صفحه اصلی    تازه ها    ادبیات    تاریخ و سیاست    روانشناسی و جامعه شناسی    علوم    کودک و نوجوان    متفرقه

ناشر:سبزان
تاريخ چاپ: 1392
نوبت چاپ:اول
تيراژ:1000 نسخه
قيمت:9500 تومان
شابک: 3 - 097 - 117 - 600 - 978

 

نظریه‌های تأثیرگذار در علم فيزيك

نویسنده: جوآن بیکر

مترجم: مائده فضل‌علي‌زاده

فهرست مطالب
مقدمه مترجمان................................ 3
مقدمه نویسنده................................ 5

ماده در حرکت
اصل ماخ ..................................... 7
قوانین حرکت نیوتن ........................... 11
قوانین کپلر ................................. 15
قانون گرانش نیوتن ........................... 20
پایستگی انرژی ............................... 25
حرکت هماهنگ ساده ............................ 30
قانون هوک ................................... 34
قانون گاز ایده‌آل ............................ 39
قانون دوم ترمودینامیک ....................... 44
صفر مطلق .................................... 48
حرکت براونی ................................. 53
نظریه آشوب .................................. 58
معادله‌ برنولی ............................... 62
در زير امواج
نظریه رنگ نیوتن ............................. 66
اصل هویگنس .................................. 70
قانون اسنل .................................. 75
قانون براگ .................................. 79
پراش فرانهوفر ............................... 83
اثر دوپلر ................................... 87
قانون اُهم ................................... 91
قانون دست راست فلمینگ ....................... 95
معادلات ماکسول ­­............................... 100
معماهاي كوانتومي
قانون پلانگ .................................. 105
اثر فوتوالکتریک ............................. 109
معادله‌ موج شرودینگر ......................... 114
اصل عدم قطعیت هایزنبرگ ...................... 118
توصیف کپنهاگی ............................... 122
گربه شرودینگر ............................... 126
پارادوکس EPR ................................ 130
اصل طرد پائولی .............................. 134
ابررسانایی .................................. 138
شكافت اتم‌ها
اتم رادرفورد ................................ 142
پاد ماده .................................... 146
شکافت هسته‌ای ................................ 151
گداخت هسته‌ای ................................ 155
مدل استاندارد ............................... 160
نمودارهای فاینمن ............................ 165
ذره خدا ..................................... 170
نظریه ریسمان ................................ 174
فضا و زمان
نسبیت خاص ................................... 178
نسبیت عام ................................... 183
سیاه‌چاله‌ها .................................. 187
پارادوکس اولبرز ............................. 191
قانون هابل .................................. 195
مهبانگ (انفجار بزرگ)......................... 199
تورم کیهانی ................................. 204
مادة تاریک .................................. 208
ثابت کیهان‌شناسی ............................. 212
پارادوکس فرمی ............................... 216
اصل آنتروپی ................................. 221
واژه‌نامه..................................... 225
نمایه ....................................... 231


بنام خداوند جان وخرد
مقدمه مترجمان
دانش امروزی مجموعة تجربیات و مطالعة گستردة پیشینیان ما در طول زمان است که امروزه به عنوان میراثی در اختیار ما قرار گرفته است. اگر به تاریخ علم نظری بی‏افکنیم می‏بینیم که مفاهیمی مثل اعداد، شمارش، عملیات ریاضی ساده، هندسه و موارد بسیار دیگر امروزه آنقدر برای ما بدیهی شده که هیج وقت به ماهیت و نوع توسعة آنها فکر نمی‏کنیم. ولی با اندکی دقت در آنها، مشاهده می‏کنیم که موارد بدیهی امروز چقدر مورد چالش و بررسی دانشمندان عصر خود بوده‏اند تا توانسته‏اند ستون‏های محکم دانش امروزی باشند.
امروزه دانش به دلیل گستردگی وسیع خود به رشته‏ها و تخصص‏های بسیار بسیار متنوعی تقسیم شده است. معمولاً افرادی که به فراگیری یکی از این حوزه‏ها می‏پردازند به دلیل حجم زیاد کار و مطالب مورد نیاز خود در آن رشته کمتر فرصت پیدا می‏کنند که حتی به مباحث تاریخی و پایه‏ای تخصص خود بپردازند، چه رسد به مباحث تاریخی علوم دیگر. این در حالی است که دانستن مفاهیم بنیادی‏تر و همچنین فرآیند تحول آن رشته از دانش خودشان می‏تواند در موفقیت کاری‏شان مؤثر باشد. و نیز این سرگذشت‏ها و روندهای تاریخی علاوه بر اینکه مطالبی مفرح و دل‏انگیز هستند شرایط را برای انتقال بهتر دانسته‏ها از افراد متخصص به افراد عادی جامعه را نیز بیشتر فراهم ‏کرده و باعث ارتقاء سطح علمی عموم جامعه می‏شوند. ما مترجمین این مجموعة سه جلدی نظریه‏های تاثیرگذار در علم ریاضیات، فیزیک و نجوم شک نداریم که ردّ پای این سه کتاب را در ده سال آینده به صورت مستقیم یا غیر مستقیم در کتب درسی کودکان‏مان خواهیم دید.
لازم است قبل از شروع مطالعه این کتاب، موضوع مهمی را به اطلاع خوانندگان محترم و علاقه مند به فیریک مطرح نمائیم. دوستان ما همگی مطلع هستند که با نگاهی به سیر تاریخی اطلاعات بشری، می‌بینیم که در ابتدا همه چیز به خدا نسبت داده می‌شد ولی امروزه سعی می‌شود که پیچیده‌ترین چیزها یعنی حیات و خود انسان نیز با قوانین فیزیک توصیف شوند. نکته مهم اعتراف به توانایی‌ها و ناتوانایی‌های انسان است. توانایی‌هایی که او را قادر می‌سازد آینده پدیده‌ها را به گونه‌ای پیش‌بینی و با آزمایش‌هایی درستی آن را تایید ‌کند. و ناتوانایی‌هایی که با افزایش هرچه بیشتر دانش خود، به عمق و گستردگی آنها واقف شده است. برای درک عظمت جهان آفرینش و گوشه ای از آن یعنی خودمان، بد نیست به نقل قولی از مولانا جلال‌الدین بسنده کنیم که می‌گوید:

پشّه کی داند که این باغ از کی است

 

در بهاران زاد و مرگش در دی است

گر بداند پشّه از ماهیتش
ج

 

عقل باشد پشّه باشد صورتش

لاجرم کوتاه کردم من زبان

 

گر تو خواهی از درون خود بخوان

به هر حال تلاش مدیر انتشارت سبزان برای دردسترس گذاشتن تازه های علم و دانش، ما را تشویق به ترجمة چنین موضوعی کرد. بنابراین بر آن شدیم سه کتاب فوق را به فارسی برگردانده و در این حوزه قدم کوچکی برداریم و اگر خداوند یاری‏مان فرماید در نظر داریم دیگر عناوین این سری را نیز پیرامون علوم دیگر ترجمه و در اختیار مخاطبین عزیز قرار دهیم.
در این برگردان‏ها سعی شده است تا حد ممکن، اصول ترجمه، اهمیت موضوع در سطح جامعه و نظر مخاطبان، امانت‏داری در ترجمه، اصول نگارشی و مبانی زیبایی‏شناسی کتاب در حد بضاعت دست‏اندرکاران رعایت شود.
در انتهای کتاب بخش واژه‏نامه و نمایه آورده شده است که می‏تواند برای مخاطبان مفید واقع شود.
از آن‏جایی که همه دست‏اندرکاران تهیة این آثار علاقه‏مند به ارتقاء کیفیت این آثار هستند، لذا از شما خوانندة محترم خواهشمندیم که نظرات خود را در مورد نقاط قوت و ضعف این کتاب‏ها به دفتر انتشارات یا ایمیل sabzan@gmail.com ارسال فرمائید.

