پیشروی در تمام جبهه ها

بسیاری از روایات تاریخ علم، قرن هجدهم را دورانی توصیف می کنند که در طول آن بجز پیشرفت اساسی در شیمی که به شرح آن پرداختیم، واقعه مهم دیگری روی نداده است. از این قرن به عنوان دوره فترت یاد می شود که به نحوی در سایه نیوتون، تا پیشرفت های کلیدی قرن نوزدهم این پا و آن پا کرد. چنین تفسیری نشان عدم توجه است. در واقع پیشرفت در زمینه علوم فیزیکی در قرن هجدهم در جبهه گسترده ای ادامه داشت. بدون شک هیچ کشف فوق العاده ای که به تنهایی در سطح دستاوردهای نیوتون قرار گیرد روی نداد؛ اما انبوهی از دستاوردهای کم اهمیت تر با الهام از آموزه های نیوتونی مبنی بر اینکه جهان قابل درک است و توضیح آن با استفاده از قوانین فیزیکی ساده امکان پذیر است جذب و به کار برده شد. در واقع این آموزه آن قدر در سطح وسیع جذب شد که از این به بعد به استثنای چند مورد جالب شرح جزئیات زندگی خود دانشمندان دیگر امکان پذیر نیست.(1) نه به این خاطر که آنها در زمان های اخیرتر اساساً کمتر جلب توجه می کنند بلکه از آنجا که تعداد آنها بسیار زیاد است و بررسی زندگی تک تک آنها نیاز به تشریح گسترده ای دارد. بعد از درگذشت نیوتون، این خود علم است که ابتدا در علوم فیزیکی و سپس در سایر رشته ها مرکزیت پیدا می کند نه افرادی که در پیشرفت آن نقش داشته اند. به تدریج تشخیص بین رقاص و رقص سخت تر و سخت تر می شود.
در طول دو دهه پس از مرگ نیوتون استفاده از واژه «فیزیک» به جای «فلسفه طبیعت» برای تشریح این نوع تحقیق درباره جهان آغاز شد. اگر بخواهیم دقیق تر باشیم، این واژه تجدید حیات زاید واژگانی قدیمی بود، زیرا ارسطو و احتمالاً حتی قدیمی تر از آن استفاده کرده بودند؛ اما این واژه آغاز آنچه را که امروزه از علم فیزیک در نظر داریم مشخص می کند. یکی از اولین کتاب هایی که از این واژه به معنای امروزی آن استفاده کرد، مقالاتی در فیزیک نوشته پیتر فون موشنبروک (1761-1692) بود که در سال 1737 منتشر شد. در همین دهه فیزیک دان ها با پدیده اسرارآمیز الکتریسیته درگیر شدند. موشنبروک که در لیدن کار می کرد، در دهه 1740 دستگاهی اختراع کرد که می توانست مقادیر زیادی الکتریسیته را ذخیره کند. اختراع او به طور ساده محفظه ای شیشه ای (ظرفی شیشه ای) بود که لایه ای از فلز داخل و خارج آن را می پوشانید و شکل اولیه چیزی بود که امروز خازن نامیده می شود. ظرف شیشه ای لیدن قابلیت باردار شدن و ذخیره کردن الکتریسیته برای انجام آزمایش های بعدی را دارا بود. با اتصال تعدادی از آنها به وسیله سیم، جرقه بسیار شدیدی ایجاد می شد که برای کشتن یک حیوان کافی بود.

مطالعه الکتریسیته: استیون گری، شارل دوفه، بنجامین فرانکلین و شارل کولن

اما اولین گام ها برای درک الکتریسیته ساکن بدون به کارگیری ظروف شیشه ای لیدن انجام شد. استیون گری، آزمایشگر انگلیسی (1736-1670) تعدادی مقاله در مذاکرات فلسفی منتشر کرد. او در این مقالات تشریح کرد که چگونه با مالش لوله ای شیشه ای، چوب پنبه ای که در انتهای آن قرار دارد خواص الکتریکی پیدا می کند (امروز می گوییم باردار می شود)(2)، چگونه میله ای از چوب کاج که به چوب پنبه چسبیده است، اثرالکتریسیته را تا انتهای دیگر میله منتقل می کند و چگونه می توان این اثر را با استفاده از نخ های ظریف به فواصل زیاد منتقل کرد. گری و هم عصران او الکتریسیته های مورد نیاز خود را در هر زمان و هر کجا با اصطکاک به وجود می آوردند. برای این منظور آنها از ماشین های ساده ای استفاده می کردند که در آنها، کره ای از جنس سولفور در حالی که می چرخید مالش داده می شد (بعداً از کره های شیشه ای به جای سولفور استفاده شد). شارل دوفه (1739-1698) تا اندازه ای تحت تأثیر کار گری در اواسط دهه 1730 کشف کرد که دو نوع الکتریسیته وجود دارد (امروز آنها را بار مثبت و بار منفی می نامیم): آنهایی که شبیه هستند یکدیگر را جذب و آنهایی که مخالف هستند یکدیگر را دفع می کنند. گری و دوفه اهمیت مواد عایق را که از پخش الکتریسیته از اجسام باردار جلوگیری می کند نشان دادند. آنها همچنین نشان دادند که می توان هر چیزی را که عایق شده باشد باردار کرد. دوفه حتی به مردی که به وسیله طناب های ابریشمی عایق معلق شده بود بار الکتریکی داد و در بدن او جرقه ایجاد کرد. دوفه با نتیجه گیری از کارهای خود مدلی برای الکتریسیته پیشنهاد کرد که بر اساس دو شاره متفاوت استوار بود.
این مدل پس از ارائه مدل بنجامین فرانکلین (1790-1706) ابطال شد. گرایش های فرانکلین به الکتریسیته بسیار فراتر از آزمایش مشهور و پر خطر بادبادک بود (که در سال 1752 به منظور باردار کردن ظرف شیشه ای لیدن با این هدف انجام شد که ارتباط بین رعد و برق و الکتریسیته را ثابت کند) فرانکلین به رغم اشتغال به علایق و فعالیت های دیگر از اواسط دهه 1740تا اوایل دهه 1750 فرصت یافت تا آزمایش های بسیار مهمی انجام دهد (او از ظرف شیشه ای لیدن که به تازگی اختراع شده بود استفاده کرد). این آزمایش ها او را به ارائه مدل تک شاره ای الکتریسیته هدایت کرد که بنابر آن انتقال فیزیکی شاره وقتی اتفاق می افتد که جسمی دارای بار الکتریکی شود، به صورتی که یک سطح بار «منفی» و سطح دیگر بار «مثبت» پیدا کند (این واژه ها را او معرفی کرد).
مدل مذکور طبیعتاً او را به این ایده هدایت کرد که بار پایسته است. مقدار الکتریسیته همواره ثابت است ولی می تواند به این سو و آن سو جابه جا شود و به طور کلی مقدار بار منفی با مقدار بار مثبت برابر است. فرانکلین نشان داد که الکتریسیته می تواند سوزن های آهنی را مغناطیسی کند و یا از حالت مغناطیسی بیرون آورد که بازتابی از کار جان میچل (1793-1724)، دوست هنری کاوندیش بود که «آزمایش کاوندیش» را طراحی کرد. او این کار را قدری زودتر از فرانکلین انجام داده بود. میچل تا سال 1750کشف کرد که نیروی دور کننده ای که بین دو قطب هم نام مغناطیسی وجود دارد از قانون عکس مجذور پیروی می کند. اما اگر چه او نتایج کار خود را در همان سال در کتاب رساله ای درباره مغناطیس های مصنوعی منتشر کرد هیچ کسی به کار او توجه نکرد، همان طور که هیچ کس به کار فرانکلین، پریستلی و کاوندیش درباره پیروی نیروی الکتریکی از قانون عکس مجذور توجه چندانی نکرده بود. بعد از سال 1780 شارل کولن (1806-1736) بر مبنای کارهای پریستلی، آزمایش های قاطعی در مورد نیروهای الکتریکی و مغناطیسی، هر دو، انجام داد. او از ترازوهای پیچشی استفاده کرد و سرانجام همه پذیرفتند که هر دو نیرو از قانون عکس مجذور پیروی می کنند. از این جهت، این قانون در تاریخ به نام کولن ثبت شده است.
این موارد بار دیگر رابطه بین علم و فناوری را نشان می دهد. مطالعه الکتریسیته تنها زمانی به پیشرفت سریع نائل شد که ماشین های مولد الکتریسیته در دسترس قرار گرفت و لوازمی که قادر به ذخیره الکتریسیته بودند توسعه یافتند. قانون عکس مجذور، تنها با تکیه بر فناوری ترازوی پیچشی اثبات شد. اما بزرگ ترین کشف کلیدی در زمینه الکتریسیته، در قرن هجدهم، درست در پایان قرن روی داد که راه را برای کارهای مایکل فارادی و جیمز کلرک ماکسول در قرن نوزدهم هموار کرد، یعنی اختراع باتری الکتریکی که از یک کشف علمی تصادفی ناشی شد.

