آیا گرانش با برخورد سیب به سر نیوتون کشف شد؟

همه‌ی ما داستان کشف گرانش توسط نیوتن را با برخورد سیب به سرش به خاطر می‌آوریم. چقدر این ماجرا به حقیقت نزدیک است؟

سال ۱۶۶۶؛ طاعون بزرگ لندن در حال گرفتن جان هزاران نفر و فراری دادن بازمانده‌ها به مناطق دورافتاده بود. در میان این بازمانده‌ها، آیزاک نیوتن جوان بود که پس از چهار سال تحصیل در دانشگاه کمبریج، مجبور شد برای مدتی به عمارت وولزتورپ، خانه‌ی روستایی مادرش، پناه ببرد و در آنجا به معمای چرخش ماه به دور زمین بیندیشد. تا اینکه یک روز که زیر درخت سیب باغ عمارت نشسته بود و از هوای تمیز و چه‌چه پرندگان لذت می‌برد، سیبی از درخت جدا شد و به سرش برخورد کرد؛ و در این لحظه‌ی تاریخی و سرنوشت‌ساز بود که نیوتن قانون گرانش را کشف کرد.

ماجرای سیب نیوتن یکی از مشهورترین و ماندگارترین حکایت‌های علمی در تاریخ است و تقریباً تمام دانش‌آموزان دنیا در کتاب‌های درسی درباره‌اش خوانده‌اند؛ اما آیا این حکایت به‌ همان شکلی که به یاد می‌آوریم، اتفاق افتاده است؟ همراه زومیت باشید تا ماجرای افتادن سیب از درخت و ارتباط آن را با کشف جاذبه راستی‌آزمایی کنیم.

ماجرای افتادن سیب از کجا شروع شد؟

طاعون بزرگ لندن درِ بسیاری از اماکن عمومی و دانشگاه‌ها را تخته کرده بود و نیوتن مجبور شد کمبریج را رها کند و به زادگاهش نزدیک گرانتهام در لینکلن‌شر بازگردد. روزهایی را که نیوتن به دور از دانشگاه در عمارت وولزتورپ سپری می‌کرد، ذهنش درگیر معمای چرخش ماه به دور زمین بود تا اینکه در نهایت اینطور استدلال کرد که گرانش بایستی در فواصل بسیار دور نیز تأثیرگذار باشد.

مشهور است که نیوتن پس از مشاهده‌ی اینکه سیب‌ها همیشه به‌طور عمود روی زمین می‌افتند، چندین سال مشغول کار روی فرمول‌های ریاضی بود تا نشان دهد چطور نیروی گرانش با مجذور فاصله‌ی میان دو جسم رابطه‌ی عکس دارد؛ اما آیا مدرکی وجود دارد که ثابت کند نیوتن واقعاً از افتادن سیب برای رسیدن به نیروی گرانش الهام گرفته بود؟

در همین ابتدا باید بگوییم که از خود نیوتن هیچ نوشته‌ای در دست نیست که ماجرای افتادن سیب در آن شرح داده شده باشد؛ اما مدارک دیگری وجود دارد که نشان می‌دهد نیوتن در سن پیری درباره‌ی نقش کلیدی درخت سیب در کشف بزرگ و تاریخی‌اش با دیگران صحبت کرده بود.

برای نشان دادن رابطه‌ی کشف گرانش با افتادن سیب از درخت، مورخان معمولاً به گزارش ویلیام استاکلی، عتیقه‌شناس و باستان‌شناس دوست و هم‌دوران نیوتن استناد می‌کنند که در کتاب‌ زندگی‌نامه‌ی نیوتن (۱۷۵۲) به آن اشاره کرده بود.

