آزمایش: آیا گرانش با برخورد سیبی به سر نیوتن کشف شد؟ – زومیت

1666; طاعون بزرگ لندن جان هزاران نفر را گرفته بود و بازماندگان به مناطق دور از آن فرار می کردند. در میان این بازماندگان، اسحاق نیوتن او مرد جوانی بود که پس از چهار سال تحصیل در دانشگاه کمبریج، مجبور شد برای مدتی به خانه روستایی مادرش، ولستورپ، پناه ببرد. تا اینکه روزی در حالی که زیر درخت سیب باغ عمارت نشسته بود و از هوای پاک و جیک پرندگان لذت می برد، سیبی از درخت افتاد و به سرش اصابت کرد. و در این لحظه تاریخی و حساس بود که نیوتن قانون گرانش را کشف کرد.

داستان سیب نیوتنی یکی از معروف ترین و ماندگارترین حکایات علمی تاریخ است و تقریباً همه دانش آموزان جهان آن را در کتاب های درسی خود خوانده اند. اما آیا این داستان آنطور که ما به یاد داریم اتفاق افتاد؟ با زومیت همراه باشید تا داستان سقوط سیب از درخت و ارتباط آن با کشف جذابیت واقعی را کشف کنند.

داستان سقوط سیب از کجا شروع شد؟

طاعون بزرگ لندن بسیاری از اماکن عمومی و دانشگاه ها را گرفتار کرد و نیوتن مجبور شد کمبریج را ترک کند و به زادگاهش گرانتام در لینکلن شایر بازگردد. در طول روزهای دوری نیوتن از کالج در املاک ولستورپ، ذهن او معمای ماه بود که به دور زمین می چرخد، تا اینکه سرانجام استدلال کرد که گرانش باید در فواصل دور مؤثر باشد.

مشخص است که نیوتن پس از مشاهده اینکه سیب ها همیشه به صورت عمودی به زمین می افتند، چندین سال روی فرمول های ریاضی کار کرد تا نشان دهد که چگونه نیروی گرانش با مجذور فاصله بین دو جسم نسبت معکوس دارد. اما آیا شواهدی وجود دارد که نشان دهد نیوتن واقعاً از سقوط سیب برای رسیدن به جاذبه الهام گرفته است؟

باید با گفتن این نکته شروع کنیم که نیوتن سابقه ای از سقوط سیب ندارد. اما شواهد دیگری وجود دارد مبنی بر اینکه نیوتن در سنین پیری با دیگران در مورد نقش کلیدی درخت سیب در کشف بزرگ و تاریخی خود صحبت کرده است.

از مورخان اغلب برای نشان دادن رابطه بین کشف جاذبه و افتادن سیب از درخت استفاده می شود. ویلیام استاکلیهمانطور که در زندگینامه نیوتن (1752) ذکر شده است، باستان شناسان و باستان شناسان از دوستان و معاصران نیوتن استناد می کنند.

صفحه ای از زندگی نامه نیوتن نوشته ویلیام استاکلی (1752) که داستان الهام نیوتن از سقوط سیب را بیان می کند.

استاکلی مانند نیوتن در لینکلن شایر به دنیا آمد و از این زمینه مشترک برای ایجاد رابطه دوستانه با این دانشمند بداخلاق استفاده کرد. اعضای انجمن سلطنتی، اولین انجمن علمی جهان، این دو به طور منظم برای بحث در مورد موضوعات مختلف ملاقات می کردند. یک روز در سال 1726، یک سال قبل از مرگ نیوتن، این دو دوست برای صرف شام در لندن ملاقات کردند. گزیده‌ای از زندگی‌نامه استاکلی درباره نیوتن، که نسخه خطی آن برای اولین بار توسط انجمن سلطنتی در سال 2010 منتشر شد، این جلسه را شرح می‌دهد:

بعد از شام، چون هوا گرم بود، به باغ رفتیم و در سایه درخت سیب چای نوشیدیم. فقط من و اون در اواسط صحبت هایمان، او به من گفت که اولین بار بود که مفهوم جاذبه به ذهنم خطور کرد. هنگامی که او مدیتیشن کرد و سیب روی زمین افتاد، از خود متعجب شد که چرا سیب همیشه باید عمود بر زمین بیفتد. چرا نباید به پهلو یا به سمت بالا بیفتد و همیشه به سمت مرکز زمین فرود آید؟ این دقیقاً به این دلیل است که جهان او را به سمت خودش می کشد. ماده باید دارای استحکام کششی باشد. و مجموع این نیروی کششی در ماده زمین باید در مرکز زمین باشد نه در هیچ جهتی.

پس آیا این سیب عمودی است یا به سمت مرکز می افتد؟ اگر ماده ای ماده را جذب می کند باید متناسب با مقدار آن باشد. در نتیجه سیب زمین را به سمت خود می کشد، همانطور که زمین سیب را به سمت خود می کشد.

