درباره ی دانشمند نیوتن؟

سِر ایزاک نیوتن را می‌توان تأثیرگذارترین دانشمند در شکل‌دهی علوم مدرن و فیزیک کلاسیک نامید. او نظریه‌پردازی بود که حوزه‌های مهمی از علوم پایه را دستخوش تغییر کرد.

سِر ایزاک نیوتن (Sir Isaac Newton) ریاضی‌دان، فیزیک‌دان، ستاره‌شناس، نظریه‌پرداز و مؤلف انگلیسی بود که یکی از دانشمندان تأثیرگذار کل تاریخ شناخته می‌شود. او یکی از پیش‌گامان انقلاب علمی تاریخ بود که در قرن هفدهم، نظریه‌های مهمی در علوم پایه مطرح کرد و موجب تغییرات شگرف در مطالعات و تحقیقات علوم شد. کتاب مهم او به‌نام پایه‌های ریاضیاتی فلسفه‌ی طبیعی (Mathematical Principles of Natural Philosophy) یکی از آثار مکتوب علمی مشهور تاریخ است که پایه‌های مکانیک کلاسیک را شکل داد. به‌علاوه، او تأثیرات مهمی نیز بر علوم اپتیک گذاشت و درکنار ریاضی‌دان بزرگ، لایبنیتس، نقش انکارناپذیری در شکل‌گیری محاسبات بی‌نهایت کوچک ایفا کرد.

نیوتن در کتاب مشهور خود، اصول علمی حرکت و جاذبه‌ی کیهانی را مطرح کرد که تا زمان ظهور نظریه‌های نسبیت، اساس فیزیک و علوم وابسته را شکل می‌داد. او در مطالعات ستاره‌شناسی نیز دستاوردهای مهمی داشت که ازآن‌میان، می‌توان به اولین تلسکوپ بازتابی تاریخ اشاره کرد. همچنین، مطالعاتی روی طیف نور و ساختارهای تشکیل‌دهنده انجام داد که در سال‌های آتی، در بحث اپتیک اهمیت بسیاری یافتند. کتاب Opticks او تمامی دستاوردهایش را در آن حوزه تجمیع کرد. 

نیوتن عضو کالج مشهور ترینیتی انگلیس بود و همچنین، دومین استاد کرسی ریاضیات لوکاسی در دانشگاه کمبریج شناخته می‌شد. البته، نظریه‌های مذهبی نیوتن با قوانین آن زمان کالج ترینیتی هم‌خوانی چندانی نداشت و او برخی مراسم مرسوم کالج را نیز ادا نمی‌کرد. به‌هرحال، نیوتن بخش زیادی از زمانش را برای مطالعات شیمی و تاریخی و زمان‌شناسی انجیل صرف می‌کرد. البته، اکثر دستاوردهای او در آن حوزه‌ها تا سال‌ها بعد از مرگش چاپ نشد. در سال ۱۷۰۵، نیوتن لقب شوالیه را از ملکه‌ی انگلستان دریافت کرد و سِر (Sir) نامیده شد.

ایزاک نیوتن در ۴ژانویه‌ی۱۶۴۲ در منطقه‌ی وولزثورپ به‌دنیا آمد. پدرش همین نام را داشت و ۳ ماه پیش از تولد ایزاک از دنیا رفت. او تنها فرزند خانواده بود و مادرش هانا آیسکو نام داشت. در همان سالی که نیوتن به‌دنیا آمد، دانشمند بزرگ دیگر، گالیلئو گالیله، از دنیا رفت. در سال‌های بعد، نیوتن ایده‌های همان دانشمند را در حوزه‌های ریاضیات و حرکت به‌کار گرفت و آن‌ها را به‌بار نشاند.