صفحه‌ای از بیوگرافی نیوتن، نوشته‌ی ویلیام استاکلی (۱۷۵۲) که ماجرای الهام گرفتن نیوتن از افتادن سیب را بازگو می‌کند

استاکلی همچون نیوتن در لینکلن‌شر به دنیا آمده بود و از این نقطه‌ی اشتراک برای برقراری رابطه‌ای دوستانه با این دانشمند بدقلق و بداخلاق استفاده کرد. این دو که از اعضای انجمن سلطنتی، نخستین انجمن علمی جهان، بودند به‌طور مرتب با یکدیگر ملاقات و در مورد مسائل مختلف صحبت می‌کردند. در یکی از روزهای سال ۱۷۲۶، یعنی یک سال پیش از مرگ نیوتن، این دو دوست در لندن برای صرف شام با یکدیگر ملاقات کردند. در بخشی از بیوگرافی نیوتن به قلم استاکلی که نسخه‌ی دست‌نویس آن توسط انجمن سلطنتی برای اولین بار در سال ۲۰۱۰ منتشر شد، این دیدار بدین‌صورت شرح داده شده است:

بعد از شام، چون هوا گرم بود، به باغ رفتیم و در زیر سایه‌ی درخت سیب، چای نوشیدیم؛ فقط من و او. میان گفت‌و‌گویمان، به من گفت اکنون در همان شرایطی بود که برای اولین بار مفهوم گرانش به ذهنش خطور کرده بود. درحالی‌‌که غرق در فکر بود و سیبی به زمین افتاد، با خودش فکر کرد چرا سیب باید همیشه عمود به زمین فرود بیاید. چرا نباید به طرفین یا به سمت بالا بیفتد و همیشه به سمت مرکز زمین فرود می‌آید؟ مطمئناً به این دلیل است که زمین آن را به سمت خود می‌کشد. در ماده باید نیروی کششی وجود داشته باشد. و مجموع این نیروی کششی در ماده‌ی زمین باید در مرکز زمین باشد، نه در هیچ سمتی از آن.

بنابراین، آیا این سیب به‌طور عمود می‌افتد یا به سمت مرکز؟ اگر ماده، ماده را به سمت خود می‌کشد، پس باید به نسبت مقدار آن باشد. در‌ نتیجه، همان‌طورکه زمین سیب را به سمت خود می‌کشد، سیب نیز زمین را به سمت خود می‌کشد.

در این عکس از نسخه‌خطی بیوگرافی نیوتن نوشته‌ استاکلی که ژانویه ۲۰۱۰ گرفته شده، کتابدار انجمن سلطتنی به کلمات «does this apple fall» اشاره می‌کند

گزارش استاکلی پرجزئیات‌ترین و دقیق‌ترین روایت داستان سیب و کشف گرانش است، اما تنها روایت از دوران نیوتن نیست. در‌ واقع نیوتن این داستان را همان سال برای افراد دیگری نیز تعریف کرده بود؛ از جمله جان کاندوئیت، شوهر خواهرزاده و دستیارش در ضرابخانه‌ی سلطنتی که نیوتن سال‌های آخر عمرش را به اداره‌ی آن گذرانده بود.

کاندوئیت درباره‌ی این ماجرا این‌طور نوشت:

در سال ۱۶۶۶، او از کمبریج نزد مادرش در لینکلن‌شر بازگشت. درحالی‌که در باغ قدم می‌زد به این فکر افتاد که نیروی گرانش (که سیب را از روی درخت به زمین می‌انداخت) محدود به فاصله‌ی معینی از زمین نیست، بلکه این نیرو باید بسیار فراتر از آنچه که معمولاً تصور می‌شد، حضور داشته باشد.

او با خودش گفت، مثلاً چرا تا فاصله‌ی ماه نه؟ و اگر این‌ چنین است، [گرانش] باید بر حرکت ماه نیز تأثیر بگذارد و شاید آن را در حال چرخش نگه دارد و بلافاصله بعد از این شروع کرد به محاسبه‌ی اینکه چنین فرضیه‌ای چه تأثیری می‌توانست داشته باشد.

