زندگینامه آیزاک نیوتن؛ پدر فیزیک کلاسیک

آیزاک نیوتن، فیزیکدان و ریاضیدان انگلیسی، به دلیل وضع قوانین فیزیک مشهور خود در مورد حرکت اجرام شناخته شده است. او همچنین یکی از شخصیتهای کلیدی انقلاب علمی قرن هفدهم بود. آیزاک نیوتن کیست و چرا به چنین شهرتی دست یافت؟
آیزاک نیوتن کیست؟
زندگی اولیه و خانواده
تحصیلات آیزاک نیوتن
انقلاب علمی
اکتشافات آیزاک نیوتن
اختراعات آیزاک نیوتن
افسانه سیب نیوتن
قوانین حرکت آیزاک نیوتن
نیوتن و نظریه گرانش
آیزاک نیوتن و رابرت هوک
نیوتن، کیمیاگری و پارانویا
سالهای پایانی نیوتن
نقلقولهای نیوتن
آیزاک نیوتن کیست؟
آیزاک نیوتن، فیزیکدان و ریاضیدانی بود که اصول فیزیک، از جمله قوانین حرکت را توسعه داد و به عنوان یکی از ذهنهای برجسته انقلاب علمی قرن هفدهم و پدر فیزیک کلاسیک شناخته شد. در سال ۱۶۸۷ او برجستهترین اثر خود به نام «اصول ریاضی فلسفه طبیعی» (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica) را منتشر کرد؛ این کتاب یکی از تأثیرگذارترین کتابهای تاریخ فیزیک است. در سال ۱۷۰۵، او توسط ملکه آن از انگلستان به مقام شوالیه مفتخر شد و به «سر آیزاک نیوتن» شهرت یافت.
زندگی اولیه و خانواده
آیزاک نیوتن در ۴ ژانویه ۱۶۴۳ در وولزتورپِ انگلستان به دنیا آمد. نیوتن تنها پسر یک کشاورز مرفه محلی، که او هم آیزاک نام داشت، بود. پدرش سه ماه پیش از تولد او درگذشت و نیوتن که به صورت نارس و ضعیف به دنیا آمده بود، انتظار نمیرفت که زنده بماند. وقتی سه ساله بود، مادرش، هانا آیسکاف نیوتن، با یک کشیش ثروتمند به نام بارناباس اسمیت ازدواج کرد و برای زندگی با او نقل مکان کرد و نیوتن را نزد مادربزرگ مادریاش تنها گذاشت.
این تجربه تأثیر عمیقی بر نیوتن گذاشت و بعدها به صورت حس ناامنی شدید در او بروز یافت. او به طور وسواسگونهای بر آثار منتشرشدهاش متمرکز بود و با رفتاری غیرمنطقی از ارزشهای آنها دفاع میکرد. پس از مرگ همسر دوم مادر نیوتن، وقتی که او تنها ۱۲ سال داشت، مادرش دوباره به او پیوست. او این بار سه فرزند کوچک از ازدواج دومش را با خود به همراه داشت.
تحصیلات آیزاک نیوتن
نیوتن در مدرسه کینگ در گرانتهام، شهری در لینکلنشر، ثبتنام کرد، جایی که در خانه یک داروساز محلی اقامت داشت و با دنیای شگفتانگیز شیمی آشنا شد. مادرش او را در سن ۱۲ سالگی از مدرسه بیرون کشید. برنامه او این بود که نیوتن را به یک کشاورز تبدیل کند و او را مسئول مزرعه کند. اما نیوتن بهطور فاجعهباری در این کار شکست خورد، چون که کشاورزی را کسلکننده میدید. بهزودی نیوتن به مدرسه کینگ بازگردانده شد تا تحصیلات پایه خود را به پایان برساند.
شاید عمویش، که فارغالتحصیل کالج ترینیتی دانشگاه کمبریج بود، با درک تواناییهای ذهنی ذاتی این جوان، مادر نیوتن را متقاعد کرده باشد که او را به دانشگاه بفرستد. نیوتن در سال ۱۶۶۱ در طرحی در دانشگاه ثبتنام کرد که در کنار تحصیل میتوانست کار کند؛ او در آنجا به عنوان خدمتکار برای دانشجویان ثروتمندتر در اموری از جمله پذیرایی و تمیز کردن اتاقهای آنها کار میکرد.