مهدی خاکیان قمی

 


1 اصل ماخ


کودکی که بر چرخ و فلک سوار است و می‌چرخد؛ توسط ستاره‌های دور از مرکز چرخ فلک به بیرون رانده می‌شود. اصل ماخ می‌گوید جرم آن اجرام دوردست بر اینرسی اجسام در این‌جا اثر می‌گذارند. اجسام دور از طریق گرانش بر حرکت اجسام دیگر اثر کرده و از طریق چرخش به اجسام نزدیک اثر می‌گذارند. اما چرا این اتفاق می‌افتد؟ و چگونه می‌توان دریافت که جسمی حرکت می‌کند یا خیر؟

اگر در قطاری که در ایستگاه متوقف است نشسته باشید و از پنجره مشاهده کنید که واگن کناری در حال دور شدن از شماست، به سختی می‌توان گفت که قطار شما در حال ترک ایستگاه است یا قطار دیگر به ایستگاه وارد شده است. آیا راهی وجود دارد که با اطمینان بتوان سنجید کدام قطار در حرکت است؟
ارنست ماخ، فیلسوف و فیزیکدان اتریشی، در قرن نوزدهم با این سؤال دست و پنجه نرم کرد. او پا در جا پای ایزاک نیوتن مشهور گذاشت که بر خلاف ماخ معتقد بود فضا یک برگردان مطلق است. فضای نیوتنی مانند کاغذ شطرنجی، از یک مجموعة درجه‌بندی شده تشکیل شده است و او همة حرکت‌ها را با توجه به خطوط آن صفحه رسم می‌کند. ماخ استدلال کرد که حرکت، زمانی معنا دارد که نسبت به شی دیگری و نه نسبت به خطوط، سنجیده شود. در حرکت بودن چه معنایی دارد اگر اين حركت نسبت به جسم دیگری نباشد؟ در این هنگام، ماخ که تحت تأثیر ایده‌های قبلی گاتفرد لایب‌نیتز، همکار نیوتن، قرار داشت، پیش از نظر آلبرت اینشتین، بر این عقیده بود که تنها حرکت‌های نسبی مفهوم پیدا می‌کنند. ماخ استدلال کرد که چون هر توپ در فرانسه یا در استرالیا به یک گونه مشابه رفتار می‌کند، خطوط فضا بی‌معنی هستند. تنها عاملی که ممکن است بر توپ تأثیر بگذارد، جاذبه است. نقش توپ روی کره ماه متفاوت است چون نیروی گرانشی که جرم توپ را به سوی خود می‌کشد، در آن‌جا نسبت به زمین کمتر است. از آن‌جا که در جهان، هر جسمی اجسام دیگر را به سوی خود می‌کشد، هر جسمی حضور دیگر اجسام را از طریق یک کشش دو طرفه احساس می‌کند. بنابراین حرکت نهایتاً به توزیع ماده یا جرم آن بستگی دارد و نه به فضایی که در آن قرار گرفته است.


فضای مطلق، با توجه به ماهیت خودش بدون ارجاع به هر جسم خارجی، همیشه همگن و ثابت باقی می‌ماند.
ايزاك نيوتن، 1687

جرم
جرم دقیقاً چیست؟ مقدار ماده‌ تشکیل دهندة جسم است. جرم یک قطعه فلز برابر با مجموع جرم همة اتم‌های سازنده‌ آن است. جرم با وزن تفاوت ظریفی دارد. وزن مقدار نیروی جاذبه‌ای است که جسم را به پایین می‌کشد. یک فضانورد روی کره ماه نسبت به زمین وزن کمتری احساس می‌کند چون نیروی گرانشی وارد شده از طرف ماه که جرم کوچکتري دارد، کمتر است. این در حالی است که تعداد اتم‌های تشکیل دهنده بدن این فضانورد ثابت است. اینشتین نشان داد که جرم و انرژی قابل تبدیل به یکدیگرند. طبق نظر او جرم می‌تواند به انرژی خالص تبدیل شود. پس، جرم در نهایت همان انرژی است.

اینرسی
اینرسی از کلمه لاتین لازینس به معنی تنبلی گرفته شده است و بسیار شبیه جرم است با این تفاوت که میزان سختی اجسام در برابر جابه‌جایی بر اثر اعمال نیرو را بیان می‌کند. جسمی با اینرسی زیاد در مقابل تغییر، مقاومت می‌کند. حتی در فضای خارج از زمین نیز جسمی با جرم بالا برای حرکت به نیروی زیادی نیاز دارد. یک شهاب سنگ بزرگ در برخورد با زمین در صورتی می‌تواند آن را منحرف کند که این برخورد بسیار شدید باشد. خواه این برخورد بزرگ توسط یک انفجار هسته‌ای ایجاد شود یا نیروی کوچکتری باشد که طولانی مدت وارد می‌شود. یک سفینه فضایی کوچکتر با اینرسی کمتر از اینرسی شهاب سنگ، به آسانی می‌تواند با موتورهای جت کوچک تغییر مسیر (مانور) دهد.
گالیلئو گالیله، ستاره شناس ایتالیایی، در قرن هفدهم اصل اینرسی را پیشنهاد کرد:
اگر جسمی رها شود و هیچ نیرویی به آن وارد نشود، حالت حرکتش بدون تغییر می‌ماند. اگر در حرکت است به حرکت خود با سرعت ثابت و در همان جهت ادامه می‌دهد و اگر ساکن است در همان حالت ایستا باقی می ماند.
نیوتن با تصحیح این دیدگاه اولین قانون خود در مورد حرکت را بیان نمود.

سطل نیوتن
نیوتن گرانش را نیز به صورت قانون درآورد. او فهمید که اجرام به سوی هم جذب می‌شوند. افتادن سیب از درخت ناشی از جذب شدن آن توسط جرم زمین است. به همین اندازه زمین هم به واسطة جرم سیب جذب می‌شود. ولی ما به سختی می‌توانیم تغییر میکروسکوپی همة زمین را به سمت سیب اندازه بگیریم.
نیوتن ثابت کرد قدرت جاذبه با افزایش فاصله به سرعت کاهش پیدا می‌کند. بنابراین اگر ما از سطح زمین خیلی بالا برویم، نیروی گرانشی زمین نسبت به زمانی که روی سطح بودیم، بسيار ضعیف‌تر می‌شود.

