زمینه پیدایش فیزیک کلاسیک

هنگامیکه اروپا در ظلمت جهل و بی خبری بسر می برد, دانشمندان اسلامی و در راس آنان اندیشمندان ایرانی اندوخته های علمی یونانیان را جمع آوری و حراست کردند و با دانش و اندیشه های ایرانیان باستان درآمیختند

در حدود سال ۱۲۵۰ میلادی، اکوایناس اساس استدلال و منطق ارسطو را بکار برد. وی بر اساس اصول ارسطویی سیستم تومیسم Tomism را بنیاد نهاد که در حال حاضر نیز پایه الهیات کلیسای کاتولیک رومی است. دیگران نیز به زودی از احیای اندیشه های یونانی در زمینه های دنیوی استفاده کردند. مهمترین کار در این زمینه با انتشار کتاب کوپرنیک صورت گرفت که در آن یکی از بدیهیات اختر شناسی، یعنی دستگاه زمین مرکزی منظومه شمسی رد شد.

● ظهور و پیدایش رنسانس

در نیمه دوم قرن ۱۴ در ایتالیا و در شهر فلورانس پدیده ای به نام رنسانس به وجود می آید و به بخش های مختلف اروپا اشاعه پیدا می کند . چرا با وجود کشورهایی مثل آلمان وفرانسه و امثال اینها که به شکل امروزی نبودند، چرا این پدیده در ایتالیا رخ داده است ؟ درذیل دلایل مختلفی را که در این زمینه مطرح کرده اند که رنسانس در ایتالیا اتفاق افتاده است،بیان شده است :

پایگاه مسیحیت در روم بود ولی به مرور زمان نفوذ کلیسا قدرت قبلی خود را در ایتالیا از دست می دهد و تحت فشار شاهان فرانسه در اواخر قرون وسطی دربار پاپ از روم به آونیوم در فرانسه منتقل می شود . بنابراین نفوذ کلیسا در ایتالیا کمتر می شود .

به مرور زمان، زبان رسمی و علمی در اروپا زبان لاتینی می شود. زبان های مثل اسپانیایی، ایتالیایی و فرانسوی در مقایسه با زبانی مثل آلمانی نسبت به هم دارای قرابت و نزدیکی زیادی هستند. بسیاری از آثار دوران یونان باستان به زبان لاتینی ترجمه شده بود و زبان لاتینی به زبان ایتالیایی نزدیکتر از دیگر زبان ها بود. بنابر این ایتالیایی ها راحتتر می توانستند با ترجمه های آثار یونانی ارتباط برقرار کنند .

مقر اصلی تمدن روم و امپراطوری روم درایتالیا بود . روم شرقی و بیزانس در حوزه شرقی اروپا و بالکان و سوریه بود و امپراطوری روم غربی در ایتالیا و فرانسه و آلمان بود اما مرکزیت آن در ایتالیا بود. بنابر این مردم ایتالیا به یونان و روم باستان نزدیکتر بودند چون امپراطوری روم در ایتالیا قرار داشت .

بنابر این با توجه به مجموعه این دلایل پدیده رنسانس در ایتالیا اتفاق می افتد .

رنسانس یعنی قبول نداشتن کلیسا و عقاید آن و بازگشت به یونان و روم باستان است. در یونان و روم باستان اصالت با انسان بوده است. برای برگشت به یونان و روم باستان باید در تمام مسائل از جمله هنر و ادبیات و فلسفه باید به همان روش عمل نمود. بنابر این باید به آثار همان زمان رجوع کرد و چون آثار یونان به لاتینی ترجمه شده و ایتایایی ها با توجه به قرابت زبانشان به زبان لاتینی راحتترمی توانستند زبان لاتینی را فرا گیرند اینها زودتر از بقیه توانستند به آثار یونانی دست پیدا کنند.

