزی محاسبه کند. اما شگفتی کار او در عدد نهایی نیست، بلکه در «مکانیسم» و روشی است که برای رسیدن به این عدد ابداع کرد.[1][3]
برای درک نبوغ بیرونی، ابتدا باید بدانیم دانشمندان پیش از او چگونه عمل میکردند. حدود ۲۳۵ سال پیش از میلاد، اراتوستن یونانی محیط زمین را با استفاده از تفاوت زاویه تابش خورشید در دو شهر مختلف (اسکندریه و سین) محاسبه کرده بود. روش اراتوستن از نظر تئوری درست بود، اما یک مشکل لجستیکی بزرگ داشت.[3]
روش یونانیها نیازمند این بود که فاصله دقیق بین دو شهر که روی یک نصفالنهار قرار داشتند، روی زمین اندازه گرفته شود. در دنیای باستان، این کار با قدمشماری کاروانهای شتر در بیابان انجام میشد. پستی و بلندیهای زمین، انحراف از مسیر مستقیم و خطای انسانی، این اندازهگیری مسافت را به شدت مستعد خطا میکرد. بیرونی به دنبال روشی بود که نیازی به راه رفتن در بیابان نداشته باشد.[2]
ایده انقلابی بیرونی این بود که هندسه را جایگزین لجستیک کند. او متوجه شد که اگر بتواند ارتفاع دقیق یک کوه مشرف به یک دشت وسیع یا دریا را بدست آورد، میتواند با نگاه کردن به افق و استفاده از مثلثات، کل شعاع زمین را در یک معادله خلاصه کند. او برای این کار قلعه «نندنه» در منطقه پنجاب (پاکستان امروزی) را انتخاب کرد.[2]
مرحله اول، محاسبه ارتفاع کوه بدون بالا رفتن از آن با متر بود. بیرونی در دشت هموار پای کوه، دو نقطه (الف و ب) را در یک امتداد مشخص کرد و فاصله دقیق بین آنها را که کوتاه و قابل اندازهگیری دقیق بود، ثبت نمود.[2]
سپس با استفاده از اسطرلاب، زاویه دید از هر دو نقطه به سمت قله کوه را اندازه گرفت. با داشتن یک ضلع (فاصله دو نقطه) و دو زاویه، او توانست با استفاده از قانون تانژانتها در مثلثات، ارتفاع دقیق قله کوه را نسبت به سطح دشت محاسبه کند. این کار به تنهایی یک شاهکار نقشهبرداری بود.
مرحله دوم و حیاتیتر، بر فراز قله کوه انجام شد. بیرونی به بالای کوه رفت و با اسطرلاب خود به دورترین نقطه افق نگاه کرد. از آنجایی که زمین کروی است، افق دوردست دقیقاً در راستای خط افقی چشم نیست، بلکه کمی پایینتر از آن قرار میگیرد.[2]
این افتادگی یا انحطاط افق، زاویهای میسازد که بیرونی آن را با دقت اندازه گرفت (زاویه آلفا). حالا او تمام قطعات پازل را در اختیار داشت: ارتفاع کوه و زاویه انحطاط افق.
این افتادگی یا انحطاط افق، زاویهای میسازد که بیرونی آن را با دقت اندازه گرفت (زاویه آلفا).
بیرونی در ذهن خود یک مثلث قائمالزاویه غولپیکر رسم کرد. یک راس این مثلث در مرکز کره زمین، راس دیگر در قله کوه، و راس سوم در نقطه مماس افق قرار داشت. وتر این مثلث برابر با شعاع زمین به علاوه ارتفاع کوه بود و ضلع مجاور آن همان شعاع زمین بود.[4]
با استفاده از روابط مثلثاتی، بیرونی معادلهای تاریخی نوشت: شعاع زمین برابر است با حاصلضرب ارتفاع کوه در کسینوس زاویه افق، تقسیم بر یک منهای کسینوس همان زاویه. این فرمول، تمام پیچیدگیهای ابعاد سیاره را در یک کسر ساده خلاصه میکرد.[4]
با جایگذاری اعداد در این فرمول، بیرونی شعاع زمین را حدود ۶۳۴۰ کیلومتر محاسبه کرد. امروزه با استفاده از پیشرفتهترین ابزارهای لیزری و ماهوارهای، میدانیم که شعاع متوسط زمین ۶۳۷۱ کیلومتر است. اختلاف محاسبه بیرونی با واقعیت تنها حدود ۳۱ کیلومتر بود.[3]
بیرونی این روش و محاسبات دقیق آن را در شاهکار نجومی خود، کتاب «قانون مسعودی» ثبت کرد. او با این کار نشان داد که چگونه میتوان با ترکیب رصد دقیق و استدلال ریاضی، بر محدودیتهای فیزیکی غلبه کرد.[2]
البته روش بیرونی یک متغیر پنهان داشت که در آن زمان علم فیزیک هنوز به آن دست نیافته بود: شکست نور در اتمسفر. جو زمین باعث میشود نور کمی خم شود و افق واقعی کمی بالاتر از جایگاه هندسیاش به نظر برسد.[1]
اصطلاحات کلیدی
- انحطاط افق (Dip of the Horizon)
- زاویهای که نشان میدهد خط افق واقعی به دلیل انحنای کره زمین، چقدر پایینتر از خط تراز (افقی) چشم ناظر قرار دارد.
- اسطرلاب (Astrolabe)
- یک ابزار نجومی باستانی که برای اندازهگیری زوایای ستارگان، ارتفاع اجرام آسمانی و محاسبه زمان استفاده میشد.
