شاید شما هم تعبیر «جهان نیوتنی» را زیاد شنیده باشید. اهمیت این تعبیر به حدی است که تقریباً از زبان همه متخصصین در رشته‌های علمی مختلف اعم از فلسفه، علوم اجتماعی، روانشناسی، فیزیک، اقتصاد و … شنیده می‌شود. همه ما و دانش آموزان سال دهم در رشته‌های مختلف در همان ابتدای سال تحصیلی خود با قوانین نیوتن آشنا می‌شوند ولی معمولاً به دلیل ماهیت کتب درسی که بیشتر برای یادگیری حل مسئله و آمادگی برای بازار کار نوشته می‌شوند، به عمق آن پی نمی‌برند. اگر کسی به شناخت درست از تحولی که نیوتن در معرفت بشری ایجاد کرد، برسد قطعاً تصدیق خواهد کرد که فهم جهان نیوتنی برای هر انسانی مهم است فارغ از اینکه در چه رشته یا علمی تخصص داشته باشد. اینکه بتوانیم هر جسمی در زمین یا خارج از زمین را با یک چشم نگاه کنیم و آنها را با دو قسم برتر و اعلی تقسیم نکنیم، مرهون نبوغ نیوتن هستیم. اینکه به همه اشیای عالم را با دید وحدت نگاه کنیم و آنها را تابع قواعد یکتایی بدانیم، همه حاصل تلاشهای نیوتن در کتاب تاریخ‌سازش است. کتاب اصول ریاضی فلسفه طبیعی نیوتن، فقط یک کتاب ریاضی یا کتاب در مورد فیزیک نیست. نیوتن در این کتاب طرحی نو برای شناخت بشر از جهان و محیط اطرافش ساخته است. برای شناخت بهتر جایگاه این کتاب، خوب است وضعیت معرفت بشری از جهان پیرامونش در زمان نیوتن را بشناسیم. در این مقاله به این موضوع مهم خواهیم پرداخت. ضمناً خوب است بگوییم که مطالعه این مقاله برای ۱۰ اُمی‌ها، ۱۱ اُمی‌ها، ۱۲ اُمی‌ها و سایر دانشجویان برای فهم بهتر مباحث دروس فیزیک، ریاضی، فلسفه و حتی سایر دروس مفید خواهد بود. در ادامه با ما باشید.
وضعیت علم فیزیک در زمان نیوتن
نیوتن در زمانی زندگی می‌کرد که ابهامات و اشکالات زیادی به فیزیک اسطویی گرفته شده بود که تا قبل از فیزیک نیوتنی بر جهان حکمفرما بود. برای مثال طبق فیزیک ارسطویی کرات آسمانی موجوداتی مطلق، بیرنگ، خالص و تغییرناپذیر محسوب می‌شدند که از جنسی متفاوت و متعالی‌تر نسبت به اجسام زمینی ساخته شده‌اند. ولی مشاهداتی که توسط تلسکوپ گالیله انجام شده بود، نشان می‌داد که کرات آسمانی هم از سنگ و خاک تشکیل شده‌اند و بنابراین باید از قوانینی مانند قوانین زمین تبعیت کنند. بنابراین دانشمندان دنبال قوانینی می‌گشتند که نوعی وحدت میان زمین و آسمان ایجاد کند و پدیده‌های زمینی و آسمانی را با هم توضیح دهد.اتفاق دیگری که در زمان نیوتن افتاده بود آشکار شدن کمبودهای نظریه علل چهارگانه ارسطو بود. در فلسفه ارسطو هر پدیده ای ممکن است چهار علت مادی، صوری، فاعلی و غایی داشته باشد. علت غایی به معنی هدف نهایی یک پدیده یا یک اتفاق است. مثلاً تبدیل شدن به یک سیب قرمز، علت غایی از شکوفه دادن یک درخت سیب است. علت غایی در فیزیک ارسطو تبدیل به مفهومی شد به نام جایگاه طبیعی یک ماده یا همان حیّز طبیعی آن. برای مثال جایگاه طبیعی یا مکان نهایی یک صدف دریایی، کف دریاست چون جنس آن از سنگ است و ذات سنگ به این صورت است که باید پایین‌تر از آب قرار گیرد. جایگاه طبیعی هوا هم بالاتر از آب است چون ذات هوا به اینگونه است که باید بالاتر از آب قرار گیرد. مکان قرار گرفتن عناصر چهارگانه یعنی خاک، آب، آتش و هوا هم به همین صورت در فیزیک ارسطویی توضیح داده می‌شد. البته باید انصاف بدهیم که فیزیک ارسطویی در حد خود توانسته بود پدیده‌های طبیعی زیادی را توضیح دهد. برای مثال وقتی چوب می‌سوزد، چون مکان طبیعی آتش بالاتر از خاک است، عنصر آتش از آن خارج می‌شود و به بالا می‌رود و عنصر خاک ( خاکستر) باقی می‌ماند. ولی در زمان نیوتن اشکالات جدی به این طز تفکر وارد شده بود.