ایزاک در سال‌های کودکی بدنی نحیف داشت و تصور نمی‌شد زیاد عمر کند. به‌هرحال، او ۲ سال پس از پدر، مادرش را نیز از دست داد: مادرش با بارناباس اسمیث ازدواج کرد و برای نگه‌داری از فرزندان همسر دوم، ایزاک را به مادربزرگ سپرد. بارناباس در سال ۱۶۵۳ از دنیا رفت و مادر ایزاک باردیگر نزد او بازگشت. در منابع تاریخی، اشاره‌هایی به تمایلات روان‌پریشانه‌ی نیوتن شده که شاید ریشه‌های آن را بتوان در همین دوران دوربودن از مادر کشف کرد. او در دوران تحقیقات و انتشارات علمی نیز ناسازگاری‌های روحی متعدد، وسواس شدید، خشونت در دفاع از نظریه‌ها و موارد مشابه را نشان داد.

مادر نیوتن که برای بار دوم بیوه شده بود، پسر اولش را به‌نوعی مسئول مدیریت دارایی‌های بسیارش می‌دانست. البته، پس از مدتی مشخص شد آن کارها نه‌تنها برای نیوتن، بلکه برای املاک و مناطق ناپدری مرحومش هم نتایج خوشایندی به‌همراه ندارد. ایزاک نمی‌توانست تمرکزش را به کارهای مدیریت املاک و مستغلات معطوف کند و به‌راحتی از هر موقعیتی برای کتاب‌خواندن استفاده می‌کرد.

شاید دوری از مادر زمینه‌های روان‌پریشی آتی نیوتن را فراهم کرده بود

بی‌تمایلی نیوتن به کارهای مدیریتی سریعا مشخص شد و درعوض، به مدرسه‌ی گرامر در گرانتام بازگشت که قبلا هم در آنجا تحصیل کرده بود. مثال‌های زیادی از استعداد فراوان نیوتن در مسائل علمی و تجربی در مدرسه‌ی گرانتام به‌گوش می‌رسد که بیش‌ازهمه توانایی او را در مدل‌سازی ماشین‌های متنوع از ساعت گرفته تا آسیاب‌‌های بادی نشان می‌دهد. 

سال‌های تحصیل در مدرسه‌ی گرانتام برای ایزاک جوان با یادگیری زبان‌های لاتین و کمی ریاضیات گذشت. در سال ۱۶۶۱، وی سرانجام برای ثبت‌نام در کالج ترینیتی آماده بود. ایزاک درمقایسه‌با هم‌کلاسی‌هایش در کالج، کمی مسن‌تر بود؛ چراکه وقفه‌ی ایجادشده در تحصیلات ابتدایی، کمی او را از هم‌سالانش عقب نگه داشت.

انقلاب علمی

وقتی نیوتن در سال ۱۶۶۱ به کمبریج رفت، حرکتی که امروزه به‌نام انقلاب علمی شناخته می‌شود، تاحدزیادی پیشرفت کرده بود. در آن سال‌ها، پایه‌های اولیه‌ی علوم مدرن به‌خوبی در شاخه‌های مختلف دیده می‌شدند. به‌عنوان مثال، ستاره‌شناسانی همچون کوپرنیک و کپلر، نظریه‌ی خورشیدمرکزی را ثابت کرده بودند. به‌علاوه، گالیله با استفاده از اصول اینرسی، نوع جدیدی از مکانیک را به جامعه‌ی علمی معرفی کرده بود و فلاسفه نیز به رهبری دکارت، مفاهیم جدید را برای جهان هستی مطرح می‌کردند. البته، دانشگاه‌های سرتاسر اروپا، ازجمله کمبریج، به‌نوعی عقب‌تر از آن مفاهیم مدرن حرکت می‌کردند و حتی هنوز بر پایه‌های نظریه‌های ارسطویی و زمین‌مرکزی پیش می‌رفتند.