 

ارنست ماخ 1916-1838
ارنست ماخ، فیزیکدان اتريشي، برای کارهایش در زمینه اپتیک، آکوستیک، فیزیولوژی دریافت حسی، فلسفه علم و به طور خاص در تحقیق پیرامون سرعت فرا صوت، مشهور است. ماخ در سال 1877 یک مقاله تأثيرگذار منتشر کرد. در این مقاله بیان می‌شود که چگونه موشکی که سریع‌تر از صوت حرکت می‌کند، موجب ایجاد یک موج ضربه (شبیه به ردّ یک کِشتی) می‌شود. این همان موج ضربه در هواست که باعث ایجاد انفجار صوتی بر اثر حرکت فراصوت هواپیما می‌شود. نسبت سرعت موشک (یا هواپیمای جت) به سرعت صوت، عدد ماخ نامیده می‌شود. مثلاً اگر عدد ماخ 2 باشد، به این معنی است که سرعت موشک دو برابر سرعت صوت است.

 

اما با این وجود ما هنوز کشش باقی‌مانده از طرف زمین را حس می‌کنیم. اگر باز هم دورتر شویم، این نیرو باز هم کم‌تر می‌شود ولی هنوز زمین می‌تواند بر حرکت ما تأثیر بگذارد. در حقیقت همة اجسام در جهان نیروی جاذبه بسیار کوچکی دارند که می‌تواند اثر بسیار خفیفی بر حرکت ما داشته باشند.
نیوتن سعی کرد با فکر کردن به چرخش سطل آب به رابطه بین اجسام و حرکت آن‌ها پی ببرَد. در ابتدا وقتی سطل می‌چرخد آب درون آن ساکن است. سپس آب هم به آهستگی شروع به چرخیدن می‌کند. زمانی که مایع بر اثر چرخش سعی بر گریختن از دیواره‌های سطل دارد، سطح آب فرو می‌رود اما بر اثر نیروی ناشی از دیواره‌ها آب در سطل باقی می‌ماند. نیوتن استدلال می‌کند که چرخش آب تنها در صورتی که در چارچوب مرجع ثابتی از فضای مطلق باشد، قابل درک است. در این جا با نگاه کردن به سطل می‌توانیم بگوییم که سطل در حال چرخش است، چون می‌توانیم نیروهایی را ببینیم که موجب ایجاد تقعر در سطح آب شده‌اند.
قرن‌ها بعد ماخ بار دیگر این بحث را مورد بازبینی قرار داد. اگر سطل پر از آب تنها جسم موجود در جهان باشد، چه می‌شود؟ چه طور می‌توان فهمید که سطل در حال چرخیدن است؟ آیا به همان اندازه نمی‌توان گفت آب نسبت به سطل در حال چرخیدن است؟ تنها راه برای یافتن درک صحیح از این موضوع، این است که جسم دیگری ( مثلاً دیوار یک اتاق یا حتی یک ستاره دور) را درون این جهان سطلی قرار دهیم. در این حالت سطل واضحاً نسبت به آن جسم خواهد چرخید. اما بدون چارچوب فضای ثابت و ستاره‌های ثابت چه کسی می‌تواند بگوید سطل می‌چرخد یا آب درون آن؟ تماشای خورشید و ستارگان در قوس آسمان نیز مشابه همین آزمایش است. ستارگان در حال چرخشند یا زمین؟ چگونه می‌توان فهمید؟
طبق اصل ماخ (لایب‌نيتز)، حرکت زمانی معنا پیدا می‌کند که یک جسم خارجی به عنوان مرجع وجود داشته باشد. پس اینرسی، به عنوان یک مفهوم، در یک جهان تک عضوی بی‌معناست. بنابراین اگر جهان عاری از ستاره باشد، ما هرگز نخواهیم دانست که زمین در حال چرخش است. ستارگان به ما می گویند که ما نسبت به آن‌ها در حال چرخش هستیم.
عقیده به حرکت نسبی در اصل ماخ، در برابر عقیده به حرکت مطلق، تاکنون الهام بخش فیزیکدانان بسیاری، به ویژه اینشتین (که خودش نام اصل ماخ را برگزید)، بوده است. اینشتین بر این عقیده بود که حرکت نسبی است و بر این اساس تئوری نسبیت عام و خاص خود را بنا کرد. او همچنین با استفاده از اصل ماخ به یکی از مسائل برجسته‌ای که در آن زمان وجود داشت، پاسخ داد: چرخش و شتاب باید نیروهای اضافی بسازند، اما آن‌ها کجا هستند؟ اینشتین نشان داد اگر در جهان همه چیز نسبت به زمین بچرخد، ما در واقع نیروی ضعیفی را تجربه خواهیم کرد که موجب خواهد شد سیاره در مسیر خاصی تلوتلو بخورد.
ماهیت فضا میلیون‌ها سال برای دانشمندان یک معما بود. فیزیکدانان ذرات جدید فکر می‌کنند فضا دیگ جوشانی است از ذرات بنیادی که مرتباً خلق و نابود می‌شوند و در نهایت، جرم، اینرسی، نیروها و حرکت همه اجرام در آن می‌توانند صورت‌هایی از سوپ کوانتومی خروشانی باشند.

روند پیشرفت این نظریه

350  سال قبل از میلاد:

ارسطو بیان کرد که اجسام به خاطر اثر نیروها حرکت می‌کنند.

1640 میلادی:

گالیله اصل کشسانی را فرمول‌بندی کرد.

1687 میلادی:

نیوتن بحث سطل خود را منتشر ساخت.

1893 میلادی:

ماخ «علم مکانیک» را منتشر ساخت.

1905میلادی:

اینشتین نظریه نسبیت خاص را منتشر کرد.

چکیده بحث: جرم برای حرکت مهم است.


2  قوانین حرکت نیوتن


ایزاک نیوتن یکی از برجسته‌ترین، استدلال‌گراترین و تأثیرگذارترین دانشمندان در طول تاریخ بوده است. او به اختراع حساب دیفرانسیل و انتگرال، توصیف جاذبه و شناسایی رنگ‌های تشکیل دهنده نور سفید کمک کرد. سه قانون او در مورد حرکت بیان می‌کند که چرا توپ گلف یک مسیر مارپیچ را دنبال می‌کند؟ چرا هنگام پیچیدن ماشین، ما به طرف مخالف جهت پیچ فشرده می‌شویم؟ و چرا هنگامی که با چوب بیسبال به توپ ضربه می‌زنیم، احساس می‌کنیم به ما هم نیرو وارد می‌شود؟

اگرچه موتورسیکلت‌ها در زمان نیوتن اختراع نشده بودند، سه قانون او در مورد حرکت توضیح می‌دهند که چگونه یک موتورسوار با حرکات نمایشی می‌تواند از دیوار عمودی مرگ بالا برود و دوچرخه سواران المپیک چگونه می‌توانند بر روی مسیرهای شیبدار مسابقه دهند.
نیوتن، که در قرن هفدهم زندگی می‌کرد، یکی از پیشروترین دانشمندان باخرد محسوب می‌شود. او شخصیت بسیار کنجکاو خود را برای فهم بعضی از جنبه‌های عمیق ولي به ظاهر ساده دنیای ما به کار گرفت. مثلاً این‌که توپ پرتاب شده چگونه در هوا می‌چرخد؟ چرا اجسام از بالا سقوط می‌کنند؟ و سیاره‌ها چگونه به دور خورشید می‌چرخند؟
نیوتن، دانشجوی متوسط دانشگاه کمبریج در دهه 1660، با مطالعه کارهای بزرگ ریاضی مطالعات خود را شروع کرد. از میان این مباحث، از قانون مدنی به قوانین فیزیک کشیده شد. پس از آن، زمانی که به خاطر شیوع بیماری طاعون دانشگاه تعطیل شد، اولین گام‌ها برای گسترش سه قانون خود درباره حرکت را برداشت.

