گالیله در پادوئا

پادوئا

در قرن شانزدهم، ایتالیا به چند ایالت مستقل تقسیم می شد. هر ایالت حاکم خاص خود را داشت، اما همه ی ایالتها، تحت رهبری رُم، با هم متحد بودند. پادوئا، شهری واقع در شمال شرقی کشور، تحت حاکمیت ونیز بود که در فاصله ی 32 کیلومتری از این شهر، در ساحل دریا قرار داشت. ونیز را خانواده ای از نجبای پیشرو اداره می کردند و حکومت ونیز به روشن بینی شهرت داشت. دانشگاه پادوئا برای متفکران آزاداندیشی مانند گالیله، حکم بهشت را داشت.
در پادوئا، گروههای علمی و فرهنگی در بیرون از دانشگاه و در میان روشنفکران آن ناحیه تشکیل شده بود و در این گروهها، بحث درباره ی عقاید و افکار نامتعارف رونق داشت.
در آن زمان، گالیله به منزله ی متفکری ضد ارسطو و ریاضیدانی تندرو شهرتی دست و پا کرده بود. روشنفکران پادوئا با آغوش باز از او استقبال کردند.
با بالا رفتن سن گالیله از جذابیت و سرشت آسانگیر و بی تکلف او کم نشد. او به سرعت با چند تن از نجیب زادگان و فیلسوفان پادوئا دوست شد. به ویژه با اصیل زاده ای ثروتمند به نام جیان وینچنتسیو پینلی، دوست صمیمی شد. پینلی ثروتی هنگفت و اشتیاقی سیری ناپذیر برای کسب علم و دانش داشت. او مالک یکی از مجللترین خانه ها در پادوئا بود و کتابخانه ای با 80000 جلد کتاب داشت که یکی از بهترین کتابخانه های اروپا در قرن شانزدهم به شمار می رفت.
وقتی گالیله وارد پادوئا شد، نزد دوست ثروتمندش اقامت کرد، هرچند دانشگاه اقامتگاه مناسب در اختیار استاد جدید خود می گذاشت. مزیت بزرگ اقامت گالیله نزد پینلی این بود که می توانست به طور روزانه و بی وقفه از کتابخانه ی استثنایی او استفاده کند.
گالیله به سبب دوستی با پینلی به «محفل پینلی» دعوت شد؛ حامی این محفل دوست ثروتمند گالیله بود واین محفل بانفوذترین انجمن پادوئا به شمار می رفت.
گالیله به سرعت به یکی از مهمترین و معتبرترین اعضای این انجمن تبدیل شد. اعضای این انجمن جلسات منظم و مباحثات هفتگی در مورد موضوعهای علمی و فلسفی داشتند. محفل پینلی چنان اعتباری داشت که بعضی از اعضای آن، برای شرکت در جلسات محفل، از ایالتهای دیگر به پادوئا می آمدند.
گالیله در دوران اقامت در خانه ی پینلی با مردانی دیدار کرد که بعدها نقشهای بسیار مهمی در زندگی او بازی کردند. او در خانه ی دوستش چندین بار این مردان را ملاقات کرد و با چند تن از آنها دوست شد. این مردان که سرانجام به سرکردگان دستگاه تفتیش عقاید تبدیل شدند، نبوغ گالیله را می ستودند.

دوران سعادتمندی

«به نظر من، آنچه سبب شد ونیزی ها گالیله را برای استادی ریاضیات در دانشگاه پادوئا استخدام کنند، توانایی او برای انجام اختراعات عملی بود. بعضی از این اختراعات در مجموعه ی تاریخی «عیار علم» در فلورانس نگهداری می شود و به صورتی بی نقص درک و اجرا شده اند. در این مجموعه یک دستگاه شیشه ای چین خورده برای اندازه گیری انبساط مایعات وجود دارد که بیشتر شبیه دماسنج است؛ یک ترازوی هیدروستاتیکی نیز در این مجموعه به چشم می خورد که برای تعیین چگالی اشیای قیمتی ساخته شده است و بر اساس اصل ارشمیدس کار می کند. وسیله ی دیگری نیز در این مجموعه هست که به گفته ی گالیله، که استعدادی هم در فروشندگی داشت «قطب نمای نظامی» نام دارد، هر چند که در حقیقت ابزاری برای محاسبه است که به خط کش محاسبه ی امروزی بی شباهت نیست.»
جی. برونوسکی،
نقل از «عروج انسان»
زندگی در دانشگاه پادوئا برای گالیله خوشایند بود، اما با وجود دریافت حقوق بسیار بیشتر، باز هم اداره ی خانواده برایش دشوار می نمود. سرانجام ناچار شد به تدریس خصوصی بپردازد، همان کاری که در پیزا انجام داده بود.
به تدریج کارش رونق گرفت؛ به مهندسان ارتش، مکانیک، و به مشتاقان محلی اخترشناسی و ریاضیات درس می داد.
با گذشت سالها اندک اندک اوضاع بهتر شد و گالیله توانست خانه ی کوچکی در شهر بخرد. او با بانویی از اهالی ونیز، به نام مارینا گامبا آشنا شد. این دو بیش از یک دهه با هم زندگی کردند و در سال 1610 که یک بار دیگر گالیله ناگزیر از نقل مکان شد، مارینا را در پادوئا تنها گذاشت. حاصل زندگی مشتر ک آنها دو دختر و یک پسر بود.
گالیله توجه چندانی به زندگی با مارینا نشان نمی داد و به نظر می رسید که تحقیقات ذهن او را بیشتر به خود مشغول می کند. گالیله برای رفاه کسانی که به او متکی بودند، از هیچ کاری فروگذار نمی کرد، اما پدری دوست داشتنی یا یاری فداکار به شمار نمی رفت.
این دوره ی هجده ساله زندگی در پادوئا، سعادت بارترین دوران زندگی گالیله بود و او بسیاری از کشفهای مهم خود را نیز در همین دوره انجام داد.

