تحقیق درباره آیزاک نیوتن

سِر آیزاک نیوتن (۲۵ دسامبر ۱۶۴۲ – ۳۱ مارس ۱۷۲۷) فیزیک‌دان، ریاضی‌دان، فیلسوف و کیمیاگر یهودی شهروند انگلستان بوده است [1]. وی در سال ۱۶۸۷ میلادی شاهکار خود «اصول ریاضی فلسفه طبیعی» را به نگارش درآورد. در این کتاب او مفهوم گرانش عمومی را مطرح ساخت و با تشریح قوانین حرکت اجسام، علم مکانیک کلاسیک را پایه گذاشت. از دیگر کارهای مهم او بنیان‌گذاری حساب دیفرانسیل و انتگرال است.

نام نیوتن با انقلاب علمی در اروپا و ارتقاء تئوری خورشید-مرکزی پیوند خورده‎ است. او نخستین کسی است که قواعد طبیعی حاکم بر گردشهای زمینی و آسمانی را کشف کرد. وی همچنین توانست برای اثبات قوانین حرکت سیارات کپلر برهان‎های ریاضی بیابد. در جهت بسط قوانین نامبرده، او این جستار را مطرح کرد که مدار اجرام آسمانی مانند ستارگان دنباله دار، لزوماً بیضوی نیست بلکه می‌تواند هذلولی یا شلجمی نیز باشد. افزون بر اینها، نیوتن پس از آزمایش‎های دقیق دریافت که نور سفید ترکیبی از تمام رنگ‌های موجود در رنگین‌کمان است. او فرضیه موجی هویگنس را دربارهٔ نور رد کرد. از دیدگاه نیوتن نور جریانی از ذرات است که از چشمه نور به بیرون فرستاده می‎شوند.

از کودکی تا استادی

نیوتن در روستای وولز تورپ بای کولز تر وُرث واقع در ناحیه لینکن‌شایر زاده شد. سه ماه پیش از تولد، پدرش درگذشت. مادر او نیز دو سال بعد از نو ازدواج کرد و آیزاک را تحت سرپرستی مادربزرگش قرار داد.

پس از به پایان بردن آموزش‎های آغازین در مدرسه گرنتَم در سال ۱۶۶۱ میلادی نیوتن به کالج ترینیتی دانشگاه کمبریج جایی که عمویش نیز به تحصیل اشتغال داشت، وارد شد. در آن دوران دروس دانشکده عموماً بر پایه‎ی آموزه‌های ارسطو تنظیم می‎شد ولی نیوتن ترجیح می‎داد که با اندیشه‎های مترقی‎تر فیلسوفان نوگرایی چون دکارت، گالیله، کپرنیک و کپلر آشنا شود. در۱۶۶۵ او موفق به کشف قضیهٔ دو جمله‌ای در جبر شد. یافته‎ای که بعدها به ابداع حساب دیفرانسیل انجامید. نیوتن نخستین مدرک دانشگاهی خود را در سال ۱۶۶۵ دریافت کرد اما زمانی که درصدد ورود به دورهٔ کارشناسی‌ ارشد بود، دانشگاه کیمبریج بر اثر همه‌گیریطاعون در لندن و حومه تعطیل شد و نیوتن به روستایش بازگشت. در طول دو سال بعد او در خانه اش به مطالعات خود در زمینه‎ی حساب، نورشناسی و گرانش ادامه ‎داد.

در همین دوران مرخصی اجباری بود که نیوتن نظریات خود را در مورد گرانش پایه‌ریزی کرد. مطابق داستانی بسیار مشهور، روزی نیوتن زیر یک درخت سیب نشسته بوده که ناگاه سیبی بر سرش می‎افتد واز این واقعه او به یکسانی ماهیت نیروی گرانش زمینی و سماوی پی می‎برد. داستان فوق در واقع روایت اغراق شده ایست از خاطره‎ای که خود نیوتن نقل کرده بود مبنی بر اینکه یک روز کنار پنجره‎ی اتاق خانه اش به تماشای باغ نشسته بود که افتادن سیبی از درختی نظرش را به خود جلب کرد. سالها بعد در ۱۵ آوریل ۱۷۲۶، او به دوست نویسنده اشویلیام استاکلی گفت: " واقعه‎ی مذکور این سؤال را به ذهنم آورد که چرا سیب همیشه مستقیما به پایین می‎افتد؟ چرا به جای حرکت به سمت مرکز زمین به طرفین یا رو به بالا نمی‎رود؟ " (به نقل از کتاب " یادداشت‌هایی از زندگانی سر اسحاق نیوتن") پس از برطرف شدن خطر طاعون در سال ۱۶۶۷، نیوتن به کمبریج بازگشت و عضو جزء کالج ترینیتی شد و در سال ۱۶۶۸ با دریافت مدرک فوق لیسانس و گرفتن کرسی استادی لوکاسین جایگاه خود را تثبیت کرد.