نیروها
نیوتن اولین قانون خود را با اقتباس از قانون اینرسی گالیله فرمول‌بندی کرد. قانون اول می‌گوید اجسام حرکت نمی‌کنند یا سرعت آن‌ها تغییر نمی‌کند مگر این‌که نیرویی به آن‌ها وارد شود. اجسام ساکن به سکون خود ادامه می‌دهند مگر این‌که نیرویی به آن‌ها وارد شود؛ اجسامی که در حال حرکت با سرعت ثابت هستند، حرکت خود را با همان سرعت ادامه می‌دهند، مگر این‌که نیرویی به آن‌ها وارد شود. نیرو

 

قوانین حرکت نیوتن
قانون اول؛ اجسام در یک مسیر مستقیم با سرعت یکنواخت حرکت می‌کنند یا ساکن می‌مانند مگر این‌که نیرویی به آن‌ها وارد شود و سرعت یا جهت حرکت آن‌ها را تغییر دهد.
قانون دوم؛ نیروها شتاب‌هایی ایجاد می‌کنند که با جرم جسم متناسب است (F=ma) .
قانون سوم؛ هر عملی، عکس‌العملی برابر با آن و در جهت مخالف ایجاد می‌کند.

 

(هل دادن یا فشار دادن به جلو) شتابی ایجاد می‌کند که سرعت جسم را تغییر می‌دهد و شتاب، تغییرات سرعت در واحد زمان است.
فهم مطلب با تجربه شخصی سخت است. مثلاً اگر توپ هاکی را پرتاب کنیم، روی یخ سر می‌خورد اما به خاطر تماس با یخ حرکتش کند می‌شود. اصطکاک نیرویی ایجاد می‌کند که سرعت توپ را کم می‌کند. البته قانون اول نیوتن در حالت خاصی که اصطکاک وجود ندارد برقرار است. نزدیک‌ترین چیزی که باید به آن فکر کنیم، در فضاست. البته حتی در این‌جا نیروهایی مثل گرانش در کارند. با این وجود، اولین قانون نیوتن یک معیار پایه‌ای برای فهم نیروها و حرکت است.

شتاب
دومین قانون نیوتن در مورد حرکت، اندازه شتاب را به نیرویی که این شتاب را ایجاد کرده است، ارتباط می‌دهد. این نیرو متناسب با جرم جسم است. نیروی لازم برای شتاب دادن به اجسام سنگین -یا اجسامی با اینرسی بیشتر- نسبت به اجسام سبک بیشتر است. برای رساندن سرعت یک ماشین متوقف به سرعت km/h 100 در یک دقیقه، باید نیرویی برابر با جرم ماشین در افزایش سرعت در واحد زمان آن جسم ضرب شود.
دومین قانون نیوتن به صورت ریاضی F=ma را توضیح می‌دهد، نیرو (F) برابر است با جرم (m) ضربدر شتاب (a) . همین قانون را می‌توان به این صورت که شتاب برابر است با نیروی واحد جرم نیز تعریف کرد. برای یک شتاب ثابت نیرو بر واحد جرم نیز ثابت است. بنابراین برای جابه‌جایی یک جرم یک کیلوگرمی از یک جسم بزرگ یا کوچک مقدار یکسانی نیرو لازم است. این موضوع آزمایش خیالی گالیله را توضیح می‌دهد که پرسید کدام جرم زودتر به زمین می‌رسد: یک گلولة توپ یا یک پَر؟ قابل تصور است که ما فکر کنیم گلولة توپ زودتر از یک پر شناور به زمین می‌رسد. اما این نتیجه به خاطر وجود اصطکاک هواست که پر را شناور می‌کند. اگر هیچ هوایی وجود نداشته باشد، هر دو با سرعت‌های یکسانی سقوط می‌کنند و به زمین می‌رسند. هر دو جسم شتاب برابری (شتاب گرانش) احساس می‌کنند، پس در کنار هم و با یک سرعت سقوط می‌کنند. فضانورد آپولو 15، در سال 1971 نشان داد روی کره ماه که هیچ جَوی وجود ندارد تا حرکت پر را کُند کند، پر با سرعتی برابر با سرعت چکش سنگین زمین‌شناسی سقوط می‌کند.

 

ایزاک نیوتن 1727-1643
ایزاک نیوتن اولین دانشمندی بود که مفتخر به دریافت نشان سلحشوری در انگلستان شد. علیرغم این‌که در مدرسه، دانش‌آموزی تنبل و بی‌توجه بود، و در دانشگاه کمبریج نیز یک دانش‌جوی عادی بود، در تابستان 1665 زمانی که دانشگاه به خاطر شیوع بیماری طاعون تعطیل شده بود، به طور ناگهانی پیشرفت کرد. در آن روزها نیوتن به خانه خود در لینکونشیر بازگشت و وقتش را به مطالعه ریاضیات، فیزیک، نجوم و همین‌طور پایه‌ریزی علم حساب دیفرانسیل و انتگرال اختصاص داد. در آن هنگام او اولین نسخه سه قانون خود درباره حرکت را نوشت و قانون عکس مجذوری گرانش را استنتاج کرد. پس از ظهور چنین افکار قابل توجهی، نیوتن به عنوان مدیر ریاضیات در سال 1669 در 27 سالگی انتخاب شد. نیوتن توجه خود را به اپتیک معطوف کرد و با کمک یک منشور کشف کرد که نور سفید از رنگ‌های رنگین‌کمان تشکیل شده است. بر سر این موضوع بحث معروفی با رابرت هوک و کریستیان هویگنس صورت گرفت. نیوتن دو شاهکار از خود به جا گذاشته است. فلسفه طبیعی اصول ریاضی، یا «اصول» و «اپتیک». او در پایان کارش یک فعال سیاسی شد. زمانی که کینگ جیمز دوم سعی کرد تا در انتخابات دخالت کند، او از آزادی دانشگاهی دفاع کرد و در سال 1689 وارد مجلس شد. نیوتن شخصیت دوگانه‌ای داشت، از یک سو دوست داشت مورد توجه قرار گیرد و از سوی دیگر کناره‌گیری می‌کرد و سعی داشت از انتقاد پرهیز کند. نیوتن از موقعیت قدرتمندش برای مبارزه تلخی در مقابل مخالفان علمی خود استفاده کرد و تا زمان مرگش شخصیتی ستیزه‌گر باقی ماند.

