19.1: الوحدات الأساسية للمسافة

Last updated
Save as PDF

Page ID: 197281

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

أهداف التعلم

في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:

فهم أهمية تحديد وحدة المسافة القياسية
اشرح كيف تم تعريف المقياس في الأصل وكيف تغير بمرور الوقت
ناقش كيفية استخدام الرادار لقياس المسافات إلى الأعضاء الآخرين في النظام الشمسي

استندت القياسات الأولى للمسافات إلى الأبعاد البشرية - البوصة كالمسافة بين مفاصل الإصبع، أو الفناء كالامتداد من السبابة الممتدة إلى أنف الملك البريطاني. في وقت لاحق، أدت متطلبات التجارة إلى بعض التوحيد القياسي لهذه الوحدات، ولكن كل دولة تميل إلى وضع تعريفاتها الخاصة. لم يتم بذل أي جهود حقيقية لإنشاء مجموعة موحدة من المعايير الدولية حتى منتصف القرن الثامن عشر.

النظام المتري

أحد الموروثات الدائمة لعصر الإمبراطور الفرنسي نابليون هو إنشاء النظام المتري للوحدات، الذي تم اعتماده رسميًا في فرنسا عام 1799 ويستخدم الآن في معظم البلدان حول العالم. الوحدة المترية الأساسية للطول هي العداد، الذي تم تعريفه في الأصل على أنه واحد من عشرة ملايين من المسافة على طول سطح الأرض من خط الاستواء إلى القطب. كان علماء الفلك الفرنسيون في القرنين السابع عشر والثامن عشر روادًا في تحديد أبعاد الأرض، لذلك كان من المنطقي استخدام معلوماتهم كأساس للنظام الجديد.

توجد مشاكل عملية تتعلق بالتعريف الذي يتم التعبير عنه من حيث حجم الأرض، حيث أن أي شخص يرغب في تحديد المسافة من مكان إلى آخر لا يمكن أن يتوقع منه الخروج وإعادة قياس الكوكب. لذلك، تم إنشاء عداد قياسي متوسط يتكون من قضيب من معدن البلاتين والإيريديوم في باريس. في عام 1889، بموجب اتفاقية دولية، تم تعريف هذا الشريط بطول متر واحد بالضبط، وتم عمل نسخ دقيقة من شريط العداد الأصلي لتكون بمثابة معايير للدول الأخرى.

يتم اشتقاق وحدات الطول الأخرى من العداد. وبالتالي، فإن 1 كيلومتر (كم) يساوي 1000 متر، 1 سنتيمتر (سم) يساوي 1/100 متر، وهكذا. حتى الوحدات البريطانية والأمريكية القديمة، مثل البوصة والميل، يتم تحديدها الآن من حيث النظام المتري.

عمليات إعادة تعريف حديثة للمقياس

في عام 1960، تم تغيير التعريف الرسمي للمتر مرة أخرى. نتيجة للتكنولوجيا المحسنة لتوليد خطوط طيفية ذات أطوال موجية معروفة بدقة (انظر الفصل الخاص بالإشعاع والطياف)، تم إعادة تعريف المقياس ليساوي 1,650,763.73 أطوال موجية لانتقال ذري معين في عنصر الكريبتون 86. ميزة إعادة التعريف هذه هي أن أي شخص لديه مختبر مجهز بشكل مناسب يمكنه إعادة إنتاج عداد قياسي، دون الرجوع إلى أي قضيب معدني معين.

في عام 1983، تم تعريف العداد مرة أخرى، وهذه المرة من حيث سرعة الضوء. يمكن للضوء في المكنسة الكهربائية أن يقطع مسافة متر واحد في 1/299,792,458.6 ثانية. لذلك، يوفر وقت السفر الخفيف اليوم وحدة الطول الأساسية لدينا. بعبارة أخرى، تم تحديد مسافة ثانية ضوئية واحدة (مقدار تغطية الضوء الفضائي في ثانية واحدة) على أنها 299.792.458.6 مترًا. هذا ما يقرب من 300 مليون متر يغطيه الضوء في ثانية واحدة فقط؛ الضوء سريع جدًا حقًا! يمكننا أيضًا استخدام الضوء الثاني كوحدة أساسية للطول، ولكن لأسباب عملية (واحترامًا للتقاليد)، قمنا بتعريف العداد على أنه جزء صغير من الثانية الضوئية.

