نویسنده و گردآورنده : شهرام خبیر

فضا- زمان- حرکت

دوم آنکه یونانیان طی سفرهای خود دریافته بودند که ستاره شمال، در مناطق جنوبی، پایین‌تر از نواحی شمالی در آسمان ظاهر می‌شود. (از آنجا که ستاره شمال بر فراز قطب شمال قرار دارد، ناظری که در قطب است، آنرا بالای سر خود می‌یابد اما ناظری که روی خط استواست، آنرا درست در افق مشاهده می‌کند) حتی ارسطو بر اساس اختلاف موقعیت ظاهری این ستاره در مصر و یونان، محیط دایره استوا را400 هزار استادیوم برآورد کرد. دقیقاً معلوم نیست یک استادیوم چقدر است اما احتمالاً حدود ۲۰۰ یارد بوده است و در اینصورت برآورد ارسطو نزدیک به دو برابر رقم پذیرفته شده کنونی است.

یونانیان دلیل سوّمی هم برای کروی بودن زمین داشتند: چرا وقتی کشتی ای به ساحل نزدیک می‌شود نخست بادبانهای آن در افق پدیدار می‌گردد و سپس بدنه آن؟

ارسطو می‌اندیشد زمین ثابت است و خورشید ماه، سیارات و ستارگان در مدارهای کروی گرد زمین می‌چرخند. این باور از آنجا ناشی می‌شد که به دلایل رازناکی احساس می‌کرد زمین مرکز عالم است و حرکت کروی کاملترین حرکاتهاست. بعدها یعنی دو قرن پس از میلاد مسیح، بطلمیوس این اندیشه را استادانه پروراند و بصورت یک مدل کیهانشناختی کامل درآورد.

زمین در مرکز کائنات بود و هشت فلک آن را در بر گرفته بودند و بر هر فلک ماه و خورشید و ستارگان و پنج سیاره‌ای که تا به آن روزگار شناخته شده بود یعنی عطارد، زهره، مریخ، مشتری و زحل قرار داشتند.

سیارات بر فلک مربوطه خود، دوایر کوچکتری راهی می‌پیمودند تا مسیرهای نسبتاً پیچیده رصد شده‌شان را توجیه نمایند. فلک بیرونی ثوابت را حمل می‌کرد و موقعیت آنها نسبت به یکدیگر هیچگاه تغییر نمی‌نمود، اما همه با هم در آسمان به گرد زمین می‌چرخیدند. هرگز معلوم نشد که فراتر از فلک ثوابت چه چیز قرار داشت اما بیگمان آنجا بخشی از جهان قابل مشاهده برای نوع بشر نبود.

مدل بطلمیوس برای پیش بینی موقعیت اجرام سماوی انصافاً دستگاه دقیقی بود. اما بطلمیوس برای آنکه پیش بینی‌هایش درست از آب درآید، می‌بایست فرض می‌کرد که مسیر ماه گاه تا دو برابر سایر مواقع، به زمین نزدیک می‌گردد و این بدان معنا بود که ماه می‌بایست گاه دو برابر دیگر اوقات در آسمان به نظر برسد! بطلیموس از این نقص آگاه داشت، اما با اینهمه مدل او عموما،ً هرچند نه کاملاً، پذیرفته شد. کلیسای مسیحی این دستگاه را به عنوان تصویری از جهان که با کتاب مقدس همخوانی داشت، برگزید چرا که در ورای گردون ثوابت با اندازه کافی جا برای بهشت و جهنم باقی می‌ماند.

با اینحال در سال ۱۵۱۴، یک کشیش لهستانی به نام نیکولاس کوپرنیکوس، دستگاه ساده‌تری پیشنهاد کرد. (کوپرنیک در آغاز شاید از ترس حکم ارتداد کلیسا، مدل خود را به طور ناشناس منتشر ساخت). به باور او خورشید در مرکز ثابت بود و زمین و دیگر سیارات در مدارهای دوار گرد آن در گردش بودند. کما بیش یک قرن طول کشید تا این حد جدی گرفته شود. آنگاه دو ستاره شناس یوهان کپلر آلمانی و گالیئو گالیله ایتالیایی آشکارا از نظریه کوپرنیک پشتیبانی کردند، اگرچه مدارهایی که این مدل پیش بینی می‌کرد، کاملاً با مدارهای رصد شده مطابقت نداشت.

