فیزیک جدید چگونه متولد شد؟

نورشناسی

علم فیزیک در قرون هفدهم و هجدهم تحرک زیادی یافت و در پاره ای زمینه ها پیشرفت چشمگیری کرد، به ویژه در نورشناسی، بررسی ماهیت خلأ، مطالعه حرارت، الکتریسیته و نیروی مغناطیسی. در نورشناسی، از اختراع تلسکوپ پیش از این سخن رفته است؛ اما تاکنون چیزی درباره آن صورت دیگر ترکیب عدسی ها، میکروسکوپ ـ گفته نشده است. امروزه تصور عمومی بر این است که میکروسکوپ بعد از تلسکوپ پدید آمده است، اما واقعیت این است که سرمنشأ آن نیز در پرده ابهام است. البته ذره بین دست کم از اوایل قرن سیزدهم شناخته بوده است؛ ولی تازه در قرن هفدهم بود که با عدسی های کوچک ریگ مانند تراشیده و پرداخته ذره بین ساز هلندی، آنتون ون لیونهوک(1)، ‌به اوج تکامل خود رسید.
گرچه ذره بین های ساده ون لیونهوک در نوع خود خوب بودند، اما امکان بزرگنمایی زیاد فقط در صورتی تحقق می یافت که از میکروسکوپ های مرکب، دست کم شامل دو عدسی، ‌استفاده می شد. می گویند گالیله با میکروسکوپ مرکب نیز کار کرده بوده است. همچنین رابرت هوک در سال 1665 متن تشریحی جالبی به نام میکروگرافیا انتشار داد که نه تنها توصیف میکروسکوپ او بلکه توضیحاتی مفصل در مورد چیزهایی را که وی بررسی کرده بود نیز دربر می گرفت. با این حال، میکروسکوپ مرکب را یک خطای نوری موسوم به «انحراف بزرگ» طلسم کرده بود. این بدان معنا بود که هر تصویری را حاشیه ای رنگی احاطه می کرد و مشاهده جزییات را دشوار می ساخت. غلبه کامل بر این نقص تا اوایل قرن نوزدهم به درازا کشید. با این همه، میکروسکوپ بی درنگ کارایی خود را نشان داد، چنان که در بحث علوم زیستی خواهیم دید.
مهم ترین پیشرفت های علمی در نورشناسی در قرون هفدهم و هجدهم در زمینه شکست نور و نظریات مربوط به ماهیت خود نور به دست آمد. از دیرباز دانسته بود که عدسی ها نور را می شکنند و مسیر آن را تغییر می دهند؛ اما نسبت دقیق میان زاویه پرتو ورودی به شیشه یا آب و زاویه خمش یا چرخش آن روشن نبود. در حدود سال 1621 ویلبرارت اسنل(2)(اسنلیوس)در لایدن این نسبت را کشف کرد. نسبت مذکور از آن جا که با استفاده از سینوس زوایا به دست می آید به «قانون سینوس» معروف است. اما انتشار این نتیجه مهم به دوش کسان دیگری افتاد، به ویژه کریستیان هویگنس و رنه دکارت.
قانون اسنل با زبانی ساده ولی دقیق توضیح می داد که چه اتفاقی می افتد وقتی نور از یک محیط شفاف (هوا، آب، شیشه و غیره)به محیط شفاف دیگری می رود؛ اما بیان علت آن به مراتب دشوارتر بود. از دکارت، با فلسفه فراگیرش درباره جهان طبیعت، می شد انتظار داشت که نظری درباره نور و علت شکست آن داشته باشد، و بی شک داشت. او معتقد بود که نور، نیروی ناشی از لرزش ذرات تشکیل دهنده اجسام است. دکارت همچنین باور داشت که نور، گرچه در محیط شفافی که همه فضا را اشغال کرده است با سرعت بی نهایت سفر می کند، ولی در محیطی مثل آب آهسته تر و در هوا از آن هم آهسته تر حرکت می کند؛ زیرا هوا غلظت کم تری دارد و لرزش ها را کم تر منتقل می کند. امروزه ما می دانیم که این نظر نادرست است. هر چه غلظت محیط بیشتر باشد، سرعت نور در آن کم تر خواهد بود. ولی دکارت تنها کسی نبود که قضیه را با لرزش پیوسته ذرات اجسام توضیح داد و به جواب غلط رسید. رابرت هوک و کریستیان هویگنس نیز به همین نتیجه رسیدند.