لوئیجی گالوانی، الساندرو ولتا و اختراع باتری الکتریکی

این کشف را لوئیجی گالوانی (1798- 1737) استاد کالبدشناسی و زایمان در دانشگاه بولونیا انجام داد. گالوانی چند آزمایش درباره ی الکتریسیته ی جانوران انجام داد و نتایج آن را در مقاله ای که در سال 1791 منتشر شد تشریح کرد. در این مقاله، او شرح داد که چگونه برای اولین بار پس از مشاهده ی تکان خوردن ماهیچه ی قورباغه ای که برای تشریح در روی میزی در کنار ماشین الکتریکی قرار داشت، به این موضوع علاقه مند شده است. گالوانی نشان داد که این تکان شدید را می توان با اتصال مستقیم ماهیچه های قورباغه مرده به ماشین، یا قرار دادن قورباغه در روی صفحه ای فلزی هنگام رعد و برق ایجاد کرد. اما مشاهده ی کلیدی او هنگامی بود که متوجه شد که چند پای قورباغه که برای خشک شدن به قلاب برنجی آویزان شده بود پس از تماس این قلاب برنجی به یک حصار آهنی به شدت تکان می خوردند. او با تکرار این آزمایش ها در داخل اتاق در حالی که هیچ چشمه ی خارجی الکتریسته در اطراف وجود نداشت نتیجه گرفت که این تکان های شدید بر اثر وجود الکتریستیه ای روی می دهد که در ماهیچه های قورباغه ذخیره یا ساخته شده است.
همه ی دست اندرکاران با او موافق نبودند. الساندرو ولتا ( 1827- 1745) استاد فیزیک تجربی دانشگاه پاویا در استان لومباردی درمقالاتی که در سال های 1792 و 1793 منتشر کرد، استدلال کرد که الکتریسته محرک انقباض ماهیچه هاست اما از منبع خارجی ناشی می شود- در این حالت از برهم کنش بین دو فلز (برنج و آهن) که با یکدیگر تماس می یابند. اشکال این ادعا اثبات آن بود. اما ولتا آزمایشگری درجه یک بود که تا آن زمان کارهای مهمی درباره ی الکتریسیته انجام داده بود (از جمله طراحی ماشین اصطکاک بهینه برای تولید الکتریسیته و دستگاهی برای اندازه گیری بار الکتریکی). او درباره ی گازها نیز کار کرده و موفق شده بود مقدار اکسیژن هوا را با استفاده از انفجار آن با هیدروژن اندازه گیری کند. او برای بررسی این کار جدید، توانایی کامل داشت.
ولتا ابتدا ایده های خود را با تماس دادن جفت های مختلفی از فلزات با یکدیگر و لمس کردن آنها به وسیله ی زبان خود آزمود. او احساس کرد که جریان های الکتریکی بسیار ضعیفی وجود دارد که نمی توان آنها را با دستگاه های اندازه گیری موجود تشخیص داد. در حالی که او این آزمایش ها را به منظور یافتن روشی برای تشدید این اثر، به طوری که احساس شدیدتری در زبان ایجاد کند، انجام می داد کارش به علت کشمکش های سیاسی متوقف شد. در نتیجه ی انقلاب فرانسه، اتریش و فرانسه برای تصرف لومباردی به مقابله پرداختند اما در سال 1799، ولتا برای حل معما دستگاه سودمندی ابداع کرد. او در این مورد نامه ای به جوزف بنکس، رئیس انجمن سلطنتی نوشت که در جلسه ی انجمن در سال 1800 خوانده شد.
ابداع کلیدی او، به اصطلاح، پیلی متشکل از صفحات نقره و روی بود که متناوباً روی هم قرار گرفته بودند و قشری از مقوای آغشته به آب نمک آنها را از هم جدا می کرد. دستگاهی که به پیل ولتا مشهور شد، پیش درآمد باتری امروزی بود و اگر بالا و پایین پیل به وسیله ی سیمی متصل می شد، جریان الکتریکی به وجود می آورد. این باتری برای اولین بار جریان الکتریکی کم و بیش پایداری ایجاد کرد، در حالی که ظرف شیشه ای لیدن، الکتریسیته ی ذخیره شده را یک جا تخلیه می کرد و امکان استفاده از آن به عنوان دستگاهی پایدار وجود نداشت. پیش از اختراع ولتا، مطالعه ی الکتریسیته بیشتر به بررسی الکتریسیته ی پاپا محدود می شد؛ پس از سال 1800، فیزیک دان ها می توانستند با جریان های الکتریکی کار کنند که قادر به روشن و خاموش کردنشان بودند. آنها همچنین می توانستند با افزودن صفحاتی به پیل، جریان را تقویت و با کاهش تعداد صفحات آن را کاهش دهند. پژوهشگران دیگر دریافتند که با استفاده از جریان این پیل می توان آن را به اکسیژن و هیدروژن تجزیه کرد، اولین نمونه در این رابطه که چگونه این اختراع به ابزار پر قدرتی برای توسعه ی علم منجر شد. اگر چه باید برای پیگیری پیامدهای موضوع تا فصل 11 صبر کنیم، اما اهمیت کار ولتا فوراً بر همه آشکار شد و پس از آنکه فرانسه کنترل لومباردی را در سال 1800 به دست گرفت، ناپلئون به ولتا لقب کنت اعطا کرد.
گرچه مدتی به طول انجامید تا فیزیک دانان بر الکتریسیته مسلط شوند اما بسیاری از ایده های قرن هجدهم به طرز شگفت آوری جدید به نظر می آیند حتی اگر در آن زمان به اندازه ی کافی توسعه نیافته و ارزش آنها شناخته نشده باشد. به عنوان مثال در اوایل سال 1738، دانیل برنولی (1700-1782)، ریاضی دان هلندی کتابی درباره ی هیدرودینامیک منتشر و رفتار مایعات و گازها را بر حسب برخورد اتم ها به جداره های محفظه ی آنها توصیف کرد. این نحوه ی تشریح به نظریه ی جنبشی گازها شباهت بسیار داشت که به نحو کامل تری در قرن نوزدهم توسعه یافت و البته بیشتر بسط ایده های نیوتون درباره قوانین حرکت بود. این قبیل ایده ها حتی از نظر جغرافیایی نیز گسترش یافت. در سال 1743درست پنج سال پس از آنکه برنولی کتاب ارزشمند خود را منتشر کرد، بنجامین فرانکلین در کنار شخصیت های برجسته زمان خود، انجمن فلسفی فیلادلفیا را بنیان گذاشت. این اولین انجمن علمی در کشوری بود که اکنون ایالت متحده آمریکا نامیده می شود و بذر کوچکی بود که در نیمه دوم قرن بیستم به شکوفایی بزرگ علم در این کشور انجامید.

پیر-لویی دو موپرتویی: اصل کمترین کنش

یکی از مهم ترین بینش های کل علم که ارزش واقعی آن در طول قرن بیستم آشکار شد را پیر-لویی دو موپرتویی (1759-1698) در سال 1744 بیان کرد. موپرتویی پیش از آنکه به علم روی بیاورد سرباز بود؛ ایده بزرگ او تحت عنوان اصل کمترین کنش معروف است. کنش نامی است که فیزیک دان ها به خاصیتی از جسم می دهند که بر حسب تغییر مکان و تکانه اندازه گیری می شود (به این معنا که جرم، سرعت و فاصله پیموده شده توسط ذره را به یکدیگر پیوند می دهد). اصل کمترین کنش می گوید که طبیعت به گونه ای عمل می کند که این کمیت را کمینه کند (به عبارت دیگر طبیعت تنبل است). بعداً معلوم شد که این اصل در مکانیک کوانتومی از اهمیت بسیاری برخوردار است. اما ساده ترین نمونه اصل کمترین کنش آن است که نور همیشه در راستای مستقیم حرکت می کند.

لئونهارت اویلر: تشریح ریاضی شکست نور

لئونهارت اویلر (1783-1707) شهروند سوئیسی که پردامنه ترین کارها را در زمینه ریاضی انجام داده است و حروف e و i را در مفاهیم جدید ریاضی وارد کرد در سال 1746 نظریاتی در تشریح ریاضی شکست نور ارائه کرد. او با این هدف مانند هویگنس فرض کرد که نور، موج است و هر رنگ آن با طول موج متفاوتی ارتباط دارد. اما در آن زمان از این مدل ضد نیوتونی استقبال چندانی نشد.(3) هیبت نیوتون باعث شده بود که مدل موجی نور نادیده گرفته شود؛ ایده های دیگر هم به این جهت از بین رفتند که دانشمندانی کم شهرت در گوشه و کنار جهان آنها را بیان می کردند. نمونه کلاسیک این موضوع میخائیل واسیلوویچ لومونوسف (1765-1711) دانشمند همه فن حریف روس بود که ایده های نیوتونی اتم را توسعه داد، نظریه جنبشی شبیه نظریه برنولی ارائه کرد و در حدود سال 1748 قوانین پایستگی جرم و انرژی را فرمولبندی کرد. اما کار او تقریباً در خارج از روسیه و تا مدت ها پس از مرگش ناشناخته بود.

توماس رایت: گمانه زنی ها درباره راه شیری، کشفیات ویلیام و کارولین هرشل، جان میچل

ایده هایی نیزدرباره اخترشناسی مطرح شد که از زمانه خود جلوتر بود. توماس رایت (1786-1711) اخترشناس از دورام در سال 1750 کتابی با عنوان نظریه ای بدیع و فرضیه ای جدید درباره جهان منتشر کرد. او در این کتاب ظاهر راه شیری را این گونه شرح می دهد که خورشید جزئی از تیغه ای ضخیم از ستارگانی است که او آن را به چرخ آسیاب تشبیه کرد. این همان رایت بود که «شغل روزانه»اش به عنوان نقشه کش موجب شد با چارلز و هنری کاوندیش آشنا شود. در سال 1781، ویلیام هرشل (1822-1738) و کارولین هرشل (1848-1750) سیاره اورانوس را کشف کردند. کشف این سیاره در آن زمان به عنوان اولین سیاره ای که از نظر قدما پنهان مانده بود، هیجان زیادی ایجاد کرد ولی کوچک ترین اشاره ای به کشفیاتی که در آن سوی مرزهای منظومه شمسی انجام گرفت نشد. یکی از دوستان خوب کاوندیش به نام جان میچل (1793-1724) اولین کسی بود که به ایده چیزی که اکنون سیاهچاله می نامیم دست یافت. مقاله مربوط را هنری کاوندیش، به نمایندگی از سوی جان میچل در سال 1783 در انجمن سلطنتی خواند.(4) ایده میچل بر پایه این واقعیت آشنا استوار بود که سرعت نور محدود است و هر قدر جرم جسمی بیشتر باشد، سرعت گریز از نیروی گرانش آن بیشتر خواهد بود. برای اینکه تصوری از وضع کاوندیش خجول در حال خواندن مقاله در سالنی مملو از جمعیت داشته باشیم بخش کوتاهی از مقاله را ذکر می کنیم:
اگر در طبیعت اجسامی وجود داشته باشند که چگالی آنها کمتر از چگالی خورشید و قطر آنها بیش از 500 برابر قطر خورشید باشد در این صورت امکان دارد که نور آنها به ما نرسد... ما هیچ اطلاعی از درون این جسم نخواهیم داشت؛ با این وجود اگر اجسام نورانی در حال دوران به دور این جسم باشند، شاید بتوانیم از بررسی حرکت آنها به وجود آن جسم مرکزی پی ببریم.
در واقع اکنون اخترشناسان با به کارگیری این روش، یعنی مطالعه حرکت اجسام درخشانی که به دور سیاهچاله ها می گردند، وجود آنها را تشخیص می دهند.
اینکه شخصی قبل از پایان قرن هجدهم به ایده سیاهچاله ها دست یافت، خود موضوع شگفت آوری است (در حالی که ما عادت داریم این طور فکر کنیم که این مورد اساساً مربوط به اندیشه های قرن بیستم است). اما شگفت تر آنکه شخص دیگری به طور مستقل پیش از پایان قرن به همین ایده دست یافت. این شخص پیر سیمون لاپلاس بود و به جا است که ما با گام های آهسته تر در شرح داستان خود پیش برویم تا با آسودگی خاطر قدری بیشتر زندگی حرفه ای مردی را بررسی کنیم که گاهی اوقات «نیوتون فرانسه» نامیده می شود و دریابیم که وضع فیزیک در پایان قرن هجدهم چگونه بوده است.

