جهان نیوتون

مسئله گرانش

در تابستان سال 1666، مرد جوانی قدم زنان وارد باغ خانه مادری خود در وولس تورپ، واقع در لینکلن شِر انگلستان شد و زیر درختی نشست تا به مطالعات خود بیندیشد.
لحظه ای بعد سیبی از درخت افتاد و به سر مرد جوان خورد. این مرد جوان کسی نبود غیر از آیزاک نیوتون بیست و دو ساله. تردیدی نیست که لحظه ای آزرده خاطر شد، اما همین واقعه دانشمند جوان را به فکر انداخت تا درباره اجسام متحرک بیشتر بررسی کند.
آیزاک قبلاً کوشیده بود تا بفهمد چه عاملی ماه را به گردش در مدار خود به دور زمین و سیاره ها را به گردش دور خورشید وادار می کند. فقط پس از آنکه در مورد علت سقوط سیب به زمین خوب اندیشید، توانست به تدریج پاسخ این سؤالات را پیدا کند. پاسخهایی که او یافت، در نظریه گرانش جمع شده است.

«سال شگفت انگیز»

سال 1666 برای آیزاک نیوتون سالی شگفت انگیز بود. فقط چند هفته قبل آتش سوزی بزرگ لندن آخرین بقایای طاعون را نابود کرده بود؛ طاعون سبب مرگ هزاران نفر شده بود. نیوتون دانشجوی دانشگاه کمبریج بود، اما بیش از یک سال بود که از سر ناچاری در کنار مادرش در روستا مانده بود زیرا این بیماری به شدت واگیردار کمبریج را به ویرانه ای تبدیل کرده بود. در روستا نیوتون می توانست از تنهایی و ایمنی نسبی لذت ببرد. در این محیط آرام می توانست در مسائل علمی مختلفی که در طول سالهای تحصیلات تکمیلی خود با آنها دست و پنجه نرم کرده بود، بیشتر تعمق کند.
در طول سال گذشته نیوتون موفقیتهای عظیمی در ریاضیات و فیزیک کسب کرده بود. در سال 1665 پاسخ مسئله ای را یافته بود که سالها فکر برجسته ترین ریاضیدانها را به خود مشغول کرده بود و آن قضیه معروف دو جمله ای بود.
مدتی بعد، آیزاک کار روی حسابان( حساب انتگرال و دیفرانسیل) را آغاز کرد که بزرگترین تحول را در تاریخ ریاضیات پدید آورد. امروزه دانشمندان از قضیه دو جمله ای و حسابان در برنامه های کامپیوتری استفاده می کنند. مهندسان صنایع فضایی نیز برای حل مسائل پیچیده ریاضی از حسابان استفاده می کنند. اقتصاددانها نیز این شاخه مهم ریاضیات را برای پیش بینی وضعیت پولهای رایج در سراسر جهان به کار می برند.
آیزاک نیوتون نابغه ای در ریاضیات بود که در اوایل دهه بیست زندگی خود آثار همه ریاضیدانان برجسته جهان را مطالعه کرده بود. پس از آن، وقتی همه دانش روز را آموخت، خود شروع به پی ریزی قضیه ها و روشهای خاصی کرد تا شالوده ی ریاضی کار علمی خود را بریزد. هنگامی که به شهرت دست یافت، نویسندگان به دوره کوتاهی که در روستای لینکلن شِر اقامت کرده بود نظر افکندند و آن را «سال شگفت انگیز» نامیدند.

