زمينه پيدايش فيزيك كلاسيك

مقدمه

هنگاميكه اروپا در ظلمت جهل و بي خبري بسر مي برد، دانشمندان اسلامي و در راس آنان انديشمندان ايراني اندوخته هاي علمي يونانيان را جمع آوري و حراست كردند و با دانش و انديشه هاي ايرانيان باستان درآميختند. تعاريف و اصول هندسه ي اقليدسي توسط ايرانيان مورد بررسي و نقد قرار گرفت. مثلثات كروي توسط فضلاي ايراني ابداع و دستگاه اعداد با كشفيات هنديان تكميل و بوسيله ي بازرگانان به اروپا برده شد. از قرن يازدهم ميلادي به بعد بعضي از كشيشان به جامه ي طلاب مسلمان در مي آمدند و كتبي را كه با دقت محافظت مي شد با خود به غرب مي بردند و ترجمه مي كردند.

در قرن شانزدهم دستگاه خورشيد مركزي منظومه شمسي تدوين و مسير حركت سيارات با دقت رصد شد. در نتيجه تقدس دايره ها در هم شكسته شد و مدار بيضوي حركت سيارات مورد قبول واقع شد. روش استقرايي تواني نو يافت و به مقابله با قياس برخاست و مسير جديدي براي انديشه هاي علمي بوجود آمد.

آزمايش كردن قباحت خود را از دست داد و اجسام از بلندي رها شدند تا زمان سقوط آنها بطور تجربي بررسي شود. قوانين سقوط آزاد اجسام به كل جهان تعميم داده شد شد و قانون جهاني گرانش كشف گرديد. علت حركت سيارات به دور خورشيد صورت بندي شد. اختراع و تكميل تلسكوپ انسان را با دنيايي رو به رو ساخت كه قبل از آن هرگز تصورش نمي رفت. آنگاه ناچيزي زمين در مقابل كاينات به اثبات رسيد.

استفاده از نماد گرايي در رياضيات آغاز و هندسه تحليلي به عنوان ابزاري قدرتمند براي تجسم و تكميل كشفيات حساب ديفرانسيل و انتگرال به كار گرفته شد. ماهيت فيزيكي نور با آزمايش مورد سئوال قرار گرفت. در نتيجه نظريه ي دانه اي و نظريه ي موجي بودن نور براي توجيه آن ابداع شد. عنصر پنجم ارسطوئي اتر بيش از پيش بكار گرفته شد. اما اين بار نه به عنوان يك عنصر، بلكه به عنوان زمينه اي براي انتشار نور و توجيه حركت نور در فضا و انتقال نيروي گرانش و تصور مي شد كه كالبد فضا از اتر انباشته شده است.

1-2

عصر تاريكي و دوره ي انتقال اول

با سقوط امپراطوري روم در اواسط قرن پنجم ميلادي تمدن در اروپاي غربي به سطح بسيار پائيني رسيد. تعليم و تربيت تقريباً از بين رفت و تنها راهبان ديرهاي كاتوليك و معدودي افراد غير روحاني با فرهنگ و دانش يوناني و لاتيني رشته ي باريكي داشتند.

در اين دوران دانش باستان توسط دانشمندان اسلامي محفوظ ماند، دانشمندان اسلامي ضمن آنكه دانش يوناني را حفظ كردند، اندوخته هاي علمي ايران باستان، چين و هند را را نيز جمع آوري نموده، خود نيز به باروري آن كوشيدند. خلفاي بغداد به حاميان علم بدل گشتند و فضلاي برجسته اي را به دربار خود فراخواندند. آثار هندي و يوناني از جمله آثار برهمگويت، و اصول اقليدسي و مجسطي به عربي ترجمه شد. كتب يوناني به عنوان يكي از شرايط صلح، از امپراطور بيزانس مصادره شد و در اختيار فضلاي عرب زبان قرار گرفت. در اين عصر فضلاي زيادي به نوشتن آثاري در زمينه رياضيات و نجوم پرداختند كه مشهورترين آنها محمد ابن موسي الخوارزمي بود. خوارزمي رساله اي در جبر و كتابي در باره ارقام هندي نوشت كه بعدها در قرن دوازدهم به لاتين ترجمه شد و تاثير زيادي در اروپا گذاشت. ابوالوفا بوزجاني كتب بطلميوس را ترجمه و تشزيح كرد و شرحي بر كتاب ديوفانتس نوشت. اصيل ترين و بديع ترين اثر جبري حل معادله درجه سوم توسط خيام بوجود آمد. وي اصلاحيه دقيقي نيز براي تقويم انجام داد.

خواجه نصيرالدين طوسي اولين اثر در باب مثلثات مسطحه و كروي را نوشت و كار پيشتر خيام را با شرح و تصيحيحاتي منتشر كرد كه ساكري كارش را در هندسه نااقليدسي با ياد داشتي از نوشته هاي نصيرالدين در باب توازي شروع كرد. نوشته هاي خواجه نصيرالدين توسط جان واليس در آكسفورد تدريس شد.