● دستگاه خورشید مرکزی خورشید کوپرنیک

▪ نیکلا کوپرنیک (۱۵۴۳-۱۴۷۳)

اخترشناس، حقوقدان و اقتصادان با استعدادی بود که در نزد مردم بسیار محترم بود. اصلیت وی لهستانی بود و برای ادامه تحصیل به ایتالیا رفت. کوپرنیک نخستین کسی بود که در دوران رنسانس، انقلاب بزرگی را در زمینه اخترشناسی برپا می کند. کوپرنیک به مسئله حرکت دورانی افلاطون در مورد اجرام آسمانی بسیار علاقه مند بود و در این زمینه تلاش های بسیار انجام داد. کوپرنیک معتقد بود که حرکت اجرام آسمانی مانند ستاره ها، سیارات و ماه یک حرکت دورانی(دایره ای) و یا ترکیبی از حرکات دورانی است. زیرا در حرکات دورانی، جرم در یک دوره مشخص و ثابت به حالت و وضعیت قبلی خود برمی گردد. کوپرنیک با مشاهدات و تحقیقات گسترده و محاسبات دقیق به این نتیجه رسید که اگر حرکت سیارات با حرکت دوره ای زمین در ارتباط باشد، و حرکت دوره ای سیارات را بر اساس گردش آن ها به دور خورشید محاسبه کنیم به این نتیجه می رسیم که علاوه بر نظم و ارتباط میان آن ها(منظور حرکت دورانی زمین و خورشید مرکزی) و ترتیب حاکم بر مدار های سیارات، حرکت دورانی این اجرام با هم در ارتباط می باشند. به طوری که تغییر در هر یک از این مدار ها باعث در هم فرو ریختن اجرام و در نتیجه منظومه می شود.

سرانجام کوپرنیک منظومه خود را تدوین کرد که منظومه وی با منظومه زمین مرکزی بطلیموس که مورد قبول عامه مردم (از جمله کلیسا) آن دوره بود، مغایرت داشت.

وی در منظومه خود خورشید را مرکز قرار داد که زمین و دیگر سیارات به دور آن در حال حرکت هستند. نیکلا منظومه خود را بر اساس چند فرض بنیان نهاد:

مرکزیِ هندسی و دقیق برای مدار اجرم آسمانی وجود ندارد.

خورشید در مرکز قرار دارد و زمین و دیگر سیارات به دور آن حرکت می کنند.

زمین دیگر مرکز جهان نیست. زمین علاوه بر حرکت گردشی به دور خورشید، به دور خود نیز می چرخد.

حرکت خورشید در آسمان بر اساس حرکت دوره ای زمین می باشد.

حرکت ظاهری اجرام آسمانی در آسمان تنها بر اساس حرکت خود آن ها نیست، بلکه این حرکت ها با حرکت دوره ای زمین نیز در ارتباط می باشند.

کوپرنیک نظر داد که گردش زمین به دور خود یک شبانه روز به طول می انجامد.

کوپرنیک تلاش می کرد تا نظریه خود را از طریق ریاضیات اثبات کند. وی با محاسبات خود به این نتیجه رسید که هرچه قدر از سیارات دور به خورشید نزدیک شویم، بر سرعت گردش آن ها افزوده می شود. زحل که دورترین سیاره آن زمان بود، یک دور یکنواخت خود را به مدت ۲۹.۵ سال و سپس مشتری این دوره را در ۱۱.۸ سال می پیماید. بعد از مشتری نوبت به مریخ می رسد که این دوره را در مدت ۶۸۷ روز و زهره ۲۲۴ روز و عطارد ۸۸ روز سپری می کنند. البته این مقادیر را کوپرنیک محاسبه کرده است و اختلاف این مقادیر با مقادیر امروزی ناچیز است. این محاسبات بخشی از اثبات تئوری کوپرنیک با استفاده از هندسه بود.

مزیت تئوری کوپرنیک آن بود که وی با استناد به نظریه خورشید مرکزی به نتایجی دست یافت که برخی از این نتایج در نظریه بطلیموسی امکان پذیر نبود.

ـ مهمترین این نتایج عبارتند از:

الف) محاسبه اندازه مدار سیارات که به دور خورشید می گردند.

ب) محاسبه دوره تناوب گردش سیارات به دور خورشید.

ج) بدست آوردن سرعت نسبی حرکت دورانی سیارت.

د) مشخص کردن حرکت زاویه ای سیارات و موضع آن ها در آسمان. که این نتیجه در هر دو تئوری کوپرنیک و بطلیموس وجود داشت.