 

برابری عمل و عکس‌العمل

قانون سوم نیوتن بیان می‌کند هرگاه نیرویی به جسمی وارد شود، نیروی عکس‌العملی برابر و در جهت مخالف، در آن جسم ایجاد می‌کند. به بیان دیگر برای هر عملی عکس‌العملی وجود دارد. نیروی مخالف به صورت بازگرداننده احساس می‌شود. اگر یک اسکیت سوار شخصی را هل دهد، خودش به سمت عقب، مخالف جهتی که هم‌تیمی‌اش را هل داده بود، فرستاده می‌شود. یک تیرانداز ماهر پس‌زنی تفنگش را در جهت مخالف پرتاب بر شانه‌هایش احساس می‌کند. اندازه نیروی بازگرداننده برابر است با آن‌چه به عنوان پرتاب گلوله بیان می‌شود. در فیلم‌های جنایی، قربانی تیراندازی اغلب بر اثر نیروی تفنگ به عقب رانده می‌شود. این غلط انداز است. اگر نیرو به اندازه کافی زیاد باشد، تیرانداز هم باید بر اثر نیروی بازگرداننده تفنگش به عقب پرتاب شود. حتی اگر ما از زمین به بالا پرتاب شویم، نیروی کوچکی رو به پائین به زمین اعمال می‌کنیم، اما چون جرم زمین نسبت به جرم ما خیلی بیشتر است، این مسئله به سختی دیده می‌شود.

با این سه قانون و قانون گرانش، نیوتن توانست حرکت همة اجسام را به طور عملی توصیف کند. از افتادن بذرها تا پرتاب گلوله‌های توپ. او با به کارگیری این سه معادله توانست با اطمینان بر یک موتورسیکلت تندرو بنشیند و با سرعت بسیار بالا از دیوار مرگ بالا رود. او این مسئله را در زندگی خود تجربه کرد. شما چه‌قدر به قوانین نیوتن اطمینان دارید؟ قانون اول می‌گوید دوچرخه و دوچرخه سوار با یک سرعت ثابت و در یک جهت به حرکتشان ادامه می‌دهند. اما طبق قانون دوم، برای این‌که حرکت دوچرخه در یک مسیر دایره‌ای دنبال شود، باید نیروی مشخصی به طور مداوم جهت حرکت را تغییر دهد. این نیرو توسط عکس‌العمل سطح به چرخ‌ها، بر دوچرخه‌سوار اعمال می‌شود. نیروی لازم برابر است با مجموع جرم دوچرخه و دوچرخه سوار ضربدر شتاب آن‌ها. قانون سوم فشار وارد بر مسیر از طرف دوچرخه را بیان می‌کند که به عنوان نیروی عکس‌العمل وارد می‌شود. این همان فشاری است که موتورسوار تردست را به دیوار شیبدار می‌چسباند و اگر به اندازه کافی سریع براند، می‌تواند بر دیواری عمودی هم حرکت کند.
حتی امروز هم قوانین نیوتن برای توصیف نیروهای لازم در راندن سریع اتومبیل بر روی پیچ به کار می‌روند. قوانین نیوتن تنها در جایی که اجسام با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کنند یا برای اجسامی با جرم بسیار کم برقرار نیست. در این دو حد نسبیت اینشتین و علم مکانیک کوانتومی به کار می‌روند.

روند پیشرفت این نظریه

350  سال قبل از میلاد:

ارسطو پیشنهاد کرد که حرکت در فیزیک منجر به تغییرات مداوم می‌شود.

1640میلادی:

گالیله اصل کشسانی را فرمول‌بندی کرد.

1687میلادی:

نیوتن کتاب «اصول» خود را منتشر کرد.

1905 میلادی:

اینشتین تئوری نسبیت خاص را منتشر کرد.

چکیده بحث: تسخیر حرکت


3  قوانین کپلر


یوهان کپلر در هر چیزی به دنبال یافتن الگوهایی بود. مانند جدول‌های نجومی که حرکت‌های حلقوی سیاره مریخ را در آسمان پیش‌بینی می‌کند. او سه قانون کشف کرد که مدار حرکت سیاره‌ها را کنترل می‌کنند. کپلر توضیح می‌دهد که سیاره‌ها چگونه مدارهای بیضوی را طی می‌کنند و چگونه سیاره‌های دورتر، آهسته‌تر می‌چرخند؟ قوانین کپلر منجر به شکل‌گیری قانون گرانش نیوتن شد.

در چرخش سیاره‌ها به دور خورشید، سیاره‌های نزدیک‌تر سریعتر از سیاره‌های دورتر به دور آن می‌چرخند. سیاره عطارد در 80 روز زمینی به دور خورشید می‌گردد. اگر سیاره مشتری با سرعت مشابهی به دور خورشید بچرخد، حدود 5/3 سال زمینی طول می‌کشد تا مدار گردشش کامل شود و این در حالیست که در واقعیت این زمان حدود 12 سال است. هنگامی که سیاره‌ها در مسیرهای خود از مقابل ناظر زمینی عبور می‌کنند، (زمانی‌که از روی زمین به آن‌ها نگاه می‌کنیم) به نظر می‌رسد مسیر آن‌ها یک حرکت رفت و برگشتی دارد چون زمین از مقابل آن‌ها حرکت می‌کند. در زمان کپلر این حرکت‌های بازگشتی (رجعی ) معمای بزرگی بود. پاسخ به این معما به کپلر بینشی داد که توانست سه قانون خود را در مورد حرکت سیاره‌ای شکل دهد.

وقتي فهميدم كه آن نخودفرنگي كوچك قشنگ و آبي زمين است، خيلي غافلگير شدم. يكي از چشمانم را بستم و انگشت شست دستم را بالا آوردم و جلوي چشم ديگرم قرار دادم. سياره زمين از پشت آن ديده نمي‌شد. آن لحظه احساس كردم خيلي كوچك و خرد هستم.
نل آرمسترانگ، متولد 1930

الگوی چند ضلعی‌ها
یوهان کپلر، ریاضیدان آلمانی، به دنبال یافتن الگوهایی در طبیعت بود. او در اواخر قرن شانزدهم و اوایل قرن هفدهم می‌زیست. در این زمان ستاره شناسی بسیار جدی گرفته می‌شد و علم نجوم به عنوان یک علم فیزیکی هنوز در ابتدای رشد خود بود. عقاید مذهبی و معنوی در آشکار کردن قوانین طبیعی که مشاهده می‌شد، بسیار مهم بود. کپلر، عارفی که معتقد بود ساختار اساسی جهان از هندسه‌ای کامل شکل گرفته است، زندگی‌اش را وقف تلاش برای فهم حقیقت الگوی چند ضلعی‌های پنهان در طبیعت کرد.