جهان نیوتون

« به نظر من بزرگترین نوابغ خلاق گالیله و نیوتون بوده اند که من با تعبیری خاص آنها را تشکیل دهنده وجودی واحد می دانم و در این وجود واحد، نیوتون است که حیرت انگیزترین شاهکار را در قلمرو علم انجام داده است. این دو نخستین کسانی بودند که نظامی برای مکانیک پی ریزی کردند که بر چند قانون معدود متکی بود و نظریه ای عام برای حرکت ارائه دادند که کلیت آن معرف رویدادهای جهان ماست.»
آلبرت اینشتین
در قرن هفدهم، زمانی که علم هنوز دوران کودکی خود را می گذراند، بسیاری از مردم تحصیل کرده هنوز به جادوگری اعتقاد داشتند. در آن دوران در مورد اصول بنیادی که بسیاری از پدیده ها بر اساس آنها رخ می داد، اطلاع چندانی در دست نبود. اغلب مردم می پنداشتند که همه عالم را ارواح قدرتمند اداره می کنند و بسیاری از رویدادها و پدیده ها را ارواح سبب می شوند. نظریه منسجمی در مورد مکانیک وجود نداشت و مردم در مورد اصول حاکم بر حرکت اشیا چیزی نمی دانستند. دانشمندان درباره نور و رفتار آن اطلاعات ناچیزی داشتند و موضوعاتی مانند شیمی و پزشکی بیشتر بر سحر و جادو مبتنی بود تا بر علم. کسی واقعاً نمی فهمید که چگونه سیاره ها و ماه در مدار خود باقی می مانند یا چرا سیبی که از درخت جدا می شود به زمین می افتد. اما نیوتون تا پایان زندگی خود پاسخ همه این پرسشها را یافت. پاسخهای او علم را متحول کرد و نگرش مردم نسبت به جهان را به کلی تغییر داد.
کاری که نیوتون در«سال شگفت انگیز» آغاز کرد، اساس علوم ریاضی و فیزیک در سیصد سال آینده شد. در طی سه قرن پس از افتادن سیب از درخت و خوردن آن به سر نیوتون، دانشمندان با استفاده از قضیه ها و کشفهای او قدم بر سطح کره ماه گذاشتند و ماشینهایی به سیاره های دوردست اعزام کردند. حوزه های کاملی از فیزیک و ریاضی را به پاس دستاوردهای برجسته او « نیوتونی» می نامند.

دانشمند همه فن حریف

قوانین حرکت نیوتون نحوه وارد شدن نیرو به اجسام متحرک یا ساکن را شرح می دهند. با اعمال این قوانین بر هر سیستم مکانیکی، می توان اثر نیرو بر جسم را پیش بینی کرد. مثلاً اگر وزن و نیروی دو گوی بیلیارد را بدانیم، با استفاده از قوانین نیوتون می توانیم اثر یک گوی بر گوی دیگر را پیش بینی کنیم. امروزه قوانین حرکت نیوتون را در همه حوزه های علم - در طراحی اتومبیل، تعیین مسیر فضاپیما، ساخت موتور هواپیما و ساخت اسکیت بوردهای آئرودینامیکی - به کار می برند. به علاوه، نیوتون نظریه گرانش را پی ریزی کرد تا نحوه حرکت سیاره ها را در مدارهای خود به دور خورشید شرح دهد. همین نظریه به علت چسبیدن ما به زمین و شناور نشدن در فضا را نیز توضیح می دهد.
نیوتون در بسیاری از حوزه های دیگر فیزیک نیز تحقیق کرد. نظریه های جدید او درباره نور به دانشمندان و مهندسان کمک کرده است تا تلسکوپها، میکروسکوپها، عینکها و دوربینهای بهتری طراحی کنند. کشفهای او در نورشناسی سرانجام به اختراع تلویزیون و لیزر منتهی شد.
ماجرای کشفهای به یاد ماندنی آیزاک نیوتون از لینکلن شِر، زادگاه او آغاز شد. از همین جای ساده، سرانجام تأثیر او گسترش یافت تا چهره جهان را تغییر دهد.