کریستیان هویگنس در سال 1629 در لاهه در خانواده هلندی سرشناسی به دنیا آمد و همه عمر خود را در هلند گذراند به جز پانزده سال که عمده اش را به عنوان عضو «آکادمی د سیانس» در پاریس سپری کرد. او که ریاضیدانی قابل و فیزیکدانی با نبوغ بود با برادرش کنستانتاین این عدسی هایی تراشید و پرداخت و میکروسکوپ ها و تلسکوپ هایی ساخت. آن دو در زمستان سال 66-1665 موفق به حل مسئله گالیله در مورد سیاره زحل شدند، ‌زیرا حلقات دور زحل را کشف کردند و تصادفاً قمری نیز پیرامون آن یافتند. کریستیان همچنین ساعت آونگی را اختراع کرد، ‌ریاضیات حرکات نوسانی و زنجیرهای آویخته را مطالعه کرد و به وجود دنیاهای مسکون دیگر قویاً باور آورد. ولی بی تردید، ‌بزرگ ترین کمک او در زمینه نورشناسی و در ارائه نظریه ای در مورد نور بود.
به استناد هویگنس، ‌نور عبارت از یک رشته امواج انفجاری است که درون ماده ای نامریی به نام اثیر راه خود را می گشایند. سرعت این امواج بسیار است؛ ولی برخلاف تصور رایج، بی نهایت نیست. این نظر درست در مورد سرعت نور را هویگنس از کار تازه اله رومر(3) اخترشناس دانمارکی نتیجه گرفت. رومر در سال 1675 پی برده بود که وقتی زمین و مشتری در مواضع نسبی معینی در مدار خود قرار می گیرند، خسوف قمرهای درخشان مشتری دچار تأخیر به نظر می رسد. او دریافت که این تأخیر ناشی از زمان اضافه ای است که نور برای رفتن از یک طرف مدار زمین به طرف دیگر آن لازم دارد. سرعتی که او برای حرکت نور به دست آورد بالغ بر 193000 کیلومتر در ثانیه (120000مایل در ثانیه) یعنی کمی بیش از نصف مقدار صحیح آن بود.
امواج هویگنس تابع هیچ نظم و قاعده ای نبودند و به گمان او از هر نقطه جسم نورانی ساطع می شدند. او همچنین معتقد به وجود «موجک های ثانویه»بود و باور داشت که در هر نقطه در جلوی هر موج انفجاری او منشأ ظهور امواج انفجاری دیگری می گردد و این تا به آخر ادامه می یابد. این موجک های ثانویه برای توضیح شکست و بازتابش نور به کار می رفت. اما چون امواج هویگنس نظمی نداشتند؛ او نتوانست از آن ها برای توضیح رنگ استفاده کند و ناچار شد قضیه را نادیده بگیرد. تأثیر این نور فی الواقع نوعی آشفتگی موجی است از جانب فرانچسکو گریمالدی آمد که به طور مستقل آزمایش هایی انجام داد و نتایج آن ها در سال 1665 پس از مرگش منتشر شد. گریمالدی نشان داد که سایه آن قدرها هم تند و تیز نیست بلکه حاشیه ای رنگی دارد. ولی در صحت آزمایش های او تردید شد ـ نیوتن نتوانست آن ها را با موفقیت تکرار کند ـ و اهمیت آن ها مدت ها بعد روشن شد.
نظریه هویگنس به ویژه در انگلستان با انتقادات سختی روبرو شد. هویگنس ادعا کرده بود که امواج نوری در محیط غلیظ تر آهسته تر حرکت می کند؛ و اینک هالی می پرسید اگر چنین است، ‌وقتی دوباره وارد محیط رقیق تر می شود با چه نیرویی از نو شتاب می گیرد. این ایراد در آن زمان، با توجه به نوع امواجی که هویگنس مجسم ساخته بود، کاملاً ‌بجا به نظر می رسید. اما مهم تر از این، ‌انتقادات نیوتن بود که می خواست بداند اگر نور توسط امواج فشاری منتشر می گردد؛ چرا دور اجسام نمی پیچد. البته گریمالدی نشان داده بود که نور این کار را هم می کند، ‌ولی نیوتن آن را به سادگی ناشی از شکست نور فرض کرده بود. نیوتن همچنین می پرسید که چرا نظریه هویگنس نمی تواند پدیده «شکست مضاعف» را توضیح دهد که آن را اراسموس بارتولینوس به تازگی کشف کرده بود(این پدیده در بلورهای ماده ای مانند سنگ آهک ایسلندی (کلسیت) به چشم می خورد که پرتو نور را به دو مؤلفه مجزا تجزیه می کند. ) اما این انتقاد، چندان منصفانه نبود؛ چون نظریه خود نیوتن نیز نمی توانست توضیحی برای آن ارائه دهد.