 

يوهان كپلر 1630-1571
يوهان كپلر از كودكي به علم نجوم علاقه‌مند بود. او در خاطرات كودكي‌اش درباره ستاره دنباله‌دار و وقوع ماه‌گرفتگي پیش از ده سالگي‌اش مطالبي نوشته است. در زمان تدريس در گراتس، كپلر تئوري كيهان‌شناسي را كه در «معماهاي كيهان‌شناختي» (راز و رمز مقدس نظام هستي) منتشر شد، گسترش داد. او بعدها دستيار تيكو براهه شد و به او در رصدخانه‌اش در خارج پراگ كمك كرد. و در سال 1601 با عنوان رياضي‌دان اعظم جانشين او شد. كپلر در آن‌جا جدولي را براي تنظيم ساعات روز براي فرمانروا آماده كرد و جداول نجومي تيكو را مورد تحليل و بررسي قرار داد و نظريه‌هايش در مورد حركت سيارات در مدارهاي غير دايروي و قوانين اول و دوم حركت سيارات را در کتابی به نام «نجوم جدید» منتشر ساخت. در سال 1620 مادر كپلر كه يك درمانگر با استفاده از داروهاي گياهي بود، به عنوان جادوگر به زندان افتاد و تنها از طريق قدرت قانوني كپلر آزاد شد. ضمناً او براي ادامه كارش و سومين قانون حركت سيارات كه در کتابی به نام «هماهنگي جهان» منتشر شد، بیش از نه سال کار کرد.

 

کار کپلر یک قرن پس از پیشنهاد نیکلاس کوپرنیک، ستاره شناس لهستانی، مبنی بر این‌که خورشید در مرکز جهان قرار گرفته و زمین به دور آن می‌گردد، انجام شد. پیش از آن، بطلمیوس، فیلسوف یونانی، بر این باور بود که خورشید و دیگر ستارگان در مسیرهایی کاملاً دایروی به دور زمین می‌چرخند. کوپرنیک در زمان حیاتش، از ترس برخورد با اصول حاکم بر کلیسا در آن زمان، جرأت انتشار عقاید انقلابی‌اش را پیدا نکرد. او انجام این کار را به همکارش سپرد و درست پیش از مرگش اولین کتاب او چاپ شد. با این وجود کوپرنیک با پیشنهاد این‌که زمین مرکز عالم نیست، انقلابی به وجود آورد. این نظریه دلالت بر این نکته داشت که انسان مهم‌ترین موجود در عالم نیست، آن چه که مورد علاقه کسانی بود که انسان را مرکز عالم می‌دانستند.
کپلر ایده خورشیدمرکزی کوپرنیک را پذیرفت، ولی با این وجود هنوز معتقد بود سیاره‌ها خورشید را در مدارهای دایروی دور می‌زنند. او سیستمی را پیش‌بینی کرد که در آن مدار سیاره‌ها به صورت مجموعه‌ای از دوایر تودرتو هستند و نسبت‌های ریاضی بین اشکال سه بعدی آن‌ها برقرار است. او مجموعه‌ای از چند ضلعی‌ها در نظر گرفت که در هر مرحله اضلاعشان به طوری افزایش پیدا می‌کرد که در یک کره محاط شوند. این عقیده که قوانین طبیعت از نسبت‌های هندسی پیروی می‌کنند، توسط یونانیان باستان پایه ریزی شده بود.

ما گونه‌اي از جانداران بر سياره كوچك يك ستاره كاملاً متوسط هستيم، كه مي‌توانيم جهان هستي را درك كنيم و اين موضوع ما را از ساير موجودات متمايز ساخته است.

کلمه سیاره از لغتی یونانی به معنی سیار و سرگردان گرفته شده است. چون سیاره‌های دیگر منظومه شمسی غیر از زمین نسبت به دیگر ستارگان، در آسمان سرگردان به نظر می‌رسند. آن‌ها هر شب مسیری را از بین ستارگان ثابت انتخاب می‌کنند. در هر لحظه مسیر آن‌ها تغییر می‌کند و گاهی یک حلقه رو به عقب می‌سازند. تصور می‌شد که این حرکت‌های برگردان نشانه بدی است. در مدل بطلمیوسی حرکت سیاره‌ای، این رفتار غیر قابل فهم است. ستاره‌شناسان مسیرهای دایروی یا حلقه‌هایی برای مدار یک سیاره که این حرکت را تکرار می‌کنند، اضافه کردند. ولی این مسیرهای دایروی خیلی خوب کار نکردند. جهان خورشیدمرکز کوپرنیک نسبت به مدل زمین‌مرکز قبلی به تعداد کم‌تری مدار نیاز داشت. البته هنوز هم نمی‌توانست جزئیات خیلی ریز را توضیح دهد.
کپلر در تلاش برای محاسبه کردن مدار سیارات، از دقیق‌ترین اطلاعات موجود یعنی جداول پیچیدة حرکت سیاره‌ها در آسمان که با زحمت‌های تیکو براهه به دست آمده بود، استفاده کرد تا بتواند نظریات هندسی خود را تأیید کند. در این اعداد، کپلر الگوهایی را مشاهده کرد که مبنای پیشنهاد سه قانون او شد.
کپلر موفقیت خود را مدیون درک حرکت‌های تکرار شونده مریخ است. او تشخیص داد که حلقه‌های رو به عقب به شرطي مناسب خواهند بود ‌که مدار سیاره‌ها به دور خورشید بیضوی باشد و نه دایروی. از قضا این مطلب به این معناست که طبیعت ظاهر ثابت و مشخصی را دنبال نمی‌کند. کپلر باید از این موفقیتش در یافتن مدارها بسیار خوشحال می‌شد اما این کشف او را شوکه هم کرد چرا که اثبات شد که تمام فلسفه او مبنی بر هندسه خالص اشتباه بوده است.

 

قوانین کپلر
قانون اول: مسیر حرکت سیاره‌ها، بیضی‌هایی است که خورشید در یکی از کانون‌های آن‌ها قرار دارد.
قانون دوم: سیاره‌ها در چرخش به دور خورشید، مساحت‌های مساوی را در زمان‌های برابر جاروب می‌کنند.
قانون سوم: دوره‌های تناوب مداری با توجه به اندازه بیضی مقیاس‌بندی می‌شوند، به طوری که مجذور دوره تناوب با مکعب نصف قطر بزرگ بیضی متناسب است.

 

مدارها
کپلر در قانون اولش می‌گوید سیاره‌ها در مدارهایی بیضوی به دور خورشید در حرکتند و خورشید در یکی از کانون‌های بیضی قرار دارد.
قانون دوم کپلر توضیح می‌دهد که یک سیاره چگونه در مدارش به سرعت حرکت می‌کند. زمانی که سیاره در مسیر خودش حرکت می‌کند، مساحت‌های مساوی را در زمان‌های مساوی جاروب می‌کند. مساحت قسمت جاروب شده با تعیین زاویه بین خورشید و موقعیت سیاره در دو لحظه مورد نظر، اندازه‌گیری می‌شود. چون مدارها بیضوی هستند، وقتی سیاره به خورشید نزدیک می‌شود، باید مسافت بیشتری را نسبت به زمانی که از خورشید دور است بپیماید تا مساحت‌های برابر را جاروب کرده باشد. پس زمانی که سیاره از نزدیکی خورشید می‌گذرد، سریعتر حرکت می‌کند. قانون دوم کپلر رابطه سرعت سیاره را نسبت به فاصلة آن از خورشید بیان می‌کند. اگرچه کپلر این موضوع را در آن زمان نفهمید، ولی در حقیقت این رفتار به خاطر گرانش است که سیاره زمانی که به جرم خورشید نزدیک‌تر است، شتاب بیش‌تری می‌گیرد.
1

