بیگ بنگ: آیزاک نیوتن متولد ۱۶۴۲ میلادی، فیزیک دان، ریاضی دان، ستاره شناس و فیلسوف انگلیسی است که در سن ۸۴ سالگی رخت از دنیا بست. وی حتی پس از نگارش نظریه خود، اشتیاق و هیجانی برای انتشار آن نشان نمی داد. همانطور که پلانگ برای اولین بار به نظریه نسبیت انیشتین توجه کرد و باعث توجه فیزیکدانان به وی شد، این ادموند هالی بود که باعث انتشار شاهکار نیوتن ” اصول ریاضی فلسفه طبیعی” و شهرت وی شد.

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 بنیان گذاری حساب دیفرانسیل و انتگرال، همزمان با لایپنیتز است. بیشتر دانش آموزان با نظریه نیوتن و قوانین آن آشنا هستند، اما همانطور که قبلا گفته شد، این آشنایی آکادمیک معمولا به معنای درک و فهم عمیق آن نیست. بنابراین هدف ما تکرار مطالب درسی نیست. سعی ما آشنایی فرآیندی و ژرف تر با این نظریه بزرگ و کاربردی و در چارچوب اهدافی است که قبلا ذکر کردیم.

اگر چه نیوتن از دستاوردهای دانشمندان پیشین، به ویژه کپلر و گالیله کمک شایانی گرفت، اما به راستی می توان او را بنیانگذار فیزیک دانست. وی میراث پراکنده فیزیک را با مفاهیم و دستاوردهای جدید آمیخت و همه را در یک نظریه ساده و زیبابا پشتوانه قوی از منطق ریاضی به دنیا معرفی کرد. نظریه نیوتن در عین سادگی ، قوی و کاربردی است. مفاهیم و پیش فرضهای آن با مشاهدات و تجربیات روزمره ما قابل حس است. ریاضیات آن نسبتا ساده بوده و هر دانش آموز کنجکاوی می تواند از آن بهره ببرد. بیایید ما نقش نیوتن را بازی کنیم و اینگونه نظریه وی را تحلیل کنیم:

توپی ساکن در اتاق وجود دارد. غرق در افکار روزمره خود، مدتی به آن خیره می شویم. توپ همچنان ساکن است. ظاهرا همه چیز درون این اتاق ساکن است. بلند شده و با پا ضربه ای به توپ می زنیم. اکنون توپ حرکت کرده و پس از کمی جست و خیز در گوشه ای دیگر آرام می گیرد. تیله ای را می بینیم که بر روی سطح صیقلی کف اتاق به ما چشمک می زند. با انگشت به آن ضربه ای می زنیم. تیله حرکت می کند و پس از برخورد به دیوار باز می گردد. با دست سد راهش می شویم. تیله از حرکت باز می ایستد. شاید در پس پرده همین بازی ساده، اصولی مهم نهفته باشد!

ظاهرا یک جسم ساکن، همینطور ساکن باقی می ماند، مگر آنکه …! مگر آنکه با پا ضربه ای به آن بزنیم. البته می توان با دست هلش داد. می توان آن را کشید. گاهی حتی با یک فوت حرکت می کند. شلوغ شد! بهتر است از یک مفهوم کلی استفاده کنیم. مانند : “نیرو “! بهتر شد! (چرا؟!) هر جسمی در حالت سکون باقی می ماند، مگر اینکه به آن نیرویی وارد شود. یک اندیشمند حرفه ای همیشه لحظاتی پس از خوشحالی کشف چنین اصولی،خودمنتقد خویش می شود و در واقع می اندیشد کجای کار ممکن است اشکال داشته باشد. برای این موضوع، اندیشمند ما باید پدیده های گوناگونی را تصور و حتی تجربه کند که می تواند در این اصل به ظاهر ساده خللی ایجاد نماید. بدن من ساکن است، اما یک باره حرکت می کند. در این حالت ماهیچه های من نیروی حرکت را تامین می کنند. یک پر کاه ساکن ناگهان در هوا به پرواز در می آید! چگونه؟ نیروی باد! آن سیب چسبیده به شاخه درخت، ناگهان به سمت زمین حرکت می کند. با کدام نیرو؟ اولین چالش بزرگ! بهتر است در آینده به مسئله سقوط باز گردیم.

تفکر، تصور، تحلیل، آزمایش با مقداری صبر تا بدین جا ما را به این نتیجه می رساند که می توان تا حدود زیادی به این اصل اعتماد کرد. تنها مشکل باقیمانده، حرکت یا سقوط خود به خودی اجسام است، اما شاید این حرکت نیز با نیرویی نهفته انجام می پذیرد! مانند نیروی گرانش! در همان بازی ما پرسشهای مهم دیگری نهفته است. چرا توپی که توسط ضربه ما به حرکت در آمده بود، سرانجام از حرکت ایستاد؟ چرا دست ما همچون سدی مانع ادامه حرکت تیله شد؟ چرا تیله بر روی سرامیک بیشتر از فرش حرکت می کند؟ چرا تیله با برخورد به دیوار سنگی بازگشت، اما پس از برخورد به دست من از حرکت ایستاد؟ آیا نیروها فقط باعث حرکت می شوند؟ چرا در تجربیات روزمره ما بیشترحرکتها به سکون می انجامد؟ با مقداری تفکر و تحلیل متوجه می شویم که اینجا نیز پای نیرو در میان است!