اشکال مهم دیگری که به فیزیک ارسطویی گرفته می‌شد، این بود که فقط می تواند پدیده‌ها را از لحاظ کیفی توضیح دهد و توان توضیح کمّی را ندارد. مثلاً فقط می‌تواند بگوید که با گرما دادن آب، این ماده کم‌کم تبدیل به بخار می‌شود و شکل آن تغییر نمی‌کند. ولی اینکه آب چند دقیقه بعد از گرما دادن شروع به تبخیر می‌کند و یا به ازای چه مقدار گرما، چه مقداری از آب به بخار تبدیل می‌شود، سؤالاتی بود که فیزیک ارسطویی نمی‌توانست پاسخ‌های دقیقی به آن بدهد.مشکل بعدی که برای فیزیک ارسطویی پیش آمد با آزمایش سقوط آزاد گالیله عیان شد. طبق نظر ارسطو هنگامی که در جسم را از یک ارتفاع به صورت همزمان رها کنیم، جسمی که سنگین‌تر است زودتر به زمین می‌رسد. هر چند این اتفاق با تجربه روزمره ما همخوانی دارد ولی جالب است که با آزمایش گالیله معلوم شد که این اتفاق به سنگین بودن جسم سنگین ارتباطی ندارد بلکه به دلیل وجود اصطکاک هواست. با آزمایش او مشخص شد که وقتی دو جسم در خلأ باشند و اصطکاک به صفر میل کند، هر دو جسم در یک لحظه به زمین خواهند رسید. شما می‌توانید فیلمی جالب در این باره را با ترجمه تحریریه وکنا، در لینک داده شده مشاهده کنید. ضمناً برای خرید کتاب زندگی گالیله اثر برتولت برشت می‌توانید از لینک داده شده استفاده کنید.
تلسکوپ گالیله
معکوس شدن نسبت طبیعت و علم ریاضیات
در حوزه ریاضیات هم وضع عجیبی حاکم شده بود. تا قبل از این تصور می‌شد که طبیعت و جهان خارج از آن باید از مدل‌ها و اشکال زیبا و متعالی ریاضی پیروی کنند و هر آنچه تجربه می‌کنیم باید از یک نظم جذاب ریاضی که از پیش مشخص شده است، پیروی کند. هر چند این طرز تفکر به ریاضیات هنوز هم در بخشهایی از علم امروز هم حاکم است و همچنان باعث پیشرفت علم می‌شود ولی در زمان نیوتن مشخص شده بود که رابطه ریاضیات و طبیعت می‌تواند برعکس هم باشد. یعنی گاهی ممکن است تازه بعد از آفرینش یک نظریه فیزیکی و تجربی، ریاضیدانان به دنبال آفرینش ریاضیات آن باشند. چیزی که برای نیوتن هم اتفاق افتاد و او به آفرینش ریاضیاتی پرداخت که برای قوانین خودش لازم داشت.
نجوم و زیر سؤال رفتن جهان پوست‌پیازی
در حوزه نجوم و علم افلاک هم زلزله ای در علم رخ داده بود و قوانین زمین‌مرکزی که از حدود ۲ هزار سال پیش توسط بطلمیوس پایه‌گذاری شده بود، به شدت توسط کپرنیک زیر سؤال رفته بود و خیلی از دانشمندان، خورشید را مرکز عالم می‌دانستند و نه زمین. همزمان با کپرنیک، تلسکوپ گالیله هم اقمار مشتری را در جلوی چشم دانشمندان گذاشت، چیزی که نظام بطلمیوسی حرفی در مورد آن نزده بود. تحول بزرگ دیگر در حوزه اخترشناسی توسط کپلر رقم خورده بود. او به کمک هندسه مخروطی آپولونیوس که حدود ۱۸۰۰ سال قبل از کپلر کشف شده بود، نشان داد که آن طوری که افلاطون می‌گفت مسیر حرکت سیارات به شکل دایره کامل و متعالی نیست بلکه به شکل بیضی است و خورشید هم روی یکی از کانون‌های این بیضی قرار گرفته است. بدین ترتیب انگاره افلاطونی در مورد مسیر حرکت کرات که حدود ۲ هزار سال حاکم بود، از بین رفته بود. طبق فرمول‌های تجربی که کپلر به دست آورده بود مجموعه فواصل هر کره آسمانی از خورشید و یک نقطه فرضی ثابت، همیشه یک مقدار ثابت است. جالب این بود کخ این دقیقاً همان تعریف بیضی است. ضمناً در همین سالها بود که دیگر اندیشه بطلمیوسی که جهان را به شکل لایه‌های در هم پیچیده شده و شبیه پیاز می‌دانست، کم کم در حال کنار گذاشته شدن بود.
کشف حرکت بیضی اجرام آسمانی به دور خورشید توسط کپلر
اصول ریاضی فلسفه طبیعی، کتابی که دستگاه جدیدی برای علم ساخت!
