زمینه پیدایش فیزیک کلاسیک

هنگامی كه 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 كردند و با دانش و اندیشه های ایرانیان باستان درآمیختند.
تعاریف و اصول هندسه ی اقلیدسی توسط ایرانیان مورد بررسی و نقد قرار گرفت. مثلثات كروی توسط فضلای ایرانی ابداع و دستگاه اعداد با كشفیات هندیان تكمیل و بوسیله ی بازرگانان به اروپا برده شد. از قرن یازدهم میلادی به بعد بعضی از كشیشان به جامه ی طلاب مسلمان در می آمدند و كتبی را كه با دقت محافظت می شد با خود به غرب می بردند و ترجمه می كردند.
در قرن شانزدهم دستگاه خورشید مركزی منظومه شمسی تدوین و مسیر حركت سیارات با دقت رصد شد. در نتیجه تقدس دایره ها در هم شكسته شد و مدار بیضوی حركت سیارات مورد قبول واقع شد. روش استقرایی توانی نو یافت و به مقابله با قیاس برخاست و مسیر جدیدی برای اندیشه های علمی بوجود آمد.
آزمایش كردن قباحت خود را از دست داد و اجسام از بلندی رها شدند تا زمان سقوط آنها بطور تجربی بررسی شود. قوانین سقوط آزاد اجسام به كل جهان تعمیم داده شد شد و قانون جهانی گرانش كشف گردید. علت حركت سیارات به دور خورشید صورت بندی شد. اختراع و تكمیل تلسكوپ انسان را با دنیایی رو به رو ساخت كه قبل از آن هرگز تصورش نمی رفت. آنگاه ناچیزی زمین در مقابل كاینات به اثبات رسید.
استفاده از نماد گرایی در ریاضیات آغاز و هندسه تحلیلی به عنوان ابزاری قدرتمند برای تجسم و تكمیل كشفیات حساب دیفرانسیل و انتگرال به كار گرفته شد. ماهیت فیزیكی نور با آزمایش مورد سئوال قرار گرفت. در نتیجه نظریه ی دانه ای و نظریه ی موجی بودن نور برای توجیه آن ابداع شد. عنصر پنجم ارسطوئی اتر بیش از پیش بكار گرفته شد. اما این بار نه به عنوان یك عنصر، بلكه به عنوان زمینه ای برای انتشار نور و توجیه حركت نور در فضا و انتقال نیروی گرانش و تصور می شد كه كالبد فضا از اتر انباشته شده است.
● عصر تاریكی و دوره ی انتقال اول
با سقوط امپراطوری روم در اواسط قرن پنجم میلادی تمدن در اروپای غربی به سطح بسیار پائینی رسید. تعلیم و تربیت تقریباً از بین رفت و تنها راهبان دیرهای كاتولیك و معدودی افراد غیر روحانی با فرهنگ و دانش یونانی و لاتینی رشته ی باریكی داشتند.
در این دوران دانش باستان توسط دانشمندان اسلامی محفوظ ماند، دانشمندان اسلامی ضمن آنكه دانش یونانی را حفظ كردند، اندوخته های علمی ایران باستان، چین و هند را را نیز جمع آوری نموده، خود نیز به باروری آن كوشیدند. خلفای بغداد به حامیان علم بدل گشتند و فضلای برجسته ای را به دربار خود فراخواندند. آثار هندی و یونانی از جمله آثار برهمگویت، و اصول اقلیدسی و مجسطی به عربی ترجمه شد. كتب یونانی به عنوان یكی از شرایط صلح، از امپراطور بیزانس مصادره شد و در اختیار فضلای عرب زبان قرار گرفت.
در این عصر فضلای زیادی به نوشتن آثاری در زمینه ریاضیات و نجوم پرداختند كه مشهورترین آنها محمد ابن موسی الخوارزمی بود. خوارزمی رساله ای در جبر و كتابی در باره ارقام هندی نوشت كه بعدها در قرن دوازدهم به لاتین ترجمه شد و تاثیر زیادی در اروپا گذاشت. ابوالوفا بوزجانی كتب بطلمیوس را ترجمه و تشزیح كرد و شرحی بر كتاب دیوفانتس نوشت. اصیل ترین و بدیع ترین اثر جبری حل معادله درجه سوم توسط خیام بوجود آمد. وی اصلاحیه دقیقی نیز برای تقویم انجام داد.
خواجه نصیرالدین طوسی اولین اثر در باب مثلثات مسطحه و كروی را نوشت و كار پیشتر خیام را با شرح و تصیحیحاتی منتشر كرد كه ساكری كارش را در هندسه نااقلیدسی با یاد داشتی از نوشته های نصیرالدین در باب توازی شروع كرد. نوشته های خواجه نصیرالدین توسط جان والیس در آكسفورد تدریس شد.
