نویسنده: کالین ا. رُنان
مترجم: حسن افشار
مترجم: حسن افشار
اخترشناسی جدید: از تیکوبراهه تانیوتون
از ابتدای قرن هفدهم تا انتهای قرن هجدهم، نگرش عمومی به جهان طبیعت به گونه ای تغییر کرد که بی شک کپرنیک را به حیرت فرو می برد. انقلابی که او آغاز کرده بود، چنان سریع و چنان وسیع ریشه دواند که نه تنها اخترشناسی بلکه فیزیک را نیز دگرگون ساخت؛ و این که رخ داد، جدایی از آخرین ذرات عالم ارسطویی کامل شد. ریاضیات بیش از پیش به صورت ابزاری ضروری برای علوم فیزیکی درآمد. نتایج به عدد بیان شد و برآوردهای کیفی مردود شناخته شد. طراحی و ساخت ابزارهای علمی نیز پیشرفت قابل ملاحظه ای را پشت سرگذاشت؛ زیرا اگر بنا بود جهان طبیعت با دقتی بیشتر و از فاصله ای نزدیک تحت بررسی قرار گیرد، تجهیزات تخصصی مورد نیاز بود. طراحی آنچه در واقع نسل جدیدی از ابزارهای دقیق بود، در برهه آخر قرن شانزدهم با کار تیکو براهه (1564 ـ1601) آغاز شد.عالم دقت
تیکو براهه در سال 1564 در اسکون (1) به دنیا آمد که در آن زمان جزء دانمارک بود ولی اکنون در سوئد است. پدر تیکو از اعضای هیئت مشاورین سلطنت بود. تیکو در کودکی با توافق خانواده اش تحت سرپرستی عموی خود یورگن براهه و همسرش قرار گرفت که از خود فرزندی نداشتند. او آموزش اولیه اش را از یک معلم سرخانه دید؛ و در سیزده سالگی به دانشگاه لوتری کپنهاگ رفت؛ و در همین جا بود که به علم دل بست، ولی عمویش با او مخالفت کرد و گفت که حقوق بهترین رشته برای جوانی در موقعیت اجتماعی اوست. از این رو تیکو برای تحصیل حقوق به لایپسیک فرستاده شد، در نتیجه ناچار شد علاقه خود به علم و دلبستگی روزافزونش به اخترشناسی را در پنهان دنبال کند؛ آن که در سال 1565، با مرگ عمو، آزاد شد که آشکارا به تحصیل علم بپردازد. نخست از لایپسیک به ویتنبرگ رفت؛ پس به رستوک(2) (در آن جا نیمی از بینی خود را در یک دوئل از دست داد و بدلی فلزی به جایش نهاد ـ این در همه تصاویر او پیداست). در رستوک هم نماند و به آوکسبرک رفت. در این شهر، ربع غول آسایی از چوب ساخت؛ زیرا در سال 1564 نزدیکی بسیار مشتری و زحل به یکدیگر را مشاهده کرده و پی برده بود که حتی بهترین جدول های نجومی نیز در پیش بینی این واقعه دچار خطا بوده اند. تا این زمان او متقاعد شده بود که دقت، در اخترشناسی، معیار تازه ای می طلبد.عزم تیکو برای انجام اندازه گیری های دقیق تر درسال 1572 جزم شد که یک «ستاره جدید» پرنور (یک سوپرنوا) به ناگهان در صورت فلکی ذات الکرسی (3) درخشیدن گرفت. هنگامی که او اندازه هایی را که خود و سایر راصدان اروپایی از جمله توماس دیگز به دست آورده بودند مورد تجزیه و تحلیل قرار داد، دریافت که این جسم فلکی بارها دورتر از ماه است. این نکته بسیار حساسی بود که یکسره بریدن از سنت ارسطویی را معنی می داد، سنتی که مدعی بود چنین جسمی باید در فلک تحت قمر واقع باشد، زیرا در افلاک ورای آن نمی تواند تغییری رخ دهد. دو سال بعد که فردریک دوم، پادشاه دانمارک، جزیره ون در تنگه دانمارک را به تیکو داد؛ او بی درنگ دست به کار تأسیس رصدخانه ای مخصوص اندازه گیری های دقیق شد. برخی از ابزارها بعداً در گودال هایی در مخارج از رصدخانه جا داده شدند تا در هنگام ارصاد از اثرات نامطلوب بادهای مزاحم در امان باشند. خود ابزارها از فلز ساخته شدند؛ و با میزانی از دقت که کاملاً تازگی داشت. بیشتر آن ها سدس ها و ربع های بزرگی بودند که روی تکیه گاه بسیار محکمی قرار داشتند. آن ها را به دقت با یکدیگر می سنجیدند و خطاهای هر ابزار را یادداشت می کردند. این کار نیز کاملاً تازگی داشت؛ و بر اساس این درک بود که هیچ ابزار اندازه گیری نمی تواند بی نقص باشد، ، قدر دقیق که می خواهد باشد. قدری خطا مسلم بود. تیکو به چیزی پی برد که دانشمندان دیگر تا امروز به ارزش آن معترف بوده اند. او دریافت که انسان می تواند خطاهای لاینفک، مستمر و جزئی را بی اهمیت تلقی کند، به شرطی که آن ها را تشخیص دهد و منظور دارد. پی پردن به این نکته و اقدام کردن برای محو آثار آن، دستاوردی حیاتی بود.
ابزارها به قدری که به راحتی قابل استفاده باشند بزرگ بودند، به طوری که مقیاسات روی آن ها به حد کافی بزرگ شده و تقسیم بندی های آن ها کسرهای کوچک تری از درجات را مشخص ساخته بودند. تیکو همچنین یک ربع دیواری بزرگ ساخت که دقیقاً در راستای شمال و جنوب قرار داشت. شعاع این ربع به 8/1 متر (6 پا) بالغ می شد و تقسیم بندی های روی شاخص آن تا دقایق قوس (یعنی تا 60/1 درجه) را دربر می گرفت. این جا نیز تیکو یک نوآوری مهم دیگر انجام داد. او هر قسمت یک دقیقه ای را نیز با خطی عرضی، مرکب از نقاط ریز، به قسمت های کوچک تری تقسیم کرد. این «عرض» ها به راصد امکان می دادند حتی تقسیمات دقیقه را نیز با دقت بسیار بخواند. نقاط به اندزه ده ثانیه (هر ثانیه معادل 60/1 دقیقه و بنابراین برابر 3600 /1 درجه استت) از یکدیگر فاصله داشتند و راصد می توانست بین آن ها را نیز تخمین بزند. پس با این حساب، ربع دیواری تا پنج ثانیه (یعنی تا 0014/0 درجه) دقت داشت. ابزارهای دیگر تیکو تا این اندازه دقت نداشتند، اما او معمولاً تا کسرهای دقیقه را نیز در رصدها منظور می داشتت. همین اندازه دقت نیز در کل تاریخ ارصادات نجومی بی سابقه بودد. از این رو بود که پیامدهای فوق العاده مهم خود را تقریباً بلافاصله نشان داد.
در سال 1577، قریباً دوازده ماه پس از آغاز کار تیکو در ون، دنباله دار بزرگ و درخشانی با دمی بسیار بلند در آسمان غروب پدیدار شد؛ که بلافاصله در تخیل عموم رخنه کرد و موضوع مقالات متعددی شد که اکثراً آن را نشانه وقوع یک فاجع دانستند. این بر اساس نظرات یونانیان باستان بود، به ویژه بر پایه این عقیده ارسطو که دنباله دارها در حقیقت گازهایی خشک و داغ هستند. پس لابد هوا را هم خشک می کردند و اوضاع را برای شیوع بیماری های واگیردار و غیره مهیا می ساختند. افزون بر این، در طوالع نیز دارای پیامدهایی تصور می شدند. از این رو دنباله دار درخشان همیشه با ترس و احترام و حیرت نگریسته می شد. تیکو با برخورد علمیش از این ملاحظات اجتناب کرد ـ گرچه ظاهراً مخالفتی با جادوی هرمسی نداشت و یقیناً از طالع نما نیز استفاده می کرد. او علاوه بر این که خود، دنباله دار را رصد کرد، نتایج رصدهای اخترشناسان بسیار دیگری از جمله توماس دیگز را نیز گرد آورد. همه رصدها به طور قطع نشان می دادند که دنباله دار مزبور به مراتب از ماه دورتر است، و این یعنی که باید جسمی فلکی باشد، نه پدیده ای جوی مثل «گازخشک». همچنین تیکو متوجه شد که دم دنباله دار همیشه در خلاف جهت خورشید قرار می گیرد؛ و این را به حساب جاری شدن نور خورشید از مجرای سردنباله دار گذاشت. در هر صورت دم آن، برخلاف تصور ارسطو، نمی توانست از جنس «چربی خشک»باشد. اما مهم تر از همه، رصدهای انجام گرفته به اثبات رساندند که دنباله دار، در حرکتش، کرات فلکی مفروض[افلاک]را قطع می کند؛ پس این کرات نمی توانند واقعیت مادی داشته باشند ـ و صرفاً زاده تخیل یونانیان بوده اند. این نیز گسست بنیادی دیگری از سنت ارسطویی بود.
پس در موارد اساسی بسیاری، تیکو مخالف عالم ارسطو بود، به ویژه مخالف این باور او که آسمان ها لایتغیرند ـ ارصاد ستاره جدید سال 1572 و دنباله دار سال 1577 عکس این را ثابت می کرد ـ ولی گرچه او در موارد بسیاری با ارسطو موافق نبود، هنوز رغبتی هم به پذیرفتن نظر کپرنیک درباره کیهان نداشت. او پروتستان بود و مذهب پروتستان از تخاصم نظریه کپرنیک با کتاب مقدس اظهار تنفر کرده بود. از این رو او دست به کار ساختن کیهان خود شد. زمین در مرکز عالم ثابت ماند و ماه و خورشید به گرد آن چرخیدن آغاز کردند، هر چند تیکو رضایت داد که سیارات نیز حول خورشید بگردند. این یک مصالحه بود؛ و گرچه تا پایان قرن هفدهم دیگر تقریباً به کلی از یاد رفت، در زمان خود در کشورهای پروتستان هواخواه زیادی یافت.
متأسفانه تیکو بیش از حد به خود مغرور بود. او به خاندان سلطنت با نظر تحقیر می نگریست و به وضع رعایای خود نیز کم تر رسیدگی می کرد. از این رو وقتی شاه فردریک در سال 1588 درگذشت، وجوهی که به طور معمول برای نگهداری رصدخانه پرداخت می شد، دیگر پرداخت نشد. این مشکل و مشکلات خانوادگی، او را بر آن داشت که مهاجرت کند. در میانه سال 1597، اودیگر در ون نبود، و دو سال بعد در پراگ تحت حمایت رودولف دوم امپراتور مقدس روم قرار داشت؛ و چنین بود که او کتابش را به رودولف تقدیم کرد.