ایزاک نیوتن مانند بسیاری از هم‌عصرانش، تحقیقات علمی را براساس یافته‌ها و نظریه‌های ارسطو پیش می‌برد. البته، باوجودآنکه نظریه‌های جدید در برنامه‌های درسی نبودند،‌ ذهن نیوتن به‌سمت آن‌ها کشیده می‌شد. او در برهه‌ای از تحصیلات خود، با آثار فیلسوف فرانسوی، رنه دکارت، آشنا شد و فلاسفه‌ی دیگری در علوم مکانیک نیز نظرش را به‌خود جلب کردند. آن‌ها نظریه‌هایی داشتند که برخلاف ارسطو، واقعیت فیزیکی را ترکیبی از ذرات در حرکت ماده می‌دانستند که ارتباطات آن‌ها با یکدیگر جهان هستی را شکل می‌دهد.

دانشجوی جوان آن سال‌های کمبریج با مطالعات متفرقه، سؤال‌های جدیدی در ذهن خود مطرح کرد. موضوعات فلسفی جدید اکثر سؤال‌های نیوتن بود. نیوتن یادداشت‌هایش را در برگه‌های بی‌استفاده‌ای نوشت و نام آن‌ها را «سؤال‌های مهم فلسفه‌ای» نامید. در زیرتیتر آن یادداشت‌ها نوشته شد: «پلاتو دوست من است، ارسطو هم دوست من است؛ اما بهترین دوست من، حقیقت است». پس از آن یادداشت‌ها، دوران تحقیقات پایه‌های نیوتن شروع شد.

شروع فعالیت‌های جدی علمی

زمانی‌که نیوتن به کالج رفت، انقلاب علمی تاحدودی شروع شده بود

یادداشت‌های موسوم به «سؤالات» نشان می‌داد نیوتن مفاهیم جدید و شکل‌دهنده‌ی پایه‌های انقلاب علمی را کشف کرد. او در فلسفه‌ی دکارت استاد شده بود و مطالعات پیر گاسندی، فیلسوف فرانسوی دیگر را درک می‌کرد که به‌نوعی نظریه‌های مبتنی بر اتم را احیا کرده بود. با نگاهی به یادداشت‌های سؤالی او، متوجه می‌شویم نیوتن نظریه‌ی اتمی را نیز بیشتر قبول داشت.

او از آثار مشهور شیمی‌دان آن زمان، رابرت بویل، بهره می‌برد. به‌علاوه، پژوهش‌های هنری مور، دانشمند معتقد به نظریه‌های افلاطونی را نیز مطالعه کرده بود و با دنیایی جدید در شیمی به‌نام رسوم هرمسیه (شبیه به جادوگری و شیمی‌دانی آن سال‌ها) آشنا شده بود. به‌هرحال، آشنایی با دیدگاه‌های جدید که در آن سال‌ها ساختارشکن هم محسوب می‌شدند، پایه‌های تحقیقات و سؤال‌های علمی نیوتن را در سال‌های آتی نیز تشکیل دادند.

مطالعات ریاضی نیوتن نیز در همان سال‌های نوشتن سؤالات شروع شده بود. البته،به آن مطالعات در کتاب مذکور اشاره‌ای نشد؛ اما در آن مباحث نیز، مطالعات دکارت به نیوتن جهت داد. او از اصول جبر برای حل مسائل هندسی استفاده کرده بود که برای ایزاک جوان جذاب محسوب می‌شد. به‌هرحال، آن مطالعات و کمی بازگشتن به ریاضیات کلاسیک، نیوتن را به دیدگاه‌های منحصربه‌فردی در ریاضیات رساند و به‌نوعی او را در آن علم پایه هم متخصص کرد.