ابن هیثم كه در غرب به الهازن شناخته می شود، بزرگترین فیزیكدان مسلمان شناخته شده است. وی رساله ای در نور نوشت و ذره بین را كشف كرد. به نسبت زاویه تابش و زاویه انكسار پی برد و اصول تاریكخانه را شرح داد و در مورد قسمتهای مختلف چشم بحث كرد. رساله ی نور ابن هیثم نفوذ زیادی در اروپا گذاشت. كارهای وی توسط كمال الدین فارسی پیگیری شد.
در مورد نجوم تنها كافیست گفته شود كه بسیاری از نامها و واژه های امروزی در نجوم ریشه عربی دارند.
بتدریج آثار علمی ایرانیان تنها زینت بخش كتاب خانه گردید و هنگامیكه شرق در حال به خواب رفتن علمی و غفلت بود، غرب در حال بیدار شدن بود. اوضاع علمی سایر كشورهای اسلامی و هندوستان و چین هم از ایران بهتر نبود، بلكه بدتر بود.
● فیزیك در ایران
كشور ما نسبت دیرینه ای در نجوم دارد. قدیمی ترین متن ایران پیش از اسلام، اوستا كتاب دینی زرتشتیان است كه متاسفانه فقط یك پنجم آن باقی مانده است. در این متن به كروی بودن زمین اشاره شده است كه این یك ردپای نجومی از ایران باستان است. همچنین در متن های دینی زرتشتی مربوط به دوره ساسانی به نام صورت های فلكی، ستاره ها و سیارات اشاره شده است.
مورد دیگر نجوم ایران پیش از اسلام مربوط به قرن اول میلادی یعنی ۶ قرن پیش از ظهور اسلام است.در قرن اول میلادی عده ای از فعالان (رهبران دینی كه هم رهبر بودن و هم دانشمند) به علتی نامعلوم و زمان اشكانیان از سیستان به هند مهاجرت كردند و دانش و فرهنگ ایرانی را با خود به این كشور بردند و آن را با فرهنگ و دانش هندی آمیخته كردند. گفته می شود این افراد همچنین در هند باقی مانده اند و تمایز نژادی خود را حفظ كرده اند. در هر حال این مسلم است كه تقویم ایرانی كه این افراد به هند بردند كه در آن شروع سال اول بهار است و هنوز در هند مورد استفاده قرار می گیرد.
البته آنها عملا از تقویم اروپایی استفاده می كنند اما تقویم رسمی در قانون اساسی این كشور همان تقویم ایرانی است. از كتب قدیمی ایران كتاب نجومی باقی نمانده است غیر یك اثر مهم به نام ذیج شهریاران. ذیج به معنی كتابچه نجومی است كه لغت قدیمی فارسی است. این كتاب در زمان بهرام گور و توسط پادشاهان ساسانی تالیف شده است كه یك قرن بعد در زمان انوشیروان تصمیم گرفتند این كتاب را كامل تر كنند كه به دستور انوشیروان كتاب های نجوم یونان و هند خوانده شد و مقایسه كردند و گفتندكه كتاب های نجوم هندی دقیق تر است در نتیجه یك ویرایش جدیدی از ذیج شهریار براساس متن های هندی فراهم كردند. بعضی از منجمان اسلامی مثل ابوریحان بیرونی و خوارزمی مطالبی از این كتاب را در كتاب های خود آورده اند.
مثلا ابوریحان بیرونی كتابی به نام افراط المقال فی امر الضلال (مقاله ای یكتا در مورد سایه ها) دارد كه در آن روش مدرج كردن ساعت های آفتابی را از كتاب ذیج شهریار نقل كرده است. همچنین در یكی از نوشته های دینی زرتشتی یك آیین مقدسی ذكر شده است كه گفتند این آیین باید زمانی انجام شود كه ماه، ستاره ها، سیاره ها و خورشید در یك موقعیت ویژه كه در رسانه ذكر شده است، باشد.
در عین حال، در نوشته هایی كه به زبان پهلوی است برای محاسبه موقعیت ماه، خورشید، ستاره ها و سیاره ها گفته شده است كه باید محاسبه آنها براساس یك ذیج (كتابچه نجومی) باشد و آنجایی كه از منابع ساسانی نام برده از ذیج هندی، ذیج شهریاران و ذیج بطلمیوس نام برده است به این ترتیب مشخص می شود كه در زمان ساسانیان، ایرانی ها با نجوم یونان باستان كه خیلی پیشرفته بود آشنا بوده اند كه شاخص تر اثر آن كتاب نجومی یونان باستان است كه بعدها به عربی ترجمه شد. ولی این عقیده هم وجود دارد كه اولین ترجمه آن از یك ترجمه فارسی قدیمی گرفته شده است. نجوم ایران باستان از نجوم دوره یونان باستان تاثیر گرفته و بر نجوم دوره اسلامی اثر گذاشت و نجوم این دوره هم بعدها بر تكامل نجوم در اروپا تاثیر گذاشت. بعد از اسلام یكی دو قرن صرف كشمكش و تثبیت حكومت جدید در ایران شد.