پیرسیمون لاپلاس،«نیوتون فرانسه»: شرح زندگی او

لاپلاس در 28 مارس سال 1749 در بومون اوژ در نزدیکی شهر کان در ایالت کالوادوس در منطقه نرماندی متولد شد. از دوران کودکی او اطلاع کمی در دست است و حتی اطلاع چندانی درباره زندگی خصوصی او نداریم. پاره ای از روایت ها حکایت از آن دارد که او در خانواده کشاورز کم درآمدی به دنیا آمد. اما اگر چه خانواده او ثروتمند نبودند، بدون تردید زندگی مرفهی داشتند. پدر او که او هم پیر نام داشت به تجارت آب سیب الکلی (سایدر) اشتغال داشت، گر چه کسب و کارش گسترده نبود. او علاوه بر این شغل، به عنوان قاضی محلی نیز کار می کرد و بنابراین آشکارا در جامعه خود صاحب مقام بود. مادر او ماری-آن از خانواده کشاورز مرفه ناحیه تورژویل می آمد. درست همان طور که به لاپلاس نام پدرش را دادند، خواهر او که در سال 1745 متولد شد نیز نام مادر خود، ماری- آن را به ارث برد. لاپلاس روزها به مدرسه کالج محلی می رفت که بندیکتین ها آن را اداره می کردند و احتمالاً قصد پدرش این بود که او کشیش شود. او از سال 1766 تا 1768 در دانشگاه کان به تحصیل پرداخت و به نظر می رسد که در همین دوران از استعداد خود در زمینه ریاضی آگاه شد. هنگام تحصیل در کالج توانست هزینه های شخصی خود را با تدریس به عنوان معلم خصوصی تأمین کند. بر اساس اطلاعات موجود، او مدت کوتاهی به عنوان معلم خصوصی نزد مارکی دریسی کار کرده است. این همان مارکی بود که در زندگی ژرژ کوویه نقش مهمی ایفا کرد. لاپلاس بدون دریافت مدرک تحصیلی شهر کان را ترک گفت و به پاریس رفت. او از سوی یکی از استادان خود، توصیه نامه ای برای ژان دالامبر (1783-1717) در دست داشت. دالامبر یکی از مهم ترین ریاضی دانان فرانسه و یکی از برجسته ترین اعضای آکادمی در آن زمان بود. دالامبر به قدری تحت تأثیر توانایی های لاپلاس قرار گرفت که شغلی با عنوان استاد ریاضی مدرسه نظامی برای او پیدا کرد. اما در واقع وظیفه او تدریس مبانی اولیه ریاضی به افسران جوانی بود که علاقه ای به درس خواندن نداشتند. او از سال 1769 تا 1776 در این پست باقی ماند و با انتشار چند مقاله به شهرت رسید. (مانند موارد مشابه به جزئیات ریاضی نمی پردازیم). او در سال 1773 به عضویت آکادمی انتخاب شد.
لاپلاس به موضوع احتمالات علاقه داشت و گرایش او به ریاضیات او را به بررسی مسائل منظومه شمسی مانند جزئیات مدارهای سیاره ها و گردش ماه به دور زمین هدایت کرد. آیا این مدارها تصادفی هستند؟ یا خواص آنها دلایل فیزیکی دارد؟ به عنوان مثال لاپلاس در سال 1776 ماهیت مدار ستاره های دنباله دار را بررسی کرد. همه سیاره ها در یک جهت و در یک صفحه (دایره البروج) به دور خورشید می گردند. این مورد دلیل نیرومندی است (به زودی خواهیم دید تا چه اندازه نیرومند) که همه سیاره ها بر اساس فرایند فیزیکی مشابهی شکل گرفته اند. اما ستاره های دنباله دار در همه جهات و زوایا به دور خورشید می گردند (دست کم با معیار مشاهده چند ده ستاره دنباله داری که مدارهای آنها در آن زمان شناخته شده بود). مشاهدات ستاره های دنباله دار نشان می دهد که آنها سرچشمه مشترکی ندارند، واقعیتی که ریاضی دانان پیش از لاپلاس به آن پی برده بودند. اما لاپلاس به عنوان یک ریاضی دان آن قدرها به نتایج علاقه نداشت، بلکه می خواست بداند که چگونه مدارهای ستاره های دنباله دار به این صورت در آمده است؛ او تحلیل دقیق تری انجام داد و از طریق احتمالات نشان داد که احتمال وجود نیرویی که موجب انتقال ستاره های دنباله دار به صفحه دایره البروج باشد بسیار کم است. لاپلاس در اواسط دهه 1770 برای اولین بار به بررسی رفتار مدارهای مشتری و زحل علاقه مند شد.(5) مدارهای این دو سیاره در دراز مدت اندکی جا به جا می شدند که ظاهراً با استفاده از نظریه گرانش نیوتون قابل توضیح نبود. نیوتون پیشنهاد کرده بود که پس از مدت زمانی (تنها چند صد سال!)، دخالت خداوند برای قرار دادن مدارهای سیاره ها در جای خود و جلوگیری از متلاشی شدن منظومه شمسی ضروری خواهد بود. اولین تلاش لاپلاس برای حل این معما به نتیجه نرسید. اما او در دهه 1780 به این مسئله بازگشت و قاطعانه نشان داد که این تغییرات به اصطلاح دنیوی را می توان در چارچوب نظریه نیوتون توضیح داد. او نتیجه گرفت که این تغییرات در اثر تأثیر متقابل دو سیاره نسبت به یکدیگر به وجود می آید. این تغییرات، دوره ای 929 ساله دارند که پس از آن دو سیاره در مدارهای اولیه خود قرار می گیرند. بنابراین منظومه شمسی در نهایت پایدار است (دست کم در مقیاس های زمانی نه چندان طولانی). طبق بعضی نقل قول ها زمانی که ناپلئون از لاپلاس پرسید که چرا خدا در تحلیل این تغییرات دنیوی ظاهر نمی شود او پاسخ داد: «من نیازی برای این فرضیه نمی بینم.»
لاپلاس در زمینه نظریه جذر و مد کار کرد و توضیح داد که چرا دو جذر و مد در یک روز ارتفاع تقریباً یکسانی دارند (محاسبات ساده تر «پیش بینی می کند» که ارتفاع یکی از این جذر و مدها باید بسیار بیشتر از دیگری باشد.) او همچنین ایده های خود را در مبحث احتمالات برای حل مسائل عملی مانند برآورد جمعیت کل فرانسه بر مبنای نمونه ای از آمار تولد توسعه داد و چنانچه دیدیم با لاووازیه (که در حدود شش سال از او بزرگتر بود و در اوج شهرت خود قرار داشت) در زمینه مطالعه گرما همکاری کرد. مورد جالب درباره وضعیت علم در اواسط دهه 1780 آن است که لاووازیه و لاپلاس، هر چند هر دو بی تردید از بزرگ ترین دانشمندان زمان خود بودند، نتایج آزمایش های خود را هم به صورت مدل قدیمی کالریک گرما (که به زودی درباره آن صحبت خواهیم کرد) و هم با استفاده از نظریه جدید جنبشی مورد بحث قرار دادند. آنها هشیارانه از گزینش یکی از این دو مدل اجتناب کردند و حتی نظر دادند که شاید هر دو مدل به طور هم زمان مؤثر باشند.
در سال 1788 روزنه ای به زندگی خصوصی لاپلاس می یابیم. در 15 ماه مه، در حالی که او دیگر به عنوان عضو برجسته آکادمی کاملاً جا افتاده بود با ماری شارلوت دوکورتی دو رومانژ ازدواج کرد. آنها صاحب دو فرزند شدند. پسرشان به نام شارل امیل در سال 1789 به دنیا آمد، ژنرال شد و بی آنکه صاحب فرزند شود در سال 1874 در گذشت؛ دخترشان به نام سوفی-سوزان در سال 1813 هنگام به دنیا آوردن دخترش (که زنده ماند) فوت کرد. تقریباً در همان دوران ازدواج بود که لاپلاس مطالعه اساسی خود را درباره حرکت سیاره ها آغاز کرد. او علاوه بر توضیح در همان دوران ازدواج بود که لاپلاس مطالعه اساسی خود را درباره حرکت سیاره ها آغاز کرد. او علاوه بر توضیح غیر دینی تغییرات مدارهای مشتری و زحل، معمای تغییرات مشابهی را در مورد ماه به دور زمین حل کرد که از مدت ها پیش بدون راه حل مانده بود. او نشان داد که این تغییرات، نتیجه برهم کنش پیچیده بین خورشید از یک سو و سیستم ماه-زمین و تأثیر گرانشی سیاره های دیگر بر روی مدار زمین از سوی دیگر است. او در آوریل سال 1788 اعلام کرد (او از واژه «دنیا» برای آنچه ما منظومه شمسی می نامیم استفاده کرد):
سیستم دنیا در حول حالت بینابینی نوسان می کند و بجز با مقادیر بسیار کم از آن منحرف نمی شود. این سیستم به علت ساختار خود و قانون گرانی، از وضع پایداری بر خوردار است که تنها بر اثر دخالت عوامل خارجی از بین می رود. ما مطمئن هستیم که این اثرات از زمان قدیمی ترین مشاهدات تاکنون غیر قابل تشخیص بوده است.(6)
