Great Astronomers: Isaac Newton

بیگ بنگ: چهار نیروی بنیادی حاکم تمامی فعل و انفعالات سرتاسر گیتی هستند، این نیروها شامل نیروی هسته ای ضعیف، نیروی هسته ای قوی، الکترومغناطیس و گرانش هستند. مرموزترین و عجیب ترین بین آنها گرانش است. اگرچه چگونگی عمل کردن گرانش در مقیاس ماکرو(به عنوان نیروی کنترل کننده منظومه شمسی، کهکشان ها و ابرخوشه های کهکشانی) مورد درک قرار گرفته است، اما چگونگی تعامل این نیرو با سه نیروی دیگر هنوز هم به عنوان یک راز باقی مانده است.
به گزارش بیگ بنگ، انسان ها از زمان های بسیار قدیم درک پایه ای از این نیرو داشته اند. ولی ما درک امروزیمان از گرانش یا جاذبه را مدیون سر آیزاک نیوتن هستیم. با کمک این فیزیک ریاضیدان انگلیسی قرن هفدهم، درک ما از جهان و قوانین حاکم بر آن متحول شده است. همگی با داستان معروف درخت سیب نیوتن آشنا هستیم، اما حقیقت این است که نظریه گرانش نیوتن صرفا حاصل یک جرقه کوچک در ذهن نیوتن نیست بلکه نتیجه کنار هم گذاشتن دانش و اطلاعات پایه ای است که قرن ها قبل از نیوتن انباشته شده بود. او مفاهیم کشف شده علمی خود را در کتابی سه جلدی با نام «اصولِ ریاضیِ فلسفهٔ طبیعی» که برای نخستین بار در سال ۱۶۸۷ منتشر شد به جهانیان عرضه کرد.
نیوتن در این کتاب سه قانون حرکت خودش را که از قوانین یوهانس کپلر در زمینه حرکات سیارات و توصیفات ریاضیاتی خودش از گرانش مشتق شده بود مطرح کرد. این قوانین اساس و پایه مکانیک کلاسیک را شکل داد و تا قبل از ظهور نظریه نسبیت اینشتین در قرن بیستم، بدون تغییر باقی مانده بود.
قرن هفدهم، قرن شکوفایی و پیشرفت علوم در زمینه ریاضیات، فیزیک، نجوم، زیست شناسی و شیمی بود. برخی از بزرگترین تحولات این دوره عبارت بودند از توسعه مدل خورشید مرکزی منظومه شمسی توسط نیکلاس کوپرنیک، تلاش های پیشگامانه گالیلئو گالیله در زمینه نجوم، تلسکوپ و توسعه عدسی های مدرن.
همچنین در همین دوره بود که یوهانس کپلر قوانین حرکت سیارات را توسعه داد. این قوانین در خلال سالهای ۱۶۰۹ تا ۱۶۱۹ حرکت سیاراتی که تا آن زمان شناخته شده بودند (عطارد، ناهید، زمین، مریخ، مشتری و زحل) را به دور خورشید توضیح می داد:
۱- سیارات در مداری بیضوی به دور خورشید می گردند و خورشید در یکی از دو کانون این بیضی قرار دارد.
۲- خط واصل بین خورشید و سیارات در زمان‌های مساوی، مساحت‌های مساوی را می پیماید.
۳- دوره حرکت سیاره به دورخورشید با فاصله سیاره تا خورشید تناسب دارد. (به بیان ساده تر: مربع زمان تناوب چرخش سیارات به دور خورشید با مکعب (توان سوم)نصف محور بزرگ بیضی متناسب است.)
این قوانین ایرادات ریاضیاتی مدل کوپرنیک (که سیارات را دارای مدار دایره ای شکل به مرکزیت خورشید فرض می کرد) را برطرف کردند و در نتیجه شک هایی که نسبت به درستی این مدل بود را از بین برد. بعدها آیزاک نیوتن ضمن بازبینی این نظریه نظرش به تاثیر گرانش بر مدار سیارات جلب شد.
قوانین سه گانه نیوتن:
در سال ۱۶۷۸ نیوتن به دلیل فشار زیاد کاری دچار فروپاشی روانی شده بود و از طرفی با ستاره شناس معروف، رابرت هوک هم وارد مجادله شده بود. او در سالهای بعدی از مراسلات با دیگر دانشمندان کناره گیری کرد و مجددا به ستاره شناسی و مکانیک روی آورد. در سال ۸۱-۱۶۸۰، دنباله داری در آسمان پدیدار شد که نظر نیوتن را به خود جلب کرد، او در این رابطه با ستاره شناس سلطنتی انگیسی، جان فلمستید مکاتباتی انجام داد و همین زمینه ای برای علاقمندی دوباره او به ستاره شناسی بود.