در این دوره یا هیچ اثری بوجود نیامد و یا اگر به وجود آمد باقی نماند. اما بعد از آن از قرن سوم تا قرن ۷ و ۸ هجری شكوفایی بسیاری در كشورهای اسلامی به خصوص در ایران به وجود آمد و دانشمندان دستاوردهای زیادی به وجود آوردند كه به دوره طلایی اسلامی شهرت یافت.
خیام غیاث الدین ابوالفتح، عمر بن ابراهیم خیام (خیامی) در سال ۴۳۹ هجری (۱۰۴۸ میلادی) در شهر نیشابور و در زمانی به دنیا آمد كه تركان سلجوقی بر خراسان، ناحیه ای وسیع در شرق ایران، تسلط داشتند. وی در زادگاه خویش به آموختن علم پرداخت و نزد عالمان و استادان برجسته آن شهر از جمله امام موفق نیشابوری علوم زمانه خویش را فراگرفت و چنانكه گفته اند بسیار جوان بود كه در فلسفه و ریاضیات تبحر یافت. خیام در سال ۴۶۱ هجری به قصد سمرقند، نیشابور را ترك كرد و در آنجا تحت حمایت ابوطاهر عبدالرحمن بن احمد , قاضی القضات سمرقند اثر برجسته خود را در جبر تألیف كرد.
خیام سپس به اصفهان رفت و مدت ۱۸ سال در آنجا اقامت گزید و با حمایت ملك شاه سلجوقی و وزیرش نظام الملك، به همراه جمعی از دانشمندان و ریاضیدانان معروف زمانه خود، در رصد خانه ای كه به دستور ملكشاه تأسیس شده بود، به انجام تحقیقات نجومی پرداخت. حاصل این تحقیقات اصلاح تقویم رایج در آن زمان و تنظیم تقویم جلالی (لقب سلطان ملكشاه سلجوقی) بود.
در تقویم جلالی، سال شمسی تقریباً برابر با ۳۶۵ روز و ۵ ساعت و ۴۸ دقیقه و ۴۵ ثانیه است. سال دوازده ماه دارد ۶ ماه نخست هر ماه ۳۱ روز و ۵ ماه بعد هر ماه ۳۰ روز و ماه آخر ۲۹ روز است. هر چهار سال، یكسال را كبیسه می خوانند كه ماه آخر آن ۳۰ روز است و آن سال ۳۶۶ روز می شود در تقویم جلالی هر پنج هزار سال یك روز اختلاف زمان وجود دارد در صورتیكه در تقویم گریگوری هر ده هزار سال سه روز اشتباه دارد.
دستاوردهای علمی خیام برای جامعه بشری متعدد و بسیار درخور توجه بوده است. وی برای نخستین بار در تاریخ ریاضی به نحو تحسین برانگیزی معادله های درجه اول تا سوم را دسته بندی كرد، و سپس با استفاده از ترسیمات هندسی مبتنی بر مقاطع مخروطی توانست برای تمامی آنها راه حلی كلی ارائه كند. وی برای معادله های درجه دوم هم از راه حلی هندسی و هم از راه حل عددی استفاده كرد، اما برای معادلات درجه سوم تنها ترسیمات هندسی را به كار برد؛ و بدین ترتیب توانست برای اغلب آنها راه حلی بیابد و در مواردی امكان وجود دو جواب را بررسی كند.
اشكال كار در این بود كه به دلیل تعریف نشدن اعداد منفی در آن زمان، خیام به جوابهای منفی معادله توجه نمی كرد و به سادگی از كنار امكان وجود سه جواب برای معادله درجه سوم رد می شد. با این همه تقریبا چهار قرن قبل از دكارت توانست به یكی از مهمترین دستاوردهای بشری در تاریخ جبر بلكه علوم دست یابد و راه حلی را كه دكارت بعدها (به صورت كاملتر) بیان كرد، پیش نهد.
خیام همچنین توانست با موفقیت تعریف عدد را به عنوان كمیتی پیوسته به دست دهد و در واقع برای نخستین بار عدد مثبت حقیقی را تعریف كند و سرانجام به این حكم برسد كه هیچ كمیتی، مركب از جزء های تقسیم ناپذیر نیست و از نظر ریاضی، می توان هر مقداری را به بی نهایت بخش تقسیم كرد. همچنین خیام ضمن جستجوی راهی برای اثبات “اصل توازی” (اصل پنجم مقاله اول اصول اقلیدس) در كتاب شرح اصول مشكل آفرین كتاب اقلیدس، مبتكر مفهوم عمیقی در هندسه شد.