اگر مجموعه اتفاقات بالا را در نظر بگیرید و پیکره علم را در ذهن خود مجسم کنید، خواهید فهمید که در زمان نیوتن، شیرازه علم بشر از هم پاشیده بود. درست است که در گذشته نظریات اشتباهی در علم حاکم بود ولی حداقل این امتیاز را داشت که مجموعه‌ای از نظریات سازگار وجود داشت که دانشمندان و جویندگان علم را تا حدی اقناع می‌کرد. شاید به همین دلیل بود که با وجود انتقادات جدی به علوم قدیم، هنوز کتب و نظریات قدیم با جدیت تدریس می‌شد و نظام قبلی هنوز حاکم بود. برای جایگزینی قطعی نظریات جدید لازم بود که دستگاهی سازگار ایجاد شود تا بتواند هم مشاهدات جدید را در مجموعه قوانینی ساده به وحدت برساند. اینجاست که می‌توان به ارزش کار نیوتن در کتاب اصول ریاضی فلسفه طبیعی پی برد. نیوتن با ارائه قوانین خود، فرمول‌های ارائه کرد که بتواند مشاهدات آسمان و زمین را به هم پیوند بدهد. قبل از نیوتن، دانشمندان زیادی به این نکته پی برده بودند که باید یک یا چند نیروی طبیعی خاص بین اجسام روی زمین یا اجسام موجود در آسمان وجود داشته باشد تا آنها بتوانند رفتاری را که دارند از خود نشان دهند. ولی نکته اصلی این بود که بتوانند فرمول یا فرمول‌های ارائه دهند که همه مشاهدات را با هم تبیین کند. اینکه این فرمول‌ها چه هستند و فقط یک عدد هستند یا چند تا؟ در روی زمین و آسمان به صورت یکسان هستند یا متفاوت؟ سؤالاتی بود که کسی نتوانسته بود به آن پاسخ دهد.
قوانین نیوتن توانست هم مشاهدات گالیله در سقوط آزاد اجسام را توضیح دهد و هم متغیرهای مربوط به حرکت پرتابه را با دقت محاسبه نماید. ضمناً دقیقاً همین فرمول‌ها بودند که در مورد رابطه بین کرات آسمانی به کار گرفته شدند و مسیر حرکت بیضی‌وار آنها را به دقت پیش‌بینی کنند. نیوتن همه این کارها را در کتاب دوران‌ساز خود یعنی « اصول ریاضی فلسفه طبیعی» توضیح داده است.
نیوتن از این ایده شروع کرد که شتاب گرانشی زمین را که گالیله تحقیقات خوبی در مورد آن انجام داده بود تا ماه گسترش دهد. با بررسی او مشخص شد با این ایده می‌توان حرکت ماه به دور زمین را تبیین کرد. وی سپس فرمول‌های مختلف را آزمایش کرد تا ببیند کدامیک می‌تواند قواعد سه گانه کپلر در مورد کرات آسمانی و حرکت بیضی‌وار آنها را توضیح دهد؟ فرمول‌های کپلر تجربی بود و فقط در مورد فاصله بین کرات و حرکت آنها صادق بود. ولی رابطه‌ای که نیوتن کشف کرد و به رابطه عکس مجذور معروف است، جهانشول بود و در کنار اینکه می توانست نحوه حرکت کرات آسمانی را توضیح دهد همزمان در مورد حرکت پرتابه و سقوط آزاد اجسام هم برقرار بود و این همان معجزه نظریه نیوتن بود.
بعد از انتشار کتاب نیوتن، جهانی که جلوی چشم دانشمندان بود به کلی تغییر کرد و زمین و آسمان به هم دوخته شد. آسمان دیگر برای بشر یک شیء دست‌نیافتنی و راز آمیز نبود و وحدت و معقولیت جهان بیشتر برای انسان آشکار شد. بدین ترتیب بود که انسان توانست با دانستن قواعد پرتابه، سلاح‌های بهتر و با دقت بالاتری بسازد و با دانستن قواعد کیهان، به فضا تسلط یابد. با کنار رفتن نظام بطلمیوسی که کیهان را دارای ۱۰ فلک اصلی می‌دانست و آن را محدود می‌کرد، فرضیه بی‌نهایت بودن عالم به ذهن انسان تسری پیدا کرد و سؤالات عمیق‌تری درباره آفرینش به روی انسان گشوده شد. نکته مهم در مورد این کتاب اینست که خواندن این کتاب برای هر کس که علاقمند است داستان شیرین علم جدید و تحولات آن را به خوبی بشناسد واجب است. بدون خواندن این کتاب تنها دستی از دور بر آتش خواهید داشت.
ماکت جهان بطلمیوسی در موزه گالیله-شهر فلورانس ایتالیا
برای خرید کتاب اصول ریاضیات فلسفه طبیعی می‌توانید از لینک داده شده اقدام کنید. این کتاب توسط بهنام شیخ باقری به فارسی ترجمه شده است و توسط نشر نی منتشر شده است. البته متأسفانه فعلا در بازار وجود ندارد ولی می توانید نسخه pdf آن را در فیدیبو مطالعه کنید. نسخه انگلیسی این اثر هم که توسط نیوتن به زبان لاتین نوشته شده است، در ادامه می آید.
دانلود نسخه انگلیسی «اصول ریاضی فلسفه طبیعی» – جلد اول
دانلود نسخه انگلیسی «اصول ریاضی فلسفه طبیعی» – جلد دوم