نیوتن پس از بازبینی قوانین حرکت کپلر، به توسعه مدلی ریاضی که بیضوی بودن مدار سیارات را ناشی از نیروی مرکز گرا (که گاها به اشتباه گریز از مرکز هم گفته می شود) تعریف می کند که با مربع بردار شعاعی رابطه عکس دارد. نیوتن این نتایج را با ادموند هالی(کاشف دنباله دار هالی) و انجمن سلطنتی در میان گذاشت. در رساله مشهور نیوتن(اصولِ ریاضیِ فلسفهٔ طبیعی) که شامل سه قانون حرکت نیوتن می شود، چنین آمده است که:
۱- در یک دستگاه مرجع لخت جسمی که تحت تأثیر یک نیروی خارجی نباشد یا ساکن می ماند، یا با سرعت ثابت به حرکت خود ادامه می دهد.
۲- بردار مجموع نیروهای وارده بر جسم (F) برابر است با جرم آن جسم(m) ضربدر بردار شتاب جسم (a)، که معمولا در قالب معادلات ریاضی به این صورت بیان می شود: F=ma
۳- هرگاه جسمی به جسم دیگر نیرو وارد کند، جسم دوم نیرویی با همان اندازه و در جهت مخالف به جسم اول وارد می‌کند.
این قوانین که روابط میان نیروهای وارد بر اشیاء و حرکت ناشی از آن را توصیف می کند، پایه و اساس مکانیک کلاسیک را تشکیل می دهد. همچنین نیوتن به کمک این قوانین توانست جرم سیارات را محاسبه کند، پهن شدگی قطب ها و بیرون زدگی(برآمدگی یا شکم دادن زمین در استوا) را اثبات و چگونگی ایجاد جزر و مد به وسیله گرانش خورشید و ماه را توضیح داد.
از دیگر فعالیت های علمی نیوتن می توان به ابداع حساب دیفرانسیل و انتگرال اشاره کرد، او بر روی سرعت صوت در هوا (براساس قانون بویل) کار کرد، برای اعتدالین دلیل آورد(نیوتن اعتدالین را نتیجه تاثیر گرانش ماه بر زمین دانست)، بی نظمی در حرکت ماه را مورد بررسی قرار داد، نظریه ای برای تعیین مدار دنباله دارها ارائه داد، و به بسیاری فعالیت های علمی دیگر پرداخت.
نیوتن و داستان درخت سیب:
داستان مشهور کشف گرانش به کمک سیبی که به سر نیوتن خورد حالا دیگر بخشی از فرهنگ عامه شده است. با اینکه بسیاری این داستان را جعلی دانسته اند و اینکه چنین کشف بزرگی در یک آن به ذهن نیوتن رسیده باشد را مردود دانسته اند، ولی خود نیوتن بارها این داستان را تعریف کرده و ادعا کرده است که واقعا همه چیز در نتیجه آن حادثه به او الهام شده است.
همچنین، این داستان در نوشته های ویلیام استاکلی(که یک کشیش انگلیسی و همکار نیوتن در انجمن سلطنتی بود) تایید شده است. البته استاکلی اظهار کرده است که در مکالمه ای که با نیوتن داشته، او گفته است در حال تماشای سقوط یک سیب به زمین، به تامل درباره ی گرانش روی آورده است. استاکلی نوشته: «ما به باغ رفتیم، و در زیر سایه درختان سیب به نوشیدن چای مشغول شدیم، من و او تنها بودیم، در حال گفتگو بودیم که او به من گفت، مفهوم گرانش در وضعیتی مشابه وضعیت فعلیمان به ذهنم رسید. وقتی سقوط سیب را تماشا میکردم از خود پرسیدم “چرا سیب همیشه باید عمودی به سمت زمین پایین بیاید؟”…»
جان کاندیوت، دستیار نیوتن در ضرابخانه سلطنتی(که بعدا با خواهر زاده او ازدواج کرد) نیز در شرح حالی از نیوتن به توصیف همین داستان پرداخت. بر اساس گفته های کاندیوت، این اتفاق در سال ۱۶۶۶ در سفری که نیوتن به لینکلن‌شر برای ملاقات با مادرش انجام داده بود رخ داد. او در حال قدم زدن در باغ به تفکر درباره ی چگونگی تاثیر گرانش بر سقوط سیب و مدار ماه پرداخته است. به همین ترتیب، ولتر نیز در متنی حماسی در سال ۱۷۲۷ نوشت: نیوتن اولین بار در حالی که در باغ خانوادگی خویش سقوط سیب از درختی را نظاره می کرد به ساختار جاذبه اندیشید. این همان چیزی است که نیوتن در سال ۱۶۶۰ آن را گزارش کرد.