ما درباره زندگی خصوصی لاپلاس چیز زیادی نمی دانیم، اما او آشکارا به خوبی دوام آورد. یکی از دلایلی که موجب شده است تا از زندگی خصوصی او چیز زیادی ندانیم آن است که او هرگز از هر دولتی که سر کار بود علناً انتقاد نمی کرد و در سیاست درگیر نمی شد. او از حکومت های متعددی که پس از انقلاب فرانسه بر سر کار آمدند جان سالم به در برد، در حالی که بیشتر این حکومت ها بسیار مایل بودند تا با او به عنوان نماد علمی فرانسه همکاری کنند. در تنها موردی از دوران وحشت پس از انقلاب که ممکن بود جان لاپلاس به خطر بیفتد، او متوجه شد که باد از چه سویی می وزد و با هوشیاری با خانواده خود به ملون در 50 کیلومتری جنوب غربی پاریس پناه برد. او تا سرنگونی رژیم ژاکوبن ها خود را از انظار دور نگه داشت. سپس به پاریس فرا خوانده شد تا برای تجدید ساختار علم زیر نظر حکومت موقت کار کند.
لاپلاس قبل از دوران ژاکوبن ها راجع به سیستم متری کار کرده بود؛ اکنون وظیفه او این بود که اصلاحاتی در سیستم آموزشی فرانسه به عمل آورد که شامل آموزش صحیح علم باشد. انجام این وظیفه او را به نوشتن یکی از اثرگذارترین کتاب های تاریخ علم هدایت کرد. این کتاب نمایش سیستم دنیا (Exposition du systeme du Monde) نام داشت و در سال 1796 در دو جلد منتشر شد. اهمیت مقام لاپلاس و مهارت او برای تعقیب جهت باد موجب شد که او زیر نظر دولت ناپلئون کار کند. ناپلئون او را در سال 1806 به مقام کنت مفتخر کرد. اما او طرفدار برقراری دوباره سلطنت باقی ماند و در سال 1817، لویی هجدهم به او لقب مارکی دو لاپلاس داد. با این وجود که او پیوسته در زمینه ریاضی کار کرد و در طول عمر طولانی خود (او در سال 1827 درگذشت) افتخارات زیادی به دست آورد، اما از نظر توسعه علم، نمایش سیستم دنیا مهم ترین دستاورد او باقی خواهد ماند. این کتاب با جمع بندی دانش فیزیک در پایان قرن هجدهم هنوز کتاب با ارزشی است. اهداکننده کتاب در روی صفحه اول یک جلد از این کتاب در سال 1798 به کالج نیوجرزی آمریکا (دانشگاه پرینستون کنونی) تقدیم کرده است چنین نوشته است:
این رساله، اگر موضوع و دامنه آن را در نظر بگیریم، روشنی، نظم و دقت را با هم جمع آورده است (در حدی فراتر از هر کتابی که تا کنون منتشر شده است). مطالب آن آشنا است، بی آنکه مبهم باشد؛ دقیق است بی آنکه پیچیده باشد؛ به نظر می رسد که مطالب آن از منبع بزرگی سرچشمه گرفته باشد که در فکر نویسنده انباشته شده است؛ و این مطالب با یک جوهر واقعی فلسفی درآمیخته است.(7)
پایه اساسی فلسفی آن را خود لاپلاس در کتاب بزرگش تشریح کرد و آوای آن امروز با حقیقت بیشتری نسبت به دو قرن گذشته طنین می اندازد:
سادگی طبیعت چیزی نیست که با مفاهیم ما قابل اندازه گیری باشد. اثرات طبیعت بی نهایت متغیر و علل آن ساده است. اقتصاد آن در این است که تعداد محدودی قوانین عمومی قادرند پدیده های بسیاری را که اغلب بسیار پیچیده اند توضیح دهند.
این ندای تجربه شخصی است که پیچیدگی های منظومه شمسی را به وسیله قانون ساده گرانی نیوتون توضیح داد.
دامنه جمع بندی فیزیک توسط لاپلاس از اخترشناسی سیاره ها، حرکت مداری و گرانی تا مکانیک و هیدرواستاتیک گسترده است و او در پایان، چند ایده جدید عرضه می کند. یکی از آنها که «فرضیه سحابی» نام دارد در مورد سرچشمه منظومه شمسی است که امانوئل کانت (1804-1724) نیز در سال 1755 درباره آن فکر کرده بود؛ گر چه هیچ نشانی وجود ندارد که لاپلاس از کار نسبتاً گمنام کانت آگاه بوده باشد. طبق این ایده، سیاره ها از موادی که به صورت ابر دور خورشید را فرا گرفته اند تشکیل شده اند. این مواد ابتدا به صورت ابر یا سحابی در صفحه ای گرد آمده و سپس به هم فشرده شده اند. در آن زمان هفت سیاره و چهارده قمر شناخته شده بود که همگی به دور خورشید در یک جهت دوران می کردند. در آن زمان همچنین می دانستند که هشت تا از این سیستم ها، علاوه بر دوران به دور خورشید به دور محور خود نیز می چرخند. اگر به عنوان مثال از روی زمین به قطب شمال نگاه کنیم می بینیم که زمین در جهت مخالف عقربه ساعت به دور محور خود می چرخد در حالی که این سیاره در جهت مخالف عقربه ساعت به دور خورشید دوران می کند. لاپلاس محاسبه کرد که چون احتمال آنکه جهت دوران در هر مدار به جای اینکه در جهت «عقب» باشد، رو به «جلو» باشد، 1 به 2 است، احتمال آنکه چنین رویدادی تصادفی نبوده باشد است یعنی عددی که آن قدر نزدیک به 1 است که نشان می دهد این سیاره ها قطعاً هم زمان شکل گرفته اند و بهترین راه برای توضیح این موضوع استفاده از فرضیه سحابی است. در واقع امروز هم این مدل هواداران بیشتری دارد.
ایده جدید دیگر البته تفسیر لاپلاس از سیاهچاله ها بود. جالب توجه است که بحث درباره این موضوع (که بسیار شبیه به تشریح میچل ولی بسیار موجزتر بود) تنها در اولین چاپ کتاب نمایش ظاهر شد؛ اطلاعی از اینکه چرا لاپلاس آن را در چاپ های بعدی کتاب حذف کرد در دست نیست. فرضیه او درباره ستاره های تاریک بر این مبنا استوار است که جسمی با قطر 250 برابر قطر خورشید و با چگالی معادل چگالی زمین دارای چنان جاذبه گرانشی شدیدی خواهد بود که حتی نور می تواند از آن بگریزد.(8) در حقیقت این مورد تنها نوعی کنجکاوی تاریخی است و این گمان تأثیری در توسعه علم در قرن نوزدهم نداشت. اما کتاب لاپلاس، به طور کلی، نه تنها به خاطر محتوا بلکه به علت روشنی و سبک ساده خود تأثیرگذار بود. نمونه ای از این سبک که خواننده را جذب می کند در سرآغاز کتاب آمده است:
اگر در شبی صاف و در جایی که تمام افق قابل مشاهده باشد، منظره آسمان ها را دنبال کنید، خواهید دید که این منظره هر لحظه تغییر می کند. ستاره ها خود را نشان می دهند و غروب می کنند. بعضی ابتدا خود را در شرق نشان می دهند و بعضی در غرب ناپدید می شوند. بعضی هم مانند ستاره قطبی و دب اکبر هیچ گاه در منطقه ای که ما در آن زندگی می کنیم، در افق آشکار نمی شوند.
چطور ممکن است کسی تحت تأثیر این جملات قرار نگیرد!
داستان لاپلاس تقریباً به کلی مربوط به علم است و موارد ناچیزی از آن به شخص او مربوط می شود. گر چه مواردی در کتاب نمایش عرض اندام می کند اما گمان نکنید که فیزیک در پایان قرن هجدهم (حتی اگر بقیه علم را کنار بگذاریم) دیگر به برنامه ای عادی و خسته کننده تبدیل شده بود. هنوز «شخصیت های» زیادی این طرف و آن طرف وجود داشتند و در میان همه فیزیک دانان قرن هجدهم، کسی که پر تحرک ترین زندگی حرفه ای را داشت، بنجامین تامپسون بود (که بعداً کنت رامفورد نامیده شد). او کارهای مهمی در زمینه علم، به ویژه مطالعه گرما انجام داد و در عین حال سهم مهمی در اصلاحات اجتماعی داشت، گر چه انگیزه این گرایش او نه جنبه سیاسی بلکه جنبه عملی داشت. در واقع به نظر می رسد که تامپسون فرصت طلبی بود که بیشتر به دنبال منافع شخصی بود و طنز قضیه آنجاست که بهترین راهی که او برای کسب مقام و ثروت پیدا کرد این بود که به دیگران نیکی کند. اما از آنجا که زندگی حرفه ای او نیم نگاهی هم به انقلاب آمریکا و هم جنبش های سیاسی اروپا در پایان قرن هجدهم دارد (به رغم اینکه داستان زندگی او به خودی خود جالب است)، به جاست که قدری بیشتر از آنچه به سهم علمی او اختصاص دارد، به شرح رویدادهای آن زمان بپردازیم.