قانون سوم کپلر یک گام فراتر می‌رود و بیان می‌کند چگونه دوره‌های مداری برای بیضی‌هایی در اندازه‌های مختلف در یک فاصله از خورشید مقیاس‌بندی شده‌اند. این قانون بیان می‌کند مجذور دوره مداری با مکعب نیم‌محور بزرگ مدار بیضی متناسب است. یک مسیر بیضوی بزرگ‌تر، دوره تناوب (مدت زمانی که طول می‌کشد تا یک بیضی را به طور کامل دور بزند) طولانی‌تری دارد. سیاره‌ای که در فاصله‌ای دو برابر دورتر از فاصلة زمین از خورشید قرار گرفته است، در زمانی برابر رادیکال هشت (ریشة هشت یا 82/2) برابر بیشتر از دوره زمین به دور خورشید یک دور کامل می‌زند. بنابراین سیاره‌هایی که از خورشید دورترند، نسبت به سیاره‌های نزدیک‌تر، در مدار خود آهسته‌تر حرکت می‌کنند. نزدیک به دو سال زمینی طول می‌کشد تا سياره مريخ یک دور کامل به دور خورشید بچرخد، اين زمان براي زحل 29 سال زمینی و براي نپتون 165 سال است.

من آسمان‌ها را اندازه گرفتم و دریافتم که: آسمان، ذهن را حقیر می‌کند همانگونه که زمین، اجسام را
کپلر

کپلر سعی کرد توصیف مدار حرکت همة سیاره‌های منظومه شمسی را، در این سه قانون، جای دهد. قوانین او به طور مساوی برای هر جسمی که در مداری به دور جسمی دیگر می‌چرخد، برقرار است. از ستاره‌های دنباله‌دار، شهاب‌های آسمانی و قمرها در منظومه شمسی گرفته تا سیاره‌هایی که به دور دیگر ستاره‌ها می‌چرخند و حتی ماهواره‌های مصنوعی که در حال چرخش به دور زمین هستند. کپلر در یکپارچه کردن اصولش در قوانین هندسی موفق شد اما نمی‌دانست چرا این قوانین برقرارند. او معتقد بود این قوانین از الگوهای هندسی اساسی طبیعت به وجود آمده است. این موضوع نیوتن را بر آن داشت تا این قوانین را در نظریه جهانی گرانش به صورت یکپارچه درآورد.

روند پیشرفت این نظریه

580  سال قبل از میلاد:

فیثاغورس بیان کرد که مدار حرکت سیاره‌ها بر کره‌های ثابت و مشخص کاملی قرار دارد.

150سال قبل از میلاد:

بطلیموس حرکت بازگشتی را ثبت کرد و مطرح کرد که سیاره‌ها همچنانکه به دور خودشان می‌چرخند، بر مسیرهای دایروی حرکت می‌کنند.

1543 میلادی:

کوپرنیک پیشنهاد کرد که سیاره‌ها به دور خورشید می‌چرخند.

1576میلادی:

تیکو براهه نقشه موقعیت سیاره‌ها را رسم کرد.

1609میلادی:

کپلر کشف کرد که سیاره‌ها در مدارهای بیضوی حرکت می‌کنند.

1687میلادی:

نیوتن قوانین کپلر را با استفاده از قانون گرانش خودش توضیح داد.

چکیده بحث: قانون جهان‌‌ها


4  قانون گرانش نیوتن


ایزاک نیوتن با برقراری ارتباط بین حرکت گلوله‌های توپ و سقوط سیب از درخت با حرکت سیاره‌ها، جهش بسیار بزرگی در علم ایجاد کرد و به این وسیله بین آسمان و زمین ارتباطی ایجاد نمود. قانون گرانش او به عنوان یکی از قوی‌ترین ایده‌های فیزیک باقی می‌مانَد و بسیاری از رفتارهای فیزیکی جهان ما را توصیف می‌کند. نیوتن استدلال کرد که همة اجسام از طریق نیروی گرانش یکدیگر را جذب می‌کنند و اندازه این نیرو متناسب با مجذور فاصله افت می‌کند.

ایده گرانش از سوی ایزاک نیوتن ظاهراً زمانی مطرح شده است که او سقوط سیب از درختی را دید. ما نمی‌دانیم که این مطلب حقیقت دارد یا خیر! اما نیوتن تصوراتش را از حرکت‌های زمینی به سوی حرکت‌های آسمانی گسترش داد تا توانست قانون گرانش خود را استنباط و استخراج کند.
نیوتن پی برد که اجسام با نیرویی شتاب‌دار به سمت سطح زمین جذب می‌شوند. چرا سیب‌ها از درخت سقوط می‌کنند، چرا سمت بالا نمی‌روند؟ چرا به ماه نمی‌رسند؟ و يا اين كه چرا ماه مثل یک سیب روی زمین سقوط نمی‌کند؟


جاذبه عادتی است که رهایی از آن سخت است.
تری پراچت، 1992

همه چیز به پایین سقوط می‌کند.
پاسخ نیوتن همان قانون حرکت او بود که بین نیرو، جرم و شتاب ارتباط برقرار کرد. توپی که در فاصلة خاصی از زمین حرکت می‌کند، پیش از سقوط بر سطح زمین، منفجر می‌شود. اگر توپ سریع‌تر آتش می‌گرفت، چه می‌شد؟ سریع‌تر حرکت می‌کرد. اگر توپ آن قدر سریع آتش می‌گرفت که می‌توانست در خط مستقیمی قرار بگیرد که زمین تحت آن می‌چرخد، در این صورت توپ در کجا سقوط می‌کرد؟ نیوتن دانست که توپ به سمت زمین کشیده می‌شود ولی حرکت روی یک مسیر دایره‌ای را دنبال می‌کند. درست مثل ماهواره‌ای که به صورت پایدار و مداوم به طرف زمین کشیده می‌شود ولی هرگز به سطح زمین نمی‌رسد.
1

وقتی پرتاب کننده دیسک در مسابقه المپیک روی پاشنه پاهایش می‌چرخد، بدنش نقش طنابی را ایفا می‌کند که دیسک حول آن نگه داشته می‌شود و می‌چرخد. بدون این عامل نگهدارنده، دیسک در یک خط مستقیم، در همان جهتی که از دست فرد رها می‌شود، پرتاب خواهد شد. این درست شبیه به گلولة توپ نیوتن است و بدون نیروی جهت‌دار مرکزی که موشک را به زمین می‌رساند، در فضا رها و آزاد پرواز خواهد كرد. با تفکر بیشتر، نیوتن استدلال کرد که ماه هم در آسمان آویزان است چون به واسطة گره نامرئی گرانش نگه داشته می‌شود. بدون گرانش گلوله تا ابد در فضا پرواز خواهد كرد.

قانون عکس مجذوری
پس از آن، نیوتن سعی کرد پیش‌گویی‌های خودش را به صورت کمّی بیان کند. او از طریق نامه با رابرت هوک مراوده کرد و پس از آن نشان داد گرانش از قانون عکس مجذوری پیروی می‌کند. اندازه نیروی گرانش با مجذور فاصله از جسم کاهش پیدا می‌کند. بنابراین اگر فاصله از جسم دو برابر شود، نیروی گرانشی وارد بر آن چهار برابر کوچکتر خواهد شد. برای سیاره‌ای که دو برابر دورتر از زمین نسبت به خورشید قرار گرفته، گرانش خورشید چهار برابر کمتر است و به همين ترتیب، سیاره‌ای که سه برابر دورتر قرار گرفته، گرانش خورشید را نه برابر کمتر احساس می‌کند.