مکانیک هیئت جدید رساله تشریحی ارزشمندی درباره ابزارهای او و طرز استفاده از آن ها بود. امپراتور برای تیکو حقوق بازنشستگی تعیین کرد و قلعه بناتکی در فاصله 35 کیلومتری (22مایلی) شمال شرقی پراگ را نیز به او بخشید؛ گرچه ظاهراً او در پراگ زندگی کرد تا آن که در اکتبر سال 1601 چشم از جهان فروبست.
یکی از سوگوارانی که در تشییع جنازه فوق العاده پرشکوه تیکو شرکت داشت، یکی از دستیاران او به نام یوهانس کپلر(1571 ـ 1630) بود. او پسر یک سرباز مزدور و بیست و پنج سال کوچک تر از تیکو بود. کپلر در آغاز عزم پیوستن به کلیسای لوتری کرده و برای تحصیل الهیات به توبینگن رفته بود. در آن جا به اخترشناسی دل بسته، به نظریه کپرنیک باور آورده و چنان قابلیتی در ریاضیات از خود نشان داده بود که وقتی کرسی تدریس ریاضیات یک مدرسه لوتری معروف در گراتس خالی شد، او را ترغیب کردند الهیات را رها کند و به تدریس ریاضیات بپردازد. همین، نقطه عطف زندگی کاری او بود.
کپلر هم در زمینه اخترشناسی کار می کرد و هم ستاره خوانی می کرد. او در بدو ورود به گراتس اقدام به انتشار یک تقویم پیشگویانه کرد که پیش بینی هایش در مورد وضع هوا و خیزش های دهقانی، از بخت خوب، درست می آمد. شهرت او در محل تقریباً افسانه ای شد، گرچه پیشگویی های تقویم های بعدی او دیگر چندان خیره کننده نبود. شیوه برخورد کپلر با ستاره خوانی جالب بود، زیرا او بیشتر قواعدی را که ستاره خوانان دیگر با آن ها کار می کردند قبول نداشت. آنچه وی قویاً به آن باور داشت، هماهنگی عالم و وجود ارتباطی همدلانه میان کیهان و فرد بود. گرایش او به ستاره خوانی نیز از همین جا ناشی می شد. از سوی دیگر، او همیشه ستاره خوانی را «دخترک نادان اخترشناسی»می خواند؛ و بعدها نوشت که اگر ستاره خوانان گاهی حقیقت را می گویند، این را باید صرفاً به بخت نسبت داد. با این حال، هیچ یک از این مانع نمی شد که او در طالع نما بنگرد و طالع بینی کند، خاصه اگر اغنیا از او می خواستند.
گرایش های مذهبی کپلر تخم اعتقاد به طرح الهی عالم را در عمق ذهن او کاشته بود؛ و این، به نوبه خود، او را به سوی چیزی راهبر شد که خود آن را کشفی بزرگ پنداشت و در سال 1597 تحت عنوان منادی رسالات کیهان نگارانه حاوی سر عالم منتشر ساخت. چنان که پیداست، این رساله ـ که مختصراً به سر عالم معروف است ـ قرار بود نخستین رساله از یک رشته رسالات نجومی باشد. کپلر همه این رسالات را نوشت، ولی هیچ کدام به حد این یک در رمز و راز غوطه ور نبودند. برخی از آن ها زبانی کاملاً علمی داشتند. کشف کپلر، که او را فراوان به وجد آورد، از این قرار بود. او در کیهان کپرنیکی، که خورشید در مرکزش بود، دقیق شد و دید که می تواند در فضاهای میان افلاک حامل سیارات ششگانه پنج چند وجهی منتظم اقلیدسی را جا دهد. بین افلاک حامل زحل و مشتری، یک مکعب دقیقاً جا می گرفت؛ و بین افلاک مشتری و مریخ یک چهار وجهی می گنجید، و الخ. از آن جا فقط پنج چند وجهی منتظم وجود، کپلر گمان کرد که کلید رمز عالم را یافته است. پنداشت که فهمیده است که چرا فقط شش سیاره وجود دارد و چرا این سیارات به گونه ای در فضا قرار گرفته اند که تصور اخترشناسان در آن ایام بود. این استدلال ریاضی رازباورانه نمایانگر جنبه ای از سرشت کپلر بود، جنبه ای که اخترشناسی، سال ها بعد، به نحو احسن از آن استفاده کرد.
تیکو براهه نیز فراوان تحت تأثیر کتاب کپلر قرار گرفت، ولی نه به این دلیل که باور کند مرد جوان پرده از راز عالم برداشته است، چون او پیش از آن با ارصادات خود آشکار ساخته بود که افلاک، افسانه ای بیش نیست. عمده چیزی که تیکو را تحت تأثیر قرار داد، قابلیت ریاضی کپلر بود. بی شک این مرد بود که می توانست از ارصادات او نتیجه گیری کند و حرکات واقعی سیارات را نشان دهد. از قضا در همین زمان، پیگرد مذهبی دوباره چیرگی یافت، کپلر و خانواده اش را ناچار به ترک گراتس کرد و سرانجام در پراگ با تیکو دست به دست داد. سال 1600 بود که کپلر در آن جا مستقر شد، ولی یک سال بعد تیکو درگذشت و کپلر به جای او«ریاضیدان امپراتوری» شد.
تیکو اسناد ارصادات خود را مخفی نگه می داشت، ولی در بستر مرگ از کپلر خواست که از آن ها استفاده کند و جدول های جدید حرکت سیارات را تنظیم کند. او باور داشت که این جدول ها ـ معروف به جدول های رودولفین ـ به نظریه مصالح آمیز او اعتبار می بخشد و بی اعتباری طرح کپرنیک را به اثبات می رساند. تصادفاً در همین زمان کپلر مشغول ارصاد مریخ بود؛ و از این بهتر نمی شد، زیرا مدار خارج از مرکز مریخ ـ که در آن هنگام نه تیکو چیزی از آن می دانست و نه کپلر ـ به خوبی می توانست تفاوت های اساسی نظریات را نشان دهد. رصدها نه تنها دقیق تر از همه رصدهای قبلی بود، بلکه امتیاز دیگری هم داشت. تیکو به جای آن که از راه معمول برود و رصدها را فقط در اوقات نجومی مهمی مانند وقت قران یا مقابله انجام دهد، به طور پیوسته انجام داده بود. در نتیجه، رصدها همه حرکات سیارات در آسمان را در برداشت و به مراتب کامل تر از رصدهایی بود که پیش تر انجام گرفته بود.
کار کپلر بر روی نتایج رصد مریخ سال ها وقت برد. مقدار محاسبات لازم زیاد بود و او هیچ وسیله کمکی در اختیار نداشت. به علاوه یک سوپرنوای درخشان در پاییز سال 1604 ظاهر شد که مدتی او را به خود سرگرم کرد و کتابی نتیجه داد با عنوان ستاره جدید که در سال 1606 انتشار یافت. با این حال همچنان که محاسبات او به کندی پیش می رفت، آشکار می شد که نظریه تیکو درباره سیارات قابل قبول نیست ـ نظریه او با نتایج رصدهای خود وی نمی خواند ـ اما نظریه کپرنیک هم پذیرفتنی نبود. مریخ مطابق هیچ یک از دو فرضیه رفتار نمی کرد. در این مرحله است که با وجه دیگر شخصیت کپلر روبرو می گردیم. او به رغم تصوراتی که پیش درباره هماهنگی آسمانی در ذهن داشت، حاضر بود که مشاهداتش ره می بردند برود. این برخوردی کاملاً علمی بود. شاید باور او در ابتدا این بود که از این طریق به کشفیات بیشتری درباره طرح الهی کیهان دست خواهد یافت، اما همین بس که او حاضر بود از نتایج مشاهدات رهنمود بگیرد.
نظر انقلابی کپلر در مورد مدار مریخ، خطوط بریده و مواضع مشخص شده بر روی بیضی نمایشگر سطوح معادل و فواصل زمانی مساوی در روی مدار است.
حاصل این تحقیق در سال 1609 با نام هیئت جدید منتشر شد، که به راستی جدید هم بود؛ زیرا آنچه کپلر یافته بود، پشت پا به سنت ها و همه چیزهایی بود که یونانیان و همه اخترشناسان بعدی مسلم فرض کرده بودند. او با قطعیت تمام نشان داد که نه تنها مریخ به دور خورشید می چرخد بلکه، مهم تر از آن، در مداری بیضوی می چرخد. دیگر نه جای مدار دایره ای یونانیان بود و نه جای باور به حرکت یکنواخت سیارات، چون سیاره مریخ ضمن حرکت در مسیر بیضویش سرعت مداری خود را تغییر می داد؛ وقتی به خورشید نزدیک بود(حضیض) تندتر حرکت می کرد و وقتی دور بود (اوج) کندتر می رفت. مسلماً در سال 1609 کپلر این را فقط در مورد مریخ می توانست به اثبات برساند؛ اما بعد که فرصت کرد بقیه ارصادات براهه را نیز بررسی کند، روشن شد که سیارات دیگر نیز به همین گونه رفتار می کنند. بین سال های 1619 و 1621، او شرحی سه قسمتی با نام خلاصه هیئت کپرنیک منتشر ساخت.