انقلاب علمی
وقتی نیوتن به کمبریج رسید، انقلاب علمی قرن هفدهم در اوج خود بود. دیدگاه خورشیدمرکزی درباره جهان، که توسط دو ستارهشناس مشهور، نیکلاس کوپرنیک و یوهانس کپلر نظریهپردازی شده بود و بعداً توسط گالیله اصلاح شده بود، در اکثر محافل علمی اروپا شناخته شده بود.
در این میان، رنه دکارتِ فیلسوف، دست به تدوین مفهومی جدید از طبیعت زده بود که آن را به عنوان یک ماشین پیچیده، غیرشخصی و بیجان میدید. با این حال، مانند بسیاری از دانشگاههای اروپا، کمبریج هم همچنان در فلسفه ارسطویی غرق بود و دیدگاهی زمینمرکزی از جهان داشت که طبیعت را به صورت کیفی و نه کمی توصیف میکرد.
در این دوره بود که نیوتن مجموعهای دیگر از یادداشتها را با عنوان «برخی پرسشهای فلسفی» جمعآوری کرد. این یادداشتها نشان میدهند که نیوتن در آن زمان مفهوم جدیدی از طبیعت را کشف کرده بود که چارچوبی برای انقلاب علمی فراهم میکرد. اگرچه نیوتن بدون افتخارات یا تمایزات فارغالتحصیل شد، اما تلاشهایش برای او چهار سال حمایت مالی برای تحصیلات آیندهاش را به ارمغان آورد.
در سال ۱۶۶۵، طاعون خیارکی که اروپا را ویران میکرد، به کمبریج رسید و دانشگاه را مجبور به تعطیلی کرد. پس از دو سال وقفه، نیوتن در سال ۱۶۶۷ به کمبریج بازگشت و بهعنوان عضو کوچکی در کالج ترینیتی انتخاب شد، زیرا هنوز به عنوان یک محقق برجسته شناخته نمیشد.
در سالهای بعد، بخت او بهبود یافت. نیوتن در سال ۱۶۶۹، پیش از آنکه ۲۷ ساله شود، مدرک کارشناسی ارشد خود را دریافت کرد. در این زمان، او با کتاب منتشرشده نیکلاس مرکاتور درباره روشهای برخورد با سریهای نامتناهی مواجه شد.
نیوتن به سرعت رسالهای در این باره نگاشت که نتایج گستردهتر خود را شرح میداد. او این کار را با دوست و مربی خود، آیزاک بارو مشترکا انجام داده بود، اما نام خود را به عنوان نویسنده ذکر نکرد. در ۱۶۶۹، بارو نسخه بدون نام نویسنده را با ریاضیدان بریتانیایی، جان کالینز، به اشتراک گذاشت و کمی بعدتر، بارو نویسنده آن را به کالینز معرفی کرد: «آقای نیوتن… بسیار جوان… اما از نبوغ و مهارت فوقالعادهای در این امور برخوردار است.» کار نیوتن برای اولین بار توجه جامعه ریاضیات را به خود جلب کرد. اندکی بعد، بارو از کرسی خود در کمبریج استعفا داد و نیوتن این کرسی را بر عهده گرفت.
اکتشافات آیزاک نیوتن
نیوتن اکتشافاتی در زمینه اپتیک، حرکت و ریاضیات انجام داد. او بود که نظریهای داد مبنی بر اینکه نور سفید ترکیبی از تمام رنگهای طیف است و همچنین نور از ذرات تشکیل شده است.
کتاب مهم او در زمینه فیزیک به نام «پرینسیپیا» (Principia) حاوی اطلاعات جامعی درباره تقریباً تمام مفاهیم اساسی فیزیک، به جز انرژی است. نگارش این کتاب در نهایت به نیوتن کمک کرد تا بتواند قوانین حرکت و نظریه گرانش را توضیح دهد. نیوتن همراه با ریاضیدان شهیر گوتفرید ویلهلم لایب نیتس، به توسعه نظریههای اساسی حساب دیفرانسیل و انتگرال پرداخت که تاکنون هم اعتبار دارند.