نورشناسی

در اواخر دهه ۱۶۶۰ نیوتن درباره شکست نور تحق‍یق می‎کرد. او دریافت که نور سفید اگر از یک منشور عبور کند به طیفی از رنگ‌ها تجزیه می‎شود. همچنین به‌وسیله‎ی قرار دادن منشور مشابه دیگری در مسیر نور تجزیه شده به صورت وارونه، می‌توان رنگ‌های طیف را بازترکیب کرد و نور سفید به دست آورد. او علت تشکیل طیف را چنین توجیه می‎کرد: نور جریانی از ذرات کوچک است که به خط مستقیم در فضا حرکت می‎کنند و هنگام عبور از یک ماده شفاف مانند منشور به ماده‌ای دیگر، این ذرات بسته به نوع لرزش خود با زاویه‌های گوناگون شکست می‎یابند. در نتیجه ذرات تشکیل دهنده نور سفید ازهم جدا شده به شکل طیف هفت رنگ ظاهر می‎شوند.

این ویژگی در تلسکوپ های شکستی پدیده‌ای را موجب می‌شود که به آن پراکندگی نور می‎گویند؛ لبه‌های عدسی‎های این تلسکوپ ها مانند منشور عمل کرده و نور سفید را پس از عبور از خود به صورت طیف در می‎آورند و در تصاویر تلسکوپ حاشیه‎های رنگی ایجاد می‎کنند. برای حل این مشکل نیوتن در سال ۱۶۶۸ تلسکوپ بازتابشی را که چندی قبل توسطجیمز گرگوری اسکاتلندی طراحی شده بود تکامل بخشید و آن را همراه با تحلیل دقیق قوانینبازتابش و تجزیه‎ی نور به انجمن سلطنتی ارائه نمود. نظریه‎ی نیوتن با مخالفت رابرت هوکفیزیکدان روبرو شد. هوک و کریستیان هویگنس هلندی در آن زمان صاحب تئوری موجی نور بودند که از نظر نیوتن مردود بود. چندی بعد نیوتن بر پایه نظریات خود کتابی در باب نورشناسی با عنوان «اپتیکس» نوشت. ولی از بیم مخالفت‎های هوک انتشار آن را تا سال ۱۷۰۴ به تأخیر انداخت. در این زمان وی خود رئیس انجمن سلطنتی شده و رابرت هوک نیز در گذشته بود.

گرانش

در سال ۱۶۸۴ نیوتن که مطالعات خود را دربارهٔ گرانش و چگونگی حرکت سیارات کامل کرده بود، رساله‌ای در این مورد نوشت که بسیار مورد توجه ادموند هالی ستاره شناس معروف انگلیسی قرار گرفت. با تشویق و پیگیری او سرانجام نیوتن کتابش با نام «اصول ریاضی فلسفهٔ طبیعی» را تکمیل و با سرمایه هالی منتشر کرد. این کتاب بر جهان علم به ویژه فیزیک تأثیری عظیم گذاشت و بعضی آن را بزرگ‌ترین کتاب علمی تاریخ دانسته‎اند.

یوهانس کپلر ستاره شناس آلمانی در سال ۱۶۰۹ نظریهٔ انقلابی خود را دربارهٔ حرکت سیارات عرضه کرد. در آن زمان هنوز یافته‌های کپرنیک مقبولیت عام پیدا نکرده بود و اکثر مردم بر این باور بودند که سیارات، خورشید و دیگر ستارگان به دور زمین می‌چرخند. کپلر درکتاب خود به نام «هیئت جدید» تمام این پندارها را در هم ریخت. او با استفاده از نتایج رصدهای استادش تیکو براهه و مشاهدات خود توانست ثابت کند که سیارات نه به دور زمین که گرد خورشید می‌چرخند و مدار آنها نیز بر خلاف تصور رایج دایره‌ای نیست بلکه بیضوی است. کپلر نتوانسته بود توضیح دهد که چرا مدار سیاره‌ها به این شکل است و چه نیرویی آنها را به حرکت در می‌آورد. همچنین مشخص نبود که به چه علت سرعت مداری سیارات وقتی به خورشید نزدیکترند، افزایش می‌یابد.