ابن هيثم كه در غرب به الهازن شناخته مي شود، بزرگترين فيزيكدان مسلمان شناخته شده است. وي رساله اي در نور نوشت و ذره بين را كشف كرد. به نسبت زاويه تابش و زاويه انكسار پي برد و اصول تاريكخانه را شرح داد و در مورد قسمتهاي مختلف چشم بحث كرد. رساله ي نور ابن هيثم نفوذ زيادي در اروپا گذاشت. كارهاي وي توسط كمال الدين فارسي پيگيري شد.

در مورد نجوم تنها كافيست گفته شود كه بسياري از نامها و واژه هاي امروزي در نجوم ريشه عربي دارند. بتدريج آثار علمي ايرانيان تنها زينت بخش كتاب خانه گرديد و هنگاميكه شرق در حال به خواب رفتن علمي و غفلت بود، غرب در حال بيدار شدن بود. اوضاع علمي ساير كشورهاي اسلامي و هندوستان و چين هم از ايران بهتر نبود، بلكه بدتر بود.

2-2

فيزيك در ايران

كشور ما نسبت ديرينه اي در نجوم دارد. قديمي ترين متن ايران پيش از اسلام، اوستا كتاب ديني زرتشتيان است كه متاسفانه فقط يك پنجم آن باقي مانده است. در اين متن به كروي بودن زمين اشاره شده است كه اين يك ردپاي نجومي از ايران باستان است. همچنين در متن هاي ديني زرتشتي مربوط به دوره ساساني به نام صورت هاي فلكي، ستاره ها و سيارات اشاره شده است.

مورد ديگر نجوم ايران پيش از اسلام مربوط به قرن اول ميلادي يعني 6 قرن پيش از ظهور اسلام است.در قرن اول ميلادي عده اي از فعالان (رهبران ديني كه هم رهبر بودن و هم دانشمند) به علتي نامعلوم و زمان اشكانيان از سيستان به هند مهاجرت كردند و دانش و فرهنگ ايراني را با خود به اين كشور بردند و آن را با فرهنگ و دانش هندي آميخته كردند. گفته مي شود اين افراد همچنين در هند باقي مانده اند و تمايز نژادي خود را حفظ كرده اند. در هر حال اين مسلم است كه تقويم ايراني كه اين افراد به هند بردند كه در آن شروع سال اول بهار است و هنوز در هند مورد استفاده قرار مي گيرد. البته آنها عملا از تقويم اروپايي استفاده مي كنند اما تقويم رسمي در قانون اساسي اين كشور همان تقويم ايراني است. از كتب قديمي ايران كتاب نجومي باقي نمانده است غير يك اثر مهم به نام ذيج شهرياران. ذيج به معني كتابچه نجومي است كه لغت قديمي فارسي است. اين كتاب در زمان بهرام گور و توسط پادشاهان ساساني تاليف شده است كه يك قرن بعد در زمان انوشيروان تصميم گرفتند اين كتاب را كامل تر كنند كه به دستور انوشيروان كتاب هاي نجوم يونان و هند خوانده شد و مقايسه كردند و گفتندكه كتاب هاي نجوم هندي دقيق تر است در نتيجه يك ويرايش جديدي از ذيج شهريار براساس متن هاي هندي فراهم كردند. بعضي از منجمان اسلامي مثل ابوريحان بيروني و خوارزمي مطالبي از اين كتاب را در كتاب هاي خود آورده اند.

مثلا ابوريحان بيروني كتابي به نام افراط المقال في امر الضلال (مقاله اي يكتا در مورد سايه ها) دارد كه در آن روش مدرج كردن ساعت هاي آفتابي را از كتاب ذيج شهريار نقل كرده است. همچنين در يكي از نوشته هاي ديني زرتشتي يك آيين مقدسي ذكر شده است كه گفتند اين آيين بايد زماني انجام شود كه ماه، ستاره ها، سياره ها و خورشيد در يك موقعيت ويژه كه در رسانه ذكر شده است، باشد. در عين حال، در نوشته هايي كه به زبان پهلوي است براي محاسبه موقعيت ماه، خورشيد، ستاره ها و سياره ها گفته شده است كه بايد محاسبه آنها براساس يك ذيج (كتابچه نجومي) باشد و آنجايي كه از منابع ساساني نام برده از ذيج هندي، ذيج شهرياران و ذيج بطلميوس نام برده است به اين ترتيب مشخص مي شود كه در زمان ساسانيان، ايراني ها با نجوم يونان باستان كه خيلي پيشرفته بود آشنا بوده اند كه شاخص تر اثر آن كتاب نجومي يونان باستان است كه بعدها به عربي ترجمه شد. ولي اين عقيده هم وجود دارد كه اولين ترجمه آن از يك ترجمه فارسي قديمي گرفته شده است. نجوم ايران باستان از نجوم دوره يونان باستان تاثير گرفته و بر نجوم دوره اسلامي اثر گذاشت و نجوم اين دوره هم بعدها بر تكامل نجوم در اروپا تاثير گذاشت. بعد از اسلام يكي دو قرن صرف كشمكش و تثبيت حكومت جديد در ايران شد. در اين دوره يا هيچ اثري بوجود نيامد و يا اگر به وجود آمد باقي نماند. اما بعد از آن از قرن سوم تا قرن 7 و 8 هجري شكوفايي بسياري در كشورهاي اسلامي به خصوص در ايران به وجود آمد و دانشمندان دستاوردهاي زيادي به وجود آوردند كه به دوره طلايي اسلامي شهرت يافت.