اختراعات آیزاک نیوتن
اولین دستاورد علمی عمومی بزرگ نیوتن، طراحی و ساخت یک تلسکوپ بازتابی در سال ۱۶۶۸ بود. نیوتن به عنوان استاد در کمبریج موظف بود سالانه دورهای از سخنرانیها را ارائه دهد؛ او در این سخنرانیها موضوع اپتیک را برای موضوع اولیه خود انتخاب کرد. او از تلسکوپ ساخته خود برای مطالعه اپتیک و کمک به اثبات نظریهاش درباره نور و رنگ استفاده کرد.
انجمن سلطنتی در سال ۱۶۷۱ درخواست نمایشی از تلسکوپ بازتابی او کرد و علاقه این سازمان، نیوتن را تشویق به انتشار یادداشتهایش درباره نور، اپتیک و رنگ در سال ۱۶۷۲ کرد. این یادداشتها بعداً به عنوان بخشی از کتاب «اپتیکس: یا رسالهای درباره بازتابها، شکستها، خمیدگیها و رنگهای نور» (Optics) نیوتن، منتشر شد.
افسانه سیب نیوتن
بین سالهای ۱۶۶۵ و ۱۶۶۷، نیوتن از کالج ترینیتی به خانه بازگشت تا مطالعات خصوصی خود را دنبال کند، چون دانشگاه به دلیل طاعون بزرگ تعطیل شده بود. افسانه سیب میگوید که در این زمان، نیوتن الهام معروف خود از گرانش را با افتادن سیب تجربه کرد. طبق این افسانه رایج، نیوتن زیر یک درخت سیب نشسته بود که سیبی افتاد و به سرش خورد و این اتفاق بهیکباره نظریه گرانش را به او الهام کرد.
اگرچه هیچ مدرکی وجود ندارد که سیب واقعاً به سر نیوتن برخورد کرده باشد، اما او سیبی را دید که از درخت افتاد و این باعث شد که او فکر کند چرا سیب مستقیم و نه زاویهدار به پایین افتاد. در نتیجه این سوال، نیوتن شروع به کاوش در نظریههای حرکت و گرانش کرد.
قوانین حرکت آیزاک نیوتن
در سال ۱۶۸۷، پس از ۱۸ ماه کار شدید و بیوقفه، نیوتن «اصول ریاضی فلسفه طبیعی» را، که اغلب به «پرینسیپیا» شناخته میشود، منتشر کرد. گفته میشود که پرینسیپیا تاثیرگذارترین کتاب در فیزیک و شاید در کل تاریخ علم است. انتشار آن بلافاصله نیوتن را به شهرتی بینالمللی رساند.
پرینسیپیا با سه قانون اساسی اما مهم در حرکت، توصیفی دقیق و کمی از اجسام در حال حرکت ارائه میدهد:
قانون اول نیوتن: یک جسم ساکن، ساکن باقی میماند مگر اینکه نیروی خارجی به آن وارد شود.
قانون دوم نیوتن: نیرو برابر است با جرم ضربدر شتاب و تغییر در حرکت (یعنی تغییر در سرعت) متناسب با نیروی وارد شده است.
قانون سوم نیوتن: هر کنشی، واکنشی برابر با آن و در جهت مخالف آن دارد.
نیوتن و نظریه گرانش
سه قانون اساسی حرکت نیوتن که در پرینسیپیا شرح داده شدهاند، به او کمک کردند تا به نظریه گرانش خود برسد. قانون گرانش جهانی نیوتن بیان میکند که دو جسم با نیرویی از جاذبه گرانشی به یکدیگر جذب میشوند که با جرم آنها رابطه مستقیم و با مربع فاصله بین مراکز آنها رابطه عکس است.
این قوانین نه تنها مدارهای بیضوی سیارهای را توضیح میدادند، بلکه تقریباً هر حرکت دیگری در جهان را هم تبیین میکردند: اینکه چگونه سیارات توسط نیروی گرانش خورشید در مدار خود نگه داشته میشوند؛ چگونه ماه به دور زمین و قمرهای مشتری به دور آن میچرخند و چگونه دنبالهدارها در مدارهای بیضوی به دور خورشید میگردند.