دوران کودکی در لینکلن شِر

آیزاک نیوتون درست پس از نیمه شب کریسمس سال 1642 به دنیا آمد. او نوزادی نارس بود و زودتر از موعد به دنیا آمده بود و پزشکی که او را به دنیا آورد امیدی به زنده ماندنش نداشت. پدرش، کشاورزی نسبتاً ثروتمند، سه ماه قبل فوت کرده بود و هانا، مادر آیزاک را تنها گذاشته بود تا این پسر کوچولو را به تنهایی بزرگ کند.
در این دوران، انگلستان روزگار پر آشوبی را می گذراند. در سال 1629، شاه چارلز اول مجلس را منحل کرده بود زیرا می خواست بدون گردن نهادن به قوانین مصوب، بر کشور حکومت کند.
چارلز اول یازده سال به این ترتیب پادشاهی کرد، اما مخالفت با او پیوسته بیشتر می شد. در سرتاسر کشور مردم از برقراری قوانین جدید برای کلیسای انگلستان و تقاضای شاه قانون شکن برای دریافت پول به خشم آمده بودند.
در سالی که نیوتون به دنیا آمد، جنگ داخلی درگرفت تا تعیین شود که چه کسی قدرت را در کشور به دست خواهد گرفت - شاه یا مجلس. پس از آن چندین نبرد خونین بین طرفداران مجلس و سلطنت طلبان، به رهبری چارلز اول، درگرفت. نیوتون شش ساله بود که جنگ داخلی انگلستان پایان یافت. این دو دستگی در کشور، تا آخر عمر نیوتون، در انگلستان اثر گذاشت.
بیشتر لینکلن شِر در دست طرفداران مجلس بود، اما خانواده نیوتون حامی شاه بودند. تنها راه ادامه زندگی این بود که عقیده سلطنت طلبی خود را پنهان نگه دارند. میس استورر، دوست دوران کودکی نیوتون، درباره رفتار وی در این دوره می نویسد:
«سر آیزاک همواره جدی، ساکت و فکور بود و هرگز دیده نشد که در بیرون از خانه با پسرهای دیگر بازی کند و با سرگرمیهای ابلهانه آنها سرگرم شود، بلکه ترجیح می داد در خانه، حتی در میان دخترها، بماند و غالباً برای من و همبازیهایم میزها و کمدهای کوچک می ساخت تا عروسکها و اسباب بازیهایمان را روی آنها بچینیم.»

ناپدری منفور

وقتی نیوتون سه ساله شد مادرش دوباره ازدواج کرد. ناپدری نیوتون کشیشی ثروتمند بود و بارناباس اسمیت نام داشت؛ او در روستای ویتام جنوبی، در فاصله چند کیلومتری وولس تورپ، کشیش بخش بود. اسمیت به هانا دستور داد که پسرش را نزد مادربزرگش در وولس تورپ بگذارد و به ویتام جنوبی نقل مکان کند تا مراقب خانواده جدیدش باشد. آیزاک سالها بعد به دوستان صمیمی خود گفت که او نسبت به ناپدری خود فقط احساس حسادت و تنفر داشت.
آیزاک هرگز با مادربزرگ خود تفاهم نداشت. دوستان و همکاران او به ندرت می شنیدند که درباره مادربزرگش حرف بزند. بعضی از مردم گفته اند که ضربه روحی ناشی از ازدواج دوم مادرش سبب افسردگی حالی او در دوران نوجوانی و افسردگی معرف او در بقیه زندگی بوده است.
وقتی آیزاک بزرگتر شد، خاطرات خود را نوشت و در این نوشته ها احساس تنفر خود از بارناباس اسمیت را آشکار ساخت. تقریباً هشتاد سال بعد، به دوستانش گفت که غالباً خواب می دیده که ناپدری خود را کشته است و مادرش را از چنگ این«جانور درنده» نجات داده است.

شیفته ماشینها

دوران کودکی نیوتون، اوقات تنهایی او بود؛ او دوستان اندکی داشت و از دیگران کناره گیری می کرد. غالباً خود را در اتاقی در خانه مادربزرگش حبس می کرد و تمام روز را به ساختن مدل، بادبادک، ساعت آفتابی و وسایل مکانیکی کوچک می گذراند.
دیری نگذشت که آیزاک جوان به سبب ابداعاتش در منطقه شهرت یافت. مردم محل و خویشاوندان نیوتون از مهارت او در ساختن نمونه های دقیق از ارابه ها و دستگاههای چرخدار در شگفت بودند. وقتی سیزده ساله شد، مدلی از آسیای بادی جدید دهکده ساخت که در ساخت آن مقیاس را رعایت کرده بود. این آسیا به خوبی کار می کرد. او حتی با قرار دادن موشی روی چرخ داخل آسیا، پره های آن را نیز به چرخش درآورد.
آیزاک در سرتاسر عمر خود از این استعداد خداداد برای ساختن مدلها و اسبابهای علمی استفاده کرد. او یکی از این ابداعات، یعنی تلسکوپ بازتابی، را در آزمایشهای معروف خود با نور به کار برد.