بر این اساس بود که کوپرنیک به این نتیجه رسید که میان مدار های سیارات و جایگاه آن ها ارتباطی وجود دارد؛ طبق گفته خود هرگونه تغییر مکانی در هر قسمت از آن باعث به هم خوردن قسمت های دیگر و همه جهان می شود)). کوپرنیک مدعی بود که برتری نظریه او در زیبایی و سادگی آن است. وی در این رابطه در کتاب خود، ""درباره گردش افلاک آسمانی"" می گوید((در میانه همه خورشید بدون حرکت می پاید. به راستی، چه کسی در این معبد عظیم و زیبا، منبع نور را در جایی جز آنجا که بتواند همه قسمت های دیگر را بیفروزد و روشنایی بخشد، قرار می دهد؟ پس در اساس این برگزیدگی، تقارن قابل ستایش در جهان و هماهنگی بارزی در حرکت و اندازه کرات می یابیم، آن چنان که به هیچ وجه دیگری نمی توانست باشد.

تئوری کوپرنیک بنا به دلایلی به زودی مورد قبول عامه مردم قرار نگرفت. بیش از یک قرن طول کشید تا نظریه خورشیدمرکزی میان اخترشناسان مورد پذیرش قرارگیرد.

ـ مهمترین دلایلی که علیه این نظریه مطرح شده بود:

منظومه کوپرنیکی بیشتر جنبه ریاضی، سادگی و زیبایی داشت و با مشاهدات نجومی آن زمان مطابقت نداشت و به همین دلیل مورد پذیرش عام قرار نگرفت.

یکی از ضعف هایی که کوپرنیک در اثبات نظریه خود داشت آن بود که او نمی توانست با استفاده از نظریه های پیشین، نظریه خود را اثبت کند.

یکی از دلایلی که همیشه بر ضد نظریه خورشیدمرکزی مطرح بود آنست که اگر زمین در حال حرکت می بود، بایستی به کلی منهدم شود. زیرا اگر زمین حرکت کند، آنگاه هوا، پرندگان و قطرات بارانی که به زمین می بارند، جا می ماندند. یکی از مثل هایی که مخالفین به گالیله می گفتند آن بود که اگر زمین در حال حرکت باشد، توپی که از بالای برج پیزا پرتاب می شد باید به عقب (جهت خلاف گردش زمین) جا بماند.

اما کوپرنیک می پنداشت که هوا به همراه زمین در حال حرکت است. و از طرفی وی در نظر داشت که اگر چنین می بود پس چرا دیگر اجرام آسمانی که در حال حرکتند، منهدم و نابود نمی شوند.

الگوی خورشید مرکزی کوپرنیک با عقاید و اصول ارسطو مغایرت داشت. و از طرفی چون در آن زمان کلیسا طرفدار اصول ارسطو بود، به همین دلیل نظر همه مسیحیان بر ضد کوپرنیک بود. آنان به آیات انجیل استناد می کردند و می گفتند که معمار و طرح خلقت جهان بر اساس منظومه و تئوری بطلیموس است. به همین دلیل سازمان تفتیش عقیده، کتاب کوپرنیک را که مخالف با کتاب مقدس بود، ممنوع اعلام کرد.

اگر چه نظریه خورشید مرکزی کوپرنیک با نظریه زمین مرکزی بطلیموس از نظر علمیِ مشاهده نجومی سازگار بود اما از نظر فلسفی مغایرت داشت. چون کوپرنیک چارچوب مرجع خود را از زمین به خورشید منتقل کرده بود. و این انتقال چارچوب از نظر فیزیک سینماتیکی امروزی کاملا صحیح می باشد.

▪ قوانین کپلر

کوپرنیک با قرار دادن خورشید در مرکز منظومه شمسی توصیف بسیار ساده تر و توضیح طبیعی تری در باره برخی از خصوصیات حرکت سیاره ای به دست داد. هرچند طرح کوپرنیک بسیار ساده تر از طرح بطلمیوس بود، اما چون کوپرنیک نیز به تقدس دایره ها اعتقاد داشت، به همان اندازه بطلمیوس از مدارهای تدویر و نظایر آن استفاده کرد. تنها تفاوت دو دستگاه این بود که یکی زمین را مرکز حرکت سیارات می دانست و دیگری خورشید را. با آنکه ستاره شناسان از پذیرش دستگاه خورشید مرکزی بطلمیوس اجتناب می کردند، اما این دستگاه تاثیر خود را بر اندیشه آنان گذاشته بود و بحث و جدل در مورد آن روز به روز بیشتر می شد.