بنجامین تامپسون (کنت رامفورد): زندگی او

تامپسون در 26 مارس سال 1753 به دنیا آمد. پدر او در ووبرن، ماساچوست (آمریکا) کشاورز بود. وی زمان کوتاهی پس از تولد پسرش درگذشت و مادر تامپسون دوباره ازدواج کرد و صاحب چند فرزند دیگر شد. گر چه بنجامین پسر کنجکاو و باهوشی بود اما خانواده او فقیر بود و قادر نبود امکان تحصیلی بجز آموزش پایه را برای او فراهم کند. او از سن 13 سالگی مجبور به کار شد تا زندگی این خانواده بزرگ را تأمین کند. او ابتدا به عنوان کارمند برای شرکت وارد کننده کالاهای خشک در بندر سلیم کار کرد. سپس از اکتبر سال 1769 در مغازه ای در شهر بوستون دستیار شد. بخشی از جذابیت بوستون برای این مرد جوان، امکان استفاده از کلاس های شبانه بود. در عین حال این شهر بستر آشوب و منبع هیجان برای افراد نوجوان هم سال او بود؛ اما او از کار خود غافل ماند (کاری که برای او بسیار خسته کننده بود) و به زودی کار خود را از دست داد: به گفته بعضی ها به دلخواه محل کار خود را ترک کرد و به گفته بعضی دیگر، عذرش خواسته شد. در هر صورت او سال 1770 را بیشتر در منزل در ووبرن گذراند، کار نداشت و وقت خود را بین سرگرمی های دوره جوانی و تلاش برای تحصیل انفرادی با کمک دوست قدیمی اش لوآمی بالدوین تقسیم کرد. تا اندازه ای به علت جذابیتی که داشت و تا حدودی به علت علاقه آشکارش به چیزی که در آن زمان هنوز (در این بخش از دنیا) فلسفه طبیعی نامیده می شد، پزشک محلی دکتر جان هی او را به عنوان کارآموز پذیرفت و او از این فرصت استفاده کرد تا هم برنامه مطالعات شخصی خود را دنبال کند و هم وظایفی را که بر عهده داشت انجام دهد. به نظر می رسد که تامپسون حتی در چند جلسه سخنرانی در دانشگاه هاروارد حضور داشته است، گر چه هیچ ارتباط رسمی با دانشگاه نداشت (به هر حال از آنجا که این ادعا بر پایه نقل قول های خود تامپسون است باید آن را همان طور که خواهیم دید با اندکی تردید نگاه کرد).
کارآموزی مستلزم هزینه بود. تامپسون برای اینکه بتواند هزینه کارآموزی را بپردازد چند کار پاره وقت تدریس قبول کرد. تدریس شامل آموزش خواندن، نوشتن و تا اندازه ای شمارش اعداد بود و او برای این کار نیاز به مدرک رسمی نداشت. از تابستان سال 1792به بعد، تامپسون از کارآموزی خسته شده بود و یا آن پزشک دیگر او را تحمل نمی کرد. در هر حال تامپسون به این فکر افتاد که آموزگاری تمام وقت بشود. او در شهر کنکورد در ایالت نیوهمپشایر به معلمی پرداخت. این شهر در مرز بین ایالت های ماساچوست و نیوهمپشایر واقع شده بود و پیش تر تحت عنوان رامفورد در ایالت ماساچوست شناخته می شد؛ نام این شهر در سال 1762 به عنوان اقدامی آشتی جویانه پس از کشمکش های سخت، در مورد اینکه این شهر به کدام ایالت تعلق دارد و به کدام ایالت باید مالیات بپردازد تغییر کرد. رئیس تامپسون در کنکورد، کشیش پروتستانی به نام تیموتی واکر بود. دختر واکر به نام سارا به تازگی با ثروتمندترین مرد این شهر به نام بنجامین رولف ازدواج کرده بود (سارا هنگام ازدواج 30 سال داشت و جوان نبود). رولف کوتاه زمانی پس از ازدواج در سن 60 سالگی درگذشت و ثروت زیادی به جای گذاشت. شغل کارآموزی از سایر مشغله های تامپسون کمتر طول کشید. او در ماه نوامبر سال 1772 با سارا واکر رولف ازدواج کرد، به یک آقامنش تبدیل شد و شروع به اداره اموال همسر خود کرد. او تنها 19 سال داشت، بنلد قد و خوش صورت بود و همیشه اذعان می کرد که این سارا است که زندگی آنها را می چرخاند. آنها صاحب فرزندی به نام سارا شدند که در 18 اکتبر سال 1774 به دنیا آمد. اما از آن زمان زندگی تامپسون در مسیر دیگری افتاد.
اشکال کار تامپسون آن بود که هرگز به آنچه داشت قناعت نمی کرد و همیشه بیشتر می خواست (دست کم تا ماه های آخر زندگی). تامپسون فرصت را برای کسب محبوبیت در نزد فرماندار محلی، جان ونتورث غنیمت شمرد. او پیشنهاد کرد که کاروانی علمی برای تهیه نقشه از کوه های سفید که نزدیک آنجا بود اعزام شود (این برنامه به جایی نرسید). او همچنین برنامه ای برای کشاورزی علمی آغاز کرد. اما همه این فعالیت ها در پس زمینه شورش هایی که به انقلاب آمریکا منجر شد انجام می گرفت. در اینجا مجال آن نیست که به جزئیات بپردازیم اما یادآوری این موضوع اهمیت دارد که یک رویارویی واقعی بین دو مکتب فکری وجود داشت و هر دوی آنها خود را به انگلستان وفادار می دانستند. تامپسون اقبال خود را به دست مقامات حاکمه سپرد و در این رابطه بود که در سال 1773 به طور غیر منتظره و تنها چند ماه پس از ازدواج به عنوان سرگرد در ارتش محلی نیوهمپشایر منصوب شد. مردمی که تحت استعمار بودند (برای استفاده از اصطلاحی بهتر) با آماده شدن برای نبردهایی که اجتناب ناپذیر به نظر می آمد، سربازانی را که از ارتش انگلستان می گریختند تشویق می کردند (گاهی اوقات با دادن رشوه) تا به آنها بپیوندند و برای نبردهایی که در پیش است آماده شوند؛ سرگرد تامپسون به عنوان مالکی که تماس های زیادی با کشاورزان منطقه داشت، برای زیرنظر داشتن این فعالیت ها در وضع ایده آلی بود. از آنجا که تامپسون در ابراز این عقیده خود کاملاً صریح بود که میهن دوستی واقعی به معنای اطاعت از حکومت قانون است و هر تغییری باید در چارچوب قوانین صورت گیرد، طولی نکشید که آنهایی که علیه رژیم سابق مشغول توطئه بودند از فعالیت های او آگاه شدند. تامپسون قدری پیش از کریسمس سال 1774، درست چند ماه پس از تولد دخترش، پس از آگاهی از آنکه توده مردم با هدف بدنام کردن و تهمت به او در حال یورش اند سوار بر اسب از شهر فرار کرد و دیگر به آنجا بازنگشت. او دیگر همسر خود را ندید اما چنانچه خواهیم دید، دخترش سارا دوباره وارد زندگی او شد.
تامپسون روانه بوستون شد و در آنجا آمادگی خود را برای خدمت به حکمران ماساچوست، ژنرال توماس کیج اعلام کرد. تقاضای او رسماً رد شد و تامپسون به ووبرن بازگشت. در واقع او اکنون در خدمت مقامات انگلیسی به جاسوس تبدیل شده بود و اخبار شورشیان را به ستاد فرماندهی در بوستون می رسانید. اما پس از چندی وضعیت او در ووبرن تحمل ناپذیر شد و در اکتبر سال 1775 به ارتش بریتانیا در بوستون پیوست. بیشتر افراد پادگان و سلطنت طلبان پس از آنکه در مارس سال 1776 توسط شورشیان از بوستون بیرون رانده شدند، با کشتی های بادی به سوی هالیفاکس در نوواسکوشیا (استانی در کانادای امروزی) پناه بردند. در همین حال، ویلیام براون که قاضی بود رسماً تلگراف هایی به لندن مخابره کرد و از شکست نیروهای بریتانیا خبرداد. سرگرد بنجامین تامپسون توانست خود را به نحوی جزء همراهان ویلیام براون جا بزند. در تابستان سال 1776به عنوان کارشناسی که اطلاعات دست اولی درباره توانایی های شورشیان آمریکایی دارد و سقوط بوستون را از منطقه تحت تسلط آمریکایی ها به چشم دیده است به لندن رسید. علاوه بر این، او خود را به عنوان یک آقامنش معرفی کرد که به خاطر وفاداری به آرمان بریتانیا املاک وسیعش را از دست داده است. با تکیه بر این خوش خدمتی ها و مهارت فوق العاده ای که در سازماندهی داشت، به زودی دست راست لرد جرج جرمین وزیر امور مستعمرات شد.
تامپسون در کار خود بسیار موفق بود. او در سال 1780معاون وزارت مستعمرات مناطق شمالی شد. اما داستان کار او به عنوان کارمند دولت، خارج از موضوع این کتاب است. به هر حال او به موازات این کارها به کارهای علمی نیز پرداخت و در اواخر دهه 1770 آزمایش هایی برای اندازه گیری نیروی حاصل از انفجار باروت انجام داد (موضوعی که آشکارا هم موضوع روز بود و هم مربوط به کارهای روزانه اش). او با انجام این آزمایش ها به عضویت انجمن سلطنتی در آمد. از سوی دیگر این آزمایش ها بهانه ای به دست تامپسون داد تا در تابستان سال 1779 به مدت سه ماه در مانور نیروی دریایی بریتانیا شرکت کند؛ گر چه او ظاهراً به مطالعه وضع توپخانه اشتغال داشت اما در واقع دوباره به صورت جاسوس، این بار در خدمت لرد جرمین کار می کرد. او گزارش های باورناپذیر (اما واقعی) از عدم توانایی و فساد نیروی دریایی به جرمین می داد و وی می توانست از آنها در جهت منافع سیاسی خود استفاده کند. در عین حال تامپسون کاملاً آگاه بود که با توجه به سیستم حمایت از افراد زیر دست که در آن زمان برقرار بود، آینده او کاملاً وابسته به جرمین است و اگر وی محبوبیت خود را از دست بدهد، او نیز سقوط خواهد کرد. از این رو شروع به فعالیت برای دستیابی به پست دیگری برای روز مبادا کرد.
تشکیل هنگی از نیروهای نظامی برای شخصی در سطح تامپسون اقدامی معمولی بود. پادشاه می توانست برای تقویت ارتش در موارد ضروری، فرمانی سلطنتی صادر کند. این فرمان به هر کسی اجازه می داد تا با هزنیه خود یک هنگ جمع آوری کند و خود افسر فرماندهی هنگ بشود. این کار پر هزینه ای بود (هر چند تامپسون می توانست از عهده آن بر آید) ولی این امتیاز را داشت که در پایان عملیات خصمانه، زمانی که هنگ منحل می شد، افسران می توانستند درجات خود را حفظ و نصف حقوقشان را تا پایان عمر دریافت کنند. به این ترتیب تامپسون در هنگ سواره نظام پادشاهی آمریکا سرهنگ دوم شد و افراد این هنگ توسط سرگرد دیوید موری در نیویورک جمع آوری شدند. اما در سال 1781 تظاهر تامپسون به سربازی ناگهان جنبه واقعی به خود گرفت. جاسوسی فرانسوی در حالی که جزئیات عملیات نیروی دریایی بریتانیا را به همراه داشت دستگیر و معلوم شد که منبع اطلاعات او مقامی مهم است که از جزئیات ناوگان بریتانیا آگاه است. تامپسون مورد سوءظن قرار گرفت، شایعات زیادی رواج یافت ولی اتهامی وارد نشد. ما هرگز حقیقت را نخواهیم دانست اما واقعیت این است که او به طور ناگهانی پست خود را در لندن ترک کرد و روانه نیویورک شد تا سهم فعالی در هنگ خود به عهده گیرد. نقش تامپسون در نبردها نه افتخارآمیز و نه موفق بود و در سال 1783 پس از شکست انگلیسی ها، او دوباره به لندن رفت. دوستان او در آنجا به حدی نفوذ داشتند تا برای او ترفیعی در سطح سرهنگ دست و پا کنند. به این ترتیب حقوق او پیش از آنکه پس از بازنشستگی نصف شود افزایش قابل ملاحظه ای یافت. او پس از این ترفیع درجه از توماس گینزبرو، نقاش معروف انگلیسی، خواست تا تصویری از او با لباس کامل نظامی تهیه کند.
کلنل تامپسون تصمیم گرفت که از این پس شانس خود را در قاره اروپا محک بزند. او پس از چند مسافرت و بررسی امکانات با ترکیبی از خوشرویی، شانس و پرگویی درباره داستان های خدمت نظامی خود توانست پستی به عنوان دستیار نظامی کارل تئودور، حکمران باواریا در آلمان پیدا کند. دست کم پستی به او پیشنهاد شد اما به طور خصوصی به او گوشزد شد که برای اجتناب از توهین به سایر اعضای خانواده دربار باواریا بهتر است که او پیش از تصدی سمت خود موافقت جرج سوم، پادشاه انگلستان را جلب کند. در هر صورت او می بایستی به عنوان سرهنگ ارتش برای خدمت در یک کشور خارجی از پادشاه کسب اجازه کند. تامپسون هنگام اقامت در لندن به پادشاه قبولاند که اگر او با لقب سِر به محل مأموریت خود برود نتیجه بهتری خواهد داشت. تقاضای او فوراً پذیرفته شد. تامپسون هر چه می خواست به دست می آورد. اما موفقیت او در این گستاخی تأثیرگذار بیشتر مدیون این مورد بود که انگلستان به شدت به بهبود روابط سیاسی خود با باواریا، با توجه به توسعه وضع سیاسی در فرانسه (در سال 1784) علاقه مند بود. این مورد هم بدیهی است و اصلاً تعجب آور نیست که سِر بنجامین با در نظر گرفتن سوابق خود پیشنهاد کرد که در باواریا به نفع انگلستان جاسوسی و گزارش های خود را به سِر رابرت کیت، سفیر انگلستان در وین ارائه کند.