نظر خود نیوتن این بود که نور جریانی از «ذرات» است. توضیح او برای این حقیقت که نور گاهی بعضاً می شکند و بعضاً باز می تابد (مثل حالت «ویترین» مغازه که نه تنها می توان از آن به داخل نگاه کرد بلکه می توان تصویر خود را نیز در آن دید) این بود که ذرات نور، در هنگام عبور از یک ماده شفاف به ماده ای دیگر، درگیر «حملات بازتاب ساده و حملات شکست ساده» می شود. او می اندیشید که این حملات ناشی از نحوه لرزش ذرات است در موقعی که از منبع نور به خارج پرتاب می گردند. همین لرزش است که، ‌در لبه اجسام، باعث می شود که ذرات نور، ‌موجد آن اثرات رنگی حاشیه ای گردد که گریمالدی مشاهده کرده و نیوتن در آزمایش های خود تا حدی مورد تأیید قرار داده بود. ولی اگر نظریه نیوتن در همین ها خلاصه می شد، احتمالاً‌ نمی توانست تأثیر فراوانی را که نهاد به جا بگذارد. عوامل دیگری نیز در کار بود، ‌به ویژه نظریه او در مورد رنگ و اختراع نخستین تلسکوپ انعکاسی موفق به دست او. نیوتن نخستین توضیح واقعاً‌ قانع کننده را درباره رنگ ارائه کرد. «نورسفید» (از نوع نور خورشید) به ادعای او آمیزه ای از نور همه رنگ ها با هم بود. او توانست این ادعا را با آزمایش معروفی به اثبات برساند که در آن از یک منشور شیشه ای برای تجزیه پرتو نور خورشید و از یک منشور دوم برای ترکیب دسته رنگ پخش شده (طیف نور) و برگرداندن آن به صورت نور سفید استفاده کرد.
تلسکوپ انعکاسی که به دست نیوتن تکامل یافت حاصل آزمایش های او برای تجزیه نور خورشید به رنگ های تشکیل دهنده اش بود، ‌چرا که بدین طریق او به دو نتیجه رسید. در درجه اول کشف کرد که رنگ های مختلف هر یک به نسبت متفاوتی می شکنند ـ آبی و بنفش با شدت بیشتر و قرمز با شدت کم تری ـ به همین علت است که منشور نور سفید را به یک طیف تجزیه می کند و قطرات باران به همین سان تشکیل رنگین کمان می دهند. در درجه دوم او به این نتیجه رسید که هر رنگ همیشه به یک نسبت می شکند. این بدان معنا بود که هیچ تلاشی برای ترکیب انواع مختلف عدسی به منظور ساختگی عدسی مرکبی برای غلبه بر انحراف رنگ؛ که به صورت حاشیه های رنگی کاذب در میکروسکوپ یا تلسکوپ انکساری دیده می شود، ‌امکان موفقیت ندارد. در اواخر دهه 1750 ثابت شد که نیوتن در این مورد اشتباه کرده است، ‌ولی کسی از پس مشکل برنیامد. از سوی دیگر همین اشتباه مفید از کار در آمد، زیرا نیوتن را بر آن داشت که نخستین تلسکوپ انعکاسی واقعاً قابل استفاده را طراحی کند(در این تلسکوپ انعکاسی، عدسی جلویی جای خود را به یک آینه خمیده در انتهای دیگر لوله می دهد). تلسکوپ انعکاسی اختراع وی نبود. آن را شاید در قرن شانزدهم نیز می شناخته اند. در عین حال شک نیست که یک ریاضیدان اسکاتلندی به نام جیمز گرگوری نیز در اوایل دهه 1660 چنین ابزاری طرح کرده بوده است، گرچه ساختمان آن به چنان مهارتی نیاز داشت که کار را از حیز انتفاع انداخته بود. نیوتن از طرح گرگوری شدیداً ‌انتقاد کرد. تلسکوپ خود وی یقیناً ساده تر بود، ولو با این عیب که راصد می بایست از پهلوی لوله به درون آن نگاه می کرد، ‌حال آن که در تلسکوپ گرگوری از انتهای لوله نگریسته می شد.
سادگی طرح نیوتن تا بدان جا بود که او خود توانست یک تلسکوپ بسازد. گرچه ای تلسکوپ خوب کار می کرد و او را مورد توجه جامعه سلطنتی قرار داد و قدرت ادعاهای او را به اثبات رساند، ولی عجیب این که طرح عالی آن تا اواخر قرن هجدهم یعنی دقیقاً تا دهه 1780 نتوانست خود به تنهایی بر پا بایستد. تلسکوپ انعکاسی گرگوری از دهه 1740 مورد استفاده قرار گرفت. ظاهراً دلیل اصلی اقبال این تلسکوپ آن بود که با نگریستن از ته لوله به جای پهلوی آن می شد جسم آسمانی را به مراتب آسان تر در راستا قرار داد.