این مجادلات باعث شد که منجمین اطلاعات رصدی بیشتری و دقیق تری به دست آورند. تیکو براهه این اطلاعات را جمع آوری کرد و اعتقاد داشت که همه ی سیارات بجز زمین به دور خورشید می گردند و خورشید همراه سیارات به دور زمین می چرخد. در این دوران یوهان کپلر (۱۵۷۱-۱۶۳۰) به عنوان دستیار نزد تیکو براهه در رصد خانه ی پراگ مشغول کار شد.

پس از کوپرنیک ، کپلر نخستین منجم نامداری بود که نظریه مرکزیت خورشید را اتخاذ کرد ، اما معلوماتی که تیکو براهه ثبت کرده بود نشان داد که این نظریه به صورتی که کوپرنیک بدان بخشیده بود ، نمی تواند کاملا صحیح باشد. با این وجود ظرفداری کپلر از دستگاه خورشید مرکزی کوپرنیک مورد پسند تیکو برهه نبود. هنوز یکسال از همکاری این دو نگذشته بود که تیکو براهه فوت کرد و تمام رصدهایی را که جمع آوری کرده بود به عنوان ارثیه ای ارزشمند برای کپلر باقی گذارد.

پس از مرگ تیکو براهه، کپلر به توده ی عظیمی از رصدهای بسیار دقیق در حرکت سیارات دست یافت. بعداً مسئله به این صورت در آمد که الگویی برای حرکت سیارات ارائه دهد که دقیقاً با مجموعه رصدهای انجام شده مطابقت کند.

بدین ترتیب کپلر نیاز داشت که ابتدا به کمک تخیل جواب موجهی را حدس بزند و سپس با پشتکار، کوهی از محاسبات کسل کننده را انجام دهد تا حدس خود را تایید یا رد کند.

توفیق بزرگ کپلر همانا کشف سه قانون حرکت سیارات است دو تا از این قوانین را وی در ۱۶۰۹ و سومی را در ۱۶۱۹ انتشار داد .

ـ قانون اول کپلر یا قانون بیضوی ها

مدار هر سیاره به شکل یک بیضی است که خورشید در یکی از کانونهای آن قرار دارد .

که میتوان از این مطلب این را نتیجه گرفت که فاصله سیاره تا خورشید به لحاظ واقع بودن بر مدار بیضی دارای حداقل و حداکثر است. کپلر بیش از ۲۰ سال برای درک چگونگی مدارات سیارات زحمت کشید او مدلهای مختلفی را امتحان نمود ولی سرانجام نشان داد که صفحه مداری سیاره ها از خورشید می گذرد و کشف کرد که شکل مداری سیارات به صورت بیضی است .این قانون در سال ۱۶۰۹ میلادی انتشار یافت.

ـ قانون دوم کپلر یاقانون سطح معادل

خط مستقیم واصل سیاره و خورشید (شعاع حامل یک سیاره)، در فواصل زمانی مساوی مساحتهای مساوی را در فضا جاروب می کند.

یعنی برای مثال در شکل سیاره ای در مدت ۱ ماه از Aبه B می رود . مدت زمانی که از Cبه D می رود نیز یک ماه است اما اکنون از خورشید دورتر است بنابراین فاصله A تا B باید بیشتر باشد تا سیاره در همان مدت یک ماه مساحتی برابر با مساحت اول را جاروب کند . به همین دلیل سیاره هنگامی که به خورشید نزدیکتر است با سرعت بیشتری حرکت می کند. برای فهم بهتر اینجا را کلیک کنید .

ـ قانون سوم کپلریا قانون هارمونیک

نسبت مجذور زمان تناوب گردش دو سیاره برابر است با نسبت مکعب نیم قطر اطول آنها کپلر برای بدست آوردن این فرمول ۷ سال تلاش کرد . در آن زمان فاصله واقعی میان خورشید و سیارات معلوم نبود اما محاسبه نسبت فاصله یک سیاره تا خورشید به فاصله زمین تا خورشید میسر بود . مثلا کپلر می دانست که نیم قطر اطول مدار مریخ تقریبا ۱.۵ برابر نیم قطر اطول مدار زمین است . حال او متوجه شد اگر در هر سیاره نیم قطر اطول را به توان ۳ و دوره گردش را به توان ۲ برسانیم . دو رقم بدست آمده باهم برابر می شوند و فقط اختلافهای اندکی برای برجیس (مشتری) و کیوان (زحل) دیده می شود.