اندیشه های تامپسون درباره همرفت

تامپسون در باواریا با موفقیت خارق العاده ای روبه رو شد. او در آنجا با به کارگیری اصول علمی، ارتشی را که تجهیزات ناچیزی داشت، از نظر اخلاقی ضعیف بود و چیزی بیش از هیاهو نبود به ماشینی کارآمد با روحیه ای قوی (گر چه این ماشین قدرت نبرد نداشت) تبدیل کرد. وظیفه او که غیر ممکن به نظر می آمد آن بود که تمام این اهداف را بدون نیاز به بودجه شاهزاده باواریا عملی سازد. او این کار را با به کارگیری علم انجام داد. سربازان به لباس نظامی نیاز داشتند. تامپسون نحوه انتقال گرما را از پارچه های مختلف مطالعه کرد تا از بین آنها ارزان ترین لباس را انتخاب کند. او در جریان این بررسی ها جریان های همرفتی را کشف کرد.(9) او متوجه شد که مایع (الکل) موجود در دماسنج های بزرگی که برای آزمایش های خود به کار می برد از وسط لوله بالا می رود و از جدار لوله پایین می آید. سربازان همچنین نیازمند اغذیه بودند و او به بررسی این موضوع پرداخت که چگونه می توان برای آنها غذای سالم و در عین حال مقرون به صرفه تهیه کرد. او به منظور تهیه لباس های نظامی، خیابان های شهر مونیخ را از گدا خالی کرد و آنها را (با معیارهای آن زمان) به کار گماشت. سپس برای آنها تجهیزات مناسب و کارگاه هایی آماده کرد که در آنجا می توانستند آموزش پایه ببینند و کودکان نیز باید به مدرسه می رفتند. او برای اینکه با حداقل هزینه، غذای سربازان را فراهم کند، برای آنها از سیب زمینی، سوپ مقوی تهیه کرد. در آن زمان سیب زمینی در این بخش از اروپا مورد استفاده قرار نگرفته بود. در نتیجه او مجبور شد تا برای هر سربازخانه باغچه ای برای کشت سبزیجات مورد نیاز فراهم آورد. به این ترتیب سربازانی که ارتش را ترک می کردند به کارهای مفید و توسعه مهارت های خود مشغول می شدند، موضوعی که موجب تقویت روحیه آنان شد. در شهر مونیخ، باغ سبزیجات در قسمتی از پارک بزرگی که امروز به نام پارک انگلیسی معروف است جایگزین شد. این پارک قبلاً پارک خصوصی آهوان شاهزاده بود و تبدیل آن باغ سبزیجات موجب افزایش محبوبیت تامپسون در میان مردم عادی شد.
تامپسون علاوه بر اختراعات بسیار دیگرش، برای اولین بار فر خوراک پزی را طراحی کرد که جایگزین اجاق های با شعله رو باز و کم بازده در آشپزخانه ها شد؛ او فرهای خوراک پزی قابل حمل برای استفاده در فضاهای باز ساخت؛ در فن ساخت لامپ ها اصلاحاتی به عمل آورد؛ و بعدها قهوه جوش های مناسبی را توسعه داد (تامپسون در تمام مدت عمر از مخالفان استعمال مشروبات الکلی بود و در عین حال از مصرف چای نیز دوری می کرد. او مصرف قهوه را به جای نوشابه های الکلی تشویق کرد). مقامی که در دربار داشت، او را پس از شاهزاده، قدرتمندترین فرد باواریا کرد و به زودی با درجه سرتیپی (به طور همزمان) مشاغل وزیر جنگ، وزیر پلیس، وزیرکشور و رئیس تشریفات دربار را به عهده گرفت. در سال 1792، شاهزاده باواریا راه دیگری برای مفتخر کردن هم دست خود یافت که بیشتر از هر شخص دیگر به او اعتماد داشت. در آن زمان آخرین میراث امپراتوری مقدس روم هنوز به صورت ائتلافی سست از کشورهای اروپای مرکزی، با یک «امپراتور» که تنها جنبه تشریفاتی داشت باقی مانده بود. در آن سال، امپراتور لئوپولد دوم درگذشت و در حالی که شاهزاده های کشورهای امپراتوری برای انتخاب جانشین او جمع شده بودند، با سیستمی که در آن زمان برای اداره موقت امپراتوری وجود داشت، کارل تئودور، شاهزاده باواریا، به سمت جانشین موقت امپراتوری مقدس روم منصوب شد. او از اول مارس تا 14 ژوئیه سال 1792 این پست را به عهده داشت و از این فرصت کوتاه برای تجلیل از اشخاصی که مورد توجه اش بودند استفاده کرد. به این ترتیب سرتیپ بنجامین تامپسون لقب کنت رامفورد گرفت (به زبان آلمانی گراف فون رامفورد، عنوانی دور از ذهن برای دانشمندی انگلیسی-آمریکایی)(10).
رامفورد (از این پس او را این طور خواهیم نامید) هنوز کاملاً نور چشمی شاهزاده تلقی می شد، اما موقعیت او به عنوان یک خارجی که به سرعت به مقامات بالا رسیده بود، دشمنان زیادی در دربار برای او به وجود آورد. کارل تئودور پیر بود و فرزند نداشت و از همان زمان، اطرافیان برای جانشینی اجتناب ناپذیر او دست به نیرنگ و مبارزه می زدند. رامفورد تا آن زمان آن قدر ترقی کرده بود که به نظر نمی رسید دیگر فرصتی برای بالارفتن از نردبان اجتماعی در برابرش باقی مانده باشد. او در آن هنگام 39 سال داشت و در حالی که افکارش به سوی امکان بازگشت به آمریکا متمایل می شد، به طور نامنتظره ای نامه ای از دخترش سارا که معمولاً سالی نامیده می شد دریافت کرد. همسر رامفورد درگذشته بود و سالی آدرس پدرش را از لوآمی بالدوین گرفته بود.
زمانی که فرانسوی ها به ناحیه راین در آلمان حمله کردند، در نوامبر سال 1792 بلژیک را اشغال کردند و باواریا را تهدید کردند، رامفورد حقیقتاً بسیار خسته شده بود، دیگر تاب تحمل نداشت و به ایتالیا سفر کرد. او رسماً بیمار بود ولی ملاحظات سیاسی نیز در تصمیم او تأثیر گذاشت. اقامت در ایتالیا برای او تا اندازه ای فرصتی برای استراحت و تجدید علایقش به علم بود (او از ولتا دیدار کرد که در جریان آزمایشی تأثیر الکتریسیته را در ایجاد تکان های شدید در پاهای قورباغه نشان می داد و بعد با چارلز بلگدن، دبیر انجمن سلطنتی و دوست هنری کاوندیش دیدار کرد). او از این فرصت همچنین برای برقراری روابط عاشقانه استفاده کرد (رامفورد در مصاحبت با خانم ها از هیچ چیز کوتاهی نمی کرد؛ او با چند خانم از جمله دو کنتس خواهر دوست بود که در برقراری رابطه با یکی از آنها با شاهزاده باواریا مشارکت داشت. او دست کم دو فرزند نامشروع داشت).
رامفورد شانزده ماه در ایتالیا گذرانید و در تابستان سال 1794 به باواریا بازگشت. او اراده کرده بود که نامی برای خود در علم باقی گذارد اما او مانند هنری کاوندیش نبود که تنها به اکتشافاتی بسنده کند که مورد تحسین قرار نگیرند. اوضاع سیاسی چندان تفاوت نکرده بود و برای اینکه کار رامفورد مورد توجه قرار گیرد، باید آثارش در انگلستان، ترجیحاً توسط انجمن سلطنتی منتشر می شد.
در پاییز سال 1795، شاهزاده باواریا به او شش ماه مرخصی داد تا برای این منظور به لندن سفر کند. رامفورد که دانشمند و دولتمرد شده بود و عنوان اشرافی را هم با خود به همراه داشت، از اقامت خود بهره زیادی برد و مرخصی شش ماهه را به یک سال افزایش داد. مانند همیشه کارها را با تعریف از خود، اشتغال به علم و خوش گذرانی در می آمیخت. او تحت تأثیر پدیده ابرهای سیاه ناشی از دوده قرار گرفت که در زمستان آسمان لندن را می پوشانید و از اطلاعات خود درباره همرفت برای طراحی نوعی بخاری بهینه استفاده کرد. او در این بخاری تاقچه ای در قسمت عقب دودکش در نظر گرفته بود به طوری که هوای سردی که از دودکش پایین می آمد با این تاقچه برخورد می کرد و با هوای گرمی که از آتش بر می خاست مخلوط می شد، بی آنکه دوده های سیاه آتش را به داخل اتاق ببرد (او بعداً درباره سیستم های حرارت مرکزی با استفاده از بخار کار کرد). در سال 1796، او تا اندازه ای از روی خودپرستی (اما برای اینکه انصاف را بجا آورده باشیم با سرمایه شخصی دو جایزه به نام خود بنیان گذاری کرد. این دو جایزه به دو نفر، یکی در انگلستان و یکی در آمریکا که کار بسیار برجسته ای در زمینه نور یا گرما انجام می دادند تعلق می گرفت. در همان سال او سالی را از آمریکا به انگلستان نزد خود آورد و گر چه ابتدا از رفتارهای دهاتی وارش شوکه شده بود که او را که کنتی آراسته بود ناراحت می کرد، اما آنها بقیه عمر را اغلب اوقات با هم گذرانیدند.)
رامفورد در سال 1796 دوباره تا اندازه ای به علت تغییر اوضاع سیاسی به مونیخ فراخوانده شد (آخرین مدعی جانشینی کارل تئودور از طرفداران رامفورد بود). این دعوت از طرفی به علت تهدید باواریا (و در واقع خود مونیخ) بود که به نظر می رسید بین ارتش های فرانسه و اتریش گیر افتاده است.(11) انگیزه دعوت از رامفورد به این خاطر نبود که او یک رهبر نظامی واقعی است بلکه به این خاطر که از او به عنوان سپر بلا استفاده شود. تقریباً همه اشخاص مهم از مونیخ گریخته بودند و تنها این خارجی به عنوان فرماندهی شهر در آنجا مانده بود. ماندن او به این معنی بود که اگر شهر مورد تهاجم قرار می گرفت، او از آن محافظت می کرد. اتریشی ها سر رسیدند و در یک سوی شهر اردو زدند. سپس فرانسوی ها آمدند و آنها هم اردوی خود را در سمت دیگر شهر برپا کردند. هر یک از این دو ارتش مصمم بود تا مونیخ را پیش از ارتش مقابل اشغال کند. اما رامفورد که بین این دو ارتش در رفت و آمد بود و با زمان بازی می کرد توانست از بروز جنگ جلوگیری کند. سرانجام فرانسوی ها که در جنگ دیگری در شمال رود راین شکست خورده بودند عقب نشینی کردند. رامفورد از این ماجرا مثل همیشه سربلند بیرون آمد. زمانی که شاهزاده بازگشت، به عنوان پاداش، رامفورد را به سِمت فرماندهی پلیس منصوب کرد و به سالی که رامفورد را همراهی کرده بود به پاس شایستگی اش لقب کنتس اعطا کرد. آنها از این لقب درآمد اضافی به دست نیاوردند و حقوقی که رامفورد به عنوان کنت دریافت می کرد می بایستی بین او و دخترش تقسیم می شد. در ضمن او لقب ژنرال هم گرفت.
اما این موفقیت های نامنتظره مخالفان رامفورد را بیش از پیش از او دور کرد ولی او از کار باز نایستاد و در حالی که از انجام وظایف اداری خود غفلت می کرد، مهم ترین آزمایش های خود را در همین ایام انجام داد. شاهزاده متوجه شد که با پیشتیبانی از رامفورد موقعیت خود را تضعیف می کند. اما چه می توانست بکند؟ به نظر می رسید که راه حل آبرومندانه در سال 1798، زمانی که کارل تئودور کنت رامفورد را به عنوان نماینده تام الاختیار در دربار سنت جیمز (یعنی سفیر در بریتانیا) منصوب کرد، پیدا شد. رامفورد اسباب و وسایل خود را جمع کرد و روانه لندن شد ولی با شگفتی دریافت که جرج سوم قصد دریافت اعتبارنامه های او را ندارد. ظاهراً بهانه او این بود که فردی با ملیت انگلیسی نمی تواند نماینده دولتی خارجی باشد. اما این عمل احتمالاً از آنجا ناشی می شد که وزرای جرج سوم رامفورد را دوست نداشتند، او را فردی تازه به دوران رسیده می دانستند و از ماجرای جاسوسی های دو جانبه او خاطرات زیادی داشتند.
اما به هر دلیل، نتیجه قضیه به نفع علم تمام شد. رامفورد بار دیگر به فکر بازگشت به آمریکا افتاد ولی سرانجام در لندن اقامت گزید. او طرحی برای ایجاد انجمنی ارائه داد که ترکیبی از موزه (بیش از هر چیز معرف کارهای خودش)، تحقیقات و آموزش باشد که با نام انجمن سلطنتی افتتاح شد. او اعتبارات لازم را از طریق دریافت حق عضویت از مردم جمع آوری کرد (برای این منظور با خوشرویی معمول خود ثروتمندان را وادار می کرد تا مبالغ زیادی بپردازند). در سال 1800 این انجمن با ارائه چند سخنرانی توسط توماس گارنت، فیزیک دانی که پیش از آن در گلاسکو بود گشایش یافت. وی از انجمن سلطنتی عنوان استاد فلسفه طبیعت گرفت. اما به زودی کنار رفت و رامفورد که از عملکرد او ناراضی بود، در سال 1801 فرد جوان دیگری به نام همفری دیوی را به این سمت برگزید که شهرتش رو به فزونی بود. دیوی در انجمن سلطنتی موقعیت چشمگیری در توسعه فرهنگ عمومی علم به دست آورد.
رامفورد پس از انتصاب دیوی به مونیخ بازگشت تا احترامات لازم را نسبت به شاهزاده جدید، ماکسیمیلیان یوزف که به تازگی جانشین کارل تئودور شده بود به جای آورد. او هنوز از دولت باواریا حقوق می گرفت و ماکسیمیلیان علاقه خود را به ایجاد مؤسسه ای شبیه انجمن سلطنتی در مونیخ ابراز کرده بود. رامفورد پس از چند هفته اقامت در مونیخ از طریق پاریس به لندن بازگشت. او در پاریس با استقبال پر شوری که فکر می کرد در خور اوست روبه رو شد. سرنوشت او این بود که در این سفر با زن بیوه لاووازیه که کمی بیش از چهل سال داشت آشنا شود (رامفورد در آن زمان حدوداً پنجاه ساله بود)(12). پس از این استقبال، او به لندن بی علاقه شد. او در لندن کارهای خود را حل و فصل و اسباب و وسایل خود را جمع کرد. در 9 مه سال 1802 برای همیشه به قاره اروپا رفت. او چند بار دیگر به مونیخ رفت ولی شاهزاده باواریا پس از اشغال باواریا توسط ارتش اتریش فرار کرد. رامفورد طبق معمول پیش از بروز طوفان جهت باد را احساس کرد؛ قلب او اکنون در پاریس در گرو خانم لاووازیه بود. آنها برای بازدید از باواریا و سوئیس به سفری طولانی رفتند. در بهار سال 1804، آن دو در خانه ای در پاریس اقامت گزیدند و تصمیم به ازدواج گرفتند اما با مشکلات فنی روبه رو شدند. رامفورد می بایستی گواهی فوت همسر اول خود را از آمریکا دریافت می کرد؛ در آن زمان انجام این کار با توجه به بروز جنگ و محاصره دریایی فرانسه توسط بریتانیا ساده نبود. این اقدامات تا اکتبر سال 1805 به طول انجامید. سرانجام آنها در 24 اکتبر آن سال ازدواج کردند ولی تقریباً در همان زمان (پس از گذراندن چهار سال سعادت بخش قبل از ازدواج!) دریافتند که با هم سازگار نیستند. رامفورد خود را برای یک زندگی آرام علمی آماده کرده بود؛ همسر او میل داشت که در میهمانی های شبانه شرکت کند و از زندگی اجتماعی بهره کامل ببرد. آنها پس از چند سال از هم جدا شدند. رامفورد سال های آخر زندگی خود را در خانه ای در حومه شهر پاریس به نام اوتوی با محبوبه دیگری به نام ویکتور لوفور گذرانید. آنها صاحب پسری به نام چارلز شدند که در اکتبر سال 1813 به دنیا آمد. رامفورد در سال بعد در 21 اوت سال 1814 در سن 61 سالگی فوت کرد. سالی رامفورد تا سال 1852زندگی کرد ولی هیچ گاه ازدواج نکرد. وی ثروت زیادی برای پسر چارلز لوفور به نام «آمده» باقی گذاشت به شرط آنکه چارلز نام خانوادگی خود را به رامفورد تغییر دهد. نسل های بعدی این خانواده هنوز این نام را دارند.