المسافة داخل النظام الشمسي

حدد عمل كوبرنيكوس وكيبلر المسافات النسبية للكواكب، أي مدى يبعد كوكب عن الشمس مقارنة كوكب بآخر (انظر مراقبة السماء: ولادة علم الفلك والمدارات والجاذبية). لكن عملهم لم يستطع تحديد المسافات المطلقة (بالثواني الضوئية أو الأمتار أو وحدات الطول القياسية الأخرى). هذا يشبه معرفة ارتفاع جميع الطلاب في صفك فقط مقارنة بارتفاع مدرس علم الفلك الخاص بك، ولكن ليس بالبوصة أو السنتيمتر. يجب قياس ارتفاع شخص ما بشكل مباشر.

وبالمثل، لتحديد المسافات المطلقة، كان على علماء الفلك قياس مسافة واحدة في النظام الشمسي مباشرة. بشكل عام، كلما كان الكائن أقرب إلينا، كلما كان هذا القياس أسهل. تم إجراء تقديرات للمسافة إلى كوكب الزهرة عندما عبرت كوكب الزهرة وجه الشمس في عامي 1761 و1769، وتم تنظيم حملة دولية لتقدير المسافة إلى الكويكب إيروس في أوائل الثلاثينيات، عندما جعله مداره قريبًا من الأرض. في الآونة الأخيرة، عبرت فينوس (أو عبرت) سطح الشمس في عامي 2004 و 2012، وسمحت لنا بإجراء تقدير حديث للمسافة، على الرغم من أنه، كما سنرى أدناه، لم تكن هناك حاجة لذلك (الشكل\(\PageIndex{1}\)).

إذا كنت ترغب في الحصول على مزيد من المعلومات حول الكيفية التي ساعدتنا بها حركة كوكب الزهرة عبر الشمس في تحديد المسافات في النظام الشمسي، يمكنك اللجوء إلى تفسير لطيف من قبل عالم فلك في وكالة ناسا.

بديل — شخصية\(\PageIndex{1}\) فينوس تعبر الشمس، 2012. هذه «الصورة» المذهلة لكوكب الزهرة وهي تعبر وجه الشمس (إنها النقطة السوداء في حوالي الساعة الثانية) هي أكثر من مجرد صورة مثيرة للإعجاب. وتُظهر الصورة، التي أُخذت باستخدام المركبة الفضائية التابعة لمرصد ديناميكا الشمس والمرشحات الخاصة، عبور كوكب الزهرة الحديث. سمحت مثل هذه الأحداث لعلماء الفلك في القرن التاسع عشر بتقدير المسافة إلى كوكب الزهرة. قاموا بقياس الوقت الذي استغرقه كوكب الزهرة لعبور وجه الشمس من خطوط عرض مختلفة على الأرض. يمكن استخدام الاختلافات في الأوقات لتقدير المسافة إلى الكوكب. اليوم، يتم استخدام الرادار لتقديرات مسافة أكثر دقة.

إن مفتاح تحديدنا الحديث لأبعاد النظام الشمسي هو الرادار، وهو نوع من الموجات الراديوية التي يمكن أن ترتد عن الأجسام الصلبة (الشكل\(\PageIndex{2}\)). كما تمت مناقشته في العديد من الفصول السابقة، من خلال توقيت المدة التي يستغرقها شعاع الرادار (الذي يتحرك بسرعة الضوء) للوصول إلى عالم آخر والعودة، يمكننا قياس المسافة المعنية بدقة شديدة. في عام 1961، تم ارتداد إشارات الرادار عن كوكب الزهرة لأول مرة، مما وفر قياسًا مباشرًا للمسافة من الأرض إلى الزهرة من حيث الثواني الضوئية (من وقت السفر ذهابًا وإيابًا لإشارة الرادار).