خيام غياث الدين ابوالفتح، عمر بن ابراهيم خيام (خيامي) در سال 439 هجري (1048 ميلادي) در شهر نيشابور و در زماني به دنيا آمد كه تركان سلجوقي بر خراسان، ناحيه اي وسيع در شرق ايران، تسلط داشتند. وي در زادگاه خويش به آموختن علم پرداخت و نزد عالمان و استادان برجسته آن شهر از جمله امام موفق نيشابوري علوم زمانه خويش را فراگرفت و چنانكه گفته اند بسيار جوان بود كه در فلسفه و رياضيات تبحر يافت. خيام در سال 461 هجري به قصد سمرقند، نيشابور را ترك كرد و در آنجا تحت حمايت ابوطاهر عبدالرحمن بن احمد , قاضي القضات سمرقند اثر برجسته خود را در جبر تأليف كرد.

خيام سپس به اصفهان رفت و مدت 18 سال در آنجا اقامت گزيد و با حمايت ملك شاه سلجوقي و وزيرش نظام الملك، به همراه جمعي از دانشمندان و رياضيدانان معروف زمانه خود، در رصد خانه اي كه به دستور ملكشاه تأسيس شده بود، به انجام تحقيقات نجومي پرداخت. حاصل اين تحقيقات اصلاح تقويم رايج در آن زمان و تنظيم تقويم جلالي (لقب سلطان ملكشاه سلجوقي) بود.

در تقويم جلالي، سال شمسي تقريباً برابر با 365 روز و 5 ساعت و 48 دقيقه و 45 ثانيه است. سال دوازده ماه دارد 6 ماه نخست هر ماه 31 روز و 5 ماه بعد هر ماه 30 روز و ماه آخر 29 روز است. هر چهار سال، يكسال را كبيسه مي خوانند كه ماه آخر آن 30 روز است و آن سال 366 روز مي شود در تقويم جلالي هر پنج هزار سال يك روز اختلاف زمان وجود دارد در صورتيكه در تقويم گريگوري هر ده هزار سال سه روز اشتباه دارد.

دستاوردهاي علمي خيام براي جامعه بشري متعدد و بسيار درخور توجه بوده است. وي براي نخستين بار در تاريخ رياضي به نحو تحسين برانگيزي معادله هاي درجه اول تا سوم را دسته بندي كرد، و سپس با استفاده از ترسيمات هندسي مبتني بر مقاطع مخروطي توانست براي تمامي آنها راه حلي كلي ارائه كند. وي براي معادله هاي درجه دوم هم از راه حلي هندسي و هم از راه حل عددي استفاده كرد، اما براي معادلات درجه سوم تنها ترسيمات هندسي را به كار برد؛ و بدين ترتيب توانست براي اغلب آنها راه حلي بيابد و در مواردي امكان وجود دو جواب را بررسي كند. اشكال كار در اين بود كه به دليل تعريف نشدن اعداد منفي در آن زمان، خيام به جوابهاي منفي معادله توجه نمي كرد و به سادگي از كنار امكان وجود سه جواب براي معادله درجه سوم رد مي شد. با اين همه تقريبا چهار قرن قبل از دكارت توانست به يكي از مهمترين دستاوردهاي بشري در تاريخ جبر بلكه علوم دست يابد و راه حلي را كه دكارت بعدها (به صورت كاملتر) بيان كرد، پيش نهد.

خيام همچنين توانست با موفقيت تعريف عدد را به عنوان كميتي پيوسته به دست دهد و در واقع براي نخستين بار عدد مثبت حقيقي را تعريف كند و سرانجام به اين حكم برسد كه هيچ كميتي، مركب از جزء هاي تقسيم ناپذير نيست و از نظر رياضي، مي توان هر مقداري را به بي نهايت بخش تقسيم كرد. همچنين خيام ضمن جستجوي راهي براي اثبات "اصل توازي" (اصل پنجم مقاله اول اصول اقليدس) در كتاب شرح اصول مشكل آفرين كتاب اقليدس، مبتكر مفهوم عميقي در هندسه شد. در تلاش براي اثبات اين اصل، خيام گزاره هايي را بيان كرد كه كاملا مطابق گزاره هايي بود كه چند قرن بعد توسط واليس و ساكري رياضيدانان اروپايي بيان شد و راه را براي ظهور هندسه هاي نااقليدسي در قرن نوزدهم هموار كرد. بسياري را عقيده بر اين است كه مثلث حسابي پاسكال را بايد مثلث حسابي خيام ناميد و برخي پا را از اين هم فراتر گذاشتند و معتقدند، دو جمله اي نيوتن را بايد دو جمله اي خيام ناميد. البته گفته مي شود بيشتر از اين دستور نيوتن و قانون تشكيل ضريب بسط دو جمله اي را جمشيد كاشاني و نصيرالدين توسي ضمن بررسي قانون هاي مربوط به ريشه گرفتن از عددها آورده اند.

استعداد شگرف خيام سبب شد كه وي در زمينه هاي ديگري از دانش بشري نيز دستاوردهايي داشته باشد. از وي رساله هاي كوتاهي در زمينه هايي چون مكانيك، هيدرواستاتيك، هواشناسي، نظريه موسيقي و غيره نيز بر جاي مانده است. اخيراً نيز تحقيقاتي در مورد فعاليت خيام در زمينه هندسه تزئيني انجام شده است كه ارتباط او را با ساخت گنبد شمالي مسجد جامع اصفهان تأئيد مي كند.