نیوتن در کتاب «اصول ریاضی فلسفه طبیعی» (معروف به Principia) به تمامی این پرسش‌ها پاسخ گفت. او ثابت کرد که نیروی کشش میان اجسام آسمانی، طبق قانون "عکس مربع" عمل می‎کند یعنی مقدار نیروی گرانش میان خورشید و یک سیاره برابر است با عکس مجذور فاصله میان آن دو. او با تحلیل ریاضی نشان داد که قانون عکس مربع به ناگزیر مسیر حرکت سیاره‌ها را بیضی می‎سازد. آنگاه او گام بلند دیگری برداشت و قانون گرانش عمومی را وضع کرد که به موجب آن هر جسمی در عالم به هر جسم دیگری نیروی کششی وارد می‎کند و مقدار این نیرو با رابطه‎ی نامبرده محاسبه‌پذیر است.

قوانین نیوتن در حرکت اجسام

در بخش دیگری از پرینسیپیا، نیوتن چگونگی حرکت اجسام را در قالب سه قانون توصیف کرده است. این قوانین آن‌قدر همه‌فهم و آشکارند که امروزه کسی گمان نمی‌برد نیازی به کشف شدن داشته باشند. با این حال نیوتن نخستین کسی بود که با نبوغ خود به وجود آن‌ها پی‌برد و چیستان حرکت جسم را حل کرد.

قانون اول نیوتن (قانون لَختی): هر جسم که در حال سکون یا حرکت یکنواخت در راستای خط مستقیم باشد، به همان حالت می‌ماند مگر آنکه در اثر نیروهای بیرونی ناچار به تغییر آن حالت شود.

قانون دوم نیوتن (رابطهٔ نیرو و شتاب): کل نیروی وارد بر یک جسم برابر است با حاصل‌ضرب جرم آن جسم در شتاب آن.

قانون سوم نیوتن (قانون کنش و واکنش): هرگاه جسمی به جسمی دیگر نیرو وارد کند جسم دوم نیز نیرویی به همان بزرگی ولی در خلاف جهت بر جسم اوّل وارد می‌کند.

مجموعهٔ قوانین سه‌گانهٔ حرکت و قانون گرانش عمومی، اساس و شالودهٔ فناوری مدرن هستند و با وجود پیدایش فرضیه‌های تازه‌تر از اهمیت آن‌ها کاسته نشده است.

پذیرش مناصب حکومتی و ریاست انجمن سلطنتی

در کنار فعالیت‎های علمی معمول، نیوتن از مسؤولیت‎های سیاسی نیز رویگردان نبود. او در سال های ۱۶۸۹، ۱۷۰۱ و ۱۷۰۲ به نمایندگی مجلس برگزیده شد. اگر چه تنها جمله‎ای که در طول این سه سال در صحن مجلس بر زبان آورد، تقاضای بستن پنجره‌ها بود! در سال ۱۶۹۶ با فرمان چارلز مونتاگو رئیس خزانه‌داری انگلستان، نیوتن منصب ناظر ضرابخانه سلطنتی را عهده‌دار شد و سه سال بعد در ۱۶۹۹ به مدیریت آن سازمان گمارده شد. اگر چه نیوتن چنین مشاغلی را بیشتر برای سرگرمی می‎پذیرفت ولی گفته‎اند که در این مقام او وظیفهٔ خود را "با شایستگی تمام" انجام می‎داد. از سال ۱۷۰۳ تا آخر عمر نیوتن رئیس انجمن سلطنتی بریتانیا و همچنین یکی از اعضای فرهنگستان علوم فرانسه بود. او در سال ۱۷۰۵ از سوی ملکه آن به مقام شوالیه (شهسواری) مفتخر گردید.

سِر آیزاک نیوتن در سن ۸۵ سالگی در لندن درگذشت. پیکر وی را در کلیسای وست مینیستر به خاک سپردند. او نخستین دانشمندی بود که به این افتخار نائل آمد.