در تلاش برای اثبات این اصل، خیام گزاره هایی را بیان كرد كه كاملا مطابق گزاره هایی بود كه چند قرن بعد توسط والیس و ساكری ریاضیدانان اروپایی بیان شد و راه را برای ظهور هندسه های نااقلیدسی در قرن نوزدهم هموار كرد. بسیاری را عقیده بر این است كه مثلث حسابی پاسكال را باید مثلث حسابی خیام نامید و برخی پا را از این هم فراتر گذاشتند و معتقدند، دو جمله ای نیوتن را باید دو جمله ای خیام نامید. البته گفته می شود بیشتر از این دستور نیوتن و قانون تشكیل ضریب بسط دو جمله ای را جمشید كاشانی و نصیرالدین توسی ضمن بررسی قانون های مربوط به ریشه گرفتن از عددها آورده اند.
استعداد شگرف خیام سبب شد كه وی در زمینه های دیگری از دانش بشری نیز دستاوردهایی داشته باشد. از وی رساله های كوتاهی در زمینه هایی چون مكانیك، هیدرواستاتیك، هواشناسی، نظریه موسیقی و غیره نیز بر جای مانده است. اخیراً نیز تحقیقاتی در مورد فعالیت خیام در زمینه هندسه تزئینی انجام شده است كه ارتباط او را با ساخت گنبد شمالی مسجد جامع اصفهان تأئید می كند.
اما گذشته از همه اینها، بیشترین شهرت خیام در طی دو قرن اخیر در جهان به دلیل رباعیات اوست كه نخستین بار توسط فیتزجرالد به انگلیسی ترجمه و در دسترس جهانیان قرار گرفت و نام او را در ردیف چهار شاعر بزرگ جهان یعنی هومر، شكسپیر، دانته و گوته قرار داد.
خواجه نصیرالدین محمد بن حسن جهرودی طوسی مشهور به خواجه نصیرالدین طوسی از اهالی جهرود از توابع قم بوده است كه در تاریخ ۱۵ جمادی الاول سال ۵۹۷ هجری قمری ولادت یافته است. او به تحصیل دانش، علاقه زیادی داشت و از دوران جوانی در علوم ریاضی و نجوم و حكمت سرآمد شد و از دانشمندان معروف زمان خود گردید.
خواجه نصیرالدین طوسی ستاره درخشانی بود كه در افق تاریك مغول درخشید و در هر شهری پا گذارد آنجا را به نور حكمت و دانش و اخلاق روشن ساخته و در آن دوره تاریك و در آن عصری كه شمشیر تاتار و مغول خاندانهای كوچك و یا بزرگ را از هم پاشیده و جهانی از حملات مغولها به وحشت فرو رفته و همه در گوشه و كنار منزوی و یا فراری می شدند و بازار كسادی دانش و جوانمردی و مروت می بود و فساد حكمفرما. وجود و بروز چنین دانشمندی مایه اعجاب و اعجاز است.
تاسیس رصدخانه مراغه و انجام نخستین فعالیت علمی، پژوهشی و آموزشی در این موسسه از مهم ترین اقدامات این دانشمند است. رصدخانه مراغه به عنوان بزرگ ترین مركز پژوهشی نجومی در زمان خود مطرح بوده است و امروز نیز علاوه بر ثبت در كتب، جزوات و اسناد ملی و بین المللی هر ساله صدها محقق نجوم در داخل و خارج از كشور را به خود جذب می كند.
همچنین خواجه نصیرالدین طوسی با انجام نخستین كار علمی و آموزشی در رصدخانه بین المللی مراغه پس از گذشت ۷۵۰ سال از زمان فعالیت های علمی دراین مركز پیشتاز نجوم در دنیای قدیم است. رصدخانه مراغه در سال ۶۵۷ هجری قمری به دستور هلاكوخان و به همت دانشمند ایرانی خواجه نصیرالدین طوسی ساخته شد كه ساخت آن ۱۵ سال به طول انجامید. در این رصدخانه اسباب و آلات نجومی بسیاری متمركز شده بود كه متاسفانه این مجموعه بعد از سال ۷۰۳ هجری قمری بر اثر زلزله و بی توجهی حكام رو به ویرانی گذاشت.
گفته می شود كتابخانه آن دارای چهار هزار جلد كتاب بوده است كه از بغداد به این رصدخانه انتقال یافته بود. رصدخانه كهن مراغه بنابر اسناد معتبر الهام بخش تولد رصدخانه های سمرقند در تاجیكستان اوجین در هندوستان، فندو در بنارس اورانین برگ در دانمارك و رصدخانه شانگهای چین بوده است.
● بیداری غرب و دوره ی انتقال دوم
ارتباط غربیان با جوامع اسلامی بویژه از طریق بازرگانان موجب توجه آنان آثار علمی اندیشمندان اسلامی شد. در این دوره مسیر برعكسی آغاز شد بدین ترتیب كه چون بسیاری از آثار نجومی یونان باستان از بین رفته بود و فقط ترجمه عربی آن باقی مانده بود به لاتین ترجمه شدند. در این دوره بود كه تعداد زیادی از اصطلاحات عربی به زبان های اروپایی راه پیدا كرد.