فضایی را در نظر بگیرید که جسمی درون آن در حال حرکت (یکنواخت) است. آیا این جسم تا ابد به حرکت خود ادامه میدهد؟ ذهن ما می گوید بله! مگر اینکه …! مگر اینکه نیرویی در حرکت آن اختلال ایجاد کند. پس بهتر است اصل اولی را کامل تر کنیم: هر جسمی در حالت سکون یا حرکت (یکنواخت) باقی می ماند، مگر اینکه به آن نیرویی وارد شود (قانون اول نیوتن). اکنون چالشهای بیشتری تفکر ما را به مبارزه می طلبد! چرا آن تیله متحرک روی فرش ساکن شد؟ نیروی اصطکاک تیله با فرش(چرا این اصطکاک بیشتر از سرامیک است؟). چرا سیب پس ار برخورد به زمین ساکن شد؟ نیروی برخورد.

پس از مدتها تحقیق و تفکر متوجه می شویم که ظاهرا اصل اکتشافی ما خلل ناپذیر است. اما آیا این اصل کاربردی است؟ باید توپمان را برداریم و به یک زمین فوتبال برویم. هرچه ضربه های قویتری به توپ می زنیم، توپ متحمل حرکت و جابجایی بیشتری می شود. تا همین حد کافیست که به پتانسیل کاربردی بودن اصلمان پی ببریم. البته تا بدین جا برای یک فوتبالیست نیز قابل پیش بینی است. او بهتر از ما ضربه ها را تنظیم می کند. ما باید نیرو را مدرج کنیم. اگر موفق شویم، قدرت و دقت پیش بینی ما از فوتبالیست نیز پیشی می گیرد! یک فنر برای مدرج کردن نیرو چطور است؟ اگر یک توپخانه فنری بسازیم و پرتابه های توپ را آزمایش کنیم به چه نتایجی می رسیم؟ آیا می توانیم با نیروی مدرج شده میزان اصطکاک سطوح مختلف را درجه بندی کنیم؟ آیا با نیروی مدرج شده می توان به میزان سنگینی اجسام پی برد؟ همه اینها و خیلی بیشتر از اینها شدنی است، به شرطی که برای مفاهیم کمی خود استاندارد تعریف کنید و سپس با آزمایش های گوناگون و دقیق، روابط ریاضی این مفاهیم را استخراج نمایید.

3 (2)اگر شبیه فرآیند گفته شده تحلیل و تفکر را ادامه دهید به تدریج به مفاهیم اصلی قوانین نیوتن دست خواهید یافت: سکون ، سرعت یکنواخت، نیرو، شتاب، جرم و … اگر چه ما چنین مفاهیمی را در تجربیات روزمره خود احساس می کنیم، اما باید آنها را به شکلی علمی تعریف نماییم. سکون و سرعت یکنواخت شباهت خاصی به همدیگر دارند. در هر دو حالت میزان جابجایی یا تغییر مکان در طول زمان ثابت است، با این تفاوت که این مقدار ثابت در حالت سکون برابر صفر است. زمانی این مفاهیم کاربردی می شوند که ما قدرت تشخیص و اندازه گیری میزان جابجایی و زمان را داشته باشیم. اگر چه اینها ساده می نماید، اما در عمل مشکلات ویژه ای پدیدار می شود. در جهانی که همه چیز در حال حرکت است، چگونه می توان گفت یک جسم ساکن یا دارای سرعت یکنواختی است؟ زمان را چگونه می توان اندازه گیری کرد؟

برای تشخیص سکونت یک جسم، ابتدا باید به یک مرجع استناد کرد. برای بررسی رفتار حرکتی یک توپ درون زمین فوتبال، به راحتی می توان زمین را مرجع و ساکن در نظر گرفت. مهم نیست که خود کره زمین با چه سرعتی در حال حرکت باشد. از طرفی می توان مثلا از یک آونگ برای اندازه گیری زمان استفاده کرد. اگر چه یافتن اجسام ساکن در چنین حالتی بسیار راحت است، اما پیدا کردن اجسامی که با سرعت یکنواخت حرکت می کنند، کار مشکلی است! سرعت اجسام و همان توپ به راحتی دستخوش تغییر می شود. ضربه به توپ بر سرعت آن می افزاید، اما بلافاصله از سرعت آن کم شده و ساکن می شود. بنابراین تعریفی برای تغییر سرعت مهم به نظر می رسد و اینگونه به یک مفهوم مهم می رسیم : شتاب ! شتاب را می توان تغییرات سرعت در طول زمان تعریف کرد.

اگر آزمایشها را با همین امکانات و یک فنر رفرنس به عنوان نیروی مشخص شروع کنیم، متوجه دو نکته اساسی می شویم. یکی اینکه برای یک جسم مشخص و در شرایط یکسان، هر چقدر نیرو افزایش یابد، میزان جابجایی و در واقع شتاب آن بیشتر است. به زبان ریاضی، نیرو متناسب با شتاب است. از طرفی هر چه یک جسم خاص بزرگتر و سنگین تر می شود، مقدار نیروی لازم برای جابجایی آن افزایش می یابد. در نتیجه نیرو متناسب با … است. چه مفهومی برای جای خالی مناسب تر است؟ ” سنگینی” ، ” بزرگی” ، “لختی” ، “مقدار یا بزرگی ماده” ، …؟ نیوتن از مفهوم “جرم” استفاده کرد که در واقع ارتباطی احساسی با ذهن انسان دارد، یعنی همان مقدار ماده که به صورت خاصیتی مشترک در همه اجسام به نسبتهای مختلف وجود دارد. پس نیرو هم متناسب با شتاب است و هم جرم (قانون دوم نیوتن)!

ادامه دارد »»»

نویسنده : احمد مصدر / سایت علمی بیگ بنگ

منابع :

• فیزیک پایه ، دیوید هالیدی و رابرت رزنیک، ترجمه مهدی گلشنی و ناصر مقبلی، مرکز نشر دانشگاهی

• فیزیک برای سرگرمی ، پرلمان یاکوف ، ترجمه احسان قوام زاده