نیوتن طرح تلسکوپ خود را همراه با نظریه اش در مورد نور و رنگ در سال 1670 به اطلاع جامعه سلطنتی رسانید، اما طرح او در معرض توجه عموم قرار نگرفت تا سال 1704 که اُپتیکس او منتشر شد. تأخیری که در انتشار کتاب پیش آمد عمدتاً از این رو بود که نیوتن تا سال 1702 در انتظار مرگ هوک نشسته بود، چون هوک نیز صاحب نظریه ای موجی در مورد نور بود و نیوتن از این می ترسید که انتشار کتابش در زمان حیات هوک باعث مشاجره ای تلخ و طولانی گردد. به هر حال در سال 1704 هم هوک از دار دنیا رفته بود و هم شهرت نیوتن جهانی شده بود ـ ترتیب این را پرینسیپیا داده بود. این نیز عامل دیگری بود که اپتیکس را، ‌همراه با نظریه نیوتن در مورد نور و رنگ، تا قریب یک قرن بر مسند قدرت نشانید. اما در سال 1704 نیوتن دیگر علم را وداع گفته بود. این درست که او رئیس جامعه سلطنتی بود، ‌ولی رئیس ضرابخانه نیز بود و لذا تمام طول روز را مشغول رتق و فتق امور دولتی بود. به علاوه علایق مذهبی خود را نیز دنبال می کرد که بی تأثیر بر کار علمی او نبود. اینک او شخصیتی مورد احترام بود که در سال 1705 مفتخر به دریافت نشان سلحشوری از دست ملکه آن می شد. این نخستین بار بود که برای پژوهش علمی، ‌نشان سلحشوری اعطا می شد. هنگامی که او در سال 1727 جهان را بدرود گفت چنان ارج و منزلتی داشت که برایش تشییع جنازه ای دولتی ترتیب داده شد.
حرمت نیوتن رفته رفته رو به انحطاط نهاد و به «تقدس نیوتن» تبدیل شد؛ و تقدس او در دهه 1860 با بیت زیر مورد استهزا و تمسخر قرار گرفت:
نیوتن را دروغگو می دانی!
پس تو بعد از مرگ کجا خواهی رفت؟
ولی حرمت او واقعی بود، ‌هر چند روحیه حقیقت جویی در قرن هجدهم چنان در عمق جان نشسته بود که حتی زیر سؤال بردن نظرات نیوتن را نیز مجاز می داشت. پیش از آن، ‌حتی در سال 1695، دیوید گرگوری استاد کرسی اخترشناسی سویل (4) در اکسفرد در صحت این نظر نیوتن تردید کرده بود که هر رنگ همیشه به یک نسبت می شکند. تا دهه 1730 ریاضیدان و فیزیکدان سویسی، ایلر، ‌تا بدان جا پیش رفته بود که شروع به آزمایش با عدسی های مرکب از شیشه و آب کرده بود تا ببیند می تواند بر انحراف رنگ غالب آید یا نه. در این میان حقوقدانی به نام چستر مورهال در انگلستان به این فکر افتاده بود که از یک عدسی شیئی(عدسی جلوی تلسکوپ) مرکب از دو شیشه متفاوت استفاده کند. هال استدلال کرده بود که دو نوع شیشه را می توان طوری طرح کرد که انحراف رنگ یکی، انحراف رنگ دیگری را تا حد زیادی خنثی کند. فکر او درست بود؛ ولی به دلایل عملی بسیار، باید بیست سال دیگر می گذشت تا ساخت این عدسی های «بی انحراف»در سال 1758 به صرفه نزدیک شود و عملی گردد. جالب این که استدلال هال در مورد خنثی شدن انحراف رنگ بر اساس مقایسه ای نادرست با چشم انسان بود. او در عمل به نتیجه مطلوب دست یافت، ولی دلایل نظری کارش نادرست بود.

حرارت

شیوه برخورد گالیله با علم فیزیک، تلاش در جهت طرح آزمایش هایی بود که به او اجازه می داد نتایج به دست آورده اش را به زبان ریاضی بیان کند. این بر بسیاری از شاخه های این علم از جمله بر مطالعه حرارت اثر گذاشت. حرارت همیشه چیزی مرموز نموده بود، ‌ولی تا زمان تأسیس آکادمیا دل چیمنتو آزمایش هایی انجام گرفته بود که دست کم راه را برای برداشتن نخستین گام ها در راستای برخوردی علمی با موضوع از طریق طرح ابزارهایی برای اندازه گیری دما باز کرده بودند. روشن نیست دماسنج را چه کسی اول اختراع کرد:گالیله، رابرت فلاد هرمسی، ‌کرنلیوس در بل(5) فیزیکدان هلندی (که یقیناً یک دماپا (6) برای ثابت نگه داشتن دمای کوره اختراع کرد)یا سانتوریو سانتوریو پزشک ایتالیایی. در هر حال این پیش از آن بود که دریافته شد مقیاس دماسنجی باید دو نقطه ثابت ـ یک «نقطه انجماد» و یک «نقطه جوش» ـ داشته باشد تا در علم به کار آید؛ ‌اما این تا قرن هجدهم، ‌که اله رومر چنین ابزاری را در سال 1708 طراحی کرد و مایع درون آن را الکل انتخاب کرد، جامه عمل به خود نپوشد. رومر برای به دست آوردن صفر دماسنج خود نخست از مخلوط آب و یخ و بعد ظاهراً از مخلوط یخ و کلرور آمونیم استفاده کرد. برای نقطه ثابت بالایی از دمای آب جوش استفاده کرد و سپس فاصله بین دو نقطه را به 60 درجه تقسیم کرد. کار رومر اکنون تا حد زیادی از یاد رفته است و افتخار تعیین مقیاس دماسنجی ـ یا بلکه اصلاح آن ـ نصیب یک هلندی به نام دانیل فارنهایت گشته است که در سال 1708 به دیدن رومر رفت و پس از بازگشت اقدام به ساخت دماسنج هایی برای خود نمود. ظاهراً فارنهایت جزییات مقیاس رومر را قدری اشتباه فهمیده بود چون او مثلاً نقطه ثابت بالایی را نمودار دمای خون می دانست نه درجه جوش آب. با این حال او نیز منکر نیاز به دو نقطه ثابت نبود. فارنهایت دماسنج خود را بر پایه روش هایی ساخت که آن ها را از آن رومر می پنداشت. او برای نقطه جوش آب رقم 212 را به دست آورد. صفر دماسنج او همان صفر دماسنج رومر بود.