کتابدار انجمن سلطنتی در این عکس که در ژانویه 2010 توسط استاکلی از نسخه خطی زندگینامه نیوتن گرفته شده است به “آیا این سیب در حال سقوط است” اشاره می کند.

گزارش Stackley مفصل ترین و دقیق ترین گزارش از داستان سیب و کشف گرانش است، اما این تنها گزارش از دوران نیوتنی نیست. در همان سال، نیوتن حتی این داستان را برای افراد دیگر گفت. شامل کانال جانشوهر و دستیار برادرزاده او در ضرابخانه سلطنتی هستند، جایی که نیوتن آخرین سالهای زندگی خود را مدیریت می کرد.

کانال در مورد این داستان نوشت:

او در سال 1666 از کمبریج نزد مادرش در لینکلن شایر بازگشت. وقتی در باغ قدم می زد، فکر کرد که نیروی گرانش (که سیب را از درخت می کوبد) محدود به فاصله معینی از زمین نیست، بلکه باید بسیار فراتر از آن چیزی باشد که معمولاً تصور می شود.

به خودی خود مثلاً چرا یک ماه دیگر نه؟ و با این حال، [گرانش] همچنین باید بر حرکت ماه تأثیر بگذارد و شاید آن را در چرخش نگه دارد و بلافاصله شروع به محاسبه کند که چنین فرضیه ای چه تأثیری می تواند داشته باشد.

دست خط جان کاندویت در توصیف سقوط سیب و الهام نیوتن برای کشف جاذبه

اگرچه داستان سیب نیوتن کاندویت و استکلی بیش از هر داستان دیگری شناخته شده است، این داستان ابتدا در یک مقاله منتشر شد. سلمانیفیلسوف و نویسنده فرانسوی که در سال 1727، یک سال پس از مرگ نیوتن منتشر شد. ولتر در این مقاله اشاره ای بسیار کوتاه و آزمایشی به داستان سیب کرد:

هنگامی که اسحاق نیوتن در باغ خود قدم می زد، سیبی را دید که از درخت جاذبه سقوط کرد.

ظاهراً ولتر این داستان را به خواهرزاده نیوتن و همسر کاندویت گفته است. کاترین بارتوناو شنیده بود که از سال 1697 تا 1726 با نیوتن در املاک ولستورپ زندگی می کرد. در همان سال، روایت دیگری از داستان سیب نیوتن توسط فیلسوف طبیعی از دانشگاه کمبریج، رابرت گرینمنتشر شده به زبان لاتین:

من این را با این فکر نوشتم که نظریه گرانش نیوتن آغاز همه چیز بود… این نظریه تحسین شده از جایی می آید که گفته می شود تمام دانش ما از آنجا آمده است. از یک سیب من این را از یک مرد بسیار باهوش و تحصیل کرده به نام مارتین فولکس شنیدم.

همچنین از گزیده ای در روایت دیگری در کتاب “ارتفاعات کراون و یورکشایر شمال غربی” (1892) ویلیام داسونریاضیدانی که احتمالاً در چند سال آخر اقامت خود در کمبریج در دانشگاه نیوتن آموزش دیده است به درخت سیب نیوتن و نقش آن در تشخیص گرانش اشاره می کند.

از این روایات مختلف می توان نتیجه گرفت که ظاهراً نیوتن به بسیاری از مردم در مورد سقوط سیب در دوران پیری و ارتباط آن با کشف گرانش گفته است، اما این شایعه هیچ توضیح کتبی توسط خود این دانشمند ندارد. از سوی دیگر، در هیچ یک از این روایات اشاره ای به برخورد سیب به سر نیوتن نشده است و کاملاً مشخص نیست که اولین بار چه کسی ماجرای مشاهده سقوط سیب بر سر نیوتن را تغییر داده است. اما این داستان تقریباً توسط خود نیوتن، دوستان و معاصرانش گفته نشده است و به نظر ساختگی می رسد.

آیا درخت سیب نیوتن در آنجا وجود دارد؟

اولین گزارش از درخت سیب عمارت نیوتن که منجر به کشف گرانش شد در تاریخ شهر گرانتام است. ادموند ترنر در سال 1806، ‌، 80 سال پس از مرگ نیوتن، در پاورقی در صفحه 160:

این درخت همچنان پابرجاست و خارجی ها از آن بازدید می کنند.

چارلزبرادر ترنر همچنین تصویری از این درخت تاریخی را در سال 1820 ترسیم می کند و موقعیت آن را در املاک وولستورپ نشان می دهد:

اگرچه نیوتن دقیقاً نگفت که سیب را از کدام درخت دیده است، اما معلوم شد که در کل باغ فقط یک درخت سیب وجود دارد و بنابراین شکی نیست که الهام‌بخش نیوتن از کدام درخت بوده است.

عکسی از درخت سیب عمارت نیوتن (21 مارس 1998) که تقریباً از همان زاویه چارلز ترنر (1820) گرفته شده است.