اولین دستاوردهای علمی نیوتن در حوزه‌ی ریاضی و محاسبات بودند

نظریه‌های بسط دوجمله‌ای و مفاهیم اولیه‌ی حساب دیفرانسیل و انتگرال، از یافته‌های اولیه‌ی نیوتن در ریاضیات بودند. ایزاک توانسته بود با دیدگاه‌های جدید ریاضیاتی روش‌هایی بهینه برای محاسبه‌ی شیب منحنی‌ها و نیز مساحت زیر نمودارها ابداع کند. در سال ۱۶۶۹، تحقیقات او به‌حدی رسیده بود که برای نوشتن خلاصه‌ای از آن‌ها آماده می‌شد. مقاله‌ی «تحلیلی بر سری‌های نامتناهی» در همان سال آماده شد و با گردش در محافل محدود علمی، اعتباری را برای ایزاک به‌همراه داشت. دو سال بعد، نیوتن نوشته‌های ریاضیاتی خود را بازبینی کرد و این‌بار فلوکسیون را نیز به آن افزود. همان مفهوم جدید نشان می‌داد حساب دیفرانسیل را خودِ او خلق کرده است. در آن زمان، باوجودآنکه افراد محدودی حتی از وجود نیوتن اطلاع داشتند، او به درجه‌ای رسیده بود که درنهایت، به‌عنوان ریاضی‌دان پیش‌گام اروپا شناخته شد.

در سال ۱۶۶۵، نیوتن از دانشگاه فارغ‌التحصیل شده بود؛ اما یکی از دستاوردهای علمی‌تاریخی برتر در مطالعات دانشگاهی به‌‌دلیل محدودبودن یافته‌ها در یادداشت‌های شخصی او ناشناس ماند. در آن سال، طاعون نیز باعث تعطیلی دانشگاه شد و نیوتن دو سال بعد عمرش را در خانه و به تفکر درباره‌ی یافته‌های علمی‌اش گذراند. به‌علاوه، او زمینه‌ای جدید به‌نام اپتیک یا مطالعات نوری را نیز به تحقیقاتش اضافه کرد که بعدها به‌کتاب مشهور Opticks انجامید. 

از مطالعه‌ها و نظریه‌پردازی‌های مهم دوران خانه‌نشینی نیوتن می‌توان به بررسی عناصر حرکت‌های دَوَرانی اشاره کرد. او تحلیل‌هایش در آن حوزه را با حرکت ماه و سیاره‌ها مرتبط کرده بود که در سال‌های بعد،‌ به فرمول‌هایی حیاتی برای توصیف حرکت در جهان هستی انجامید. نکته‌ی جالب آن است که هیچ‌کس در آن سال‌ها از تحقیقات مهم و پایه‌ای نیوتن آگاه نبود.

اثرگذاری بر علم اپتیک

در سال ۱۶۶۷ و پس از پایان طاعون، بورسیه‌ای تحصیلی در کالج ترینیتی به نیوتن اهدا شد. ایزاک بارو، استاد آن زمان کرسی لوکاسی ریاضیات بود که یادداشت‌های نیوتن در علوم ریاضیات را مطالعه کرده بود. دو سال بعد، بارو پس از استعفا از کرسی و ادامه‌ی تحقیقات در علوم الهیات، نیوتن را برای جانشینی خود پیشنهاد داد. موقعیت جدید الزام آموزش دوره‌های سالانه را به زندگی تحقیقاتی و کاری نیوتن اضافه کرد. او در سه سال ابتدایی تدریس در کرسی لوکاسی، اپتیک و مطالعات اولیه‌ی خود را به‌عنوان رشته‌ی اصلی انتخاب کرد.

اپتیک (نورشناسی) به‌عنوان عنصری مهم در انقلاب علمی شناخته می‌شد

از سال ۱۶۰۴ که کپلر نظریه‌های خود را بیان کرده بود، اپتیک به‌عنوان عاملی مهم در انقلاب علمی شناخته می‌شد. دکارت فیلسوف بعدی بود که نظریه‌های خطوط و سرعت نورها را توسعه داده بود. درنهایت، او این نظریه را مطرح کرده بود که کل جهان هستی برپایه‌ی اصول ریاضیات و فرمول‌های جامع آن محاسبه‌شدنی است. دکارت به‌نوعی نور را پایه‌ی مطالعات علمی طبیعت می‌دانست. 