این قوانین همچنین به او اجازه دادند، جرم هر سیاره را محاسبه کند، مسطح شدن زمین در قطبها و برآمدگی آن در استوا را اندازهگیری کند و چگونگی ایجاد جزر و مد زمین توسط نیروی گرانش خورشید و ماه را توضیح دهد. در دیدگاه نیوتن، گرانش جهان را متعادل نگه میداشت، آن را به کار میانداخت و آسمان و زمین را در یک معادله بزرگ متحد میکرد.
آیزاک نیوتن و رابرت هوک
همه در آکادمی سلطنتی از اکتشافات نیوتن در اپتیک و انتشار کتاب اپتیکس در سال ۱۶۷۲ استقبال نکردند. یکی از مخالفان، رابرت هوک بود، یکی از اعضای اولیه آکادمی سلطنتی و دانشمندی که در زمینههای مختلفی از جمله مکانیک و اپتیک دستاوردهایی داشت.
درحالیکه نیوتن در نظریهاش عنوان کرد که نور از ذرات تشکیل شده است، هوک معتقد بود که نور از امواج تشکیل شده است. هوک به سرعت مقاله نیوتن را با لحنی تحقیرآمیز محکوم کرد و روششناسی و نتیجهگیریهای نیوتن را مورد حمله قرار داد.
هوک تنها کسی نبود که کار نیوتن در اپتیک را زیر سؤال برد. دانشمند برجسته هلندی، کریستیان هویگنس و تعدادی از دانشمندان فرانسوی هم اعتراضاتی را مطرح کردند. اما در این میان هوک، به دلیل ارتباطش با انجمن سلطنتی و سابقه حرفهایاش در زمینه اپتیک، بیش از همه نیوتن را آزار میداد.
رقابت بین نیوتن و هوک برای چندین سال ادامه یافت. سپس، در سال ۱۶۷۸، نیوتن کاملا دچار فروپاشی عصبی شد و مکاتباتش به طور ناگهان قطع شد. مرگ مادرش در سال بعد او را حتی منزویتر کرد و برای شش سال از تبادل فکری کنارهگیری کرد؛ مگر زمانی که دیگران مکاتبه را آغاز میکردند و او هم همیشه پاسخهایش را کوتاه نگه میداشت.
در طول این وقفه، آیزاک نیوتن به مطالعه گرانش و تأثیرات آن بر مدارهای سیارهای بازگشت. به طور متناقضی انگیزهای که نیوتن را در این مطالعه به مسیر درستی هدایت کرد، از رابرت هوک آمده بود.
در نامهای عمومی در سال ۱۶۷۹ به اعضای انجمن سلطنتی، هوک مسئله حرکت سیارهای را مطرح کرد و به نیوتن پیشنهاد داد که فرمول او (هوک) ممکن است جاذبه بین سیارات و شکل مدارهای آنها را توضیح دهد.
کم کم مکاتبات بعدی صورت گرفت و ایده هوک خیلی سریع در کار نیوتن درباره حرکت سیارهای گنجانده شد. در اوایل سال ۱۶۸۴، در گفتوگویی با اعضای انجمن سلطنتی، کریستوفر رن، ادموند هالی و هوک درباره حرکت سیارهای بحث کردند. هر دو رن و هالی معتقد بودند که هوک به چیزی دست یافته است، اما اشاره کردند که کمبودی در ریاضیات وجود دارد که این مساله برای اثبات به آن نیاز دارد.
در اوت ۱۶۸۴، هالی به کمبریج سفر کرد تا با نیوتن، که از انزوایش بیرون آمده بود، دیدار کند. هالی به طور اتفاقی از او پرسید که اگر میزان جاذبه یک سیاره به خورشید با مربع معکوس فاصله بین آنها (نظریه هوک) مرتبط باشد، مدار سیاره چه شکلی خواهد داشت؟
نیوتن که به دلیل کار متمرکزش در شش سال گذشته جواب را میدانست، پاسخ داد: «یک بیضی.» نیوتن ادعا کرد که این مسئله را حدود ۱۸ سال پیش، در طول وقفهاش از کمبریج و طاعون، حل کرده بود، اما یادداشتهایش را پیدا نکرد. هالی او را متقاعد کرد که مسئله را به صورت ریاضی حل کند و پیشنهاد داد که تمام هزینهها برای انتشار ایدههایش را به او بپردازند.