اینک باید در قوانین حرکت سیارات تجدیدنظر می شد. اکنون دیگر روشن بود که سیارات، به جای حرکت دایره ای متشابه بگرد زمین، در مداراتی بیضوی شکل و با سرعت هایی متغیر به گرد خورشید می چرخند؛ و سرعت آن ها به گونه ای تغییر می کند که اگر بین خورشید و سیاره خط راستی رسم شود، این خط همواره سطوحی مساوی در فضای داخل بیضی را در زمان هایی مساوی می روبد. این ها، در اخترشناسی، نظرات اساساً تازه ای بودند. با این همه، وجه راز باور شخصیت کپلر هنوز در پی انتظامی بنیادین بود، یا نشانه از طرح الهی در پس این نظام نوظهور حرکت سیارات. در هنگام نگارش خلاصه هیئت بود که او در پی چنین اصلی می گشت. پشتکار او به نتیجه رسید و هماهنگی جهان در سال 1618 یعنی یک سال پیش از اتمام خلاصه تماماً نجومی او انتشار یافت. این برای او بزرگ ترین دستاوردش بود. او بین سرعت سیارات در مدار بیضویشان یک هماهنگی موسیقایی یافته و توانسته بود حداکثر و حداقل سرعت هر سیاره را با یک ردیف موسیقی ارتباط دهد. این رفیع ترین قله تخیل کپلر و بلندترین جایگاه «موسیقی افلاک» فیثاغورث و افلاطون بود. گرچه این رابطه نجومی ـ موسیقایی امروزه فاقد ارزش علمی است، اما کشف دیگر کپلر، ضمن کار بر روی قانون موسیقایی، بی تردید ارزشمند است. این یکی رابطه ای است که نشان می دهد نسبت بین میانگین فاصله هر سیاره از خورشید و مدتی که طول می کشد تا سیاره یک دور در مدار بیضویش بچرخد برای همه سیارات یکسان است. اهمیت خاص آن در این است که اگر ما مدت زمان طی مدار سیارات را بدانیم(که تعیینش نسبتاً آسان است) و میانگین فاصله فقط یک سیاره با خورشید را هم بدانیم، می توانیم فاصله بقیه را نیز حساب کنیم. نسل های بعدی اخترشناسان از این به خوبی بهره بردند. کپلر در پراگ روزگار سختی داشت. حقوق او را همیشه دیر می پرداختند. در سال 1611 زمانه از او روگرداند. همسر و پسر بزرگش مردند، شورش خونین در پراگ درگرفت و حامیش رودولف کناره گیری کرد. در سال 1612 کپلر به لینتس مهاجرت کرد. او خلاصه هیئت و هماهنگی جهان را در این شهر منتشر ساخت و در همین شهر نیز دوباره پیمان زناشویی بست، گرچه فقط برای مدتی کوتاه اجازه داشت در آن جا اقامت کند. در سال 1625 ناچار شد دوباره روانه شد، این بار به سوی اولم. در اولم بود که جدول های رودولفین در سال 1627، سه سال پیش از مرگش، منتشر شد.
اگر کپلر را پیگردهای مذهبی ناشی از جنگ ها و طغیان ها دربه در کرد، معاصر بزرگ او گالیلئو گالیلئی(4) را نیز مذهب در منگنه گذاشت. گالیله که در سال 1564 در پیسای ایتالیا به دنیا آمده و بنابراین حدود هشت سال بزرگ تر از کپلر بود، پسر یک آهنگساز و موسیقیدان آزاداندیش به نام وینچنزو گالیلئی بود. او در خانواده ای بزرگ شد که به هنرها ارج می نهاد و به افکار تازه با روحی رنسانسی خوشامد می گفت. در واقع خود گالیله یک بار گفت که بعید نبود در رشته های هنری به کار بپردازد. برادر او میکلانجلو نیز آهنگسازی حرفه ای شد. پس از چندی خانواده گالیله به فلورانس رفت ـ وینچنزو گالیلئی از خاندان فلورانسی بود که در طب و امور مملکتی شهرتی فراوان داشتند. گالیله به مدرسه صومعه یسوعی معروفی در والومبروزا(5) در فاصله 20 کیلومتری (12مایلی) فلورانس فرستاده شد. در سال 1578، او در سن کم چهارده سالگی طلبه ای یسوعی شد؛ ولی پدرش بی درنگ او را از مدرسه بیرون آورد. سه سال بعد، گالیله را دانشجوی پزشکی دانشگاه پیسا می بینیم، ولی طب به مذاق گالیله خوش نیامد. او به ریاضیات علاقه داشت؛ گرچه هنوز دانشجوی طب بود که با استفاده از نبضش زمان رفت و برگشت یک شمعدان نوساندار را در هنگامی که در کلیسا خدمت می کرد اندازه گرفت و برابری زمانی نوسان های آونگ را کشف کرد. او پیسا را بدون آن که مدرکی اخذ کند ترک گفت؛ و سپس خود را وقف ریاضیات؛ مکانیک و هیدروستاتیک کرد.
در سال 1588 یک سخنرانی ریاضی درباره جغرافیایی دوزخ دانته در آکادمی فلورانس برایش ستایش فراوان به ارمغان آورد و او را از کمک های مردی به نام گوییدوبالدو دل مونته بهره مند ساخت که گالیله با اعمال نفوذ وی صاحب کرسی ریاضیات در پیسا شد. گالیله اکنون سی و پنج سال سن داشت. او روز به روز بیشتر از آموزه ارسطویی حرکت رویگردان می شد، از این دو رساله کوچکی به نام حرکت نگاشت که در آن تمایزی را که ارسطو میان دو نوع مختلف حرکت ـ قسری و طبیعی ـ قائل شده بود مردود شمرد و آن دو را اساساً همانند دانست. این گام مهم را او بعدها بیشتر شکافت. می گویند در همین زمان که او در پیسا استاد بود، وزنه های گوناگونی را از فراز برج کج پیسا فروافکند؛ گرچه برخلاف یکی از روایات؛ این کار را در برابر همه دانشگاهیان انجام نداد. در هر صورت یقیناً گالیله حرکت اجسام را در هنگام سقوط بررسی کرد و به اثبات رساند که بر عکس نظریه ارسطو اجسام، هرقدر سنگین یا سبک باشند؛ در مدتی دقیقاً یکسان به زمین سقوط می کنند. او همچنین با فروغلتاندن گوی هایی از بالای سطوح شیبدار به بررسی حرکت اجسام بر روی سطوح پرداخت و به آنچه بعدها قانون اول حرکت نیوتن نام گرفت نزدیک شد ـ ولی به آن دست نیافت. این کشفیات همه به نوبه خود قابل توجه بودند؛ ولی اهمیت اضافه آن ها در این بود که گالیله برای رسیدن به آن ها، در تجزیه و تحلیل جواب ها، از روش های ریاضی استفاده کرد. او از هیچ راه دیگری نمی توانسته به این نتایج دست یابد. برخورد ریاضی او از موضع قدرت چنان مؤثر بود که به زودی انگ فیزیک جدیدی می شد که در قرون هفدهم و هجدهم فرا می رویید. به این بهانه است که می توان گالیله را پدر فیزیک ریاضی نامید.
کرسی استادی پیسا درآمد اندکی داشت. به علاوه در سال 1591، وقتی پدر گالیله درگذشت؛ او ناچار شد مسئولیت خانواده را هم به گردن بگیرد. او باید به جای دیگری می رفت تا کار پردرآمدتری پیدا کند. خوشبختانه با کمک گویید و بالدو توانست یک کرسی استادی در پادوا برای خود دست و پا کند؛ و اتفاقاً محیط علمی آن جا را هم بیشتر به وفق مراد دید. در دانشگاه، آزادی اندیشه وجود داشت؛ زیرا مدیریت آن در دست دولت قدرتمند ونیز بود که هیچ گونه دخالت از خارج را تحمل نمی کرد. در پادوا، گالیله هم تدریس کرد و هم به پژوهش بیشتر در زمینه حرکت پرداخت. فی المثل توضیح داد که پرتابه، برخلاف اقتضای قوانین ارسطویی حرکت، نه در خط مستقیم بلکه در مسیری منحنی (شلجمی) حرکت می کند. او همچنین در خانه اش کارگاهی برای تولید ابزاری حسابگر که خود بر آن «حسابگر هندسی و نظامی»نام نهاده بود به راه انداخت تا زیر بال حقوقش را بگیرد که گرچه بیشتر از حقوق او در پیسا بود اما هنوز از پس همه نیازهای او بر نمی آمد.
در پادوا بود که گالیله به تلسکوپ توجه پیدا کرد. در بهار سال 1609، یک عدد تلسکوپ از ونیز سر در آورد و به بهایی گزاف به دوجه(6) فروخته شد. خبرش به گالیله رسید و او شنید که آن تلسکوپ، دارای دو عدسی، در دو انتهای لوله آن است. همین سرنخ کافی بود؛ چون گالیله با اطلاع از ـ به تعبیر خودش ـ «پرسپکتیو»(یا در واقع با دانش نورشناسیش) موفق شد وسیله ای برای دیدن از راه دور برای خود بسازد؛ و این کار را نیز در کم ترین مدت ممکن انجام داد. او تقریباً یکشبه تلسکوپی ساخت که سه برابر بزرگ می کرد؛ و به زودی تلسکوپ دیگری ساخت که قدرت درشت نمایش ده بود. اما ساختن تلسکوپی مفید و مؤثر صرفاً در چیدن و ترکیب کردن عدسی ها خلاصه نمی شد. عدسی های خاصی لازم بود، زیرا عدسی های عینک های معمولی فقط همین قدر قدرت داشت که اصل علمی دخیل را به نمایش بگذارد، همچنان که گالیله خود به آن پی برد. سرانجام او توانست ابزاری بسازد که تا سی برابر بزرگ می کرد.
ولی تلسکوپ را گالیله اختراع نکرد. نمونه ای که به ونیز راه یافته بود؛ از هلندی آمده بود. در این کشور بود که عینک سازی از میدلبورگ به نام هانس لیپرهای (یا لیپرسهای)(7) در آغاز اکتبر سال 1608 درخواست ثبت امتیاز دستگاهی را به نام خود کرد که برای دیدن از راه دور اختراع کرده بود(نام «تلسکوپ» در سال 1611 در ایتالیا ابداع شد. ) اما لیپرهای تنها مدعی نبود. در عرض پانزده روز، مجمع عمومی (مجلس هلند) درخواست ثبت دیگری دریافت کرد و پس از چندی عینک ساز میدلبورگی دیگری مدعی اختراع تلسکوپ شد. شرح این اختراع از این نیز پیچیده تر است، زیرا دلاپورتا نیز مدعی اختراع تلسکوپ بود ـ روایات موجود نیز خبر از وجود تلسکوپی ایتالیایی در سال 1590 می دهد ـ و چند مدعی سرسخت انگلیسی نیز وجود داشتند که برجسته ترینشان لنارد و توماس دیگز بودند. بنابراین مخترع اصلی تلسکوپ هنوز دقیقاً مشخص نیست.