این درخت سیب از دهه 1750 تحت مراقبت چندین نسل از خانواده بوده است. وولرتون آنها از سال 1733 تا 1947 به عنوان مستاجر در این خانه زندگی می کردند. در حالی که در طول سال ها مراقبت زیادی از این درخت باستانی انجام شده است، طوفانی در سال 1816 باعث شکستن تنه آن شد، همانطور که در طراحی چارلز ترنور دیده می شود. دیوید بروسترزندگی‌نامه‌نویس نیوتن با بازدید از عمارت نیوتن در سال 1830 طرحی از درخت شکسته کشید. چند سال بعد، یک جعبه مقوایی کوچک به انجمن سلطنتی رسید که زمانی حاوی چندین تکه از درخت سیب و یک کپی از طرح بروستر از باغ نیوتن بود.

ظاهراً پس از شکستن تنه درخت، افرادی که برای بازدید از عمارت ولستورپ آمده بودند، تکه های چوب را جمع آوری کردند تا سوغاتی و جعبه های کوچک درست کنند. ادموند ترنر نیز یک تکه چوب برای ساختن یک صندلی داد. طرح آبرنگی که از روی این صندلی توسط برادر ترنور کشیده شده است، اکنون در مجتمع سلطنتی جامعه نگهداری می شود.

تکه‌ای از درخت با حروف اول نیوتن نیز در مجموعه انجمن سلطنتی نگهداری می‌شود. در می 2010، این تکه چوب با شاتل STS-132 ناسا به فضا رفت تا جاذبه صفر را به مناسبت جشن های 350 سالگی انجمن سلطنتی جشن بگیرد. فضانورد ناسا فروشندگان سوراخ کننده او قبل از انجام این کار گفت:

من این تکه چوب را با خودم به فضا می برم و می گذارم کمی در فضا آویزان شود و ایزاک را گیج کنم. وقتی بالا باشد، شرایط گرانش صفر را تجربه خواهد کرد. یعنی اگر سیبی روی آن بود، سیب نمی افتاد; زیرا این عدالت شریعت اول بود که عمل او را به او نشان داد.

تکه ای از درخت سیب نیوتنی با حروف اول حکاکی شده و توسط شاتل ناسا به فضا پرتاب شد.

طوفانی که تنه این درخت تاریخی را پاره کرد، می‌توانست پایان عمر آن باشد و اگرچه برخی منابع می‌گویند که چنین بود، اما طرح‌های معاصری که از درخت ساخته شده‌اند تایید می‌کنند که درخت سیب نیوتن از ریشه کنده شده و از طوفان جان سالم به در برده است. این درخت 400 ساله هنوز در املاک Wolzthorpe است و حداقل 240 سال است که مردم از سراسر جهان از آن بازدید می کنند.

راه حل

بین مشاهده افتادن سیب از درخت و انتشار کتاب اصول ریاضی فلسفه طبیعی (5 ژانویه 1687)، که در آن نیوتن در مورد قانون گرانش جهانی صحبت می کند، 21 سال فاصله وجود دارد. و اگرچه توضیحات زیادی درباره نیوتن و برخی از دست نوشته ها وجود دارد، برخی هنوز این واقعیت را زیر سوال می برند که سیب ها در کشف گرانش به دلیل این دوره زمانی سقوط کرده اند. برخی بر این باورند که داستان سیب نیوتن توسط ذهن او ساخته شده است تا از آن برای تعریف بهتر نظریه گرانش و حتی افزایش شهرت خود استفاده کند. در عین حال، برخی معتقدند که این سیب افسانه ای در واقع نوعی استعاره است، زیرا سیب از دیرباز به عنوان میوه دانش از طریق داستان آدم و حوا شناخته شده است.

به طور کلی، اگر بخواهیم به این روایات استناد کنیم و فرض کنیم که نیوتن حقیقت را به دوستانش گفته است، باید گفت که داستان سیب نیوتن تا حدودی درست است، اما هیچ کدام از آنها اشاره ای به برخورد سیب به سر نیوتن نمی کنند و این دقیقاً همان چیزی است که این است. معلوم نیست این داستان از کجا آمده است. البته، اگر بخواهید داستان کشف گرانش را هنگام برخورد یک سیب با نیوتن تصور کنید، کاملاً قابل درک است. سه قرن و نیم بعد، با ارائه نظریه نسبیت عام اینشتین، فیزیکدانان هنوز به طور کامل به مکانیسم گرانش روی نیاورده اند. شاید این بار باید یک سیب بزرگتر بریزیم!

نمی دانم دنیا مرا چگونه می بیند. اما من خودم را مانند کودکی می بینم که در ساحل بازی می کند و گهگاه به دنبال پوسته ای نرم تر و زیباتر از حد معمول می گردد. در حالی که اقیانوس بزرگ حقیقت دره پیش روی من هنوز کشف نشده و وسیع است. – اسحاق نیوتن