با انتشار اولین نسخه پرینسیپیا در سال ۱۶۸۷، رابرت هوک بلافاصله نیوتن را به سرقت علمی متهم کرد و ادعا کرد که او نظریه مربع معکوس را کشف کرده و نیوتن کار او را دزدیده است. این اتهام بیاساس بود، زیرا اکثر دانشمندان میدانستند که هوک تنها درباره این ایده نظریهپردازی کرده بود و هیچگاه آن را به اثبات نرسانده بود.
با این حال، نیوتن خشمگین شد و به شدت از اکتشافاتش دفاع کرد. او تمام ارجاعات به هوک را از یادداشتهایش حذف کرد و تهدید کرد که از انتشار نسخه بعدی پرینسیپیا به طور کلی خودداری خواهد کرد. هالی، که سرمایهگذاری بسیاری در کار نیوتن کرده بود، تلاش کرد بین این دو مرد صلح برقرار کند. نیوتن با اکراه پذیرفت که مشارکت هوک (مشترک با رن و هالی) را در بحث قانون مربع معکوس وارد کند، با این حال این کار هیچ تأثیری بر آرام کردن هوک نداشت.
با گذشت سالها، زندگی هوک شروع به فروپاشی کرد. برادرزاده محبوب و همراه او در همان سالی که پرینسیپیا منتشر شد، یعنی در ۱۶۸۷، درگذشت. درحالی که شهرت و افتخار نیوتن رشد میکرد، شهرت هوک کاهش مییافت و او را حتی تلختر و نفرتانگیزتر نسبت به رقیبش جلوه میداد. تا آخرین لحظه، هوک از هر فرصتی برای توهین به نیوتن استفاده میکرد. او با اینکه میدانست رقیبش بهزودی بهعنوان رئیس انجمن سلطنتی انتخاب خواهد شد، باز هم تا سال مرگش در ۱۷۰۳ از بازنشسته شدن خودداری کرد.
نیوتن، کیمیاگری و پارانویا
پس از انتشار پرینسیپیا، آیزاک نیوتن آماده تغییر مسیر در زندگیاش بود. او دیگر در موقعیتش در کمبریج رضایت نداشت و به مسائل دیگری مشغول شده بود. او به مقاومت در برابر تلاشهای پادشاه جیمز دوم برای بازگرداندن آموزش کاتولیک در کمبریج کمک کرد و در سال ۱۶۸۹ به عنوان نماینده کمبریج در پارلمان انتخاب شد.
در لندن، نیوتن با گروه وسیعتری از روشنفکران مانند فیلسوف سیاسی جان لاک آشنا شد. اگرچه بسیاری از دانشمندان در قاره اروپا همچنان جهان مکانیکی را طبق نظر ارسطو تدریس میکردند، نسل جدیدی از دانشمندان بریتانیایی شیفته دیدگاه جدید نیوتن از جهان فیزیکی شدند و او را بهعنوان رهبر خود برگزیدند.
یکی از این تحسینکنندگان، نیکلاس فاتیو دو دوئیلیه ریاضیدان سوئیسی بود که نیوتن در لندن با او دوست شد. بااینحال، در عرض چند سال، نیوتن در سال ۱۶۹۳ دچار فروپاشی عصبی دیگری شد. دلیل این امر مورد شک و تردید است: شاید دلیلش ناامیدی او از عدم انتصاب به یک مقام بالاتر توسط پادشاهان جدید انگلستان، ویلیام سوم و مری دوم بوده، شاید هم از دست دادن دوستیاش با دوئیلیه دلیل این اتفاق بوده باشد؛ شاید خستگی از کار بیش از حد یا شاید مسمومیت مزمن با جیوه پس از دههها تحقیق در زمینه کیمیاگری.