با این حال نزدیک به دو دهه طول کشید تا نیوتن توانست نظریات خود را به کمک ریاضیات به اثبات رسانده و در اثر خود (اصول ریاضی فلسفه طبیعی) به جهانیان عرضه کند. او به سرعت به این نتیجه رسید که نیرویی که باعث سقوط سیب می شود همان نیرویی است که سیارات را در مدار خود نگه می دارد، به این ترتیب او نام «گرانش جهانی» را بر این نیرو گذاشت.
تاکنون درباره اینکه کدام درخت همان درختی است که نیوتن با الهام از آن گرانش را کشف کرده، صحبت های ضد و نقیض بسیاری شده است. آن طور که مسئولین مدرسه سلطنتی گراهام ادعا می کنند، این درخت سالها پیش توسط آنها خریداری شده و پس از ریشه کن شدن به باغ خانوادگی مدیر سابق این مدرسه منتقل شده است. با این حال نشنال ترست(موسسه حفظ منابع طبیعی انگستان) که مالک خانه ای است که نیوتن در آن بزرگ شده، ادعا میکند که درخت هنوز در همانجاست. نسلی از درختانی که از درخت اصلی گرفته شده اند بیرون از دروازه اصلی کالج ترینتی کمبریج دیده می شود، درست زیر اتاقی که نیوتن در آنجا مطالعه می کرد.
دستاوردهای نیوتن تاثیر عمیقی بر علوم گذاشت، او با اصول و قوانینی که از خود بر جای گذاشت برای حدود ۲۰۰ سال فیزیک و علوم مرتبط با آن را از خود متاثر کرد. مفهوم گرانش جهانی نیوتن تا قرن بیستم(که مکانیک کوانتوم و نظریه نسبیت عام اینشتین ارائه شد) سنگ بنای بسیاری از مفاهیم نجوم مدرن شد.
ترجمه: امین میرزایی/ سایت علمی بیگ بنگ
منبع: universetoday.com

بیگ بنگ: با شیوع طاعون خیارکی در سال ۱۶۶۵ آیزاک نیوتن در طول یک سال قرنطینه، مفاهیم مختلف فیزیک را جستجو کرد و کشفیات چشمگیری انجام داد.
به گزارش بیگ بنگ، ریاضیدان و فیزیکدان برجسته سر آیزاک نیوتن اکتشافات و ابداعات شگفت‌انگیزی را در طول زندگی‌اش انجام داد. او به خاطر کشفیاتش که دنیا را تغییر داد به عنوان یکی از تأثیرگذارترین افرادِ زمان خود شناخته شده است. نیوتن بیشتر به خاطر فرمولبندی قوانین حرکت و گرانش جهانی معروف شده است که او را به یک شخصیت کلیدی در انقلاب علمی تبدیل کرد.
اگرچه نیوتن نقش زیادی در رشته فیزیک ایفا کرده است، کشفیات برجسته و پیشگامانه‌ی او در دوران قرنطینه‌ی طاعون بزرگ ارائه شدند. در این دوران، او کشفیات برجسته‌ای را در رشته حسابان، حرکت، اپتیک و گرانش انجام داد.
آیزاک نیوتن برای یک سال کامل در قرنطینه باقی ماند که این یک سال بعداً به عنوان سال سرشار از شگفتی یا سالنامه فیزیک نیوتن نامیده شد. او یک سال کامل از عمر خود را به کشفیات علمی و قضیه‌های جدید اختصاص داد.
چشم‌اندازی عمیقتر به یک سالِ شگفت‌انگیز نیوتن
آیزاک نیوتن فقط ۲۳ سال داشت که طاعون بزرگ لندن در این کشور فراگیر شد. او در آن زمان فقط یک دانشجو در کالج ترینیتی، کمبریج بود. از آنجایی که تمام ملت فاصله‌گذاری اجتماعی را رعایت می‌کردند، از دانشجویان کالج ترینیتی خواسته شد به خانه بروند تا از شیوع طاعون جلوگیری کنند.
به دلیل اینکه “طاعون خیارکی” بزرگ یکی از بدترین بیماری‌های مسری در تاریخ انگلیس بود، نیوتن مجبور شد دو بازدید طولانی دیگر به وول استورپ داشته باشد تا از آلوده شدن جلوگیری کند. وقتی نیوتن از چشمان اساتید خود دور بود، مغزش همچنان در حال تلاش بود. هدف اصلی او در حین قرنطینه این بود که ذهنش را درگیرِ کار کند. در دوران قرنطینه، نیوتن به نظریاتی دست یافت که دنیای علم را تغییر داد.