هر جسمی در جهان، اجسام دیگر را در امتداد خطی که از مرکز جرم  آن‌ها می‌گذرد جذب می‌کند، و این نیرو با حاصلضرب جرم هر دو جسم متناسب است و با مجذور فاصلة آن‌ها از یکدیگر نسبت عکس دارد.
ایزاک نیوتن، 1687

قانون عکس مجذوری گرانش نیوتن، در یک معادله، مسیر حرکت همة سیاره‌ها را آن‌طور که در سه قانون یوهان کپلر بیان شده، توصیف می‌کند. قانون نیوتن پیشگویی می‌کند که سیاره‌های نزدیک به خورشید، سریع‌تر از دیگر سیاره‌ها در مسیرهای بیضوی به دور خورشید حرکت می‌کنند. هنگامی که سیاره در مسیری نزدیک‌تر به خورشید، حرکت می‌کند، گرانش بیشتری از خورشید احساس می‌کند و در نتیجه با سرعت بیشتری به دور آن می‌گردد. با زیاد شدن سرعت سیاره، از طرف خورشید به بیرون رانده می‌شود و به تدریج به سرعت قبلی خود باز می‌گردد. به این ترتیب نیوتن همة کارهای قبلی را در یک تئوری قوی در کنار هم جمع کرد.

قانون جهانی
در یک تعمیم شجاعانه، نیوتن نظریه گرانش را عمومیت داد و آن را در مورد هر چیزی در جهان به کار برد. هر جسمی متناسب با جرمش نیروی گرانشی بر اجسام دیگر اعمال می‌کند و مقدار آن متناسب با مجذور فاصله از آن‌ها کاهش می‌یابد. بنابراین هر دو جسم یکدیگر را جذب می‌کنند. اما چون گرانش، یک نیروی ضعیف است، در حقیقت ما آن را فقط برای جسم‌های خیلی سنگین، مثل خورشید، زمین و دیگر سیاره‌ها، مشاهده می‌کنیم.

شتاب گرانش (g ) بر روی سطح زمین تقریباً 8/9 متر بر مجذور ثانیه است.

اگر دقیق‌تر نگاه کنیم، ممکن است بتوان تغییرات بسیار کوچکی از اثر گرانش در یک محل نسبت به محل ديگر بر روی سطح زمین دید. چون کوه‌ها و صخره‌های سنگین با چگالی‌های متفاوت می‌توانند قدرت گرانش را در نزدیکی خود کاهش یا افزایش دهند. امروزه امکان استفاده از گرانش‌سنج برای کشیدن نقشه جغرافیایی نواحی مختلف و آگاهی از ساختار پوسته زمین وجود دارد.
همچنین گاهی باستان‌شناسان تغییرات گرانشی بسیار کوچک را برای مشخص کردن زیستگاه‌های مدفون شده به کار می‌گیرند. اخیراً دانشمندان ماهواره‌های فضایی اندازه‌گیری گرانش را برای ثبت (کاهش) مقدار پوشش یخی دو قطب زمین و همچنین برای تعیین تغییرات در پوسته زمین که به دنبال زمین‌لرزه‌های بزرگ ایجاد شده است، به کار گرفته‌اند.

 

کشف نپتون
کشف سیاره نپتون ممنون قانون گرانش نیوتن است. در اوایل قرن نوزدهم، ستاره‌شناسان متوجه شدند اورانوس مسیر ساده‌ای را دنبال نمی‌کند بلکه جسم دیگری آن را مختل می‌کند. پیش‌گویی‌های متفاوتی بر مبنای قانون نیوتن انجام گرفت و در سال 1846 سیاره جدیدی که بعدها نپتون نام گرفت، در نزدیکی محلی که پیش‌بینی می‌کردند یافت شد. ستاره‌شناسان انگلیسی و فرانسوی در مورد کاشف آن اختلاف نظر داشتند که در نتیجه به دو نفر، جان آدامز و اوربین ال ورییِر، منسوب شد. نپتون 17 برابر زمین جرم دارد و یک سیاره گازی بزرگ با جوی بسیار چگال از هیدروژن، هلیوم، آمونیوم و متان است. رنگ آبی نپتون به خاطر وجود متان است. بادهای نپتونی شدیدترین بادهای منظومه شمسی هستند که سرعتشان به 2500 کیلومتر بر ساعت می‌رسد.

 

جزر و مد
نیوتن شکل‌گیری جزر و مد اقیانوس بر روی زمین را در کتاب اصول خود شرح می‌دهد. جزر و مد به این علت ایجاد می‌شود که ماه آب اقیانوس را درقسمت‌های دور و نزدیک کره زمین به اندازه‌های متفاوتی در مقايسه با سطح خود زمين بالا می‌کشد. گرانش متفاوتي كه دو طرف مقابل زمين را به طرف خود مي‌كشد، موجب مي‌شود سطح آب بر اثر ماه در دو طرف برآمده شود و اين امر منجر به شكل‌گيري جزر و مد شود كه هر 12 ساعت بالا آيد و فرو ريزد. اگرچه خورشيد بزرگتر نسبت به ماه نيروي گرانش قوي‌تري را به زمين اعمال مي‌كند، ولي ماه چون به زمين نزديكتر است، اثرات جزرومدي قوي‌تري دارد. قانون عكس مجذوري به اين معناست كه تغييرات گرانشي (اختلافي كه توسط كناره‌هاي نزديك و دور زمين احساس مي‌شود) براي ماه كه نزديكتر است، خيلي بيشتر است تا خورشيد كه در فاصله دوري است. در هنگام ماه نو يا ماه كامل، زمين، خورشيد و ماه در يك امتدادند و در اين زمان‌ها جزر و مد بزرگ‌تر رخ مي‌دهد كه جزر و مد «مه کشند» ناميده مي‌شود. وقتي اين اجرام از امتداد هم خارج مي‌شوند و در زاويه 90 درجه نسبت به يكديگر قرار مي‌گيرند ضعيف‌ترين جزر و مد روي مي‌دهد كه به آن «كهكشند» گفته مي‌شود.



به قرن هفدهم برگردیم، نیوتن همة افکار و ایده‌هایش در مورد گرانش را در کتاب «اصول ریاضی فلسفه طبیعی»، که با عنوان «اصول» شناخته شد، جمع و در سال 1687 کتابش را منتشر نمود. کتاب اصول همچنان به عنوان نقطة عطفی در حیات علم، مورد احترام است. قانون جهانی گرانش نیوتن نه فقط حرکت سیاره‌ها و ماه، بلکه حرکت موشک، آونگ و سیب را هم توضیح می‌دهد. او مسیر حرکت ستاره‌های دنباله‌دار، ایجاد جزر و مد و تغییر محور زمین را توضیح می‌دهد. این کار همواره نیوتن را به عنوان یکی از بزرگترین دانشمندان در طول تاریخ مطرح کرده است.