بامداد – 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. اگر چه 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.
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.
فیزیک قرن هفدهم میلادی:
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.
تصویری از نسخه شخصی کتاب « اصولِ ریاضیِ فلسفهٔ طبیعی» نیوتن، که به صورت دستی اقدام به اصلاح متن آن کرده بود، تا برای چاپ دوم آماده شود.
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 می کند 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
منبع: بیتوته