بعد ذلك، تم استخدام الرادار لتحديد المسافات إلى عطارد والمريخ والأقمار الصناعية لكوكب المشتري وحلقات زحل والعديد من الكويكبات. لاحظ، بالمناسبة، أنه لا يمكن استخدام الرادار لقياس المسافة إلى الشمس مباشرة لأن الشمس لا تعكس الرادار بكفاءة عالية. ولكن يمكننا قياس المسافة إلى العديد من أجسام النظام الشمسي الأخرى واستخدام قوانين كيبلر لإعطائنا المسافة إلى الشمس.

من بين مسافات النظام الشمسي المختلفة (ذات الصلة)، اختار علماء الفلك متوسط المسافة من الأرض إلى الشمس باعتباره «عصا القياس» القياسية داخل النظام الشمسي. عندما تكون الأرض والشمس أقرب، تكون المسافة بينهما حوالي 147.1 مليون كيلومتر؛ وعندما تكون الأرض والشمس أبعد، تكون المسافة بينهما حوالي 152.1 مليون كيلومتر. يُطلق على متوسط هاتين المسافتين اسم الوحدة الفلكية (AU). ثم نعبر عن جميع المسافات الأخرى في النظام الشمسي من حيث الاتحاد الأفريقي. أدت سنوات من التحليلات المضنية لقياسات الرادار إلى تحديد طول الاتحاد الأفريقي بدقة تبلغ حوالي جزء واحد في المليار. يمكن التعبير عن طول 1 AU في وقت السفر الخفيف بـ 499.004854 ثانية ضوئية، أو حوالي 8.3 دقيقة ضوئية. إذا استخدمنا تعريف العداد الموضح سابقًا، فهذا يعادل 1 AU = 149,597,870,700 متر.

هذه المسافات، بالطبع، تُعطى هنا بمستوى أعلى بكثير من الدقة مما هو مطلوب عادةً. في هذا النص، نكتفي عادةً بالتعبير عن الأرقام في مكانين مهمين وتركها عند هذا الحد. لأغراضنا، سيكون كافيًا تقريب هذه الأرقام:

\[ \begin{array}{l} \text{speed of light: } c=3 \times 10^8 \text{ m/s }= 3 \times 10^5 \text{ km/s} \\ \text{ length of light-second: ls}=3 \times 10^8 \text{ m }= 3×10^5 \text{ km } \\ \text{ astronomical unit: AU} =1.50×10^{11} \text{ m } =1.50 \times 10^8 \text{ km } =500 \text{ light-seconds} \end{array} \nonumber\]

نحن نعرف الآن مقياس المسافة المطلق داخل نظامنا الشمسي بدقة رائعة. هذا هو الرابط الأول في سلسلة المسافات الكونية.

يصعب أحيانًا فهم المسافات بين الأجرام السماوية في نظامنا الشمسي أو وضعها في منظورها الصحيح. يوفر موقع الويب التفاعلي هذا «خريطة» تعرض المسافات باستخدام مقياس في الجزء السفلي من الشاشة ويسمح لك بالتمرير (باستخدام مفاتيح الأسهم) عبر شاشات «المساحة الفارغة» للوصول إلى الكوكب التالي - كل ذلك بينما تكون المسافة الحالية من الشمس مرئية على المقياس.

المفاهيم الأساسية والملخص

استندت القياسات المبكرة للطول إلى الأبعاد البشرية، لكننا اليوم نستخدم معايير عالمية تحدد الأطوال بوحدات مثل العداد. يتم تحديد المسافات داخل النظام الشمسي الآن من خلال توقيت المدة التي تستغرقها إشارات الرادار للانتقال من الأرض إلى سطح كوكب أو جسم آخر ثم العودة.