در سال ۱۶۰۹ ضربه نهایی بر نظریه ارسطو/ بطلمیوس وارد شد. در آن سال گالیله شب هنگام آسمان را با تلسکوپی که به تازگی اختراع شده بود، رصد کرد. هنگام مشاهده مشتری دریافت که چندین قمر کوچک گرد آن در گردشند. این واقعیت می‌رساند که الزاماً همه چیز آنطور که ارسطو و بطلمیوس می‌اندیشیدند، ناگزیر از چرخش به دور زمین نیست. (البته، همچنان می‌شد باور داشت که زمین در مرکز جهان ثابت است و اقمار مشتری بر مسیرهای فوق العاده پیچیده‌ای گرد زمین در چرخشند و ناظر زمینی آنها را در حال چرخش حول مشتری می‌پندارد. با اینهمه نظریه کوپرینک بسیار ساده‌تر بود در همان هنگام، یوهان کپلر تئوری کوپرنیک را اصلاح کرد و گفت که مسیر سیارات نه دوار که بیضوی است (بیضی یک دایرۀ باریک و دراز است) اکنون، بالاخره پیش بینی‌های نظریه با مشاهدات مطابقت می‌کرد.

تا آنجا که به کپلر مربوط می‌شد، مدارهای بیضوی صرفاً فرضیه‌ای خاص و نه جهان شمول بود و از آنجا که بیضی‌ها بوضوح باندازۀ دوایر کامل نبودند، فرضیه‌ای نسبتاً ناجور به شمار می‌رفت. او که کمابیش بر حسب تصادف دریافته بود مدارهای بیضوی با مشاهده بخوبی مطابقت دارند، قادر نبود این دریافت را با اندیشۀ خود مبنی بر آنکه سیارات بر اثر نیروی مغناطیسی گرد خورشید می‌چرخند، سازگاری دهد. سالها بعد یعنی در ۱۶۸۷، سراسحق نیوتون توانست این مطالب را در کتاب خود اصول ریاضی فلسفه طبیعی که شاید مهم‌ترین اثر در فیزیک باشد، توضیح دهد. در این کتاب نیوتن نه تنها نظریه‌ای در باب چگونگی حرکت اشیاء در فضا و زمان عرضه کرد بلکه ریاضیات پیچیده‌ای را که برای تحلیل حرکت آنها لازم بود، بوجود آورد. بعلاوه نیوتن قانون جاذبه عمومی را عرضه کرد که بر اساس آن، هر جسمی در جهان به سوی هر جسم دیگری جذب می‌شود، هرچه جرم اجسام بیشتر باشد و هرچه فاصله آنها نزدیکتر گردد، با نیروی بیشتری به سوی هم جذب می‌شوند. همین نیروست که اشیاء را به سوی زمین می‌کشاند. (می‌گویند روزی نیوتون زیر درختی نشسته بود و سیبی روی سرش افتاد و این آغاز کشف بزرگ او بود. این داستان بیگمان ساختگی است. آنچه خود در اینباره گفته آنست که در جایی نشسته بود و «در فکر فرو رفته بود»، «سیبی بزمین افتاد و توجه وی را بخود معطوف داشت» و مفهوم جاذبه به ذهنش خطور کرد.) نیوتن نشان داد که بر پایه این قانون، گرانش سبب می‌شود که ماه گرد زمین و سیارات بدور خورشید مسیری بیضوی را بپیمایند.

مدل کوپرنیک از دست افلاک سماوی بطلمیوس خلاصی یافت و این اندیشه که جهان دارای مرز و کرانه ای طبیعی است بکنار نهاده شد. از آنجا که به نظر می‌رسد ثوابت بجز از چرخش در آسمان که ناشی از چرخیدن زمین حول محورش است، حرکت دیگری ندارند، طبیعی بود که فرض شود آنها اجرامی همانند خورشید خودمان هستند منتها خیلی دورتر.