اما گذشته از همه اينها، بيشترين شهرت خيام در طي دو قرن اخير در جهان به دليل رباعيات اوست كه نخستين بار توسط فيتزجرالد به انگليسي ترجمه و در دسترس جهانيان قرار گرفت و نام او را در رديف چهار شاعر بزرگ جهان يعني هومر، شكسپير، دانته و گوته قرار داد.

خواجه نصيرالدين محمد بن حسن جهرودي طوسي مشهور به خواجه نصيرالدين طوسي از اهالي جهرود از توابع قم بوده است كه در تاريخ 15 جمادي الاول سال 597 هجري قمري ولادت يافته است. او به تحصيل دانش، علاقه زيادي داشت و از دوران جواني در علوم رياضي و نجوم و حكمت سرآمد شد و از دانشمندان معروف زمان خود گرديد.

خواجه نصيرالدين طوسي ستاره درخشاني بود كه در افق تاريك مغول درخشيد و در هر شهري پا گذارد آنجا را به نور حكمت و دانش و اخلاق روشن ساخته و در آن دوره تاريك و در آن عصري كه شمشير تاتار و مغول خاندانهاي كوچك و يا بزرگ را از هم پاشيده و جهاني از حملات مغولها به وحشت فرو رفته و همه در گوشه و كنار منزوي و يا فراري مي شدند و بازار كسادي دانش و جوانمردي و مروت مي بود و فساد حكمفرما. وجود و بروز چنين دانشمندي مايه اعجاب و اعجاز است.

تاسيس رصدخانه مراغه و انجام نخستين فعاليت علمي، پژوهشي و آموزشي در اين موسسه از مهم ترين اقدامات اين دانشمند است. رصدخانه مراغه به عنوان بزرگ ترين مركز پژوهشي نجومي در زمان خود مطرح بوده است و امروز نيز علاوه بر ثبت در كتب، جزوات و اسناد ملي و بين المللي هر ساله صدها محقق نجوم در داخل و خارج از كشور را به خود جذب مي كند.

همچنين خواجه نصيرالدين طوسي با انجام نخستين كار علمي و آموزشي در رصدخانه بين المللي مراغه پس از گذشت 750 سال از زمان فعاليت هاي علمي دراين مركز پيشتاز نجوم در دنياي قديم است. رصدخانه مراغه در سال 657 هجري قمري به دستور هلاكوخان و به همت دانشمند ايراني خواجه نصيرالدين طوسي ساخته شد كه ساخت آن 15 سال به طول انجاميد. در اين رصدخانه اسباب و آلات نجومي بسياري متمركز شده بود كه متاسفانه اين مجموعه بعد از سال 703 هجري قمري بر اثر زلزله و بي توجهي حكام رو به ويراني گذاشت.

گفته مي شود كتابخانه آن داراي چهار هزار جلد كتاب بوده است كه از بغداد به اين رصدخانه انتقال يافته بود. رصدخانه كهن مراغه بنابر اسناد معتبر الهام بخش تولد رصدخانه هاي سمرقند در تاجيكستان اوجين در هندوستان، فندو در بنارس اورانين برگ در دانمارك و رصدخانه شانگهاي چين بوده است.

3-2

بيداري غرب و دوره ي انتقال دوم

ارتباط غربيان با جوامع اسلامي بويژه از طريق بازرگانان موجب توجه آنان آثار علمي انديشمندان اسلامي شد. در اين دوره مسير برعكسي آغاز شد بدين ترتيب كه چون بسياري از آثار نجومي يونان باستان از بين رفته بود و فقط ترجمه عربي آن باقي مانده بود به لاتين ترجمه شدند. در اين دوره بود كه تعداد زيادي از اصطلاحات عربي به زبان هاي اروپايي راه پيدا كرد.

در حدود سال 950 ميلادي ژربر متولد شد، وي در مدارس مسلمانان اسپانيا درس خواند و در مراجعت ارقام عدد نويسي عربي را با خود به اروپاي مسيحي برد. ژربر مورد سوء ظن معاصرانش قرار گرفت و متهم شد كه روح خود را به شيطان فروخته است. با اين حال ژربر به تدريج در كليسا ترقي كرد و سرانجام در سال 999 به مقام پاپي انتخاب شد. بدين ترتيب ورود آثار كلاسيك علوم يوناني و اسلامي به اروپاي غربي شروع شد.

در حدود 1120 ميلادي يك راهب انگليسي به نام آدلارد باثي كه در اسپانيا درس خوانده بود، خود را در جامه يك طلبه در آورد و به گنجي از دانش كه شديداً مورد حفاظت بود دست رسي پيدا كرد. وي اصول اقليدس و جداول خاورزمي را به لاتين ترجمه كرد. قرن دوازدهم ميلادي به قرن ترجمه آثار و فرهنگ و دانش اسلامي بدل گشت. كوشاترين مترجم اين عصر گراردوي كرمونايي بود كه بالغ بر 90 اثر عربي را به لاتين ترجمه كرد. مجسطي، اصول اقليدس و جبر خوارزمي از آن جمله بودند.