اندیشه های او درباره گرما و حرکت

داستان بنجامین تامپسون یا کنت رامفورد شورانگیز است (و من در اینجا تنها گوشه ای از آن را بازگو کرده ام) اما اگر رامفورد سهم واقعاً مهمی در درک ما از ماهیت گرما نداشت، این داستان جایی در تاریخ علم پیدا نمی کرد. این کار او در مونیخ در سال 1797 آغاز شد. پس از آنکه او از شهر «دفاع کرد»، کارهای زیادی از جمله مسئولیت تأمین مهمات شهر مونیخ را به عهده گرفت. در آنجا لوله های توپ را با سوراخ کردن و تراشیدن استوانه های فلزی تولید می کردند. رامفورد در تمام مدت عمر خود مردی عمل گرا و مهندس بود. او از این نظر بیشتر در قالب فردی مانند جیمز وات می گنجید تا نظریه پردازی مانند نیوتون. علاقه اصلی علمی او به ماهیت گرما بود که در نیمه دوم قرن هجدهم، هنوز به صورت معمایی کامل باقی مانده بود. بر اساس مدلی که هنوز در بسیاری از محافل طرفدار داشت، گرما با شاره ای به نام کالریک ارتباط دارد. این طور تصور می شد که هر کسی دارای کالریک است و زمانی که کالریک از بدنی به خارج جریان می یابد، وجود آن با افزایش دما احساس می شود.
رامفورد در دهه 1770، هنگام انجام آزمایش هایی با باروت به مدل کالریک علاقه مند شد. او متوجه شد که لوله توپ در صورتی که توپ بدون گلوله شلیک شود بیشتر داغ می شود تا در حالتی که توپ با گلوله شلیک شود، حتی اگر در هر دو مورد از مقدار باروت یکسانی استفاده شده باشد. اگر افزایش دما تنها مربوط به آزاد شدن کالریک باشد باید افزایش دما با آتش گرفتن همان مقدار باروت یکسان بماند. بنابراین باید اشتباهی در مدل کالریک وجود داشته باشد.(13) مدل های رقیبی هم وجود داشت. رامفورد در جوانی کارهای هرمن بورهاو (1738-1668)، مردی هلندی را که بیشتر به علت کارهای خود در شیمی به یاد مانده است خوانده بود. از نظر او گرما شکلی از ارتعاش مانند صدا بود. رامفورد این مدل را جالب تر یافت ولی تقریباً بیست سال بعد، زمانی که با ساخت لوله های توپ سر و کار داشت، با این موضوع درگیر شد و راهی پیدا کرد تا نقایص مدل کالریک را به دیگران اثبات کند.
البته توضیح مدل کالریک یعنی پدیده آشنای تولید گرما به وسیله اصطکاک بسیار ساده است. طبق این مدل، فشار دو سطحی که روی هم مالیده می شوند موجب آزاد شدن گرما می شود. در فرایند سوراخ کردن لوله های توپ، استوانه های فلزی به طور افقی در برابر مته ای که نمی چرخد قرار می گرفتند. این استوانه با قدرت چند اسب به گردش در می آمد و مته با ادامه فرایند سوراخ کردن در داخل لوله پیش می رفت. توجه رامفورد با مشاهده این فرایند به دو موضوع مهم جلب شد. اول کمیت محض گرمای تولید شده و دوم اینکه چشمه گرما ظاهراً تمام نشدنی بود. تا زمانی که اسب ها به کار کردن مشغول بودند و مته با فلز توپ در تماس بود، امکان تولید گرما وجود داشت. اگر مدل کالریک درست بود باید، در مقطعی از زمان، تمام گرما از استوانه ای که می چرخید رها می شد و دیگر گرمایی برای داغ نگه داشتن آن وجود نمی داشت.
رامفورد بین کالریک و اسفنجی که پس از آغشته شدن به آب به وسیله نخی به سقف آویزان شده است یک قیاس برقرار کرد. اسفنج به تدریج رطوبت خود را به هوا می دهد و سرانجام خشک و خالی از رطوبت می شود. این پدیده معادل مدل کالریک است. اما گرما بیشتر مانند صدای زنگ کلیسا است. صدایی که ناقوس ایجاد می کند با ضربه زدن به آن «کاملاً مصرف نمی شود» و تا زمانی که به ناقوس ضربه وارد شود، صدا تولید می شود. رامفورد در آزمایشی ساده با استفاده از بخش اضافی استوانه فلزی که باید برای ساخت لوله توپ بریده می شد، گرمای تولید شده را با به کارگیری مته ای کند اندازه گیری کرد. او استوانه فلزی اضافی را در داخل جعبه ای چوبی که مملو از آب بود قرار داد و توانست زمان لازم برای جوش آوردن آب را اندازه گیری کند. او از شگفتی اشخاصی که برای بازدید از این آزمایش می آمدند، از اینکه مقدار زیاد آب به این نحو و بدون استفاده از آتش به سرعت به جوش می آید لذت می برد. اما همان طور که او یادآوری کرد، این روش از بازده مناسبی برای گرم کردن آب برخوردار نبود. اسب ها باید غذا می خوردند و اگر روش پر بازده تری برای جوش آوردن آب مورد نظر بود، بهتر بود که اسب ها کنار گذاشته می شدند و یونجه ای که غذای آنها بود مستقیماً برای تولید گرما سوزانده می شد. با ملاحظه این نکته که رامفورد تقریباً بی توجه از آن رد شد، او در آستانه درک این مطلب قرار گرفت که چگونه انرژی پایسته است ولی می تواند از شکلی به شکل دیگر تبدیل شود.
رامفورد با تکرار هر چه بیشتر این آزمایش ها (با خالی کردن آب داغ و جانشین کردن آن با آب سرد) دریافت که زمان لازم برای جوش آوردن آب بر اثر گرمای حاصل از اصطکاک یکسان است. هیچ نشانی از «کالریک»ی که مانند آب اسفنج کاملاً مصرف شود وجود ندارد. به بیان دقیق، این آزمایش ها در نهایت اثبات نمی کند که با این روش می توان گرمای بی پایان تولید کرد چرا که گرما برای همیشه برقرار نمی ماند. اما این آزمایش ها بسیار الهام بخش بودند و بینش حاصل از آنها ضربه بزرگی به مدل کالریک وارد آورد. رامفورد به منظور تعیین وزن محفظه های بسته ای که محتوی شاره های مختلف در دماهای متفاوت بودند چند آزمایش انجام داد و به این نتیجه رسید که بین «مقدار گرما»ی جسم و وزن آن ارتباطی وجود ندارد. بنابراین با گرم کردن و سرد کردن یک جسم هیچ ماده ای به آن داخل یا از آن خارج نمی شود. رامفورد در مورد ماهیت گرما سخنی نگفت اما نشان داد که گرما چه چیزی نیست. او نوشت:
به باور من، اگر نگوییم ناممکن، اما فوق العاده مشکل به نظر می رسد که بتوانیم ایده مشخصی از چیزی که قادر به تحریک و برقراری ارتباط است، چنانکه گرما در این آزمایش ها چنین است داشته باشیم، مگر آنکه آنها در اثر «حرکت» به وجود آمده باشند.(14)
این جمله دقیقاً مطابق با درک امروزی ما از رابطه بین گرما و حرکت اتم ها و مولکول ها در جسم است؛ اما رامفورد هیچ ایده ای از نوع ارتباط حرکت و گرما نداشت و این جمله آن طور که به نظر می رسد گواهی از پیش آگاهی او در این زمینه نیست. اما نتایجی که از این آزمایش ها به دست آمد، به تثبیت ایده اتم ها در قرن نوزدهم کمک کرد. یکی از دلایل پیشرفت سریع علم در قرن نوزدهم آن بود که در پایان دهه 1790 برای همه، بجز کوته فکران مکتب قدیمی آشکار شد که ایده های فلوژیستن و کالریک هر دو مرده و مدفون شده اند.