وی گفته: «در آن روزها، من بیش از هر زمان دیگری مشغول اختراعات بودم و به ریاضیات و فلسفه می‌پرداختم.» او همچنین تأکید کرد که این غیبت‌های اجباری از لحاظ ذهنی برای زندگی‌اش مثمرثمر بودند. نیوتن بیان کرد که ذهنش را آزادانه رها کرده و مجبور نبود طبق برنامه‌های درسی دانشگاهش عمل کند، در نتیجه توانست هر نوع تحقیقاتی را انجام دهد. نیوتن در دوران قرنطینه تصمیم گرفت رشته‌های اپتیک، حسابان، قوانین حرکت و گرانش را مطالعه کند.
آزمایشات نیوتن با منشور
یکی از اولین چیزهایی که نیوتن بر روی آن کار کرد درک بهترِ خواص نور بود. او در ابتدا یک منشور تهیه کرد که غالباً در دهه ۱۶۶۰ به عنوان یک چیز نو و تازه فروخته می‌شد. او سوراخ‌های کوچکی را در پشت درِ اتاقش ایجاد کرد و منشور را در موقعیتی قرار داد که فقط یک نوار باریک از نور بتواند از آن عبور کند. این آزمایش نشان داد که نور سفید از هفت رنگ مختلف تشکیل شده که با چشم غیرمسلح قابل رویت است. این پدیده‌ها به نیوتن کمک کردند تا طرح اولیه‌ی تلسکوپ نیوتنی را توسعه دهد.
پیشرفت‌های نیوتن در ریاضیات
نیوتن که از آزمایشات اپتیک با منشورها فاصله گرفته بود تصمیم گرفت بر روی مسائل ریاضیاتی که در کمبریج با آنها مواجه شده بود کار کند. او بعداً یک رشته جدید از ریاضیات را توسعه داد که امروزه حسابان نامیده می‌شود. اگرچه مشخص نیست که چه کسی اول به ایدۀ حسابان رسید – آیزاک نیوتن یا گوتفرید لایب‌نیتس – حدس می‌زنیم که هر دوی آنها به طور مستقل در دهه ۱۶۶۰ به این ایده رسیدند. حسابان نیوتن شامل مفاهیم ریاضیاتی منحصربفردی بود که غالباً آن را به شکل هندسی و بر اساس مقادیر محدود کنندۀ نسبت‌های کوچک به کار بود.
قوانین حرکت و گرانش جهانی
نیوتن در دوران قرنطینه عمدتاً دربارۀ نحوه‌ کارکرد جهان نیز فکر می‌کرد. در دوران قرنطینه بود که رویداد معروف سیب رخ داد. نیوتن همچنان که از پنجرۀ اتاقش به باغ خیره شده بود یک سیب را دید که از روی درخت به پایین افتاد و این سوال برایش مطرح شد که چرا مستقیماً به روی زمین می‌افتد. او در حالی که مشغول بررسی این پدیده بود به مفهوم گرانش پی برد. او همچنین مشاهده کرد که همه چیز در دنیا به طرف همه چیز جذب می‌شود.
“جان کاندیت”، دستیار نیوتن و همسر خواهرزاده‌اش این رویداد را به صورت زیر توصیف کردند: «… در حالی که نیوتن مشغول تماشای یک باغ بود، به این ایده رسید که قدرت گرانش زمین (که باعث شد یک سیب از درخت به زمین بیفتد) محدود به یک فاصله‌ی معین از زمین نیست بلکه باید بسیار دورتر از آن چیزی که معمولاً تصور می‌شد باشد. او به خودش گفت که چرا نباید این قدرت گرانش تا ماه نیز امتداد داشته باشد؟ …»
او پس از کشف مفهوم گرانش به فرمول‌های ریاضیاتی برای قوانین حرکت رسید که رابطه‌ی بین بدن و نیروهای خارجی بر روی آن را توضیح می‌داد. او پس از سپری کردن یک سال در قرنطینه سه مقاله را در زمینه‌ی اپتیک، حسابان و پدیده‌های علمی دیگر نوشت و منتشر کرد. او از این دوران نهایت استفاده را برد تا گام‌های بلندی در دنیای علم بردارد.
نیوتن باید الهامبخش تمام دانشجویانی باشد که در حال حاضر از دنیای دانشگاه دور شده‌اند. آنها باید یاد بگیرند که از این زمان برای تمرکز بر خودشان و تقویت مهارت‌های خود در حیطه‌های مورد علاقه‌شان استفاده کنند و حتی دربارۀ موضوعاتِ بررسی نشده تحقیق کنند تا دانش ما را گسترش دهند.
ترجمه: سحر الله‌وردی/ سایت علمی بیگ بنگ
منبع: indiatoday.in