نیوتن پس از پذیرفتن ابتدایی نظریه‌های دکارت درباره‌ی نور و اپتیک، نظریه‌ی اختصاصی خود را در آن حوزه داشت و به‌نوعی، روی رنگ‌ها و طیف‌های نوری متمرکز می‌شد. او ادعا می‌کرد نور در شکل ابتدایی خود سفید است و تغییر و تحولات در آن موجب پیدایش طیف‌هایی همچون رنگین‌کمان می‌شود. او مطالعاتی تجربی هم برای تشکیل طیف‌ها در آزمایشگاه انجام داد و درنهایت، نور را پدیده‌ای ترکیبی و پیچیده می‌نامید.

مطالعات اپتیکی نیوتن او را به این نتیجه رسانده بود که عدسی‌ها نور را پس از تمرکز احتمالا دچار شکست هم می‌کنند. به‌همین‌دلیل، او مُصر بود از بازتاب برای ساخت ابزارهای اپتیکی خود استفاده کند؛ ازاین‌رو، اولین تلسکوپ او بازتابی بود و اولین نمونه در نوع خودش هم محسوب می‌شد. درنهایت، پیچیدگی و ناهمگونی نور که نیوتن مطرح کرد، پایه‌های اپتیک فیزیکی را از زمان او شکل داد.

ازلحاظ اسناد تاریخی، هیچ مدرکی مبنی بر شهرت فراوان یافته‌ها و نوشته‌های نیوتن در نظریه‌ی نورها و نیز یافته‌های او در ریاضیات در سال‌های ابتدایی تدریس در کالج ترینیتی وجود ندارد. تا سال ۱۶۷۱ که آکادمی سلطنتی علوم لندن از یافته‌های نیوتن در حوزه‌ی اپتیک استقبال کرد، تاحدودی ناشناس بود. آن مؤسسه درخواست مشاهده و بررسی تلسکوپ را به ایزاک داد و او هم با نمایش دستاوردش، قدم‌های اولیه برای پیشرفت و شهرت علمی درخورتوجه را برداشت. درنهایت، او به‌عنوان عضوی از آکادمی سلطنتی هم انتخاب شد و از شوق آن رخداد، مطالعات اپتیکی خود را به‌صورت مقاله‌ای درباره‌ی نور و رنگ‌ها در سال ۱۶۷۲ منتشر کرد. مقاله‌ی مذکور هم با استقبال گرمی در مجامع علمی روبه‌رو شد و البته، انتقاداتی هم به‌همراه داشت.

رابرت هوک، یکی از مدیران آکادمی سلطنتی در آن سال‌ها بود که خود را استاد کامل نور و اپتیک می‌دانست. او انتقادهایی جدی به نیوتن وارد می‌کرد و از نگاه عمومی نیز فرد محبوبی نبود. به‌هرحال، نیوتن فردی نبود که توانایی جدل‌های علمی و بحث‌های عصبی را داشته باشد. درنهایت، ایزاک نتوانست پاسخ‌هایی قانع‌کننده به هوک بدهد و کمتر از یک سال پس از ارائه‌ی مقاله‌ی مشهورش، به‌نوعی به‌انزوا رفت.

در سال ۱۶۷۵، نیوتن در سفری به لندن متوجه شد هوک نظریه‌ و مقاله‌ی او را پذیرفته است. او تشویق شد تا مقاله‌ای دیگر درباره‌ی نور و رنگ‌ها منتشر کند که بعدها، به جلد دوم کتاب Opticks تبدیل شد. مقاله‌ی دوم براساس آزمایش‌هایی روی طیف‌های نور و با استفاده از فیلم‌های نازک نوشته شد. هدف از آن مقاله، توضیحی بر رنگ‌های اجسام صلب بود که باتوجه‌به تأثیر بازتاب و انکسار نور بررسی می‌شد. هوک مقاله‌ی دوم را بیش از مقاله‌ی اول نقد کرد و باردیگر عصبانیت نیوتن را به‌همراه داشت. درنهایت، آن دو دانشمند با نامه‌نگاری‌هایی رسمی و مؤدبانه، تاحدودی کشمکش‌های خود را پایان دادند.