جیمز هاتون: نظریه یکنواخت گرایی در زمین شناسی

اما در رابطه با درک جایگاه بشر در مکان و زمان، مهم ترین پیشرفتی که در دهه های پایانی قرن هجدهم صورت گرفت، درک فرایندهای زمین شناسی بود که زمین را شکل داده است. اولین روایت این داستان را یک اسکاتلندی به نام جیمز هاتون مطرح کرد. در قرن نوزدهم، چارلز لایل کار او را دنبال کرد. هاتون در 3 ژوئن سال 1726 در شهر ادینبورو به دنیا آمد. او پسر ویلیام هاتون، بازرگانی بود که به عنوان خزانه دار شهر ادینبورو خدمت می کرد و مالک یک مزرعه متوسط در برویکشایر هم بود. جیمز در جوانی پدر خود را از دست داد و تحت نظر مادرش رشد کرد. جیمز دوران دبیرستان را در ادینبورو گذراند و در درس های هنری دانشگاه نیز شرکت می کرد. او در 17 سالگی نوآموز حقوق شد ولی در این رشته استعداد نداشت. او عمیقاً به شیمی علاقه مند بود و پس از یک سال برای تحصیل پزشکی وارد دانشگاه شد (در آن زمان پزشکی نزدیک ترین رشته به شیمی بود و کارهای جوزف بلک نمونه ای از این مورد بود). او پس از سه سال تحصیل در ادینبورو به پاریس و از آنجا به لیدن رفت و مدرک دکترای خود را در سال 1749 دریافت کرد؛ اما هرگز وارد حرفه پزشکی نشد (و احتمالاً هیچ گاه قصد حرفه پزشکی را نداشت بلکه این تحصیل برای او وسیله ای برای تحصیل در رشته شیمی بود).
ارثی که به هاتون رسید شامل مزرعه برویکشایر می شد. از این رو او پس از بازگشت به انگلستان تصمیم گرفت که روش های مدرن کشاورزی را فرا گیرد. او در اوایل دهه 1750 ابتدا به نورفولک و از آنجا به کشورهای حومه راین رفت تا با فنون کشاورزی آشنا شود. سرانجام دوباره به اسکاتلند بازگشت و فنون جدیدی را که فرا گرفته بود برای تبدیل مزرعه ای نامستعد که بیشتر از صخره ها پوشیده شده بود، به واحدی پربازده و کارآمد به کار برد. فعالیت های او در محیط باز، علاقه او را به زمین شناسی برانگیخت، در عین حال علاقه او به شیمی محفوظ مانده بود. جذابیت شیمی در نزد او با موفقیت اختراعی که سال ها پیش با همکاری دوست خود جان دیوی انجام داده بود بیشتر شد. دیوی این اختراع را به صورت فرایند صنعتی موفقیت آمیز توسعه داد که در آن مواد شیمیایی مهمی از جمله سال آمونیاک از دوده معمولی تولید می شد (سال آمونیاک یا کلرید آمونیوم برای آماده سازی پنبه جهت رنگ کردن و چاپ مورد استفاده قرار می گرفت). هاتون با پولی که از سهمش از درآمد فروش سال آمونیاک به دست آورد در سال 1768 در سن 42 سالگی مزرعه خود را اجاره داد و برای اینکه خود را وقف علم کند به ادینبورو نقل مکان کرد. او هرگز ازدواج نکرد. او دوست نزدیک جوزف بلک (که از هاتون دو سال جوان تر بود) و نیز بنیان گذار انجمن سلطنتی در ادینبورو بود که در سال 1783 تأسیس شد. اما چیزی که بیش از همه از او به یاد مانده است این مطلب است که کره زمین بسیار پیش تر از آنچه رهبران مذهبی ادعا می کنند و شاید همیشه وجود داشته است.
هاتون از مطالعه دنیای قابل مشاهده نتیجه گرفت که هیچ گونه تحولات ناگهانی شدید (از قبیل طوفانی که انجیل به آن اشاره می کند) برای توضیح شکل امروزی کره زمین ضروری نیست، بلکه می توان اگر زمان زیادی در دسترس بوده باشد، هر چیزی را که اکنون مشاهده می کنیم به وسیله همان فرایندهایی که امروز در اطراف خود می بینیم توضیح داد. این فرایندها عبارت اند از ساییدگی کوه ها به وسیله فرسایش و نشست رسوبات در کف دریا، پیش از آنکه بر اثر زمین لرزه های پی در پی و فعالیت آتش فشانی به سمت بالا پیش روی کرده باشند و رشته کوه های جدید را تشکیل دهند و نه از طریق زمین لرزه های شدید که رشته کوه ها را یک دفعه به بیرون پرتاب کنند. این موضوع که بیشتر تحت عنوان اصل یکنواخت گرایی (Principle of Uniformitarianism) مشهور است، همان فرآیندهای یکنواختی است که در همه زمان ها فعال اند و زمین را به طور پیوسته شکل می دهند. ایده ای که بنابر آن، تحولات ناگهانی و شدیدی که گاه و بیگاه اتفاق می افتد برای توضیح شکل زمین ضروری است به فاجعه گرایی(15) شهرت دارد. ایده های هاتون ضربه ای به دانش مورد قبول آن زمان وارد کرد که ترکیبی از فاجعه گرایی و نپتونیسم بود. نظریه نپتونیسم که توسط زمین شناسی اهل پروس به نام آبراهام ورنر(1817-1749) توسعه پیدا کرد، بر این اساس استوار بود که کره زمین در زمانی دور کاملاً از آب پوشیده بوده است. هاتون استدلال های خود را با احتیاط تنظیم کرد و در دو مقاله در سال 1785 در انجمن سلطنتی ارائه و در سال 1788 در مذاکرات انجمن منتشر کرد. او در این مقاله دفاع تأثیرگذاری از نظریه یکنواخت گرایی ارائه داد (اولین مقاله را بلک در جلسه ماه مارس انجمن خواند؛ مقاله دوم را خود هاتون در ماه مه چند هفته پیش از پنجاه و نه سالگی اش خواند).
پیشنهادهای هاتون در اوایل دهه 1790 با انتقاد شدید (اما بی پایه) نپتونیست ها روبه رو شد. هاتون به رغم بیماری و در حالی که سنش از شصت تجاوز می کرد در پاسخ به این انتقادات، نظریات خود را در قالب کتابی با عنوان نظریه زمین در دو جلد در سال 1795 منتشر کرد. او به تهیه جلد سوم کتاب خود مشغول بود که در 26 مارس سال 1797 در سن هفتاد و یک سالگی درگذشت. متأسفانه به رغم آنکه هاتون دیدگاه خود را که بر گنجینه ای از واقعیات مورد مشاهده استوار بود با دقت بررسی و عرضه کرد، اما سبک نگارش او غیر قابل درک بود، گر چه این کتاب شامل چند نکته چشمگیر است. یکی از بهترین نمونه های آن جاده های رومی است که پس از 2000 سال که از احداث آنها می گذرد، به رغم فرایندهای فرسایش طبیعی که پیوسته ادامه دارد هنوز قابل مشاهده است. هاتون گوشزد کرد که زمان لازم برای تغییر چهره زمین توسط فرایندهای طبیعی به چهره امروزی آن بسیار طولانی است و مسلماً فراتر از 6000 سالی است که تعبیر رسمی انجیل در آن زمان مجاز می شمرد. هاتون تصور سن زمین را خارج از درک انسان می دانست و در برجسته ترین فراز کتاب خود نوشت «ما نه اثری از آغاز می بینیم و نه چشم اندازی از پایان».
چنین موارد شفافی در کتاب او نادر بود. با مرگ هاتون و اینکه او دیگر نبود تا ایده های خود را ترویج کند، اندیشه های او از سوی نپتونیست ها و ورنرین ها(پیروان عقاید ورنر) مورد حمله شدید قرار گرفت. اگر دوست او جان پلی فیر (1819-1748) که در آن زمان استاد ریاضی دانشگاه ادینبورو بود (و بعداً استاد فلسفه طبیعی در همین دانشگاه شد) در صحنه ظاهر نمی شد، ممکن بود که ایده های هاتون به فراموشی سپرده شود. پلی فیر پرچم مبارزه را به دست گرفت و خلاصه ای از کارهای هاتون را با نگارشی استادانه در سال 1802 منتشر کرد. عنوان این کتاب توضیحاتی درباره نظریه زمین شناسی هاتون است. با انتشار این کتاب، اصل یکنواخت گرایی برای اولین بار در سطح وسیعی مطرح شد و تمام اشخاص باهوش را واداشت که ایده این کتاب را جدی بگیرند.

پی نوشت ها :

1- به عنوان نمونه، به فصل 9 مراجعه کنید.
2- این روش «ایجاد» الکتریسیته به وسیله مالش موجب می شود که بادبادک پس از آنکه به ژاکت پشمی مالیده داده شد، به سقف بچسبد و موهای شما پس از شانه کردن باردار شود.
3- در ضمن این واقعیت دارد که اویلر در اثر خیره شدن به خورشید کور شد. بی جهت نیست که کتاب های مردم پسند اخترشناسی مردم را از پیامد این رویداد که بر اساس واقعیت قرار دارد آگاه می کنند.
4- میچل که به گونه ای همه فن حریف بود ابتدا به خاطر بررسی های مربوط به زلزله بزرگی که در سال 1755 شهر لیسبون را لرزاند مشهور شد. او نشان داد که این تکان ها مربوط به پوسته زمین در زیر اقیانوس است و این ایده را مطرح کرد که زمین لرزه، آن طور که پیش از آن تصور می شد، هیچ ارتباطی با وضع آب و هوا ندارد. احتمالاً او می توانست کارهای بیشتری در علم انجام دهد. اما در سال 1764 از پست خود به عنوان استاد زمین شناسی در کمبریج کناره گیری کرد و رئیس سازمان کلیسای تورن هیل در یورکشایر شد.
5- درباره این موضوع و بسیاری از مسائل دیگر، لاپلاس تحت تأثیر مباحثه با ژوزف لاگرانژ (1813-1736) بود. لاگرانژ ریاضی دانی بود که کارهایش درباره نظریه گروه ها و توسعه تابع ریاضی (لاگرانژین) که مشخص کننده مسیر ذرات است برای فیزیک دانان قرن بیستم دارای ارزش عظیمی بود.
6- ترجمه انگلیسی از گیلیسپی
7- به نقل از گیلیسپی
8- لاپلاس با در نظر گرفتن فزونی چگالی زمین نسبت به خورشید به عدد 250 برابر قطر خورشید دست یافت، در حالی که میچل به دو برابر این عدد رسید.
9- این عبارت را در واقع اولین بار ویلیام پروت (1850-1785) در سال 1834 به کار گرفت.
10- عمرامپراتوری مقدس رم سرانجام در اوت سال 1806 در اثر یکی از رویدادهای جانبی جنگ ناپلئون به پایان رسید. در این زمان آخرین امپراتور، فرانسیس دوم (کسی که این مقام را در ژوئیه سال 1792 به دست آورده بود) استعفا داد و به عنوان فرانسیس اول، تنها امپراتور اتریش شد. رامفورد کنت امپراتوری ای بود که در واقع وجود نداشت.
11- البته در آن زمان اتریش قوی ترین کشور اروپای مرکزی بود.
12- او همچنین با ژوزف گیوتین، مخترع گیوتین ملاقات کرد ولی احتمالاً نه در گردهمایی اجتماعی که خانم لاووازیه ترتیب داده بود. رامفورد آقای گیوتین را «مردی بسیار مطبوع، مؤدب و انسان» توصیف کرد؛ به یاد داشته باشیم که وی ماشین خود را به عنوان راه حلی انسانی تر نسبت به دار زدن اختراع کرد.
13- توضیح امروزی این موضوع به این ترتیب است که زمانی که توپ شلیک می شود، انرژی ناشی از انفجار، گلوله را به حرکت در می آورد، بنابراین انرژی کمتری برای پخش شدن به صورت گرما وجود دارد.
14- به نقل از براون
15- هر دوی این عبارات هنوز به طرز نادرستی از سوی اشخاصی که سعی در بی اعتبار کردن رقبای خود دارند مورد استفاده قرار می گیرد؛ مهم ترین نکته ابهام از آنجا ناشی می شود که تاریخ زمین بسیار طولانی است و رویدادهایی که در مقیاس بشری به نظر نادر یا شگفت انگیز می آیند (مانند شهاب سنگ هایی که به سطح زمین برخورد می کنند) و مطمئناً در معنای روزمره واژه فاجعه آمیز می گنجند هر دو طبیعی و در واژگان زمین شناسی تا آنجا که به تاریخ سیاره ارتباط دارد پدیده هایی یکنواخت هستند. از نظر پروانه ای که تنها یک روز زندگی می کند فرا رسیدن شب فاجعه است، در حالی که برای ما عادتی بیش نیست. برای ما عصر یخبندان جدیدی فاجعه خواهد بود در حالی که برای سیاره زمین رویدادی معمولی است.

منبع :گریبین، جان؛ (1389)، تاریخ علم غرب 1543-2001 از آغاز روشنگری تا دوران معاصر، تهران: انتشارات فاطمی، چاپ اول.