در حدود سال 1250 ميلادي، اكوايناس اساس استدلال و منطق ارسطو را بكار برد. وي بر اساس اصول ارسطويي سيستم توميسم Tomism را بنياد نهاد كه در حال حاضر نيز پايه الهيات كليساي كاتوليك رومي است. ديگران نيز به زودي از احياي انديشه هاي يوناني در زمينه هاي دنيوي استفاده كردند. مهمترين كار در اين زمينه با انتشار كتاب كوپرنيك صورت گرفت كه در آن يكي از بديهيات اختر شناسي، يعني دستگاه زمين مركزي منظومه شمسي رد شد.

ظهور و پيدايش رنسانس

در نيمه دوم قرن 14 در ايتاليا و در شهر فلورانس پديده اي به نام رنسانس به وجود مي آيد و به بخش هاي مختلف اروپا اشاعه پيدا مي كند . چرا با وجود كشورهايي مثل آلمان وفرانسه و امثال اينها كه به شكل امروزي نبودند، چرا اين پديده در ايتاليا رخ داده است ؟ درذيل دلايل مختلفي را كه در اين زمينه مطرح كرده اند كه رنسانس در ايتاليا اتفاق افتاده است،بيان شده است :

پايگاه مسيحيت در روم بود ولي به مرور زمان نفوذ كليسا قدرت قبلي خود را در ايتاليا از دست مي دهد و تحت فشار شاهان فرانسه در اواخر قرون وسطي دربار پاپ از روم به آونيوم در فرانسه منتقل مي شود . بنابراين نفوذ كليسا در ايتاليا كمتر مي شود .

به مرور زمان، زبان رسمي و علمي در اروپا زبان لاتيني مي شود. زبان هاي مثل اسپانيايي، ايتاليايي و فرانسوي در مقايسه با زباني مثل آلماني نسبت به هم داراي قرابت و نزديكي زيادي هستند. بسياري از آثار دوران يونان باستان به زبان لاتيني ترجمه شده بود و زبان لاتيني به زبان ايتاليايي نزديكتر از ديگر زبان ها بود. بنابر اين ايتاليايي ها راحتتر مي توانستند با ترجمه هاي آثار يوناني ارتباط برقرار كنند .

مقر اصلي تمدن روم و امپراطوري روم درايتاليا بود . روم شرقي و بيزانس در حوزه شرقي اروپا و بالكان و سوريه بود و امپراطوري روم غربي در ايتاليا و فرانسه و آلمان بود اما مركزيت آن در ايتاليا بود. بنابر اين مردم ايتاليا به يونان و روم باستان نزديكتر بودند چون امپراطوري روم در ايتاليا قرار داشت .

بنابر اين با توجه به مجموعه اين دلايل پديده رنسانس در ايتاليا اتفاق مي افتد .

رنسانس يعني قبول نداشتن كليسا و عقايد آن و بازگشت به يونان و روم باستان است. در يونان و روم باستان اصالت با انسان بوده است. براي برگشت به يونان و روم باستان بايد در تمام مسائل از جمله هنر و ادبيات و فلسفه بايد به همان روش عمل نمود. بنابر اين بايد به آثار همان زمان رجوع كرد و چون آثار يونان به لاتيني ترجمه شده و ايتايايي ها با توجه به قرابت زبانشان به زبان لاتيني راحتترمي توانستند زبان لاتيني را فرا گيرند اينها زودتر از بقيه توانستند به آثار يوناني دست پيدا كنند.

4-2

دستگاه خورشيد مركزي خورشيد كوپرنيك

نيكلا كوپرنيك

(1543-1473)

رياضيدان

اخترشناس، حقوقدان و اقتصادان با استعدادي بود كه در نزد مردم بسيار محترم بود. اصليت وي لهستاني بود و براي ادامه تحصيل به ايتاليا رفت. كوپرنيك نخستين كسي بود كه در دوران رنسانس، انقلاب بزرگي را در زمينه اخترشناسي برپا مي كند. كوپرنيك به مسئله حركت دوراني افلاطون در مورد اجرام آسماني بسيار علاقه مند بود و در اين زمينه تلاش هاي بسيار انجام داد. كوپرنيك معتقد بود كه حركت اجرام آسماني مانند ستاره ها، سيارات و ماه يك حركت دوراني(دايره اي) و يا تركيبي از حركات دوراني است. زيرا در حركات دوراني، جرم در يك دوره مشخص و ثابت به حالت و وضعيت قبلي خود برمي گردد. كوپرنيك با مشاهدات و تحقيقات گسترده و محاسبات دقيق به اين نتيجه رسيد كه اگر حركت سيارات با حركت دوره اي زمين در ارتباط باشد، و حركت دوره اي سيارات را بر اساس گردش آن ها به دور خورشيد محاسبه كنيم به اين نتيجه مي رسيم كه علاوه بر نظم و ارتباط ميان آن ها(منظور حركت دوراني زمين و خورشيد مركزي) و ترتيب حاكم بر مدار هاي سيارات، حركت دوراني اين اجرام با هم در ارتباط مي باشند. به طوري كه تغيير در هر يك از اين مدار ها باعث در هم فرو ريختن اجرام و در نتيجه منظومه مي شود.