در حدود سال ۹۵۰ میلادی ژربر متولد شد، وی در مدارس مسلمانان اسپانیا درس خواند و در مراجعت ارقام عدد نویسی عربی را با خود به اروپای مسیحی برد. ژربر مورد سوء ظن معاصرانش قرار گرفت و متهم شد كه روح خود را به شیطان فروخته است. با این حال ژربر به تدریج در كلیسا ترقی كرد و سرانجام در سال ۹۹۹ به مقام پاپی انتخاب شد. بدین ترتیب ورود آثار كلاسیك علوم یونانی و اسلامی به اروپای غربی شروع شد.
در حدود ۱۱۲۰ میلادی یك راهب انگلیسی به نام آدلارد باثی كه در اسپانیا درس خوانده بود، خود را در جامه یك طلبه در آورد و به گنجی از دانش كه شدیداً مورد حفاظت بود دست رسی پیدا كرد. وی اصول اقلیدس و جداول خاورزمی را به لاتین ترجمه كرد. قرن دوازدهم میلادی به قرن ترجمه آثار و فرهنگ و دانش اسلامی بدل گشت. كوشاترین مترجم این عصر گراردوی كرمونایی بود كه بالغ بر ۹۰ اثر عربی را به لاتین ترجمه كرد. مجسطی، اصول اقلیدس و جبر خوارزمی از آن جمله بودند.
در حدود سال ۱۲۵۰ میلادی، اكوایناس اساس استدلال و منطق ارسطو را بكار برد. وی بر اساس اصول ارسطویی سیستم تومیسم Tomism را بنیاد نهاد كه در حال حاضر نیز پایه الهیات كلیسای كاتولیك رومی است. دیگران نیز به زودی از احیای اندیشه های یونانی در زمینه های دنیوی استفاده كردند. مهمترین كار در این زمینه با انتشار كتاب كوپرنیك صورت گرفت كه در آن یكی از بدیهیات اختر شناسی، یعنی دستگاه زمین مركزی 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 كند . چرا با وجود كشورهایی مثل آلمان وفرانسه و امثال اینها كه به شكل امروزی نبودند، چرا این پدیده در ایتالیا رخ داده است ؟ درذیل دلایل مختلفی را كه در این زمینه مطرح كرده اند كه رنسانس در ایتالیا اتفاق افتاده است،بیان شده است :
پایگاه مسیحیت در روم بود ولی به مرور زمان نفوذ كلیسا 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 كلیسا در ایتالیا كمتر 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 نزدیكی زیادی هستند. بسیاری از آثار دوران یونان باستان به زبان لاتینی ترجمه شده بود و زبان لاتینی به زبان ایتالیایی نزدیكتر از دیگر زبان ها بود. بنابر این ایتالیایی ها راحتتر می توانستند با ترجمه های آثار یونانی ارتباط برقرار كنند .
مقر اصلی تمدن روم و امپراطوری روم درایتالیا بود . روم شرقی و بیزانس در حوزه شرقی اروپا و بالكان و سوریه بود و امپراطوری روم غربی در ایتالیا و فرانسه و آلمان بود اما مركزیت آن در ایتالیا بود. بنابر این مردم ایتالیا به یونان و روم باستان نزدیكتر 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 كلیسا 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 كرد 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 كنند.
● دستگاه خورشید مركزی خورشید كوپرنیك
▪ نیكلا كوپرنیك (۱۵۴۳-۱۴۷۳) ریاضیدان
اخترشناس، حقوقدان و اقتصادان با استعدادی بود كه در نزد مردم بسیار محترم بود. اصلیت وی لهستانی بود و برای ادامه تحصیل به ایتالیا رفت. كوپرنیك نخستین كسی بود كه در دوران رنسانس، انقلاب بزرگی را در زمینه اخترشناسی برپا می كند. كوپرنیك به مسئله حركت دورانی افلاطون در مورد اجرام آسمانی بسیار علاقه مند بود و در این زمینه تلاش های بسیار انجام داد. كوپرنیك معتقد بود كه حركت اجرام آسمانی مانند ستاره ها، سیارات و ماه یك حركت دورانی(دایره ای) و یا تركیبی از حركات دورانی است.
زیرا در حركات دورانی، جرم در یك دوره مشخص و ثابت به حالت و وضعیت قبلی خود برمی گردد. كوپرنیك با مشاهدات و تحقیقات گسترده و محاسبات دقیق به این نتیجه رسید كه اگر حركت سیارات با حركت دوره ای زمین در ارتباط باشد، و حركت دوره ای سیارات را بر اساس گردش آن ها به دور خورشید محاسبه كنیم به این نتیجه می رسیم كه علاوه بر نظم و ارتباط میان آن ها(منظور حركت دورانی زمین و خورشید مركزی) و ترتیب حاكم بر مدار های سیارات، حركت دورانی این اجرام با هم در ارتباط می باشند. به طوری كه تغییر در هر یك از این مدار ها باعث در هم فرو ریختن اجرام و در نتیجه منظومه می شود.