نیوتن دریافت که بر اساس نظریه گرانش او، ستارگان باید یکدیگر را جذب کنند و بنابراین بنظر نمی‌رسید که اصلاً ساکن باشند. آیا آنها در نقطه‌ای از جهان همگی بیکدیگر برخورد نخواهند کرد؟ او در سال ۱۶۹۱ طی نامه‌ای به ریچارد بنتلی، یک متکفر برجسته دیگر آن روزگار، یادآور شد که اگر شمار ستارگان جهان بی‌نهایت نباشد و این ستارگان در ناحیه محدودی از فضا پراکنده باشند، این اتفاق واقعاً رخ خواهد داد. اما اگر تعداد نامحدودی ستاره در فضایی بیکران به طور کمابیش یکسان پراکنده باشند، دیگر نقطه مرکزی ای در کار نخواهد بود تا همگی به سوی آن کشیده شوند و لذا این حادثه اتفاق نخواهد افتاد.

این برهان نمونه‌ای است  از نکات ظریفی که هنگام بحث دربارۀ بیکرانگی به آن برخورد خواهیم کرد. در یک جهان بیکرانه، هر نقطه را می‌توان مرکز عالم پنداشت چرا که در هر سوی آن، بی‌نهایت ستاره وجود دارد. راهبرد درست به این مسئله، که سالها بعد مطرح گردید آنست که جهان را متناهی در نظر بگیریم، وضعیتی که منجر به برخورد ستارگان خواهد شد، و سپس ببینیم چنانچه ستارگان بیشتری که به زحمت پراکندگی یکسانی دارند، به این مجموعه افزوده شود، چه تغییراتی رخ خواهد داد. طبق قانون نیوتن، دسته جدید ستارگان در مجموع چیزی را تغییر نخواهند داد و بنابراین فروپاشی به همان سرعت پیشین بوقوع خواهد پیوست. ما هر قدر که بخواهیم می‌توانیم به مجموعه اولیه خود ستاره بیفزائیم، اما آنها همچنان به یکدیگر برخورد خواهند کرد. اکنون معلوم شده است که وجود مدلی ایستا از جهان بیکرانی که در آن گرانش همواره بصورت نیروی جاذبه عمل می‌کند، امکانپذیر نیست.

برای آنکه به حال و هوای کلی اندیشه پیش از قرن بیستم پی ببرید، بد نیست بدانید مسئله اینکه جهان در حال گسترش است یا در حال انقراض، برای هیچ کس مطرح نشده بود. عموماً می ‌پنداشتند که جهان یا همواره در حالتی ثابت موجود بوده یا آنکه در زمانی معین در گذشته خلق شده و کمابیش بهمان صورت که اکنون هست وجود داشته است. این امر تا حدی ناشی از تمایل انسان به باور به حقایق جاودانه است، همچنین سرچشمه آن را باید در احساس آرامش جست که اعتقاد به جهانی جاودان و تغییر ناپذیر در انسانِ اسیر پیری و مرگ به وجود می‌آورد.

حتی کسانیکه دریافته بودند که بر اساس نظریه گرانش نیوتن جهان نمی‌تواند ایستا باشد، به فکرشان خطور نمی‌کرد که جهان ممکن است در حال گسترش باشد. در عوض تلاش می‌کردند این نظریه را اصلاح کنند و می‌گفتند نیروی گرانش در فاصله‌های دور، به نیروی دافعه تبدیل می‌شود. این اصلاح، تاثیر چندانی بر پیش بینی آنها در مورد موقعیت سیارات نمی‌گذاشت، اما اجازه می‌داد که توزیع نامعین و بیکرانه ای از ستارگان، در حالت تعادل باقی بماند نیروهای جاذبه میان ستارگان نزدیک به هم با نیروهای دافعه ستارگان دور دست خنثی می‌شد و تعادل پایدار می‌ماند. با اینهمه حال می‌دانیم که چنین تعادلی ناپایدار خواهد بود: اگر ستارگان در ناحیه‌ای از فضا کمی بیکدیگر نزدیک شوند، نیروهای جاذبه میان آنها بیشتر خواهد شد و بر نیروهای دافعه خواهد چربید و روند برخورد ستارگان همچنان ادامه خواهد یافت. از سوی دیگر، اگر ستارگان کمی از یکدیگر بیشتر فاصله گیرند، نیروهای دافعه خواهد چربید و آنها را از یکدیگر دورتر و دورتر خواهد کرد.

ادامه دارد…