سرانجام كوپرنيك منظومه خود را تدوين كرد كه منظومه وي با منظومه زمين مركزي بطليموس كه مورد قبول عامه مردم (از جمله كليسا) آن دوره بود، مغايرت داشت.

وي در منظومه خود خورشيد را مركز قرار داد كه زمين و ديگر سيارات به دور آن در حال حركت هستند. نيكلا منظومه خود را بر اساس چند فرض بنيان نهاد:

مركزيِ هندسي و دقيق براي مدار اجرم آسماني وجود ندارد.

خورشيد در مركز قرار دارد و زمين و ديگر سيارات به دور آن حركت مي كنند.

زمين ديگر مركز جهان نيست. زمين علاوه بر حركت گردشي به دور خورشيد، به دور خود نيز مي چرخد.

حركت خورشيد در آسمان بر اساس حركت دوره اي زمين مي باشد.

حركت ظاهري اجرام آسماني در آسمان تنها بر اساس حركت خود آن ها نيست، بلكه اين حركت ها با حركت دوره اي زمين نيز در ارتباط مي باشند.

كوپرنيك نظر داد كه گردش زمين به دور خود يك شبانه روز به طول مي انجامد.

كوپرنيك تلاش مي كرد تا نظريه خود را از طريق رياضيات اثبات كند. وي با محاسبات خود به اين نتيجه رسيد كه هرچه قدر از سيارات دور به خورشيد نزديك شويم، بر سرعت گردش آن ها افزوده مي شود. زحل كه دورترين سياره آن زمان بود، يك دور يكنواخت خود را به مدت 29.5 سال و سپس مشتري اين دوره را در 11.8 سال مي پيمايد. بعد از مشتري نوبت به مريخ مي رسد كه اين دوره را در مدت 687 روز و زهره 224 روز و عطارد 88 روز سپري مي كنند. البته اين مقادير را كوپرنيك محاسبه كرده است و اختلاف اين مقادير با مقادير امروزي ناچيز است. اين محاسبات بخشي از اثبات تئوري كوپرنيك با استفاده از هندسه بود.

مزيت تئوري كوپرنيك آن بود كه وي با استناد به نظريه خورشيد مركزي به نتايجي دست يافت كه برخي از اين نتايج در نظريه بطليموسي امكان پذير نبود.

مهمترين اين نتايج عبارتند از:

الف) محاسبه اندازه مدار سيارات كه به دور خورشيد مي گردند.

ب) محاسبه دوره تناوب گردش سيارات به دور خورشيد.

ج) بدست آوردن سرعت نسبي حركت دوراني سيارت.

د) مشخص كردن حركت زاويه اي سيارات و موضع آن ها در آسمان. كه اين نتيجه در هر دو تئوري كوپرنيك و بطليموس وجود داشت.

بر اين اساس بود كه كوپرنيك به اين نتيجه رسيد كه ميان مدار هاي سيارات و جايگاه آن ها ارتباطي وجود دارد؛ طبق گفته خود هرگونه تغيير مكاني در هر قسمت از آن باعث به هم خوردن قسمت هاي ديگر و همه جهان مي شود)). كوپرنيك مدعي بود كه برتري نظريه او در زيبايي و سادگي آن است. وي در اين رابطه در كتاب خود، ""درباره گردش افلاك آسماني"" مي گويد((در ميانه همه خورشيد بدون حركت مي پايد. به راستي، چه كسي در اين معبد عظيم و زيبا، منبع نور را در جايي جز آنجا كه بتواند همه قسمت هاي ديگر را بيفروزد و روشنايي بخشد، قرار مي دهد؟ پس در اساس اين برگزيدگي، تقارن قابل ستايش در جهان و هماهنگي بارزي در حركت و اندازه كرات مي يابيم، آن چنان كه به هيچ وجه ديگري نمي توانست باشد.

تئوري كوپرنيك بنا به دلايلي به زودي مورد قبول عامه مردم قرار نگرفت. بيش از يك قرن طول كشيد تا نظريه خورشيدمركزي ميان اخترشناسان مورد پذيرش قرارگيرد.

مهمترين دلايلي كه عليه اين نظريه مطرح شده بود:

منظومه كوپرنيكي بيشتر جنبه رياضي، سادگي و زيبايي داشت و با مشاهدات نجومي آن زمان مطابقت نداشت و به همين دليل مورد پذيرش عام قرار نگرفت.

يكي از ضعف هايي كه كوپرنيك در اثبات نظريه خود داشت آن بود كه او نمي توانست با استفاده از نظريه هاي پيشين، نظريه خود را اثبت كند.

يكي از دلايلي كه هميشه بر ضد نظريه خورشيدمركزي مطرح بود آنست كه اگر زمين در حال حركت مي بود، بايستي به كلي منهدم شود. زيرا اگر زمين حركت كند، آنگاه هوا، پرندگان و قطرات باراني كه به زمين مي بارند، جا مي ماندند. يكي از مثل هايي كه مخالفين به گاليله مي گفتند آن بود كه اگر زمين در حال حركت باشد، توپي كه از بالاي برج پيزا پرتاب مي شد بايد به عقب (جهت خلاف گردش زمين) جا بماند.