اهمیت گالیله در تاریخ اولیه تلسکوپ از این روست که او فراوان از آن استفاده علمی کرد. در سال 1610 او کتابی به نام پیک نجومی منتشر ساخت که در آن پاره ای از رصدهای نجومی بسیار مهم خود را ذکر کرده بود. احتمالاً او نخستین کسی نبود که از تلسکوپ استفاده نجومی می کرد. شاید توماس دیگز نیز با تلسکوپ به آسمان نگریسته بود که عالم لایتناهی، مالامال از اختراعی همانند خورشید، دیده بود. در عین حال، شواهد غیر قابل انکاری در دست است که نشان می دهد یکی از دوستان دیگز به نام توماس هریت(8) نیز، یکی دو ماه بعد از تاریخ ارصادات تلسکوپی گالیله، سرگرم نقشه برداری از ماه به کمک تلسکوپ بوده است. ولی هریت چیزی منتشر نکرد؛ و این پیک نجومی گالیله بود که توجه دنیای علم در غرب را به کاری که تلسکوپ می توانست انجام دهد جلب کرد. در کتاب، گالیله توضیح داد که چگونه موفق به ارصاد ستارگانی به مراتب بیش از آن شده است که با چشم غیر مسلح ممکن است ـ و این یعنی به مراتب بیش از تعدادی که قدما می شناختند. پس این خود دلیلی بر رد «کمال» علم عتیق بود که مخالفان ارسطویی او بس گرامی می شمردندش. او همچنین مشاهده کرد که در ماه نیز کوه هایی وجود دارد، و حتی ارتفاع آن ها را از روی طول سایه ای که می انداختند حساب کرد. او کشف کرد که راه شیری از تعداد زیادی ستاره جداگانه تشکیل شده است، و مهم تر از همه این که سیاره مشتری دارای چهار ماه کوچک است که ضمن همراهی آن در مدارش به گرد خورشید، خود به گرد آن می چرخند. این به راستی اهمیت داشت؛ زیرا نشان می داد که سیاره ای که خود در مدار می چرخد می تواند اقمار خود را نیز با خود حمل کند؛ و این در واقع ردیه ای بر این ادعا بود که اگر زمین طبق تصور کپرنیک حرکت می کرد، ماه عقب می افتاد و جا می ماند. کمی بعد در سال 1610، گالیله متوجه شد که زهره نیز مانند ماه دارای اهله ای است. او همچنین صورت عجیب سیاره زحل را که سیاره ای سه گانه به نظر می آمد مشاهده کرد. یک بار بین سال های 1610 و 1611، او لکه های سطح خورشید را نیز با تلسکوپ دید.
تمامی این مشاهدات، برای گالیله، گواه درستی نظریه کپرنیک بود. افسوس که میل برگشتن به فلورانس و برآورده شدن این میل برگشتن به فلورانس و برآورده شدن این میل ـ او در سال 1610 فیلسوف و ریاضیدان تحت الحمایه کوزیمو دمدیچی جوان، دوک بزرگ توسکانی شد ـ او را از حریم ونیز خارج کرد و در جو ارسطویی تر دولتی قرار داد که کلیسا در آن نفوذ فراوان داشت. علاوه بر این، منصب درباری او مایه حسادت بود و عده ای به او سوء ظن داشتند؛ و گالیله کار چندانی برای خلع سلاح مخالفان انجام نداد. به رم رفت و در جشن و سروری که به افتخار او و به خاطر ارصادات تلسکوپیش برگزار شده بود شرکت کرد و به عضویت آکادمی لینچی (9) انتخاب شد؛ ولی باز وقتی به فلورانس برگشت، هنوز بودند کسانی که حاضر نمی شدند از درون تلسکوپ او نگاه کنند و خود به عینه ببینند. در فلورانس، محافظه کاری فکری غلبه داشت و اهل علم ابداً مایل نبودند به ابزاری که اصلاً درکش نمی کردند اجازه دهند که حتی فکر انکار عالم ارسطویی را به مغزشان خطور دهد، چه رسد به آن که کل فیزیک و مکانیک ارسطویی را مردود جلوه دهد ـ چنانکه گالیله می خواست. در همین فلورانس بود که دومینیکنی به نام تومازو کاچینی (10)در سال 1614 در کلیسای سانتا ماریا نووللا(11) علیه نظریه کپرنیک و علیه «ریاضیدانان»، به موعظه پرداخت، گرچه منظورش از ریاضیدانان احتمالاً کسانی بود که در خفا دسیسه می چیدند و سر اعداد را «ماتسیس»(12) هرمسی را ـ مطالعه می کردند. دومینیکن ها تا این زمان مخالفت خود با نظریه کپرنیک را دیگر به طور قطعی ابراز داشته بودند؛ و به گالیله توصیه شده بود که احتیاط را رعایت کند. او باز به رم رفت و بیهوده کوشید مراجع را متقاعد سازد که این مورد از اهمیتی خاص برخوردار است. کاردینال روبرت بلارمین، الهیدان برجسته کلیسا، به وی هشدار داد و یادآور شد که حرکت زمین مخالف نص کتاب مقدس است. گالیله به فلورانس برگشت و چندی خاموش ماند، ولی در سال 1623 کتابی را که درباره ماهیت ستارگان دنباله دار بود آماج یکی از حملات جانانه خود قرار داد. او برای تمسخر و تخریب نویسنده، که از مخالفان او بود، طنزی گزنده به کار برد که در آن استاد بود؛ اما کتاب گالیله، که عیارسنج نام داشت، سراسر جدل نبود. او در آن نظراتش را درباره واقعیت علمی و طریقه علمی و طریقه علمی جدید مطرح ساخت و توضیح داد که معتقد به کیفیات اولیه (کیفیات قابل اندازه گیری) و کیفیات ثانویه(کیفیات غیر قابل اندازه گیری مانند بو و مزه )است او همچنین توضیح داد که چگونه می توان مسائل را با آزمایش های مقدماتی تعریف کرد و سپس با استفاده از جواب آزمایش های نظریه ای طرح کرد که بعد با آن بتوان نتایجی را که از طریق مشاهده قابل بررسی باشد «پیش بینی» کرد. این گفته معروفش را هم که «کتاب طبیعت... با حروف ریاضی نوشته می شود» او در عیارسنج آورد.
عیارسنج به مافئو باربرینی (13)تقدیم شد که پاپ جدید و دوست و حامی گالیله بود، و او آن را با اشتیاق تمام پذیرفت؛ ولی یسوعیان ناخرسند بودند. کتاب اصلی درباره ستارگان دنباله دار را یکی از آنان نگاشته بود که گالیله او را نمی شناخت. با موفقیتی که عیارسنج در واتیکان به دست آورد، گالیله امیدوار بود که برابرینی حکم محکومیت نظریه کپرنیک را لغو کند؛ از این رو خود نیز به رم رفت تا از او استدعا کند که حکم را لغو کند. در این زمینه، گالیله توفیق نیافت، اما اجازه یافت مطلبی پیرامون کل مسئله بنگارد و دو نظر مطروحه درباره عالم را ـ یعنی نظر بطلمیوسی ـ ارسطویی و نظر کپرنیکی را ـ توضیح دهد؛ ضمناً به او هشدار داده شد که از هرگونه نتیجه گیری بپرهیزد. گالیله که از همین توفیق نسبی نیز به وجد آمده بود؛ دوباره به فلورانس برگشت و کمر به نگارش کتابی بست که چنین نام گرفت: بحث در باب دو نظام عمده جهان ـ بطلمیوسی و کپرنیکی. کتاب در سال 1632 منتشر شد و در سرتاسر اروپا یک شاهکار ادبی و علمی شناخته شد، ولی در خود ایتالیا توفانی به پا کرد که دنیا را پیش چشم گالیله تیره و تار کرد.
کلیسا کتاب را بیش از حد متمایل به نظریه کپرنیک یافت. همچنین پنداشت که بحثی که به گالیله سفارش شده بود آن را در پایان کتاب مطروح کند عمداً به گونه ای نوشته شده است که بیهوده به نظر رسد. در سال 1633 گالیله تحت پیگرد انکیزیسیون قرار گرفت، ولی چون سنش بالا بود ـ او در این هنگام شصت و نه سال داشت ـ تا حدی در حق وی اغماض شد. با وجود این، چون از اظهار ندامت خودداری کرد، در خانه اش زندانی شد؛ ولی خوشبختانه مغز او هنوز فعال بود، و او به رغم همه بی اعتنایی ها شروع به نگارش آخرین کتاب خود کرد: سخنانی پیرامون دو علم جدید، که آخرین نتیجه گیری های او در علم مکانیک را در بر می گرفت. این کتاب، با همه ارزشی که داشت، باید در لایدن پروتستان منتشر می شد. در هر حال، در سال 1638 انتشار یافت. گالیله، در سال های پایانی زندگانی، خود را به کاربرد آونگ برای تنظیم ساعت سرگرم کرد؛ گرچه این دانشمندی هلندی به نام کریستیان هویگنس بود که در سال 1656 این را به مرحله اجرا در آورد و آغازگر عصر دقت در زمان سنجی مکانیکی شد. گالیله در سال 1642 درگذشت، در همان سالی که ایزاک نیوتن به دنیا آمد.
نظری که گالیله در مورد عالم اتخاذ کرده بود مبتنی بر مشاهده، تجربه و کاربرد سخاوتمندانه ریاضیات بود. شیوه برخوردی نسبتاً متفاوت را معاصر جوان تر او رنه دکارت(1596 ـ 1650) در پیش گرفت که در لئی (لئی دکارت (14) امروزی) در وین فرانسه متولد شده بود. دکارت اساساً فیلسوفی ریاضیدان بود که اقدام به طرح برخورد فلسفی تازه ای با عالم کرد که یکسره از بینش مکتبی کهنه قرون وسطی گسست. پدر دکارت وکیل بود؛ و او پسری کم بنیه که در سال 1604 به مدرسه یسوعی نوبنیادی در لفلش(15) فرستاده شد. گرچه هوش سرشار او توجه همه را جلب کرد، واکنش خود وی در برابر آموزشی که دریافت داشت ناخرسندی و نومیدی و تردید فراوان بود. در سال 1616 او موفق به اخذ مدرکی در حقوق از دانشگاه پواتیه شد، ولی دو سال بعد که جنگ های سی ساله (16) آغاز شد، او درگیر امور نظامی شد، گرچه احتمالاً خود نجنگید. در خلال این دوره، او پژوهش هایی در ریاضیات کرد و همچنین بر آن شد که برای معرفت، طرحی کلی بیابد. برای انجام این کار، او دید که به آرامش و آسایشی بیش از آن که در خدمت نظام امکان پذیر است نیاز دارد؛ از این رو از شغل خود استعفا کرد و در سال 1628 عازم هلند شد؛ و کریستینا ملکه جوان سوئد که به هنرها عشق می ورزید و سخت در پی گردآوری فرزانگان زمان خویش در دربارش بود. افسوس که دکارت تندرستی خود را از دست داد و پس از ابتلا به ذات الریه در اوایل سال 1650 چشم از جهان فروبست.