دو مقیاس دماسنجی معروف دیگر در قرن هجدهم پدید آمد: مقیاس سلسیوس یا درجه سانتیگراد و مقیاس رئومور، ‌در اولی که طرح آندرس سلسیوس بود و در سال 1742 به وسیله جامعه سلطنتی سوئد منتشر شد، ‌نقطه جوش آب در یک انتها (صفر) و نقطه انجماد آن در انتهای دیگر (100) قرار گرفته بود. این لینیوس، زیست شناس سوئدی بود که مقیاس را وارونه کرد و دماسنج «سلسیوس» کنونی ما را در اختیارمان گذاشت. تقریباً در همان زمان، رنه آنتوان رئومور سرگرم آزمایش با یک دماسنج الکلی بود. او متوجه شد که الکل، در فاصله نقطه انجماد آب تا نقطه جوش آن، ‌80 قسمت از یک مقیاس هزار قسمتی را با انبساط خود طی می کند. او در سال 1730 یک مقیاس دماسنجی 80 درجه ای فراهم آورد که تا مدت ها در برخی کشورهای اروپای غربی مورد استفاده بود.
دماسنجی تلاشی برای اندازه گیری درجه حرارت بود؛ ولی خود حرارت چه بود؟ دانشمندان بسیاری در قرون شانزدهم و هفدهم کوشیدند به این پرسش پاسخ دهند. در مجموع، دو نظر عمده وجود داشت. یکی می گفت سیال «سنجش ناپذیر» است (سیالی که نه می توان وزنش کرد و نه پیمانه اش کرد). پی یر گاسندی، ‌اخترشناس و فیلسوف فرانسوی، نیز می گفت ذرات گرم و سردی وجود دارد که حضورشان علت گرما و سرماست. فرانسیس بیکن و رابرت هوک از نظریه ارتعاشی حمایت می کردند. اما سرانجام، تعبیر حرارت به عنوان ماده ای سنجش ناپذیر بود که پذیرفته شد ـ و لاووازیه و برتوله(7) آن را نظریه «کالری»(8) نامیدند. البته کسانی هم بودند که غیر از این فکر می کردند. برای نمونه در اواخر قرن هجدهم، دانشمندی به نام بنجامین تامپسن که در امریکا به دنیا آمده بود و بعدها کنت رامفرد لقب گرفت، خاطر نشان ساخت که تجربه اش در ساخت لوله های آهنی برای توپ، در خدمت امیر باواریا، ‌نشان می دهد که حرارت را می توان با اصطکاک تولید کرد. این ارتعاشی را گرفت؛ اما مشکل حل نشد تا میانه سده نوزدهم؛ گرچه در این زمان نیز فیزیکدانی به شهرت ویلیام تامسن(لرد کلوین) هنوز از فرضیه سیال سنجش ناپذیر حمایت می کرد.
اگر ماهیت حرارت موضوع حدس و گمان بود؛ در عوض، پیشرفت دماسنجی به کار کمی دیگری دامن زد. باید راهی برای اندازه گیری حرارت پیدا می شد، ماهیت حرارت هر چه می خواست باشد. گرمای مخلوط ها ـ قدری آب گرم و قدری آب سرد ـ مطالعه شد، به ویژه توسط ژان باتیست مورن و گیورک ریشمان که پی بردند اجسام به محیط خود گرما پس می دهند و این که در هر آزمایشی برای اندازه گیری دما باید این را در نظر گرفت و اتلاف گرما در داخل خود دستگاه را نیز به حساب آورد. این برای دستیابی به دقت بیشتر مفید بود، ولی در قرن هجدهم، مهم ترین کار در این زمینه را یک درمانگر، شیمیدان و فیزیکدان اسکاتلندی به نام جوزف بلک انجام داد. او که در سال 1728 به دنیا آمده و در گلاسگو و سپس در ادینبورو تحصیل کرده بود، چندی در گلاسگو استاد شیمی شد و بعد در سال 1766 به ادینبورو رفت تا همین کرسی را در آن جا اشغال کند. او در کنار مشاغل دانشگاهی خویش با موفقیت طبابت نیز می کرد و از این راه رفته رفته دارایی کوچکی اندوخت، گرچه گویا همواره بسیار ساده زندگی می کرد.