اما كوپرنيك مي پنداشت كه هوا به همراه زمين در حال حركت است. و از طرفي وي در نظر داشت كه اگر چنين مي بود پس چرا ديگر اجرام آسماني كه در حال حركتند، منهدم و نابود نمي شوند.

الگوي خورشيد مركزي كوپرنيك با عقايد و اصول ارسطو مغايرت داشت. و از طرفي چون در آن زمان كليسا طرفدار اصول ارسطو بود، به همين دليل نظر همه مسيحيان بر ضد كوپرنيك بود. آنان به آيات انجيل استناد مي كردند و مي گفتند كه معمار و طرح خلقت جهان بر اساس منظومه و تئوري بطليموس است. به همين دليل سازمان تفتيش عقيده، كتاب كوپرنيك را كه مخالف با كتاب مقدس بود، ممنوع اعلام كرد.

اگر چه نظريه خورشيد مركزي كوپرنيك با نظريه زمين مركزي بطليموس از نظر علميِ مشاهده نجومي سازگار بود اما از نظر فلسفي مغايرت داشت. چون كوپرنيك چارچوب مرجع خود را از زمين به خورشيد منتقل كرده بود. و اين انتقال چارچوب از نظر فيزيك سينماتيكي امروزي كاملا صحيح مي باشد.

5-2

قوانين كپلر

كوپرنيك با قرار دادن خورشيد در مركز منظومه شمسي توصيف بسيار ساده تر و توضيح طبيعي تري در باره برخي از خصوصيات حركت سياره اي به دست داد. هرچند طرح كوپرنيك بسيار ساده تر از طرح بطلميوس بود، اما چون كوپرنيك نيز به تقدس دايره ها اعتقاد داشت، به همان اندازه بطلميوس از مدارهاي تدوير و نظاير آن استفاده كرد. تنها تفاوت دو دستگاه اين بود كه يكي زمين را مركز حركت سيارات مي دانست و ديگري خورشيد را. با آنكه ستاره شناسان از پذيرش دستگاه خورشيد مركزي بطلميوس اجتناب مي كردند، اما اين دستگاه تاثير خود را بر انديشه آنان گذاشته بود و بحث و جدل در مورد آن روز به روز بيشتر مي شد.

اين مجادلات باعث شد كه منجمين اطلاعات رصدي بيشتري و دقيق تري به دست آورند. تيكو براهه اين اطلاعات را جمع آوري كرد و اعتقاد داشت كه همه ي سيارات بجز زمين به دور خورشيد مي گردند و خورشيد همراه سيارات به دور زمين مي چرخد. در اين دوران يوهان كپلر (1571-1630) به عنوان دستيار نزد تيكو براهه در رصد خانه ي پراگ مشغول كار شد.

پس از كوپرنيك ، كپلر نخستين منجم نامداري بود كه نظريه مركزيت خورشيد را اتخاذ كرد ، اما معلوماتي كه تيكو براهه ثبت كرده بود نشان داد كه اين نظريه به صورتي كه كوپرنيك بدان بخشيده بود ، نمي تواند كاملا صحيح باشد. با اين وجود ظرفداري كپلر از دستگاه خورشيد مركزي كوپرنيك مورد پسند تيكو برهه نبود. هنوز يكسال از همكاري اين دو نگذشته بود كه تيكو براهه فوت كرد و تمام رصدهايي را كه جمع آوري كرده بود به عنوان ارثيه اي ارزشمند براي كپلر باقي گذارد.

پس از مرگ تيكو براهه، كپلر به توده ي عظيمي از رصدهاي بسيار دقيق در حركت سيارات دست يافت. بعداً مسئله به اين صورت در آمد كه الگويي براي حركت سيارات ارائه دهد كه دقيقاً با مجموعه رصدهاي انجام شده مطابقت كند.

بدين ترتيب كپلر نياز داشت كه ابتدا به كمك تخيل جواب موجهي را حدس بزند و سپس با پشتكار، كوهي از محاسبات كسل كننده را انجام دهد تا حدس خود را تاييد يا رد كند.

توفيق بزرگ كپلر همانا كشف سه قانون حركت سيارات است دو تا از اين قوانين را وي در 1609 و سومي را در 1619 انتشار داد .

قانون اول كپلر يا قانون بيضوي ها

مدار هر سياره به شكل يك بيضي است كه خورشيد در يكي از كانونهاي آن قرار دارد .

كه ميتوان از اين مطلب اين را نتيجه گرفت كه فاصله سياره تا خورشيد به لحاظ واقع بودن بر مدار بيضي داراي حداقل و حداكثر است. كپلر بيش از 20 سال براي درك چگونگي مدارات سيارات زحمت كشيد او مدلهاي مختلفي را امتحان نمود ولي سرانجام نشان داد كه صفحه مداري سياره ها از خورشيد مي گذرد و كشف كرد كه شكل مداري سيارات به صورت بيضي است .اين قانون در سال 1609 ميلادي انتشار يافت.

قانون دوم كپلر ياقانون سطح معادل

خط مستقيم واصل سياره و خورشيد (شعاع حامل يك سياره)، در فواصل زماني مساوي مساحتهاي مساوي را در فضا جاروب مي كند.