ما در این جا نه آثار فلسفی دکارت بلکه خدمات او به ریاضیات و نظرات او در مورد عالم را مدنظر قرار خواهیم داد. دکارت همواره در این اندیشه بود که چه چیز قطعیت دارد و چه چیز فاقد قطعیت است؛ و پس از غور بسیار در این باب، به این نتیجه قطعی رسید که تنها چیزی که در آن تردید ندارد، هستی خود وی به عنوان موجودی واجد احساس و ادراک است. او همین معنا را با این عبارت بیان داشت:«کوگیتو ارگو سوم»(17) («می اندیشم، پس هستم»). بر این پایه او پیش رفت و استدلال کرد که چون خدا خوب است، بندگانش را فریب نمی دهد؛ و پیش تر رفت و تصویری از عالم ارائه داد. او مسلک خود را در دو اثر بیان کرد:گفتار در روش(1637) و اصول فلسفه (1644). کتاب دوم است که مورد نظر ماست. این کتاب از سه قسمت تشکیل شده است. قسمت اول، تکرار عقاید فلسفی اوست؛ ولی قسمت های دوم و سوم، شرح تعبیر وی از عالم است. او می گوید که چون ما نمی توانیم حدی برای وسعت فضا بیندیشیم، عالم باید نامتناهی باشد. از سوی دیگر چون می توانیم به تقسیم بی حد ماده فکر کنیم؛ او وجود اتم را مردود می شمارد. دکارت وجود خلأ را نیز مردود شمرد و فضا را یک «پلنوم»(18) به شمار آورد، یعنی لبریز از ماده، همه همگون و همه در حرکت. او معتقد بود که خداوند همیشه مقدار ماده و حرکت را ثابت نگه می دارد ـ نخستین بیان قانون مهم بقای مقدار حرکت( مقدار حرکت = مقداد ماده x سرعت آن) ـ و نیز این که اگر جسم متحرک با چیزی برخورد نکند، همواره در همان مسیر و با همان سرعت به طور نامحدود حرکت خواهد کرد ـ نخستین بیان رسمی آنچه که امروزه قانون اینرسی نام دارد. گالیله به این قانون نزدیک شده ولی حرکات سماوی را مشمول آن نساخته بود، زیرا او مورد آن ها را استثنایی می دانست. تا جایی که برای گالیله اهمیت داشت، حرکت سماوی باید به طور طبیعی در مسیری دایره ای صورت می گرفت.
در قسمت سوم اصول، دکارت نشان داد که چگونه، با این فرض دیگر، عالمی که ما به چشم می بینیم باید پدید آمده باشد. آن فرض اضافه این بود که خداوند، در آغاز آفرینش، ماده را برداشت و به دلخواه تقسیم کرد و به حرکت در آورد. ولی چون خلائی نمی تواند وجود داشته باشد، همیشه جای هر ذره را ذره دیگری باید پر کند؛ از این جا دکارت به اصل «ورطه»(19) های خود رسید. گرچه ماده همان است ولی ذرات آن ریز و درشت دارد. درشت تر ها ماده خاکی را تشکیل می دهند، متوسط هوا را و ریزترها آتش را. این ذرات با هم ورطه هایی می سازند. در کانون آن ها ذرات آتش گرد می آید چون از همه سریع تر حرکت می کند؛ و بدین سان در مرکز هر ورطه یک ستاره شکل می گیرد. ستارگان می چرخند و نیرویی روبه بیرون وارد می آورند، همچون سنگی که به یک ریسمان بسته و چرخانده شود. پس هر ستاره به ستارگان دیگر فشاری وارد می آورد. از سوی دیگر، ستارگان کم کم پوسته ای از ماده سخت پیدا می کنند. از این روست که نخست لک هایی مانند لکه های سطح خورشید پیدا می کنند و سرانجام کاملاً درخشش خود را از دست می دهند. در این مرحله فشار رو به بیرون از میان می رود و ورطه فرو می پاشد. سپس ستاره پوستدار سرگردان می شود تا در مدار ورطه دیگری قرار گیرد و به ستاره بدل شود، مگر آن که بسیار عظیم باشد و آن قدر میان ورطه ها سرگردان بماند که حکم ستاره دنباله دار را پیدا کند. اقمار سیارات نیز خود زمانی سیاره بوده اند و مدت ها پیش پدید آمده اند.
سیستم دکارت یک زورآزمایی فکری بود که تأثیر فراوانی گذاشت؛ و یقیناً برله نظریه کپرنیک بود و آن را در بسیاری از محافل علمی که شاید در غیر این صورت به آن روی خوش نشان نمی دادند مقبول ساخت. در دانشگاه کیمبریج نیز با حسن استقبال روبرو گشت و به دانشجویان، از جمله به آیزاک نیوتن، آموخته شد. نظریه دکارت در مورد پلنوم و ورطه ها و نظراتش درباره سیر تکامل سیارات و ستارگان و دنباله دارها نادرست بود؛ اما زمان می خواست تا نادرستی آن ها به اثبات برسد. با این همه، بحث او در مورد حرکت سیارات جالب بود و از این حقیقت پرده بر می داشت که در قرن هفدهم از اصول فیزیک استفاده می شد تا بلکه حرکاتی که کپلر چنان نبوغ آسا بررسی کرده بود توضیح داده شود. همه مطمئن نبودند که مدارات بیضوی او درست باشد، زیرا فقط اندکی با دایره تفاوت داشتند؛ و گروهی می خواستند همان حرکت دورانی قدیم را حفظ کنند. ولی چه بیضوی و چه دورانی، مسئله مهم این بود که اصلاً چرا سیارات باید در مدارهای بسته حرکت کنند. کپلر سعی کرده بود آن را تماماً با مسلم فرض کردن جاذبه مغناطیسی توضیح دهد؛ اما این رضایت بخش از کار درنیامده بود.
در سال 1666 جووانی بورلی(20)، که در سال 1608 در ناپل به دنیا آمده و در جوانی با گالیله دیدار کرده بود، نظریه ستارگان مدیچیان خود را انتشار داد. این کتابی بود درباره چهار قمر بزرگ مشتری که گالیله زمانی که در تلاش جلب حمایت کوزیمو دمدیچی بود آن ها را «ستارگان مدیچیان »نام نهاده بود. اهمیت آن در بحث بورلی پیرامون فیزیک حرکت آن ها و به خصوص در بحث وی درباره مسئله کلی تر حرکت سیارات به دور خورشید نهفته بود. در مورد اخیر، بورلی نظرات مختلف زمان خود را مرور کرد ـ این که سیارات را «پره» های نامریی ناشی از چرخش خورشید به حرکت در می آورد یا این که آن ها در نوعی جو خورشیدی شناورند ـ ولی همه را به دلیل فقدان مدرک مردود شمرد. در مقام ریاضیدان ـ بورلی صاحب کرسی ریاضیات قبلی گالیله در پیسا بود ـ به این نتیجه رسید که سیارات را ترکیب سه نیرو به حرکت در می آورد: اولی یک «غریزه طبیعی» است که آن ها را به سوی خورشید می کشاند؛ دومی یک نیروی جانبی یا مماس است که با اشعه خورشید می آید(او این را از برخی از اندیشه های کپلر گرفته بود)؛ و سومی میل دوری از خورشید است که در همه اجسام وجود دارد(مثل نیرویی که در هنگام چرخش سنگ بسته به ریسمان عمل می کند، یعنی نیروی گریز از مرکز). مخلص کلام این که بورلی معتقد بود گرچه سیارات در معرض نیروهای گوناگونی قرار دارند اما در مداراتی ثابت حرکت می کنند زیرا همواره در حال تعادلند. این گام بلندی به جلو بود، گرچه باید بیست سال دیگر می گذشت تا آیزاک نیوتن آن را به بار بنشاند.
تلاش دیگری برای بررسی موضوع را دانشمندی به نام رابرت هوک انجام داد که ظاهراً با همه نبوغی که داشت از پیگیری نظارت غالباً بکر خود عاجز ماند. هوک پی برد که خورشید باید نیروی کششی بسیار بر سیارات وارد آورد، اما بیان ریاضی دقیق این نیرو‌ـ که هوک آن را مغناطیسی می دانست ـ از چنگ او گریخت. از چنگ همدوره های او نیز گریخت: جرمایا هاروکس(21)، اخترشناس جوانی از لیورپول؛ کریستوفر رن، معمار و اخترشناس؛ و ادموند هالی، اخترشناس. همه مطمئن بودند که خورشید نیروی جاذبه وارد می کند. حتی فکر می کردند که این نیرو شاید نسبت «عکس مربع» داشته باشد (یعنی به نسبت مربع فاصله کاهش یابد؛ به طوری که اگر سیاره ای دو برابر دورتر از سیاره دیگر باشد، با یک چهارم نیرو کشیده می شود؛ اگر سه برابر دورتر باشد، با یک نهم نیرو؛ و الخ). آنان همچنین فکر می کردند که مسیری که چنین جسمی می پیماید، باید یک بیضی باشد؛ اما هیچ یک نمی توانستند این را از راه ریاضی به اثبات برسانند. این که حتی هالی ـ که خود کم ریاضیدان نبود ـ از انجام این مهم عاجز ماند، نباید شگفت انگیز باشد؛ چرا که حل مسئله نیاز به ابداع طریقه ریاضی کاملاً جدیدی داشت. این نیاز از آن رو بود که سیارات در مداری بیضوی می چرخیدند و بنابراین فاصله شان از خورشید دایماً تغییر می کرد؛ در نتیجه نیروی جاذبه نیز دایماً تغییر می کرد. ریاضیاتی مورد نیاز بود که می توانست به ویژه به مقادیر متغیر بپردازد. ابداع مستقلانه چنین طریقه ای ـ موسوم به حساب انتگرال و دیفرانسیل(22) ـ یکی از دستاوردهای نیوتن بود.
آیزاک نیوتن در روز کریسمس سال 1642 میلادی در وولزتورپ(23) واقع در لینکن شر به دنیا آمد. کودکی نارس بود که دو ماه پس از مرگ پدر پا به عرصه وجود نهاد. چنان کوچک بود که «در یک لیوان آبجوخوری جا می گرفت». کسانش کشاورزانی خرده مالک بودند و مسلم فرض می شد که که آیزاک نیز به راه آنان برود، ولی او اصلاً استعداد کشاورزی نداشت؛ در عوض به وسایل مکانیکی و جهان طبیعت علاقه داشت،؛ و سرانجام مادرش به اصرار عموی او و با پافشاری مدیر مدرسه کینگ در گرنتم(24) اجازه داد که پسر برای ورود به دانشگاه آماده شود. بنابراین نیوتن در سال 1661 با کمک مالی دانشگاه کیمبریج به کالج ترینیتی آن دانشگاه رفت. او دانشجوی تنگدستی بود که برای گذران زندگی ناچار به انجام کارهای یدی برای همقطاران خود در کالج بود.