سرانجام كوپرنیك منظومه خود را تدوین كرد كه منظومه وی با منظومه زمین مركزی بطلیموس كه مورد قبول عامه مردم (از جمله كلیسا) آن دوره بود، مغایرت داشت.
وی در منظومه خود خورشید را مركز قرار داد كه زمین و دیگر سیارات به دور آن در حال حركت هستند. نیكلا منظومه خود را بر اساس چند فرض بنیان نهاد:
▪ مركزیِ هندسی و دقیق برای مدار اجرم آسمانی وجود ندارد.
▪ خورشید در مركز قرار دارد و زمین و دیگر سیارات به دور آن حركت می كنند.
▪ زمین دیگر مركز جهان نیست. زمین علاوه بر حركت گردشی به دور خورشید، به دور خود نیز می چرخد.
▪ حركت خورشید در آسمان بر اساس حركت دوره ای زمین می باشد.
▪ حركت ظاهری اجرام آسمانی در آسمان تنها بر اساس حركت خود آن ها نیست، بلكه این حركت ها با حركت دوره ای زمین نیز در ارتباط می باشند.
▪ كوپرنیك نظر داد كه گردش زمین به دور خود یك شبانه روز به طول می انجامد.
كوپرنیك تلاش می كرد تا نظریه خود را از طریق ریاضیات اثبات كند. وی با محاسبات خود به این نتیجه رسید كه هرچه قدر از سیارات دور به خورشید نزدیك شویم، بر سرعت گردش آن ها افزوده می شود.
زحل كه دورترین سیاره آن زمان بود، یك دور یكنواخت 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 كه این دوره را در مدت ۶۸۷ روز و زهره ۲۲۴ روز و عطارد ۸۸ روز سپری می كنند. البته این مقادیر را كوپرنیك محاسبه كرده است و اختلاف این مقادیر با مقادیر امروزی ناچیز است. این محاسبات بخشی از اثبات تئوری كوپرنیك با استفاده از هندسه بود.
مزیت تئوری كوپرنیك آن بود كه وی با استناد به نظریه خورشید مركزی به نتایجی دست یافت كه برخی از این نتایج در نظریه بطلیموسی امكان پذیر نبود.
مهمترین این نتایج عبارتند از:
الف) محاسبه اندازه مدار سیارات كه به دور خورشید می گردند.
ب) محاسبه دوره تناوب گردش سیارات به دور خورشید.
ج) بدست آوردن سرعت نسبی حركت دورانی سیارت.
د) مشخص كردن حركت زاویه ای سیارات و موضع آن ها در آسمان. كه این نتیجه در هر دو تئوری كوپرنیك و بطلیموس وجود داشت.
بر این اساس بود كه كوپرنیك به این نتیجه رسید كه میان مدار های سیارات و جایگاه آن ها ارتباطی وجود دارد؛ طبق گفته خود هرگونه تغییر مكانی در هر قسمت از آن باعث به هم خوردن قسمت های دیگر و همه جهان می شود)). كوپرنیك مدعی بود كه برتری نظریه او در زیبایی و سادگی آن است. وی در این رابطه در كتاب خود، “”درباره گردش افلاك آسمانی”" می گوید((در میانه همه خورشید بدون حركت می پاید.
به راستی، چه كسی در این معبد عظیم و زیبا، منبع نور را در جایی جز آنجا كه 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 حركت و اندازه كرات می یابیم، آن چنان كه به هیچ وجه دیگری نمی توانست باشد.
تئوری كوپرنیك بنا به دلایلی به زودی مورد قبول عامه مردم قرار نگرفت. بیش از یك قرن طول كشید تا نظریه خورشیدمركزی میان اخترشناسان مورد پذیرش قرارگیرد.
● مهمترین دلایلی كه علیه این نظریه مطرح شده بود:
منظومه كوپرنیكی بیشتر جنبه ریاضی، سادگی و زیبایی داشت و با مشاهدات نجومی آن زمان مطابقت نداشت و به همین دلیل مورد پذیرش عام قرار نگرفت.
یكی از ضعف هایی كه كوپرنیك در اثبات نظریه خود داشت آن بود كه او نمی توانست با استفاده از نظریه های پیشین، نظریه خود را اثبت كند.
یكی از دلایلی كه همیشه بر ضد نظریه خورشیدمركزی مطرح بود آنست كه اگر زمین در حال حركت می بود، بایستی به كلی منهدم شود. زیرا اگر زمین حركت كند، آنگاه هوا، پرندگان و قطرات بارانی كه به زمین می بارند، جا می ماندند. یكی از مثل هایی كه مخالفین به گالیله می گفتند آن بود كه اگر زمین در حال حركت باشد، توپی كه از بالای برج پیزا پرتاب می شد باید به عقب (جهت خلاف گردش زمین) جا بماند.