شیمی و تأثیر از مفاهیم هرمسیه

آشنایی با سنّت هرمسیه، نیوتن را به مطالعات شیمی هم وارد کرد

نیوتن در دوران انزوا، بسیار تحت‌تأثیر مفاهیم هرمسیه بود. او از زمان تحصیلات دانشگاهی با آن مذهب آشنا شده بود و باردیگر به تحقیقات مرتبط پرداخت. او همیشه به شیمی علاقه‌مند بود و دوران تنهایی بهترین زمان برای بررسی‌های دقیق‌تر و کپی‌کردن آموزه‌ها و یادگیری جزئیات علم بود. حین بررسی همان آموزه‌ها، تغییر جهتی جدی در باورهای نیوتن درباره‌ی طبیعت جهان ایجاد شد.

تا زمان آشنایی عمیق‌تر با مفاهیم هرمسیه، نیوتن فیلسوفی با استانداردهای قرن هفدهم محسوب می‌شد. او پدیده‌های طبیعی را با تفسیر ذرات در حرکت شرح می‌داد و حتی نور را نیز از جنس ذره می‌دانست. وی حتی چسبیدن تکه‌های کاغذ به شیشه بر اثر مالش به پارچه را نیز با مفاهیم ذرات تفسیر می‌کرد. فلسفه‌ی آن‌چنانی او به‌نوعی مکانیکی محسوب می‌شد و از شکل‌گیری تعاریف دقیق برای موضوعاتی ازجمله نیروهای وارده از فواصل دور همچون الکتریسیته‌ی ساکن جلوگیری می‌کرد.

تحقیقات درباره‌ی علم شیمی و موضوعاتی همچون ظرفیت و میل مواد به ترکیب‌شدن، نیوتن را به تجدیدنظر در عقیده‌ها و نظریه‌هایش وادار کرد. او به‌مرور متوجه عنصری مخفی در مباحث فیزیکی هم می‌شد که باید برای آن‌ها، به‌دنبال دلایل صحیح می‌گشت. مفاهیمی همچون ظرفیت‌های ترکیب‌های شیمیایی، گرمای ایجادشده براثر واکنش‌ها، کشش سطحی در مایعات و موضوعات دیگر را ایزاک نیوتن بررسی کرد تا شاید با تعاریف ذره‌ای توجیه شوند.

به‌هرحال، تأثیرپدیری از آموزه‌های هرمسیه و بررسی آن‌ها با علومی که نیوتن در طول سال‌ها تحقیق به‌دست آورده بود، باعث شد به‌مرور، دو نظریه‌ی اصلی برای پایه‌های علم و طبیعت در قرن هفدهم به‌هم نزدیک شوند. یکی از نظریه‌ها ریشه‌های جهان را با مسائل مکانیکی مرتبط می‌دانست و دیگری ریاضیات را پایه‌ی جهان می‌نامید. نیوتن با تحقیقات خود و در انتها با تعریف مفهوم نیرو، به‌نوعی باعث اتحاد آن دو نظریه شد.

حرکت سیاره‌ها و قانون جاذبه

نیوتن تحقیقات درباره‌ی نیروهای کنش و واکنش را طبق بندهای قبلی، بیشتر برپایه‌ی عناصر زمینی انجام می‌داد. در سال ۱۶۷۹، هوک در نامه‌ای به ایزاک موضوع جدید و جذابی را به او معرفی کرد که بهانه‌ی شروع مجدد مکاتبات آن‌ها هم شد. هوک مفاهیمی از حرکت سیاره‌ها درک کرده بود و نظریه‌ای درباره‌ی انحراف دائمی مسیر خطی براثر جاذبه‌ای مرکزی را بیان می‌کرد. 

https://www.zoomit.ir/biography/324482-isaac-newton-biography/