بزرگ ترین کمک بلک به مطالعه حرارت، درک این نکته بود که اجسام مختلف از ظرفیت های حرارتی متفاوتی برخوردارند. پیش از آن مطرح شده بود که اجسام، در دمای یکسان، همه دارای یک مقدار حرارتند؛ ولی بلک مخالف بود. او مدعی شد که تکه نمدی از جنس پشم آهن، گرم تر از قطعه چوبی به همان اندازه در همان دماست، زیرا آهن دارای گرمای بیشتری است؛ به عبارت دیگر، ظرفیت آن برای اندوختن گرما بیشتر است. این در دهه 1760 او را به سوی مفهوم «گرمای ویژه» ـ ظرفیت جذب حرارت ـ سوق داد و او توانست برای اندازه گیری آن روش هایی ارائه دهد. بلک همچنین حرارت لازم برای تغییر حالت جسم ـ فی المثل تبدیل یخ به آب و آب به بخار ـ را بررسی کرد. آزمایش هایی که در این زمینه انجام داد، او را به سوی مفهوم دیگری بردند که آن را «گرمای نهفته» نامید، ‌یعنی گرمایی که برای ایجاد تغییر حالت جسم لازم بود. این مفاهیم، هر دو، بسیار اهمیت داشتند و موجب برخوردی کمی با موضوعی شدند که در آغاز قرن هفدهم رام ناشدنی به نظر رسیده بود. همچنین کاربردهای عملی مهمی داشتند که قابل ذکرترینشان ساخت متراکم کننده جداگانه ای برای ماشین بخار به دست جیمزوات بود، اختراعی که ماشین بخار را متحول ساخت و استفاده از آن را به صرفه نزدیک کرد. این نتیجه مستقیم کار نظری بلک بود، زیرا وات چندی ابزار علمی دانشگاه گلاسگو بود و با بلک و نظرات وی آشنا شده بود.

برق

سومین تحول بزرگ در فیزیک در قرون هفدهم و هجدهم مطالعه برق بود. اثرات الکتریکی از قدیم شناخته بود. (اصلاً خود لغت «الکتریسیته» مشتق از واژه یونانی الکترون به معنی کهرباست، چون ظاهراً تنها چیزی که از برق می دانسته اند این بوده که اگر کهربا مالش داده شود می تواند برگ های کوچک را جذب کند. ) ازآن جا که کهربا از جهتی همانند سنگ مغناطیس عمل می کرد که تکه های آهن را جذب می کند، ‌تمایز میان خاصیت مغناطیس و آنچه که امروزه ما آن را الکتریسیته «ساکن» می نامیم ـ و الکتریسیته ای است که از مالیدن بعضی مواد ناشی می شود ـ تا حدی در ابهام بود.
ویلیام گیلبرت مطالعاتی در مورد الکتریسیته ساکن انجام داد، ولی به این نتیجه رسید که موضوعی پیش پا افتاده است؛ و شاید پیش پاافتاده می ماند اگر «ماشین الکتروستاتیک»پدید نمی آمد. اصل اختراع آن را به یک دیپلمات و مهندسی آلمانی به نام اتوفون گیریکه نسبت می دهند. او که مدتی هم شهردار ماگده بورگ بود در اواخر دهه 1640 به فیزیک علاقه پیدا کرد. یکی از نظراتی که فکر او را به خود مشغول ساخت این بود که اجرام آسمانی با نیروی مغناطیسی بر یکدیگر اثر می گذارند. او به فکر افتاد که آزمایش های گیلبرت با آهنربای کروی را اصلاح کند، ‌از این رو کره ای از جنس مواد معدنی و به زعم خود از جنس کره زمین ساخت. کره مقدار زیادی گوگرد داشت ـ او بعداً کره ای از گوگرد خالص ساخت ـ و با چرخاندن و به طور همزمان مالیدنش دارای نیروی کششی می شد و جرقه می زد. او درنیافت که این ها ناشی از تولید الکتریسیته ساکن است ـ گرچه در واقع چنین بود ـ بلکه آن ها را تظاهرات نیروها یا «میل» جسم پنداشت. قریب سی سال بعد، ‌در سال 1705، ‌فرانسیس هاوکسبی(9) در لندن متوجه شد که گاهی درخششی در قسمت خالی لوله فشارسنج به چشم می خورد و به درستی تشخیص داد که این اثر مالش جیوه بر شیشه است.