مشکلاتی که باید حل شوند.

گالیله با آزمایش برج کج پیزا نشان داده بود که همه ی اجسام فواصل مساوی را در زمانهای برابر سقوط می کنند و وزن آنها تأثیری در زمان سقوط ندارد. اما او درباره ی نحوه ی سقوط یا تغییر سرعت اجسام در حین سقوط، چیزی را اثبات نکرد.
یک بار دیگر، در دسترس نبودن ساعت دقیق مشکل آفرین شد. وقتی جسمی را از ارتفاعی رها می کردند، مدت کوتاهی طول می کشید تا به زمین برسد، مگر اینکه از ارتفاع بسیار زیادی رها می شد. برای انجام چنین آزمایشهایی روش زمان سنجی به کمک نبض دیگر کارایی نداشت.
غالباً این سؤال برای مردم مطرح می شودکه چرا گالیله دوباره به سراغ فکر اولیه ی خود برای ساختن ساعت آونگی دقیق نرفت. یکی از دلایل احتمالی این است که این کار بسیار پر دردسر به نظرش می رسید. او دنبال راه ساده و سریعی برای اندازه گیری زمان بود که بتواند مشکل فعلی را حل کند.

غلتش به جای سقوط

گالیله به این نتیجه رسید که به جای رها کردن جسم از ارتفاع و فراهم آوردن امکان سقوط آزاد برای آن، آزمایش خود را با گلوله هایی تکرار کند که در ناودانی شیب دار که برای همین آزمایش طراحی می شد، بغلتند و پایین بروند. در این آزمایش سرعت پایین رفتن گلوله ها به طور چشمگیری کاهش می یافت، بدون اینکه در اساس حرکت گلوله تغییری حاصل شود. دراین حالت نیز گلوله تحت اثر نیروی گرانش در ناودان پایین می رفت و اگر اثر اصطکاک نادیده گرفته می شد، حرکت آن با حرکت گلوله های توپی که از فراز برج کج پیزا رها شدند، تطبیق داشت.
مدتی که طول می کشید تا گلوله در ناودان پایین برود، از زمان لازم برای سقوط آزاد گلوله بسیار بیشتر بود. با پایین آوردن سر ناودان برای ایجاد شیب تدریجی اندک، سرعت گلوله به اندازه ای کاهش می یافت که اندازه گیری آن به کمک روش زیرکانه ی دیگری ممکن می شد.
این بار گالیله به جای اندازه گیری نبض خود، بشکه ی آب بزرگی را در نزدیکی محل آزمایش قرار داد. در پایین بشکه سوراخ کوچکی وجود داشت تا آب بشکه به تدریج خالی شود. اندازه ی سوراخ را چنان انتخاب کرده بودند که تخلیه ی آب تا پایان آزمایش ادامه داشته باشد. او این آزمایش را بارها انجام داد و مقدار آب جمع شده در سطل زیر بشکه را اندازه گیری کرد.
سپس مسافتی را که گلوله ها می بایست بپیمایند تغییر داد و آزمایش را تکرار کرد؛ هر بار این مسافت را بیشتر و بیشتر می کرد.
سرانجام الگوی واضحی پدیدار شد.این الگو مفهوم شتاب را برای گالیله مطرح کرد.