دوران مدرسه

وقتی نیوتون ده ساله شد، ناپدریش درگذشت و مادرش به خانه واقع در وولس تورپ بازگشت. دو سال بعد، پسرک در دبیرستان گرانتام نام نوشت و نزد عمویش اقامت کرد که در شهر زندگی می کرد.
او از نظر معلمانش شاگردی با استعداد متوسط بود و همکلاسیهایش او را پسری گوشه گیر می دانستند. او بعدها اعتراف کرد که تکالیفش را انجام نمی داد و بیشتر وقت خود را برای ساختن مدل و انجام آزمایشهای مختلف صرف می کرد.
پسرهای دیگر آیزاک را دوست نداشتند. او از لحاظ جسمی ضعیف بود و نمی توانست در بازیهای خشنی که بخشی از زندگی روزانه در مدرسه بود، شرکت کند. نیوتون پسری جدی و آرام بود که به سرعت از مدرسه به خانه باز می گشت تا به اتاق کوچکش پناه ببرد و مدل و اثاثیه برای خانه های عروسکی بسازد. پسرهای دیگر، به جای آنکه تحت تأثیر مهارت او قرار بگیرند، به نبوغ و استعداد او حسادت می کردند.
یک روز، آیزاک با یکی از قلدرهای مدرسه دعوایش شد. پسرک قلدر هیکلی بسیار بزرگتر از آیزاک داشت و پسرهای دیگر اصلاً او را دوست نداشتند. آیزاک با وجود کوچکی و ضعیفی، توانست با زیرکی در این زد و خورد پیروز شود و بینی حریف را خون بیندازد. پس از این پیروزی، آیزاک را به سبب فکر زیرکانه اش تحسین می کردند. محبوبیتی که از این راه به دست آورد باعث شد که در مدرسه بیشتر تلاش کند. دیری نگذشت که رهبر فکری بچه ها شد و احترام معلمها و همکلاسیهایش را جلب کرد.