يعني براي مثال در شكل سياره اي در مدت 1 ماه از Aبه B مي رود . مدت زماني كه از Cبه D مي رود نيز يك ماه است اما اكنون از خورشيد دورتر است بنابراين فاصله A تا B بايد بيشتر باشد تا سياره در همان مدت يك ماه مساحتي برابر با مساحت اول را جاروب كند . به همين دليل سياره هنگامي كه به خورشيد نزديكتر است با سرعت بيشتري حركت مي كند. براي فهم بهتر اينجا را كليك كنيد .

قانون سوم كپلريا قانون هارمونيك

نسبت مجذور زمان تناوب گردش دو سياره برابر است با نسبت مكعب نيم قطر اطول آنها كپلر براي بدست آوردن اين فرمول 7 سال تلاش كرد . در آن زمان فاصله واقعي ميان خورشيد و سيارات معلوم نبود اما محاسبه نسبت فاصله يك سياره تا خورشيد به فاصله زمين تا خورشيد ميسر بود . مثلا كپلر مي دانست كه نيم قطر اطول مدار مريخ تقريبا 1.5 برابر نيم قطر اطول مدار زمين است . حال او متوجه شد اگر در هر سياره نيم قطر اطول را به توان 3 و دوره گردش را به توان 2 برسانيم . دو رقم بدست آمده باهم برابر مي شوند و فقط اختلافهاي اندكي براي برجيس (مشتري) و كيوان (زحل) ديده مي شود.

در زمان كپلر دو قانون اول فقط در مورد مريخ قابل اثبات بود . در مورد ساير سيارات رصد ها با آن قوانين سازش داشت ، منتهي چنان نبود كه آنها را قطعا محقق سازد و مدتها گذشت تا دلايل قطعي در تاييد آنها بدست آمد .

كشف قانون اول ، يعني اينكه سيارات روي مدارات بيضوي حركت مي كنند ، بيش از آنكه براي مردم امروز به آساني قابل تصور باشد مستلزم كوشش در رها ساختن گريبان خود از چنگ سنتها بود . تنها نكته اي كه همه ي ستاره شناسان در آن خصوص با هم توافق داشتند اين بود كه همه ي حركات سماوي ، دوراني است يا از حركات دوراني تركيب شده است .

قرار دادن بيضي به جاي دايره ، مستلزم رها كردن آن تمايل زيباشناختي بود كه از زمان فيثاغورث به بعد بر نجوم حكومت كرده بود . دايره شكل كامل و افلاك سماوي اجسام كامل شناخته مي شدند _ كه در اصل مقام خدايي داشتند و حتي در آثار افلاطون و ارسطو نيز رابطه ي نزديكي با خدايان دارند . واضح به نظر مي رسيد كه يك جسم كامل بايد بر يك مدار كامل حركت كند . به علاوه چون اجسام آسماني آزادند ، يعني بي اينكه كشيده يا رانده شوند حركت مي كنند ، پس حركت آنها بايد طبيعي باشد و تصور اينكه دايره طبيعي است و بيضي چنين نيست امر آساني بود . بدين ترتيب بسياري از باورهاي ذهني عميق مي بايست منسوخ و مطرود گردد تا قانون اول كپلر بتواند مورد قبول واقع شود .

قانون دوم مربوط به سرعت متغير سياره در نقاط مختلف مدار خويش است. بنابراين سياره در نزديك ترين فاصله ي خود به خورشيد ، بيشترين سرعت را دارد و در دورترين فاصله ي خود از خورشيد ، كمترين سرعت را .

اين نكته هم باز سبب حيرت مي شد زيرا كه وقار و متانت سياره مغاير اين بود كه گاهي شتابان و گاهي خرامان راه برود !

قانون سوم از اين لحاظ مهم بود كه حركت سيارات مختلف را نسبت به هم مي سنجيد . قانون سوم مي گويد كه اگر r فاصله ي متوسط يك سياره نسبت به خورشيد و Tطول سال آن باشد . پس r^3/T^2 در مورد همه ي سيارات يك اندازه است . اين قانون ( تا آنجا كه به منظومه ي شمسي مربوط مي شود ) دليل قانون جادبه ي نيوتن قرار گرفت

نتيجه: آنچه كه كپلر انجام داد، از جزئيات يعني رصدهاي موضعي، به كليات يعني مسير حركت سيارات دست يافت. سه قانون كپلر از رويدادهاي بسيار مهم علم است كه بطور كامل تقدس دايره ها را در هم شكست و نظريه كپرنيك را از حمايت موثري برخوردار كرد. اين قوانين نشان داد كه اگر خورشيد به عنوان مرجع در نظر گرفته شود، حركت سيارات را مي توان به آساني توصيف كرد. اما اشكال اين قوانين آن بود كه صرفاً تجربي بود، يعني فقط مسير حركت مشاهده شده را بيان مي كردند، بي آنكه هيچگونه تعبير نظري در باره ي آنها به دست بدهند. يا در مورد منشاء اين قواعد توضيح نمي داد.

همزمان ارائه اين قوانين توسط كپلر، واقعه ي بزرگي در شرف تكوين بود. گاليله در زمان ارائه اين قوانين به حركت اجسام، آونگ، نور ... مي انديشيد و دست به آزمايشهاي سرنوشت سازي مي زد. بطور قطع اين دو نفر در شكل گيري انديشه هاي نيوتن نقش برجسته اي داشتند.