تعیین علت دقیق دشوار است، اما شواهد نشان میدهند که نامههایی که نیوتن به چندین نفر از آشنایان و دوستان لندنی خود، از جمله اویلر، نوشته بود، آشفته و پارانویایی به نظر میرسیدند و آنها را به خیانت و توطئه متهم میکردند. به طور عجیبی، نیوتن به سرعت بهبود یافت و اکنون به دنبال پیشگویی، مطالعه کتاب مقدس و کیمیاگری بود.
سالهای پایانی نیوتن
آیزاک نیوتن در اواخر زندگیاش به یکی از مشهورترین مردان اروپا تبدیل شده بود. اکتشافات علمی او بیچالش باقی مانده بود. او همچنین ثروتمند شده بود و درآمد قابل توجه خود را عاقلانه سرمایهگذاری کرده بود و هدایای بزرگی به خیریهها اهدا میکرد. با وجود شهرتش، زندگی نیوتن از کامل بودن فاصله داشت: او هرگز ازدواج نکرد و دوستان زیادی نداشت و در سالهای آخر عمرش، ترکیبی از غرور، ناامنی و پیگیریهای علمی عجیب بود که حتی برخی از دوستان اندکش را نگران ثبات روانی او کرده بود. در مارس ۱۷۲۷، نیوتن درد شدیدی در شکم خود احساس کرد و از هوش رفت، و دیگر هرگز به هوش نیامد. او روز بعد، در ۳۱ مارس ۱۷۲۷، در سن ۸۴ سالگی درگذشت.
البته، آیزاک نیوتن در برخی از فرضیات کلیدی خود اشتباه کرد. در قرن بیستم، آلبرت اینشتین مفهوم نیوتن از جهان را واژگون کرد و بیان داشت که فضا، فاصله و حرکت مطلق نیستند بلکه نسبی هستند و جهان شگفتانگیزتر از آن چیزی است که نیوتن تصور کرده بود.
نقلقولهای آیزاک نیوتن
«نمیدانم به نظر جهان چگونه به نظر میآیم؛ اما به نظر خودم، فقط مانند پسری بودهام که در ساحل بازی میکند و هرازگاهی خود را با یافتن سنگریزهای صافتر یا صدفی زیباتر از معمول سرگرم میکند، درحالیکه اقیانوس بزرگ حقیقت تماماً ناشناخته پیش روی من قرار دارد.»
«افلاطون دوست من است، ارسطو دوست من است، اما بزرگترین دوستم حقیقت است.»
«اگر دورتر را دیدهام، به این دلیل است که بر شانههای غولها ایستادهام.»
«کمال آثار خدا در این است که همه آنها با بزرگترین سادگی انجام شدهاند.»
«هر جسمی در حالت سکون یا حرکت یکنواخت در خط مستقیم ادامه میدهد، مگر اینکه توسط نیروهایی که بر آن وارد میشوند مجبور به تغییر آن حالت شود.»
«برای هر کنشی، همیشه واکنشی برابر و مخالف وجود دارد: یا، اقدامات متقابل دو جسم بر یکدیگر همیشه برابر است و به جهتهای مخالف هدایت میشود.»
«میبینم که خودم را برده فلسفه کردهام.»
«تبدیل اجسام به نور، و نور به اجسام، بسیار با مسیر طبیعت سازگار است، که به نظر میرسد از تبدیلها لذت میبرد.»
«توضیح تمام طبیعت وظیفهای بیش از حد دشوار برای یک نفر یا حتی یک عصر است. بسیار بهتر است که کمی با اطمینان انجام شود و بقیه را برای دیگرانی که بعد میآیند بگذاریم، تا اینکه همه چیز را با حدس و گمان توضیح دهیم بدون اینکه از چیزی مطمئن باشیم.»
«حقیقت همیشه در سادگی یافت میشود، نه در کثرت و آشفتگی چیزها.»
«بیخدایی چنان بیمعنا و نفرتانگیز برای بشریت است که هرگز طرفداران زیادی نداشته است.»
«آیزاک نیوتن اولین فرد عصر عقل نبود. او آخرین جادوگران، آخرین بابلیها و سومریها، آخرین ذهن بزرگی بود که به جهان مرئی و فکری با همان چشمانی نگاه کرد که کسانی که ۱۰,۰۰۰ سال پیش میراث فکری ما را شروع به ساختن کرده بودند نگاه کردهاند.»
منبع: Biography