کشاورز یا دانشمند؟

با وجود موفقیت آیزاک، هانا نیوتون تصمیم گرفت دیگر او را به دبیرستان نفرستد تا بتواند در مزرعه خانوادگی کار کند. اگر بازی عجیب تقدیر نبود، شاید آیزاک بقیه عمر خود کشاورز باقی می ماند. اول از همه اینکه دو نفر از اشخاص مهم، یعنی عموی آیزاک و هنری استوکس، مدیر دبیرستان گرانتام، به استعداد او پی برده بودند. آیزاک در طول آخرین سالهایی که به مدرسه می رفت شاگرد ممتاز شده بود. مدیر دبیرستان آیزاک را بهترین شاگردی می دانست که تا آن زمان تعلیم داده بود. پسرک همیشه کتابهای علمی می خواند و برای مسئله ها راه حلهای نبوغ آمیز می یافت. او روی نظریه های دانشمندان قدیمی کار می کرد و پاسخ معماهای ریاضی جالب و چیستانهای علمی را می یافت. اما آیزاک، با وجود مهارت فکری خود در مدرسه، پریشان حواس و فراموشکار بود و غالباً کارهای مزرعه را ناتمام رها می کرد. ویلیام استاکلی(1)، نخستین زندگینامه نویس نیوتون می نویسد: «در این میان، آقای استوکس که برای آیزاک ارزش زیادی قائل بود، غالباً از مادرش می خواست که او را به مدرسه بازگرداند، زیرا مدرسه را بستر مناسبی برای پرورش استعداد او می دانست. آقای استوکس به مادر آیزاک می گفت که گماشتن چنین نابغه ای به کار کشاورزی در روستا، که به شکل بارزی با خلق و خوی او در تضاد است، تلاش بیهوده برای نابودی او و ضایعه ای بزرگ برای جهان علم است؛ تنها راه نجات آینده او این است که برای ورود به دانشگاه آماده شود.»
توضیح عکس:
آیزاک نام خود را روی لبه یکی از پنجره های دبیرستان گرانتام کنده کاری کرد. سالها بعد، هنگامی که شهرت جهانی یافته بود، این کنده کاری را به موزه انتقال دادند تا برای نسلهای آینده محفوظ بماند.
به همین سبب، مادرش به این نتیجه رسید که این پسر جوان کشاورز به درد بخوری نخواهد شد و در مورد آینده او در کار کشاورزی تجدید نظر کرد.
پس از تشویقهای فراوان و به اصرار دو مردی که در زندگی نیوتون مؤثر بودند، آیزاک هجده ساله در دانشگاه معتبر کمبریج پذیرفته شد.
مادر آیزاک فقیر نبود، اما پس از تأمین هزینه تحصیل پسرش در دانشگاه هم برنمی آمد. آیزاک برای تأمین پول اضافی مورد نیاز ناگزیر از کار کردن در دانشگاه شد. او می بایست اتاقها را تمیز می کرد، در غذاخوری خدمت می کرد و کارهای پست انجام می داد. آیزاک جوان این تحقیرها را تحمل می کرد، زیرا بودن در دانشگاه برایش شادی آور بود. در دانشگاه در میان اندیشمندان و متفکران دیگر بود. طی سه سال، که مانند پلک برهم زدنی گذشت، از دانشگاه فارغ التحصیل شد. دیگر به راستی دانشمند بود.

نخستین روزها در کمبریج

آیزاک روز چهارم ژوئن سال 1661 وارد کمبریج شد. ساختمانهای عظیم دانشکده که در طول رودخانه بنا شده بود، در نظر این دانشجوی سال اول هیبت خاصی داشت. کمبریج شهر بزرگی نبود. در نظر کسی که از لندن وارد آن می شد، شهری کوچک، زیبا و تماشایی بود. اما در نظر آیزاک که از روستای آرام لینکلن شِر آمده بود، اقامت در این شهر تحولی بزرگ به شمار می رفت.
او به سرعت برای درس خواندن آماده می شد. همان روز اول قفلی برای کشو میز تحریرش، یک شیشه مرکب، یک دفترچه یادداشت و نیم کیلو شمع خرید تا بتواند در هنگام مطالعه شبانه، اتاقش را روشن کند.
اما اشتیاق آیزاک خیلی زود فروکش کرد، زیرا دریافت که هنوز به راستی از زندگی پسرانه و ناهنجار دبیرستان فاصله نگرفته است. بسیاری از دانشجویان هنوز مثل همان پسرهایی بودند که آیزاک فکر می کرد در وولس تورپ آنها را برای همیشه ترک کرده است. او پروتستانی متعصب بود و در مذهب او باده نوشی و قماربازی منع شده بود. در دانشگاه، نیوتون برای نخستین بار با چنین چیزهایی رو به رو شد. پس از خودداری از انجام این کارها، شهرت یافت که جوانی کسل کننده و عبوس است.
سرانجام مشکلات به تدریج حل شد و آیزاک دوستی پیدا کرد: دانشجوی پروتستانی به نام جان ویکینس. دو دوست در خوابگاه کالج ترینیتی، در کمبریج، هم اتاق شدند.
پس از گذشت چند ماه، آیزاک اندک اندک آسودگی خاطر پیدا کرد و زندگی دانشجویی برایش لذت بخش شد. از عقاید مذهبی خود دست نکشید، اما گاهی با دوستانش به تفریح می پرداخت.

پی نوشت ها :

1-willam stukeley )1687-1765)

منبع: وایت، مایکل؛ (1389)، آیزاک نیوتون: کاشف قوانین حاکم بر عالم، محمد رضا افضلی، تهران، مؤسسه فرهنگی فاطمی، چاپ دوم، 1389.