شتاب

وقتی اجسام با سرعت ثابت حرکت می کنند، فواصل مساوی را در زمانهای برابر می پیمایند. هنگامی که در اتومبیلی نشسته اید که خیابانی را با سرعت ثابت طی می کند، با چنین وضعیتی روبه روهستید. اجسام فقط هنگامی شتاب دارند که سرعت آنها در حال تغییر است.
شاید در آزمایش برج کج پیزا، گلوله های توپ با سرعت ثابت سقوط می کردند. اما رسیدن آنها به سرعت ثابت و پاپا، درست پس از رها شدن از دست دستیارهای گالیله چه معنایی می توانست داشته باشد؟ بدیهی است که وقوع چنین حالتی ممکن نیست . بنابراین گالیله به این نتیجه رسید که تنها احتمال دیگر این است که اجسام در حال سقوط ، پس از رها شدن از وضعیت سکون، به تدریج سرعت می گیرند. به عبارت دیگر این اجسام شتاب دارند.
گالیله برای اثبات این نکته، آزمایش ناودان را انجام داد و فرایند رها کردن گلوله برای غلتش در ناودان به مسافتهای مختلف را تکرار کرد و هر بار زمان لازم برای طی مسافت را اندازه گرفت.
در آزمایش نخست، گلوله مسافت 4/ 2 متر ( 8 فوت) را پیمود. زمان لازم برای پیمودن این مسافت 2 واحد (براساس آب تخلیه شده از بشکه) بود. سپس گلوله مسافت 5/5 متر ( 18 فوت) را پیمود. پیمودن این مسافت 3 واحد زمان به طول انجامید. سرانجام گلوله مسافت 75/ 9 متر ( 32 فوت) را طی کرد و این بار 4 واحد زمان در راه بود. گالیله بلافاصله متوجه الگویی شد.
اختلاف مسافت بین آزمایشهای اول ودوم 1 / 3 متر ( 10 فوت) بود (5/5 منهای 4/ 2 یا 18 منهای 8) ، اما گلوله 1 / 3 متر آخر را در همان زمانی پیمود که 4/ 2 متر را در آزمایش اول پیموده بود. در آزمایش سوم،گلوله 25/ 4 متر ( 14 فوت) بیشتر از آزمایش دوم حرکت کرد ( 75/ 9 منهای 5/5 یا 32 منهای 18)، اما این مسافت اضافی را در همان زمانی پیمود که مسافت 4 / 2 متر را در آزمایش اول و 5/5 متر را در آزمایش دوم طی کرده بود. بنابراین گالیله نتیجه گرفت که هرچه گلوله مسافت بیشتر را می پیماید، سرعت نهایی آن بیشتر می شود.
اگر باور کردن این نکته مشکل است، سرعت میانگین گلوله را در پایان هر آزمایش در نظر بگیرید.
سرعت میانگین با تقسیم کردن مسافتی که گلوله می پیماید، بر زمان پیمودن این مسافت به دست می آید.
در آزمایش نخست، وقتی گلوله مسافت 4 / 2 متر را در دو واحد زمان پیمود ، سرعت میانگین گلوله در پایان حرکت، 2 /1 متر ( 4 فوت) بر واحد زمان بود. ( 2/ 1 = 2: 4 / 2). در آزمایش دوم، سرعت میانگین گلوله 8 / 1 متر ( 6 فوت) در واحد زمان بود و در آزمایش سوم که مسافت 75 / 9 متر را پیموده بود، به 4 / 2 متر ( 8 فوت) در واحد زمان رسید.
تنها عاملی که در زمان رسیدن گلوله به انتهای مسیر تأثیر داشت، خواه در ناودان شیب دار می غلتید و خواه در امتداد قائم سقوط آزاد انجام می داد، طول مسیر بود. اگر دو جسم، با وزنهای متفاوت، به مسافتی یکسان سقوط آزاد انجام دهند یا در ناودان غلتش کنند، با هم به انتهای مسیر می رسند.