نیوتن در سال های آغازینش در کیمبریج هیچ نبوغ خاصی از خود نشان نداد؛ گرچه می دانیم که کتاب های بسیاری خواند، از جمله در زمینه نورشناسی و ریاضیات و همچنین اصول فلسفه دکارت و بحث در باب دو نظام عمده جهان گالیله ولی ظاهراً نه سخنانی پیرامون دو علم جدید او را. به نظر می رسد که نخستین کسی که به قابلیت های نیوتن پی برد آیزاک بارو(25) بود؛ به رغم این که در امتحان از او در سال 1664 اطلاعات دانشجوی جوان از هندسه اقلیدس را ناکافی یافت. بارو خود الهیدان و ریاضیدانی بود که در سال 1663 صاحب کرسی جدید ریاضیات شده بود که اعطایی هنری لوکاس فارغ التحصیل قدیم دانشگاه و عضو فرستاده آن به مجلس بود. نیوتن از بارو دلگرمی می گرفت. او نخستین مدرک دانشگاهی خود را در سال 1665 دریافت کرد، گرچه چیزی از دیگران سرنداشت. قاعدتاً اینک نیوتن باید خود را برای ورود به دوره فوق لیسانس آماده می کرد، ولی سال 1665 سالی غیر عادی بود. در دسامبر سال 1664 عفونت خیارکی ـ طاعون بزرگ ـ در لندن به چشم خورده بود؛ و در کیمبریج، مقامات دانشگاه کم کم از ورود طاعون به شهر دچار نگرانی شده بودند؛ و از آن جا که هیچ روش درمانی مؤثری موجود نبود، آن ها دانشگاه را بستند و نیوتن هم به وولزتورپ برگشت. او تا سال 1667 در این جا ماند و فقط یک بار سفر کوتاهی به کیمبریج کرد.
نیوتن بعدها نوشت که در آن سال های طاعون زده «من در سن ابتکار و نوآوری بودم و بیش از هر زمان دیگری در گذشته به ریاضیات و فلسفه [یعنی علم] علاقه مند شده بودم»؛ و یقیناً در همین زمان بود که او تجربه هایی در نورشناسی انجام داد و نظریه خود در مورد نور را پی ریزی کرد؛ همچنین سنگپایه نظرات خویش درباره جاذبه و حرکت سیارات را فراهم آورد. در وولزتورپ، درخت سیبی در باغ وجود داشت؛ و این حکایت که افتادن سیبی از درخت، سرنخ حل مسئله را به دستش داد احتمالاً درست است. پس از بازگشت به کیمبریج، نیوتن از اعضای جزء کالج ترینیتی و در سال 1668 از اعضای ارشد آن شد. وقتی در سال 1668 مدرک فوق لیسانس خود را نیز دریافت کرد، جایگاهش در دانشگاه تثبیت شد، به ویژه هنگامی که آیزاک بارو، در سال بعد، کرسی لوکاس را به شاگرد جوان خود واگذار کرد.
افتادن سیب این پرسش را به ذهن نیوتن آورده بود که آیا نیرویی که زمین اعمال می کند و باعث افتادن سیب می شود همان نیرویی است که باعث «سقوط» ماه به سمت زمین می گردد و لذا آن را به مداری بیضوی شکل در حول زمین می کشاند. محاسبات او نشان می داد که چنین است؛ ولی هنوز کار زیادی مانده بود. ظاهراً تازه در سال 1684 بود که نیوتن، پس از مکاتباتی با رابرت هوک، توانست بر همه اصول دینامیکی مربوطه کاملاً مسلط گردد و مسئله را به سرانجام برساند. اما سال 1684 به دلیل دیگری نیز پراهمیت در آمد. در این سال بود که ادموند هالی به دیدار نیوتن رفت و با او درباره حرکت سیارات گفتگو کرد. رن به هوک و هالی گفته بود که هر کدام از آن ها بتوانند مسئله را حل کنند یک کتاب از او جایزه خواهند گرفت؛ ولی چون هیچ یک از پس آن بر نمی آمدند، هالی تصمیم گرفت که در سفر بعدیش به کیمبریج مسئله را با نیوتن در میان بگذارد. او با شگفتی بسیار از نیوتن شنید که نیروی موجود بین خورشید و سیارات، که موجب بیضوی شدن مدار آن ها می گردد؛ طبق قانون «عکس مربع» عمل می کند و او آن را به اثبات رسانده است؛ ولی نیوتن گفت که راه اثبات را در دسترس ندارد و قول داد که بعداً آن را بنویسد و برای هالی بفرستد؛ و به قولش عمل کرد. چیزی که هالی دریافت داشت در واقع رساله کوچکی در این زمینه بود. خوشبختانه او بلافاصله به اهمیت فراوان آن پی برد و نیوتن را در فشار گذاشت که کتاب کاملی درباره کل مسئله حرکت تألیف کند؛ و گفت که جامعه سلطنتی، معادل بریتانیایی آکادمی های ایتالیا ـ آن را طبع و نشر خواهد کرد. ولی تصادفاً در همین زمان، وضع مالی جامعه سلطنتی خراب شد و هالی، که پدرش بازرگانی پردرآمد بود، هزینه چاپ و انتشار کتاب را از جیب خود پرداخت و مسئولیت نظارت بر طبع و نشر آن را نیز خود بر دوش گرفت. اما وقتی نیوتن سرگرم نگارش کتاب بود، هوک بنای نق زدن گذاشت و مدعی شد که افتخار کشف قانون عکس مربع در جاذبه باید نصیب او گردد و در حقیقت او بود که سرنخ را به دست نیوتن داده است. این اغراق بود و واقعیت نداشت. از این رو نیوتن تا مدتی حتی یک کلمه هم ننوشت و فقط با سیاست و تدبیر هالی بود که پس از چندی راضی شد دوباره دست به قلم ببرد. سرانجام در سال 1687 کتاب تکمیل و منتشر شد، تحت عنوان فیلوسوفیا ناتورالیس پرینسیپیا ماتماتیکا (اصول ریاضی فلسفه طبیعی) که بیشتر با عنوان مختصر پرینسیپیا شناخته است.
پرینسیپیا یک شاهکار بود. آن را بزرگ ترین کتاب علمی همه دوران ها نامیده اند؛ و حتی اگر این مبالغه باشد، در اهمیت فوق العاده کتاب تردید نیست. تأثیر آن بسیار بود، ولی شاید این دور از انتظار نباشد زیرا نیوتن کل علم حرکت اجسام را با دقت ریاضی بی سابقه ای در یک جلد بازنویسی کرده بود. او آنچه را که فیزیکدانان اواخر قرون وسطی آغاز کرده بودند و گالیله کوشیده بود به نتیجه برساند کامل کرد:«قوانین حرکت» او که از سه قانون تشکیل می شد سنگپایه همه کارهای بعدی در این زمینه شد. نیوتن همچنین مسئله دو هزار ساله علم نجومی یعنی مسئله حرکت سیارات در فضا را حل کرده بود. او با تحلیلی ریاضی که کمالش حیرت انگیز بود نشان داد که چگونه قانون عکس مربع به ناگزیر مسیر حرکت را بیضوی می سازد و سیارات را وا می دارد از قوانینی پیروی کنند که کپلر چنان سخت کوشانه از ارصادات تیکو استنتاج کرده بود.
ولی محتویات پرینسیپیا فقط همین دو دستاورد شگفت انگیز نبود. نیروی کششی که خورشید اعمال می کرد نه نیروی مغناطیسی بلکه جاذبه بود. نیوتن جسورانه قدم دیگری برداشت و این کشش را که در فضا عمل می کرد با کشش ماه به سوی زمین و هر جسم دیگری در سطح زمین به سمت آن یکی دانست. به سخن دیگر، او مفهوم مقتدر جاذبه عمومی را مطرح ساخت که به موجب آن هر جسمی در عالم به هر جسم دیگری نیروی کششی وارد می کند. بدین سان او کل عالم را تابع یک قانون اساسی ساخت. دیگر برای اجرام آسمانی یک مجموعه قوانین وجود نداشت و برای اجسام زمینی مجموعه ای دیگر، فیزیک عمومی بود.
شاید نیازی به گفتن نداشته باشد که نظریه نیوتن معترضانی هم داشت، به ویژه از میان فرانسویان که هنوز در عقد نکاح نظرات دکارت بودند و می خواستند ماهیت دقیق جاذبه را بدانند. این سوالی بود که نیوتن نمی توانست پاسخ گوید. یک بار که از او پرسیدند آیا جاذبه خاصیتی در ذات اجسام است؛ او پاسخ داد:«لطفاً آن تعبیر را به من نسبت ندهید». او همین قدر می توانست بگوید که جاذبه نیرویی است که به نسبت عکس مربع عمل می کند و همین به تنهایی برای توضیح همه حرکات آسمانی کافی است؛ و حاضر نبود از این جلوتر برود. این انتقاد فرانسوی ها که نظریه نیوتن نزدیکی خطرناکی با یک برداشت قرون وسطایی دارد و لذا غیر علمی است بی دلیل نبود. در حقیقت تازه در قرن هجدهم بود که شرح همه جانبه نظرات نیوتن از طریق کتاب اصول فلسفه آیزاک نیوتن (1738) به قلم ولتر در دسترس فرانسویان قرار گرفت؛ و این کتاب، همراه با تلاش های ریاضیدان و فیزیکدان فرانسوی، پییر لویی دوموپرتویی (26)، طرز تلقی عمومی را در فرانسه تغییر داد.
پرینسیپیای نیوتن چنان کامل به دوره ای در اخترشناسی پایان داد که کسانی که بعد از او آمدند بیشتر به تحکیم دستاوردهای او سرگرم شدند. برای نمونه، هالی ریاضیات حرکت و جاذبه نیوتنی را در مسئله ستارگان دنباله دار به کار بست. او دید که ظهور دنباله دارهای مشاهده شده در سال های 1531 و 1607 ظاهراً با دنباله دار درخشان سال 1682 ارتباط دارد. این دنباله دارها را او یکی فرض کرد و با استفاده از قانون جاذبه عمومی و احتساب تأخیری که مشتری موجب می شد، تاریخ بازگشت آن را دسامبر سال 1758 پیش بینی کرد. دنباله دار طبق پیش بینی مجدداً ظهور کرد، گرچه چند روز دیرتر(اثر مشتری کمی بیش از حد انتظار هالی بود). «دنباله دار هالی» نخستین سند پیروزی نظریه نیوتن بود. بعدها اخترشناسان ریاضیدان دیگری از این نظریه برای تعیین دقیق اثرات متقابل یا «اثرانحرافزا» ی سیارات بر یکدیگر استفاده کردند؛ و چند ریاضیدان اصلاً در این زمینه بود که به پیشرفت های چشمگیری نایل آمدند، به ویژه لیونهارت ایلر در سویس و الکسی کلرو(27)، ژان دالامبر، ژوزف لاگرانژ و پییر لاپلاس در فرانسه.