در زمان کپلر دو قانون اول فقط در مورد مریخ قابل اثبات بود . در مورد سایر سیارات رصد ها با آن قوانین سازش داشت ، منتهی چنان نبود که آنها را قطعا محقق سازد و مدتها گذشت تا دلایل قطعی در تایید آنها بدست آمد .

کشف قانون اول ، یعنی اینکه سیارات روی مدارات بیضوی حرکت می کنند ، بیش از آنکه برای مردم امروز به آسانی قابل تصور باشد مستلزم کوشش در رها ساختن گریبان خود از چنگ سنتها بود . تنها نکته ای که همه ی ستاره شناسان در آن خصوص با هم توافق داشتند این بود که همه ی حرکات سماوی ، دورانی است یا از حرکات دورانی ترکیب شده است .

قرار دادن بیضی به جای دایره ، مستلزم رها کردن آن تمایل زیباشناختی بود که از زمان فیثاغورث به بعد بر نجوم حکومت کرده بود . دایره شکل کامل و افلاک سماوی اجسام کامل شناخته می شدند _ که در اصل مقام خدایی داشتند و حتی در آثار افلاطون و ارسطو نیز رابطه ی نزدیکی با خدایان دارند . واضح به نظر می رسید که یک جسم کامل باید بر یک مدار کامل حرکت کند . به علاوه چون اجسام آسمانی آزادند ، یعنی بی اینکه کشیده یا رانده شوند حرکت می کنند ، پس حرکت آنها باید طبیعی باشد و تصور اینکه دایره طبیعی است و بیضی چنین نیست امر آسانی بود . بدین ترتیب بسیاری از باورهای ذهنی عمیق می بایست منسوخ و مطرود گردد تا قانون اول کپلر بتواند مورد قبول واقع شود .

قانون دوم مربوط به سرعت متغیر سیاره در نقاط مختلف مدار خویش است. بنابراین سیاره در نزدیک ترین فاصله ی خود به خورشید ، بیشترین سرعت را دارد و در دورترین فاصله ی خود از خورشید ، کمترین سرعت را .

این نکته هم باز سبب حیرت می شد زیرا که وقار و متانت سیاره مغایر این بود که گاهی شتابان و گاهی خرامان راه برود !

قانون سوم از این لحاظ مهم بود که حرکت سیارات مختلف را نسبت به هم می سنجید . قانون سوم می گوید که اگر r فاصله ی متوسط یک سیاره نسبت به خورشید و Tطول سال آن باشد . پس r^۳/T^۲ در مورد همه ی سیارات یک اندازه است . این قانون ( تا آنجا که به منظومه ی شمسی مربوط می شود ) دلیل قانون جادبه ی نیوتن قرار گرفت

آنچه که کپلر انجام داد، از جزئیات یعنی رصدهای موضعی، به کلیات یعنی مسیر حرکت سیارات دست یافت. سه قانون کپلر از رویدادهای بسیار مهم علم است که بطور کامل تقدس دایره ها را در هم شکست و نظریه کپرنیک را از حمایت موثری برخوردار کرد. این قوانین نشان داد که اگر خورشید به عنوان مرجع در نظر گرفته شود، حرکت سیارات را می توان به آسانی توصیف کرد. اما اشکال این قوانین آن بود که صرفاً تجربی بود، یعنی فقط مسیر حرکت مشاهده شده را بیان می کردند، بی آنکه هیچگونه تعبیر نظری در باره ی آنها به دست بدهند. یا در مورد منشاء این قواعد توضیح نمی داد.

همزمان ارائه این قوانین توسط کپلر، واقعه ی بزرگی در شرف تکوین بود. گالیله در زمان ارائه این قوانین به حرکت اجسام، آونگ، نور ... می اندیشید و دست به آزمایشهای سرنوشت سازی می زد. بطور قطع این دو نفر در شکل گیری اندیشه های نیوتن نقش برجسته ای داشتند.


شما در حال مطالعه صفحه 2 از یک مقاله 2 صفحه ای هستید. لطفا صفحات دیگر این مقاله را نیز مطالعه فرمایید.