- ژئودزی (Geodesy)
- شاخهای از ریاضیات کاربردی و علوم زمین که به اندازهگیری و درک شکل هندسی، جهتگیری در فضا و میدان گرانش زمین میپردازد.
- شکست اتمسفری (Atmospheric Refraction)
- انحراف پرتوهای نور هنگام عبور از لایههای مختلف جو زمین که باعث میشود اجرام دوردست کمی بالاتر از جای واقعی خود دیده شوند.
پرسشهای متداول
ابوریحان بیرونی شعاع زمین را چقدر محاسبه کرد؟
او شعاع زمین را حدود ۶۳۴۰ کیلومتر محاسبه کرد که با مقدار واقعی آن (۶۳۷۱ کیلومتر) تنها کمتر از یک درصد اختلاف دارد.
روش بیرونی چه مزیتی بر روش دانشمندان یونانی داشت؟
روش یونانیها (مانند اراتوستن) نیازمند اندازهگیری مسافتهای طولانی و چند صد کیلومتری روی زمین بود که خطای زیادی داشت، اما بیرونی تمام محاسبات را با اندازهگیری زوایا از روی یک کوه انجام داد.
بیرونی از چه ابزاری برای این کار استفاده کرد؟
او از یک اسطرلاب دقیق برای اندازهگیری زاویه ارتفاع قله کوه و همچنین زاویه افتادگی افق استفاده کرد.
این محاسبات در کدام کتاب ثبت شده است؟
بیرونی جزئیات این روش و محاسبات ریاضی آن را در کتاب مشهور خود به نام «قانون مسعودی» به طور کامل شرح داده است.
بررسی عمیق دیدگاهها
دیدگاه تاریخنگاران علم
ارزیابی روش بیرونی به عنوان یک جهش در علم زمینسنجی (ژئودزی).
تاریخنگاران علم معتقدند که اهمیت کار بیرونی تنها در دقت عدد نهایی او نیست، بلکه در تغییر پارادایم روششناسی است. تا پیش از او، اندازهگیری ابعاد زمین یک پروژه لجستیکی عظیم و پرهزینه بود که نیازمند حمایت دولتها و استخدام گروههای بزرگ برای مساحی بیابانها بود. بیرونی این پروژه لجستیکی را به یک مسئله خالص ریاضی تبدیل کرد که توسط یک دانشمند با یک اسطرلاب قابل انجام بود. این تغییر رویکرد، پایههای علم ژئودزی مدرن را بنا نهاد.
دیدگاه فیزیکدانان مدرن
بررسی تاثیر شکست نور (Refraction) بر محاسبات باستانی.
از منظر فیزیک اپتیک امروزی، روش بیرونی یک خطای سیستماتیک پنهان داشت. جو زمین دارای گرادیان چگالی است که باعث شکست و خمیدگی پرتوهای نور میشود. این پدیده باعث میشود افق واقعی کمی بالاتر از مکان هندسی خود دیده شود. فیزیکدانان نشان دادهاند که اگر بیرونی اثر شکست اتمسفری را در معادلات خود لحاظ میکرد، عدد نهایی او حتی به واقعیت نزدیکتر میشد. با این حال، فرمولبندی هندسی او کاملاً بینقص بود و عدم آگاهی از شکست نور، محدودیت علم فیزیک در آن عصر بود، نه ضعف مدل ریاضی او.
- تاریخنگاران علم
- بر نبوغ ریاضی و تغییر پارادایم از مساحی فیزیکی به مدلسازی هندسی تاکید دارند.
- فیزیکدانان و ریاضیدانان
- دقت فرمولها را تحسین کرده و خطای ناشی از شکست نور در جو را تحلیل میکنند.
دیدگاههایی که این گزارش پوشش نداده
- جغرافیدانان باستانی هند که بیرونی با آثار آنها آشنا بود و ممکن است الهامبخش او بوده باشند.
منابع
[1]Wikipediaتاریخنگاران علمAl-Biruni - Wikipedia
مطالعه در Wikipedia →
[2]Javan Onlineتاریخنگاران علمابوریحان بیرونی چگونه محیط کره زمین را حساب کرد؟
مطالعه در Javan Online →
[3]Physicfaفیزیکدانان و ریاضیدانانشعاع زمین چگونه و توسط چه کسی اندازه گیری شد؟
مطالعه در Physicfa →
[4]تیم سردبیری کوهستانتحلیل تیم سردبیری کوهستان
مطالعه در تیم سردبیری کوهستان →
بیشتر در علم
مشاهده همه →یوزپلنگ آسیایی
مکانیسم بقای یوزپلنگ آسیایی: چگونه ژنتیک و فیزیولوژی، سرنوشت آخرین بازماندگان را رقم میزند؟
5 منبع
هیدرولوژی دریاچههای نمک
ترمودینامیک پوستههای نمکی و زیستشناسی آرتمیا: چرا احیای دریاچه ارومیه از نظر فیزیکی پیچیده است؟
4 منبع
یوزپلنگ آسیایی
مکانیسم تولیدمثل یوزپلنگ آسیایی: چرا تکثیر آزمایشگاهی آخرین بازماندگان تا این حد دشوار است؟
4 منبع
فضاپیمای استارشیپ
فضاپیمای استارشیپ برای نخستین بار به مدار زمین رسید و ماهوارههای استارلینک را مستقر کرد
4 منبع
نظرات
هر زاویه. هر روز.
اخبار علم با پوشش کامل منابع و تحلیل دیدگاهها، هر روز و رایگان.