البته این نیز درست است که ادموند هالی کوشید اخترشناسی را در جهات دیگری گسترش دهد. برای مثال، او متوجه شد که ستارگان برخلاف تصور عموم در جای خود ثابت نیستند. ارصادات او در مقایسه با رصدهایی که یونانیان در گذشته انجام داده بودند اختلافاتی نشان می داد که مسلماً باید عاملی در کار می بود که تا آن زمان از دیده پنهان مانده بود. هالی، به درستی، یک جابجایی واقعی در موضع ستارگان را علت امر دانست. او همچنین آنچه را که بعدها «سحابی» نام گرفت مورد بحث قرار داد. (سحابی، منطقه غباری درخشانی در آسمان شب است که فقط با تلسکوپ دیده می شود. )
هالی در این مسئله نیز بحث کرد که اگر عالم ستارگان نامتناهی است چرا آسمان همیشه در شب تاریک است( مسئله ای که در زمان ما «پارادوکس اُلبرس»(28)نام گرفته است). تلاش های پیشگامانه هالی در عرصه نجوم ستارگان به وسیله اخترشناسان دیگر آن زمان پیگیری نشد. در حقیقت، نجوم ستاره ای تا نیمه دوم قرن هجدهم دنبال نشد. این موضوع تازه در قرون نوزدهم و بیستم توانست بر پای خود بایستد. اکثراً به این قانع بودند که به منظومه شمسی بنگرند و به کاربرد موشکافانه جاذبه عمومی بنازند.
پرینسیپیا نقطه اوج نجوم سیاره ای بود؛ و البته بدون اندازه گیری های دقیق تیکو براهه و پی آیندگانش نمی توانست پدید آید. هنگامی که تلسکوپ پا به میدان نهاد، میزان بالاتری از دقت در رصد را با خود به همراه آورد؛ هر چند که هنوز همه اخترشناسان به توانایی آن از این لحاظ واقف نبودند. هوک که در برابر مخالفان ارجحیت تلسکوپ تسلیم ناپذیر بود ولی مردی وقت نشناس و بی ملاحظه بود، با انتقادی جانانه از یوهانس هول(29) دانتسیگی که هنوز مواضع فلکی را بدون تلسکوپ و فقط با ابزارهای نشانه روی اندازه گیری می کرد، حادثه ای تقریباً بین المللی آفرید. هول که بیشتر معروف به هولیوس است آبجوساز ثروتمندی در دانتسیگ (گدانسک امروزی) و راصد تلسکوپی پرآوازه ماه و سیارات و دنباله دارها بود، با وجود این هنوز باور داشت که بدون تلسکوپ می تواند نتایجی به حد کافی دقیق به دست آورد. تنها با دخالت جامعه سلطنتی و سفر دیپلماتیک«آقای هالی خوش مشرب» به دانتسیگ بود که تشنج پایان گرفت. هالی خود با ابزارهای نشانه روی هولیوس رصد کرد و دقت آن ها را در خور ستایش یافت. اما حق با هوک بود. در گرینیچ(30) و پاریس که روز به روز رصدهای موضعی دقیق تری انجام می گرفت دایماً از تلسکوپ استفاده می شد.
این دو رصدخانه ملی، که نخستین در نوع خود در غرب بودند؛ تقریباً همزمان تأسیس شده بودند. (رصدخانه پاریس در سال 1671 و رصد خانه گرینیچ در سال 1676 تکمیل شد. )رصدخانه فرانسوی را ایتالیایی پرجنب و جوشی به نام جووانی کاسینی اداره می کرد که پس از او پسر و دو نوه اش عهده دار مدیریت آن شدند؛ و مدیر گرینچ مردی نسبتاً کم حرف و راصدی بس دقیق و خستگی ناپذیر بود به نام جان فلمستید(31) که نخستین اخترشناس سلطنتی لقب گرفت. فلمستید بود که قدری از شواهد ارصادی حرکات ماه را که برای نگارش پرینسیپیا و نیز برای کار آتی نیوتن بر روی نظریه مربوط به ماه لازم بود در اختیارش گذاشت؛ اما چون فلمستید راضی نبود نتایج رصدهایش تا پیش از آن که به دقت و سر وقت تصحیح شوند منتشر گردد با نیوتن اختلاف پیدا کرد. با این حال، نیوتن که رئیس انجم سلطنتی بود به خود اجازه داد که نتایج کار فلمسید را با وجود این که نزد او به امانت گذاشته شده بود برای ویرایش به هالی بسپارد و سپس انتشار دهد. حالا مدت ها بود که دوستی فلمستید با هالی ظاهراً به دلیل شرکت هالی در مجالس عیاشی پترکبیر روسیه به هم خورده بود( پترکبیر به لندن آمده بود تا هم فنون کشتی سازی انگلیسی ها را بیاموزد و هم اطلاعات دست اولی از جنبش علمی جدید به دست آورد) اما دلیل واقعی به هم خوردن دوستی آن ها احتمالاً انتقاد هالی از بعضی نتایج رصدهای فلمستید بود.
تأسیس رصدخانه های پاریسی و گرینیچ فقط برای پژوهش نبود. قرار بود رصدهایی نیز انجام گیرد که کار یافتن طول جغرافیایی در دریا را برای دریانوردان ساده تر سازد. نظر این بود که از حرکت ماه در زمینه ستارگان به عنوان یک ساعت قمری استفاده شود که با آن بتوان وقت را در نقطه مبدأ حرکت تعیین کرد. این «وقت مبدأ» را سپس می شد با «وقت محلی» که با رصد خورشید در دریا به دست می آمد مقایسه کرد و از اختلاف آن ها طول جغرافیایی را به دست آورد. برای آن که کار این روش رضایت بخش باشد، ارصادات نجومی بسیار دقیقی لازم بود؛ و با همه سختکوشی فلمستید، هالی (که جانشین او به عنوان اخترشناس سلطنتی بود) و کسانی که پس از او آمدند، تازه در سال 1767 در عهد پنجمین اخترشناس سلطنتی، نویل مسکلاین(32) بود که جدول های لازم برای دریانوردان به درجه ای از رضایت بخشی رسید که دیگر می شد آن ها را انتشار داد. ولی تا این زمان، ساعت سازی انگلیسی به نام جان هریسن نیز نخستین کرونومتر قابل استفاده در دریا را ساخته بود. این طبعاً روش بی واسطه تری بود ـ برای تعیین وقت«مبدأ» فقط کافی بود به کرونومتر رجوع شود ـ ولی محض اطمینان، تا چندی پیش از هر دو روش با هم استفاده می شد.
رصدخانه های ملی فقط یک وجه از گرایش به دقت بیشتر در اندازه گیری های نجومی را نشان می داد. در قرن هجدهم، دو دستاورد چشمگیر از این نوع حاصل شد: یکی در رابطه با فاصله خورشید و دیگری در ارتباط با حرکت زمین. در پرتو قانون کپلر در مورد فاصله سیارات و دوره مداری آن ها، اندازه گیری فاصله زمین از خورشید ضروری بود؛ زیرا کافی بود این فاصله به دست آید تا فاصله سیارات دیگر منظومه شمسی نیز به سهولت محاسبه گردد. هالی این نظر را مطرح ساخت که بهترین راه اندازه گیری این فاصله اساسی، که «واحد نجومی» نام گرفت، تعیین زمان عبور سیاره زهره از برابر قرص خورشید از نقاط مختلف سطح زمین است. این زمان سنجی، فاصله زمین تا زهره را به دست می داد و از این جا می شد واحد نجومی را حساب کرد. این روش، هم دقت داشت و هم ماهرانه بود. تنها مشکل این بود که عبور زهره از برابر خورشید به ندرت اتفاق می افتاد: دوبار به فاصله هشت سال و سپس هیچ تا بیش از یکصد سال دیگر که دو عبور دیگر رخ می داد. با این حال، گرچه هالی در سال 1742 درگذشت و عبورهای بعدی تا سال های 1761 و 1769 روی نمی داد، اما شهرت او و تبلیغات فراوانش باعث شد که هیئت هایی بین المللی تشکیل گردد و اندازه گیری هایی انجام شود که به مراتب دقیق تر از اندازه گیری های گذشته بود. به این ترتیب، فاصله زمین از خورشید 152,855,000 کیلومتر (95 میلیون مایل) تعیین شد. بعدها محاسبه بهتری انجام گرفت که رقم 149,637,000 کیلومتر (93 میلیون مایل) را به دست داد که بسیار نزدیک به رقم امروزی 149,597,870 کیلومتر (92/96 میلیون مایل) است.
سنجش حرکت زمین محصول جنبی تلاشی ناموفق برای اندازه گیری فاصله ستارگان نزدیک بود. به محض این که تشخیص داده شد که تلسکوپ می تواند دقتی فراوان به ارمغان آورد، کسان بسیاری از جمله رابرت هوک و جان فلمستید در انگلستان و جووانی کاسینی در فرانسه کوشیدند با اندازه گیری هایی مقدار جابجایی ظاهری ستارگان نزدیک تر در زمینه ستارگان دورتر را تعیین کنند؛ اما همگی ناکام شدند. اکنون ما می دانیم که زوایایی که آنان قصد اندازه گیریشان را داشتند یش از آن کوچکند که قابل تشخیص با تجهیزات مورد استفاده در آن ایام باشند. در سال 125 جیمزبردلی، استاد اخترشناسی در آکسفرد، و سمیوئل مولینوکس، اخترشناسی آماتور ولی زیرک، با روش های پیچیده تری آغاز به کار کردند. اینان نیز ناکام ماندند، گرچه موفق به اندازه گیری جابه جایی دیگری شدند که سرانجام کاشف به عمل آمد که حاصل ترکیب مدت زمان عبور نور ستاره از لوله تلسکوپ و حرکت جانبی لوله در اثر حرکت زمین در مدارش بوده است. بدین سان سرانجام در سال 1729 با دلیلی قطعی ثابت شد که زمین به راستی در فضا حرکت می کند؛ و این نیز دلیل ارصادی صحت اصل نظریه کپرنیک بود. با این، و با نظریه جاذبه عمومی نیوتن، انقلاب عظیمی که حدوداً از دو قرن پیش تر در شناخت انسان از عالم آغاز شده بود به سرانجام رسید. ولی باز کشفیات بیشتری می توانست انجام گیرد، چنان که ویلیام هرشل نشان داد.