اما كوپرنیك می پنداشت كه هوا به همراه زمین در حال حركت است. و از طرفی وی در نظر داشت كه اگر چنین می بود پس چرا دیگر اجرام آسمانی كه در حال حركتند، منهدم و نابود نمی شوند.
الگوی خورشید مركزی كوپرنیك با عقاید و اصول ارسطو مغایرت داشت. و از طرفی چون در آن زمان كلیسا طرفدار اصول ارسطو بود، به همین دلیل نظر همه مسیحیان بر ضد كوپرنیك بود. آنان به آیات انجیل استناد می كردند و می گفتند كه معمار و طرح خلقت جهان بر اساس منظومه و تئوری بطلیموس است. به همین دلیل سازمان تفتیش عقیده، كتاب كوپرنیك را كه مخالف با كتاب مقدس بود، ممنوع اعلام كرد.
اگر چه نظریه خورشید مركزی كوپرنیك با نظریه زمین مركزی بطلیموس از نظر علمیِ مشاهده نجومی سازگار بود اما از نظر فلسفی مغایرت داشت. چون كوپرنیك چارچوب مرجع خود را از زمین به خورشید منتقل كرده بود. و این انتقال چارچوب از نظر فیزیك سینماتیكی امروزی كاملا صحیح می باشد.
● قوانین كپلر
كوپرنیك با قرار دادن خورشید در مركز منظومه شمسی توصیف بسیار ساده تر و توضیح طبیعی تری در باره برخی از خصوصیات حركت سیاره ای به دست داد. هرچند طرح كوپرنیك بسیار ساده تر از طرح بطلمیوس بود، اما چون كوپرنیك نیز به تقدس دایره ها اعتقاد داشت، به همان اندازه بطلمیوس از مدارهای تدویر و نظایر آن استفاده كرد. تنها تفاوت دو دستگاه این بود كه یكی زمین را مركز حركت سیارات می دانست و دیگری خورشید را. با آنكه ستاره شناسان از پذیرش دستگاه خورشید مركزی بطلمیوس اجتناب می كردند، 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 كه منجمین اطلاعات رصدی بیشتری و دقیق تری به دست آورند. تیكو براهه این اطلاعات را جمع آوری كرد و اعتقاد داشت كه همه ی سیارات بجز زمین به دور خورشید می گردند و خورشید همراه سیارات به دور زمین می چرخد. در این دوران یوهان كپلر (۱۵۷۱-۱۶۳۰) به عنوان دستیار نزد تیكو براهه در رصد خانه ی پراگ مشغول كار شد.
پس از كوپرنیك ، كپلر نخستین منجم نامداری بود كه نظریه مركزیت خورشید را اتخاذ كرد ، اما معلوماتی كه تیكو براهه ثبت كرده بود نشان داد كه این نظریه به صورتی كه كوپرنیك بدان بخشیده بود ، نمی تواند كاملا صحیح باشد. با این وجود ظرفداری كپلر از دستگاه خورشید مركزی كوپرنیك مورد پسند تیكو برهه نبود. هنوز یكسال از همكاری این دو نگذشته بود كه تیكو براهه فوت كرد و تمام رصدهایی را كه جمع آوری كرده بود به عنوان ارثیه ای ارزشمند برای كپلر باقی گذارد.
پس از مرگ تیكو براهه، كپلر به توده ی عظیمی از رصدهای بسیار دقیق در حركت سیارات دست یافت. بعداً مسئله به این صورت در آمد كه الگویی برای حركت سیارات ارائه دهد كه دقیقاً با مجموعه رصدهای انجام شده مطابقت كند.
بدین ترتیب كپلر نیاز داشت كه ابتدا به كمك تخیل جواب موجهی را حدس بزند و سپس با پشتكار، كوهی از محاسبات كسل كننده را انجام دهد تا حدس خود را تایید یا رد كند.
توفیق بزرگ كپلر همانا كشف سه قانون حركت سیارات است دو تا از این قوانین را وی در ۱۶۰۹ و سومی را در ۱۶۱۹ انتشار داد .
▪ قانون اول كپلر یا قانون بیضوی ها
مدار هر سیاره به شكل یك بیضی است كه خورشید در یكی از كانونهای آن قرار دارد .
كه میتوان از این مطلب این را نتیجه گرفت كه فاصله سیاره تا خورشید به لحاظ واقع بودن بر مدار بیضی دارای حداقل و حداكثر است. كپلر بیش از ۲۰ سال برای درك چگونگی مدارات سیارات زحمت كشید او مدلهای مختلفی را امتحان نمود ولی سرانجام نشان داد كه صفحه مداری سیاره ها از خورشید می گذرد و كشف كرد كه شكل مداری سیارات به صورت بیضی است .این قانون در سال ۱۶۰۹ میلادی انتشار یافت.
▪ قانون دوم كپلر یاقانون سطح معادل
خط مستقیم واصل سیاره و خورشید (شعاع حامل یك سیاره)، در فواصل زمانی مساوی مساحتهای مساوی را در فضا جاروب می كند.