ولی مطالعه واقعی الکتریسیته ساکن از دهه 1720 آغاز شد. در این دهه استیون گری (10)، تحت تأثیر کار فون گیریکه و هاوکسبی، یک رشته آزمایش های الکتریکی با استفاده از ماشین الکتروستاتیک انجام داد. نخستین کشف او این بود که «میل الکتریکی» را می توان با نخ به مسافات دور منتقل کرد، به شرطی که نخ از جنس مناسبی مثل ابریشم باشد؛ ولی اگر جنس نخ نامناسب باشد، ‌«میل الکتریکی» نشت می کند و از دست می رود. ثانیاً او دریافت که اجسام را با نزدیک کردن جسم برقدار به آن ها می توان برقدار کرد. در این میان، شارل فرانسوا دوفی در فرانسه کشف کرد که اجسام برقدار می توانند یکدیگر را جذب یا دفع کنند. از همین او نتیجه گرفت که دو نوع الکتریسیته ساکن وجود دارد.
در دهه های 1740 و 1750 انواع بسیاری از ماشین الکتریکی فون گیریکه، ‌با استفاده از کره یا استوانه ای شیشه ای برای تولید بار الکتریکی، ساخته شد. این دستگاه ها بعداً ‌قوی تر شدند، به ویژه در دهه 1780 که جان کاثبرتسن(11) دستگاهی ساخت که دو بشقاب شیشه ایش عکس هم می چرخیدند. دستگاه های ساخته شده الکتریسیته ساکن بیشتری فراهم می آوردند و آزمایش های پردامنه تری را امکان پذیر می ساختند. نتیجه اش ساخت دستگاهی برای انباشتن الکتریسیته توسط ایوالت فون کلایست در سال 1745 بود. وقتی بار این دستگاه تخلیه می شد، جرقه ای چنان کاری ایجاد می کرد که الکل را به آتش می کشید. این بیشتر برای ارضای حس کنجکاوی بود ـ فون کلایست از یک لوله آزمایش ساده استفاده کرد که روکشی فلزی داشت ـ ولی در لایدن، ‌پیتر ون موسن بروک مشغول انجام آزمایش هایی الکتریکی بود که تصادفاً راهی برای تحکیم دستاورد فون کلایست پیدا کرد. موسن بروک مخزنی شیشه ای طراحی کرد که از درون و بیرون آستر فلزی داشت. این دستگاه که تنگ لایدن نام گرفت نخستین خازنی بود که ساخته شد. آزمایش های بعدی نشان داد که هر چه شیشه بین دو آستر فلزی نازک تر باشد، جرقه ای که زده می شود بزرگ تر خواهد بود. این بسیار اهمیت داشت، به این دلیل ساده که با نظریه دو نوع الکتریسیته قابل توضیح نبود؛ از این رو راه را برای نظریه بنجامین فرنکلین، دانشمند امریکایی، باز کرد. او دید که می تواند کار تنگ لایدن را با نظریه «یک سیال» توضیح دهد. با این حال یک بار دیگر نظریه «دو سیال» این بار با اصلاحاتی، ‌مطرح شد؛ هر چند فقط مورد پذیرش معدودی آزمایشگر قرار گرفت که به ریاضیات گرایش داشتند.
باری که تنگ لایدن انبار می کرد می توانست بسیار زیاد باشد، و تخلیه بار چند تنگی که با سیم به هرم راه داشتند می توانست جانوری
را بکشد. از آن می شد به منظور ذخیره کردن الکتریسیته برای بررسی بیشتر آن استفاده کرد. در سال 1750 در خلال انباشتن یک تنگ لایدن با بار الکتریکی انتقالی از بادبادکی دستخوش رعد و برق بود که فرنکلین موفق شد نشان دهد که برق آسمان چیزی بیش از الکتریسیته ساکن نیست.
در رشته برق، همچون در سایر رشته های فیزیک، آزمایشگران علاقه مند بودند برخوردی کمی در پیش گیرند. در دهه ای 1760 و 1770 با آزمایش های فرنکلین و شیمیدان و فیزیکدانی به ام جوزف پریستلی و آزمایشگر میلیونر غریبی به نام هنری کاوندیش روشن شد که نیروی جذب و دفع بار الکتریکی مانند نیروی جاذبه مطابق عکس مربع فاصله تفاوت می کند. طبعاً این کشف دارای بیشترین اهمیت بود، ‌اما باید با اندازه گیری های دقیق تأیید می شد. یک فیزیکدان و مهندس فرانسوی به نام شارل کولن بود که در سال 1785 توانست با «ترازوی پیچشی»خود به دقت لازم دست یابد. این ابزار دارای یک گوی باردار یا یک آهنربا بود که به یک سر یک بازوی افقی آویخته به انتهای یک سیم نقره ای نازک متصل بود. اگر در حالی که بازوی افقی بی حرکت بود، یک گوی باردار دیگر (یا یک آهنربای دیگر)در فاصله معینی از آن قرار می گرفت، بازو می چرخید در حالی که سیم نقره ای در برابر پیچش مقاومت می کرد. در نتیجه مقدار گردش بازوی افقی متناسب با نیروی جذب یا دفع وارده بود. این ترازو که فوق العاده ساده و در عین حال نبوغ آسا بود، مانند همه ابزارهای دقیق، بسیار حساس بود. این ابزار به کولن اجازه داد به اثبات برساند که نه تنها اجسام باردار بلکه آهنرباها نیز یکدیگر را با نیرویی که دقیقاً با مربع فاصله آن ها از یکدیگر تغییر می کند جذب می کنند.