مطالعه ی بالیستیک

گالیله جزئیات یافته های خود را در دفترچه ای یادداشت می کرد. او نامه ای طولانی به یکی از رفقای خوب خود در «محفل پینلی» - پائولو سارپی، فیزیکدان ونیزی - نوشت و در آن آزمایشهای خود را شرح داد.
در این زمان گالیله از طراحی و فروش وسایل محاسبه ی مکانیکی به سرکردگان نظامی ونیز درآمدی اضافی کسب می کرد. از طریق ارتباط با همین افراد بود که به موضوع بالیستیک یا علم بررسی پرتابه ها، علاقه مند شد.
بر اساس فیزیک سنتی، در هر لحظه فقط یک نیرو می توانست بر جسمی اثر کند، اما گالیله با انجام یک «آزمایش ساده ی ذهنی» این تصور را باطل کرد .این آزمایش صرفاً در ذهن دانشمند اجرا شد - شرح این فرایند به تفصیل ذکر می شود، اما این آزمایش هرگز عملاً انجام نشد.
گالیله با خو فکر کرد که اگر گلوله ای از نوک دکل کشتی رها شود، در پای دکل به زمین می رسد نه در وسط عرشه ی کشتی، در حالی که کشتی در حرکت است. بدیهی است که گلوله با همان سرعت حرکت کشتی، حرکت می کند. بنابراین در هنگام سقوط گلوله از نوک دکل، فقط نیروی گرانش بر آن وارد نمی شود. بلکه نیروی حرکت رو به جلو کشتی نیز بر آن اثر می کند.
آشکار بود که این بار هم گالیله درست می گفت .هزاران سال بود که مردم در دریا سفر می کردند و هیچ کس ندیده بود که جسمی از نوک دکل مستقیماً به طرف پایین سقوط کند ودر فاصله زیادی از پای دکل فرود بیاید.

گلوله های توپ

گالیله بر آن شد که با استفاده از یافته های خود حرکت پرتابه ای را که از توپ شلیک می شد، توصیف کند.
او استدلال خود را چنین آغاز کرد که دو نیرو بر گلوله ی توپ اثر می کنند: نیروی گرانش و نیروی محرک ناشی از انفجار در داخل لوله ی توپ.
این دو نقاشی که پیش از تولد گالیله کشیده شده اند، نحوه ی استفاده از عقاید ارسطو در امور جنگی را نشان می دهند. ارسطو می پنداشت که گلوله ی توپ در امتداد دو خط مستقیم حرکت می کند و بر فراز هدف از آسمان فرود می آید.
مسیر صحیح حرکت گلوله ی توپ در اثر گالیله، با عنوان «گفتارهایی در باب دو علم جدید» آمده است.
گالیله نشان داد که اگر نیروی گرانش لحظه ای نادیده گرفته شود، آن گاه نیروی انفجار به تنهایی سبب می شود که گلوله ی توپ با سرعت ثابت حرکت کند. این نکته بدیهی است، زیرا انفجار در داخل لوله ی توپ فقط یک بار روی می دهد و بعد از آن انرژی بیشتری به گلوله داده نخواهد شد. اما گالیله بر اساس آزمایشهای سقوط آزاد خود می دانست که گلوله ی توپ، بر اثر نیروی گرانش، به سمت زمین شتاب خواهد یافت.
او با انجام آزمایشهای دقیق نشان داد که نتیجه ی اثر این دو نیرو بر گلوله آن است که در راستای مسیری خمیده به نام سهمی حرکت کند. ابتدا گلوله به خط مستقیم از دهانه ی لوله توپ خارج می شود. و منحنی مسیر آن به تدریج از این خط مستقیم فاصله می گیرد و به طرف زمین خم می شود. گالیله با صدها بار تکرار این آزمایش نشان داد که برد گلوله ی توپ هنگامی حداکثر است که لوله ی توپ، در هنگام شلیک، با افق زاویه ی 45 درجه تشکیل می دهد.
در این میان ضربه های دیگری به شرح اولیه ی ارسطو از عالم، در شرف نواخته شدن بود.
در سال 1597، یوهان کپلر، دانشمند آلمانی کتابی با عنوان راز کیهان منتشر کرد. این کتاب آشکارا در دفاع از نظریه ی کوپرنیک در مورد عالم بود. کتاب کپلر بر مفهوم عاملی با چند سیاره، از جمله زمین، مبتنی بود که همگی دور خورشید گردش می کردند.
کپلر از کار گالیله مطلع بود و فکر می کرد که ممکن است کتاب او به دعوای ضد ارسطو کمک کند. او نسخه ای از کتاب خود را برای گالیله ارسال کرد. دانشمند ایتالیایی به همکار آلمانی خود نامه نوشت و کار او را ستود و نظریه های انقلابی او را تأیید کرد. اما هنگامی که کپلر به نامه ی گالیله پاسخ گفت و از او خواست که پشتیبانی خود را علناً اظهار کند، گالیله جوابی نداد.
شاید این کار تا حدودی مزورانه به نظر برسد، اما گالیله به سادگی می کوشید از رو در رویی با مقامات کلیسا پرهیز کند. کپلر در آلمان زندگی می کرد که از قلمرو نفوذ و اقتدار کلیسای خودکامه ی کاتولیک رومی کاملاً دور بود. گالیله در پادوئا، بیخ گوش رُم در کانون غلیان افراطیون بود. در آن زمان هنوز برای اعلام آشکار دیدگاههای ضد ارسطویی خود در برابر جمع آماده نبود.
منبع: گالیلو گالیله