یعنی برای مثال در شكل سیاره ای در مدت ۱ ماه از Aبه B می رود . مدت زمانی كه از Cبه D می رود نیز یك ماه است اما اكنون از خورشید دورتر است بنابراین فاصله A تا B باید بیشتر باشد تا سیاره در همان مدت یك ماه مساحتی برابر با مساحت اول را جاروب كند . به همین دلیل سیاره هنگامی كه به خورشید نزدیكتر است با سرعت بیشتری حركت می كند. برای فهم بهتر اینجا را كلیك كنید .
▪ قانون سوم كپلریا قانون هارمونیك
نسبت مجذور زمان تناوب گردش دو سیاره برابر است با نسبت مكعب نیم قطر اطول آنها كپلر برای بدست آوردن این فرمول ۷ سال تلاش كرد . در آن زمان فاصله واقعی میان خورشید و سیارات معلوم نبود اما محاسبه نسبت فاصله یك سیاره تا خورشید به فاصله زمین تا خورشید میسر بود . مثلا كپلر می دانست كه 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 اندكی برای برجیس (مشتری) و كیوان (زحل) دیده می شود.
در زمان كپلر دو قانون اول فقط در مورد مریخ قابل اثبات بود . در مورد سایر سیارات رصد ها با آن قوانین سازش داشت ، منتهی چنان نبود كه آنها را قطعا محقق سازد و مدتها گذشت تا دلایل قطعی در تایید آنها بدست آمد .
كشف قانون اول ، یعنی اینكه سیارات روی مدارات بیضوی حركت می كنند ، بیش از آنكه برای مردم امروز به آسانی قابل تصور باشد مستلزم كوشش در رها ساختن گریبان خود از چنگ سنتها بود . تنها نكته ای كه همه ی ستاره شناسان در آن خصوص با هم توافق داشتند این بود كه همه ی حركات سماوی ، دورانی است یا از حركات دورانی تركیب شده است .
قرار دادن بیضی به جای دایره ، مستلزم رها كردن آن تمایل زیباشناختی بود كه از زمان فیثاغورث به بعد بر نجوم حكومت كرده بود . دایره شكل كامل و افلاك سماوی اجسام كامل شناخته می شدند _ كه در اصل مقام خدایی داشتند و حتی در آثار افلاطون و ارسطو نیز رابطه ی نزدیكی با خدایان دارند . واضح به نظر می رسید كه یك جسم كامل باید بر یك مدار كامل حركت كند . به علاوه چون اجسام آسمانی آزادند ، یعنی بی اینكه كشیده یا رانده شوند حركت می كنند ، پس حركت آنها باید طبیعی باشد و تصور اینكه 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 كپلر بتواند مورد قبول واقع شود .
قانون دوم مربوط به سرعت متغیر سیاره در نقاط مختلف مدار خویش است. بنابراین سیاره در نزدیك ترین فاصله ی خود به خورشید ، بیشترین سرعت را دارد و در دورترین فاصله ی خود از خورشید ، كمترین سرعت را .
این نكته هم باز سبب حیرت می شد زیرا كه وقار و متانت سیاره مغایر این بود كه گاهی شتابان و گاهی خرامان راه برود !
قانون سوم از این لحاظ مهم بود كه حركت سیارات مختلف را نسبت به هم می سنجید . قانون سوم می گوید كه اگر r فاصله ی متوسط یك سیاره نسبت به خورشید و Tطول سال آن باشد . پس r^۳/T^۲ در مورد همه ی سیارات یك اندازه است . این قانون ( تا آنجا كه به منظومه ی شمسی مربوط می شود ) دلیل قانون جادبه ی نیوتن قرار گرفت.
● نتیجه:
آنچه كه كپلر انجام داد، از جزئیات یعنی رصدهای موضعی، به كلیات یعنی مسیر حركت سیارات دست یافت. سه قانون كپلر از رویدادهای بسیار مهم علم است كه بطور كامل تقدس دایره ها را در هم شكست و نظریه كپرنیك را از حمایت موثری برخوردار كرد. این قوانین نشان داد كه اگر خورشید به عنوان مرجع در نظر گرفته شود، حركت سیارات را می توان به آسانی توصیف كرد. اما اشكال این قوانین آن بود كه صرفاً تجربی بود، یعنی فقط مسیر حركت مشاهده شده را بیان می كردند، بی آنكه هیچگونه تعبیر نظری در باره ی آنها به دست بدهند. یا در مورد منشاء این قواعد توضیح نمی داد.
همزمان ارائه این قوانین توسط كپلر، واقعه ی بزرگی در شرف تكوین بود. گالیله در زمان ارائه این قوانین به حركت اجسام، آونگ، نور … می اندیشید و دست به آزمایشهای سرنوشت سازی می زد. بطور قطع این دو نفر در شكل گیری اندیشه های نیوتن نقش برجسته ای داشتند.

منبع: دانشجویان