هرشل در سال 1738 در خانواده ای موسیقیدان در هانوفر به دنیا آمد. پدرش رهبر گروه نوازندگان گارد پیاده هانوفر بود. محیط خانه او را تشویق به یادگیری می کرد. ویلیام آزاد بود در میان علایق بسیاری غوطه خورد. او در پانزده سالگی وارد گروه نوازندگان گارد پیاده شد، ولی زندگی ارتشی، حتی زندگی کم تر نظامی یک نوازنده، در استعداد هرشل نبود. او در سال 1757 با برادری از خودش بزرگ تر به انگلستان رفت، کشوری که او یک سال پیش تر در التزام هنگ خود از آن دیدار کرده بود. در این جا او پیشه خود همان موسیقی را دنبال کرد، نخست در لندن و سپس در ولایات دیگری که مجال هنرنمایی بیشتری به او می داد. سرانجام در سال 1766 به باث رفت که مرکزی باب روزپسند و برای کار موسیقی نوید بخش بود. در این شهر کار هرشل گرفت و او آن قدر پول به دست آورد که توانست برای مدتی استراحت به هانوفر برگردد. در بازگشت از آلمان، خواهرش کرولین را هم با خود آورد که می خواست خوانندگی پیشه کند ولی به زودی یاور برادر در اخترشناسی شد و خود نیز اخترشناسی قابل از کار در آمد. هرشل به شکلی تصادفی به اخترشناسی علاقه مند شد. کتابی خواند به نام آهنگاواشناسی(33) یا فلسفه اصوات آهنگین از رابرت اسمیت، استاد کرسی پلومی(34) اخترشناسی و فلسفه تجربی در کیمبریج، و چنان شیفته آن شد که بلافاصله شروع به خواندن کتاب دیگری از همین نویسنده به نام نظام کامل نورشناسی کرد. این کتاب در وصف چیزهایی بود که می شد با تلسکوپ دید، از این رو مهمیزی به اسب تخیل هرشل بود. او کتاب های نجومی دیگری خواند و شروع به رصد کرد؛ ولی کیفیت تلسکوپ هایی که می توانست کرایه کند چنان ناامیدش کرد که بر آن شد برای خود آلات و ابزاری بسازد. به زودی آشکار شد که هرشل ذوق آینه سازی دارد؛ و تلسکوپ های انعکاسی که او شروع به ساختنشان کرد، از هر تلسکوپ ساخت دست ابزار سازان حرفه ای بهتر درآمد.
به محض آن که او به ابزار مناسب مجهز شد، به رغم بی اطلاعی از گرایش عموم نجوم حرفه ای به دینامیک، شروع به سیاهه برداری از آسمان ها نمود و هر چه را که دید به طریقی کاملاً اسلوب مند یادداشت کرد. در سال 1781، در خلال یکی از این کاوش ها، او متوجه «یک ستاره سحابی یا شاید یک دنباله دار عجیب» شد (بسیاری از دنباله دارها وقتی نخستین بار با تلسکوپ رؤیت می شوند فاقد دم هستند؛ پس این گفته حدسی بی پایه نبود). او حرکات آن را در زمینه ستارگان دورتر مشاهده کرد. تجزیه و تحلیل نتایج رصدهای او و دیگران نشان داد که جسم مزبور یک سیاره است. این نخستین سیاره ای بود که در اعصار بعد از تاریخ کشف می شد. سیارات دیگر از زمان های دور شناخته بودند. کشف این سیاره تحسین فراوان برانگیخت، اما نامی که هرشل بر روی آن نهاد ـ جورجیوم سیدوس (ستاره جورج) برگرفته از نام جورج سوم پادشاه انگلیس ـ در سطح جهان با استقبال مواجه نشد. در عوض، نام عتیق و کم تر سیاسی اورانوس برای آن انتخاب شد.
هرشل اینک پرآوازه و سرشناس بود. چندی بعد برای او یک مقرری از طرف دربار تعیین شد؛ و اینک او آزاد بود که خود را تماماً وقف اخترشناسی کند. این علاقه او رفته رفته بر تعهد وی به موسیقی غلبه کرده بود. از آن جا که دریافت مقرری، هرشل را ملزم می ساخت که دیدنی های آسمان را به اعضای خاندان سلطنت نشان دهد، او به اسلاو (35) رفت تا به وینزر نزدیک باشد. در این جا بود که او شاه را ترغیب کرد که هزینه ساخت تلسکوپ عظیمی را تأمین کند و یک مقرری نیز برای خواهر او تعیین کند تا دستیار وی گردد. این نخستین بار بود که دولت بریتانیا از پژوهشی صرفاً علمی حمایت می کرد.
تلسکوپی که ساخته شد از نوع انعکاسی و دارای روزنه ای به قطر حداقل 1/2 متر (48 اینچ) بود، ولی بیش از حد دست و پا گیر بود ـ در سال های 1780 هنوز مهندسی مکانیک در مقیاس های بزرگ چندان پیشرفتی نکرده بود ـ از این رو هرشل اکثر ارصادات خود را با تلسکوپ کوچک تری انجام داد که آینه ای به قطر 47 سانتیمتر (18/5 اینچ) ولوله ای به درازی نصف طول لوله تلسکوپ بزرگ تر داشت. با این حال، تلسکوپ «40پایی» نیز در مواردی به کار آمد و به شهرت هرشل لعاب بیشتری داد، چون به مراتب بزرگ تر از هر تلسکوپ دیگری در جهان بود. هرشل نخستین کسی بود که به مزایای تلسکوپ های گشاد روزنه پی برد. با این تلسکوپ ها می شد بیشتر در اعماق فضا نفوذ کرد و اجسام کم نورتری را رؤیت کرد. این درک بر همه نسل های بعدی اخترشناسان اثر گذاشت.
برنامه کار هرشل بسیار سنگین بود. او بنیه قوی و پشتکار زیادی داشت و در سخت ترین شرایط نیز دست از کار رصد بر نمی داشت. او سی سال به طور دایم آسمان را کاوید ـ از 1778 تا 1808 ـ و به نتایج مهمی دست یافت. تلاش برای تعیین مقدار جابجایی ستارگان نزدیک تر در زمینه ستارگان دورتر و استفاده از این «اختلاف منظر» برای تعیین فاصله ستارگان از زمین ناکام ماند، ولی هرشل را به این درک رساند که برخی ستارگان با یکدیگر جفت شده و به گرد هم می گردند. بررسی دقیق تر آن ها نشان داد که این ستارگان در مدار خود از قوانین جاذبه نیوتن پیروی می کنند؛ و این نیز اثبات وجود جاذبه در اعماق فضای بین ستاره ای بود.
نقشه برداری هرشل از آسمان و «پیمان برداری» او از ستارگان، که وی از طریق آن می توانست تعداد ستارگان را در مناطق مختلف آسمان بشمارد، او را به دو نتیجه مهم رسانید. از یک سو، او با بررسی آماری نتایج به دست آمده پی برد که خورشید در فضا حرکت می کند و حتی جهت حرکت آن در فضا را نیز مشخص کرد. این یافته، که با برآوردهای امروزی نیز کمابیش می خواند، تا حدی تصادفی بود؛ زیرا هرشل ستارگان محدودی در اختیار داشت و محاسبات خود را بر آن ها استوار ساخت(فقط از ستارگانی می شد استفاده کرد که به نظر می رسید موضع خود را در طول سالیان تغییر داده اند)ولی نفس حمله هرشل به مسئله ای از این دست، امکانات تازه ای را مطرح ساخت. نتیجه گیری مهم دیگر هرشل این بود که ستارگان به طور یکنواخت در فضا پخش نیستند بلکه در انبوهی بزرگ و کشیده قرار دارند که خورشید و سیاراتش در نزدیک مرکز آن واقع شده است. این نظری فوق العاده بدیع بود که در آینده تأیید می شد، زیرا تجهیزات مورد استفاده اخترشناسان دیگر آن قدر قوی نبود که بتواند نتایج کار هرشل را بررسی کند.
آسمان کاوی های هرشل شمار بسیاری مناطق نوری یا سحابی (ابری) را نمایان ساخت. او نخستین کسی نبود که آن ها رصد می کرد. شارل مسیه، اخترشناس فرانسوی، 104 عدد از آن ها را فهرست کرده بود؛ گرچه مقصود وی صرفاً رفع مزاحمت آن ها بود. او می خواست مانع از اشتباه گرفتن آن ها با دنباله دارها در مراحل اولیه نزدیکیشان به خورشید گردد. ولی از برجستگی کار هرشل همین بس که او نه از یکصد بلکه از حدود 2500 سحابی در آسمان شمالی سیاهه برداشت. رصدهای او مسئله ای اساسی را نیز در این زمینه مطرح ساخت. هر چه هرشل از تلسکوپ های گشاد روزنه تری استفاده کرد، بیشتر پی برد که در برخی از این مناطق غبارآلود می توان ستارگان مجزایی تشخیص داد. پس این پرسش پیش آمد که آیا اصلاً ابری در کار هست یا نه. شاید با دستگاه های بزرگ تر می شد همه سحابی ها را به صورت ستارگان مجزا دید. کار خود هرشل با تلسکوپ غول آسای «40پایی» نتوانست برای مسئله پاسخی قطعی بیابد.
پی نوشت ها :
1. Ska ̈ne
2. Rostock3. Cassiopeia کاسیوپه.
4. ما همچنان او را گالیله خواهیم خواند.
5. Vallombrosa
6. Doge مقام قاضی القضات در جمهوری های ونیز و جنوا.
7. Lipperbey (Lippershey)
8. Harriot , Thomas
9. Lincei
10. Caccini , Tommaso
11. Santa Maria Novella
12. همریشهmathematics به معنی ریاضیات.
13. Barberini , Maffeo
14. La Haye Descartes , in Vienne
15. La Fléche
16. جنگی که با یک شورش در بوهمیا در سال 1618 آغاز شد و دول بسیاری از جمله آلمان، بریتانیا، اسپانیا، هلند، دانمارک، سوئد و فرانسه را درگیر کرد.
17. Cogito ergo sum
18. Plenum
19. Vortex
20. Borelli , Giovanni
21. Horrocks , jeremiah
22. یا حساب جامعه و فاضله
23. Woolsthorpe in Lincolnshire
24. Grantham
25. Barrow , Isaac
26. Maupertuis , pierre -Louis de
27. clairaut , Alexis
28. منسوب به هاینریش ویلهلم ماتئوس البرس(olbers)(1758 ـ 1840) فیزیکدان و اخترشناس آلمانی.
29. Hevel , johannes )of Danzig(
30. Greenwich
31. Flamsteed , john
32. Maskelyne , Nevil
33. harmonice
34. plumian
35. slough