آخرین تحول در رشته برق در قرن هجدهم در شهرهای بولونیا و پاویای ایتالیا رخ داد. در سال 1780 در دانشگاه پاویا، یک استاد مامایی به نام لوییجی گالوانی شروع به انجام آزمایش هایی برای بررسی واکنش پاهای عقبی قورباغه در موقع اتصال جریان الکتریسیته ساکن به آن ها نمود. نخست او پی برد که پاها ـ که هر کدام با تکه ای ورق فلزی به یک صفحه شیشه ای بسته شده بودند ـ در موقع ورود بار الکتریکی به ستون فقرات قورباغه در ناحیه بالای پاها دفعتاً جمع می شوند. او آزمایش های بیشتری با تفاوت های جزیی انجام داد و به نتیجه ای عجیب و دور از انتظار رسید. پاهای قورباغه حتی موقعی که کاملاً عایق بودند منقبض می شدند، ‌البته مادامی که اعصاب مربوطه با زمین ارتباط الکتریکی داشتند. یک ماشین الکتریکی نیز که کمی دورتر قرار داشت ایجاد جرقه می کرد. انقباضات مشابهی در پاهای درگیر چنگک های برنجی نیز رخ داد. در این حالت، ستون فقرات با نرده های آهنی بیرون آزمایشگاه ارتباط الکتریکی داشت. پاها نه تنها در هوای توفانی بلکه حتی در هوای آرام نیز منقبض می شد. نتیجه، در داخل آزمایشگاه، ‌همان بود.
گالوانی این نتایج را ناشی از «الکتریسیته حیوانی» دانست. او گمان کرد نظری را که در قرن هجدهم بارها مطرح شده و مورد بحث قرار گرفته بود به اثبات رسانده است: این که اعصاب و عضلات حیوانات دارای سیالی غیر قابل توصیف مانند سیال الکتریکی است. ولی آن نتایج ابداً‌ ربطی به این نداشت ـ و اصلاً چنین سیالی وجود نداشت. اتفاقات عجیب و غیر منتظریه ای که او مشاهده کرده بود ناشی از تماس دو فلز ناهمسان (در این مورد، برنج و آهن)در محیطی مرطوب بود. این علت واقعی را الساندرو ولتا استاد فیزیک تجربی دانشگاه بولونیا کشف کرد که در سال های 1792 و 1793 در خلاصه مذاکرات فلسفی جامعه سلطنتی چنین نوشت:«فلز مورد استفاده در آزمایش، ‌وقتی با بدن مرطوب حیوان تماس پیدا می کند، می تواند خود. . . تحریک کند و سیال الکتریکی را به حرکت درآورد. . . »بحث با گالوانی ادامه پیدا کرد، ولی ولتا در سال 1799 با ساختن وسیله ای که واقعاً از خود برق بیرون می داد مقصود خویش را به اثبات رساند. این وسیله از تعدادی صفحه از جنس مس و روی تشکیل می شد که لابلاشان صفحات مقوایی مرطوبی گذاشته شده بود. این نه تنها نخستین باتری الکتریکی بلکه همچنین نخستین منبعی بود که جریان الکتریکی پیوسته ای در اختیار می گذاشت. پیامدهای آن نیز به عنوان منبع برق و چه در مسائل نظری که مطرح کرد بسیار بود. از یک سو مسائلی را در شیمی مطرح ساخت و از سوی دیگر بانی پیوندی میان برق و مواد شد. از این رو گشایشگر بعد تازه ای برای پژوهش شد که قرن نوزدهم از آن فراوان بهره برداشت.

پی نوشت ها :

1. Leeuwnhoek , Anton van
2. snel Willebrord
3. RO ̈mer , ole
4. سرهنری سویل (Savile) (1549-1622) بنیادگذار کرسی استادی اخترشناسی و هندسه در آکسفرد.
5. Drebbel , Cornelius
6. ترموستات.
7. Berthollet
8. «کالر»به معنی لاتین آن ـ حرارت، گرما ـ مراد است.
9. Hawksbee , francis
10. Gray , Stephen
11. Cuthbretson , john

منبع: ا. رنان، کالین؛ (1366)، تاریخ علم کمبریج، حسن افشار، تهران: نشر مرکز، چاپ ششم 1388.