دست‌خط جان کاندوئیت که ماجرای افتادن سیب و الهام گرفتن نیوتن از آن برای کشف گرانش را شرح داده است

اگرچه روایت کاندوئیت و استاکلی از ماجرای سیب نیوتن از بقیه مشهورتر است، با‌این‌حال، این داستان برای اولین بار در مقاله‌ی وُلتِر، فیلسوف و نویسنده‌ی فرانسوی، در سال ۱۷۲۷، یعنی یک سال بعد از مرگ نیوتن، به چاپ رسید. ولتر در این مقاله اشاره‌ی بسیار کوتاه و گذرایی به ماجرای سیب کرده بود:

آیزاک نیوتن درحالی‌که داشت در باغش قدم می‌زد، با مشاهده‌ی افتادن سیبی از درخت فکر نظام گرانش‌‌ به ذهنش خطور کرد.

ولتر ظاهراً این داستان را از خواهرزاده‌ی نیوتن و همسر کاندوئیت،‌ کاترین بارتون، شنیده بود که طی سال‌های ۱۶۹۷ تا ۱۷۲۶ همراه با نیوتن در عمارت وولزتورپ زندگی می‌کرد. روایت دیگری نیز از داستان سیب نیوتن در همان سال توسط فیلسوف طبیعی دانشگاه کمبریج، رابرت گرین، به چاپ رسید که برگردان آن از لاتین بدین شرح است:

این را من زمانی که فکر می‌کردم نظریه‌ی گرانش نیوتن شروع همه‌چیز است، نوشته بودم… این نظریه‌ی تحسین‌شده از همان جایی سرچشمه می‌گیرد که گفته می‌شود تمام دانش ما از آن آمده است؛ از یک سیب. من این را از مردی بسیار باهوش و فرهیخته به نام مارتین فولکس شنیدم.

همچنین در روایتی دیگر در کتاب «ارتفاعات کراوون و شمال غربی یورکشایر» (۱۸۹۲) از قول ویلیام داسون، ریاضیدانی که احتمالاً در چند سال آخر اقامتش در دانشگاه کمبریج پیش نیوتن درس یاد گرفته بود، به درخت سیب خانه‌ی نیوتن و نقش آن در کشف گرانش اشاره شده است.

از این روایات مختلف می‌توان این‌طور برداشت کرد که نیوتن ظاهراً در سن پیری ماجرای افتادن سیب و ارتباط آن با کشف گرانش را برای افراد زیادی تعریف کرده، هرچند از این روایت به قلم خود این دانشمند نوشته‌ای در دست نیست. از طرفی، درهیچ‌کدام از این روایت‌ها به برخورد سیب به سر نیوتن اشاره‌ای نشده و دقیقاً هم مشخص نیست اولین بار چه‌ کسی و با چه انگیزه‌ای ماجرای مشاهده‌ی افتادن سیب را به برخورد سیب به سر نیوتن تغییر داد؛ اما می‌توان تقریباً به‌طور حتم گفت این داستان از زبان خود نیوتن و دوستان و هم‌دوران‌های او نبوده است و به‌نظر می‌رسد چنین روایتی ساختگی باشد.

آیا درخت سیب نیوتن وجود خارجی دارد؟

اولین گزارش از درخت سیب باغ عمارت نیوتن که به کشف گرانش انجامید، در کتاب «تاریخچه‌ی شهر گرانتام» نوشته‌ی ادموند ترنور در سال ۱۸۰۶،‌ یعنی ۸۰ سال پس از مرگ نیوتن و در بخش پاورقی آن در صفحه‌ی ۱۶۰ آمده است:

آن درخت هنوز سر پا است و غریبه‌ها از آن بازدید می‌کنند.

چارلز، برادر ترنور نیز تصویری از این درخت تاریخی را در سال ۱۸۲۰ کشید که محل قرار گرفتن آن را در عمارت‌خانه‌ی وولزتورپ نشان می‌دهد:

هرچند خود نیوتن هیچ‌گاه به‌طور مشخص نگفت افتادن سیب را از کدام درخت عمارت مشاهده کرده، این‌طور که پیدا است تنها یک درخت سیب در کل باغ وجود داشته و بدین‌ترتیب در اینکه کدام درخت منبع الهام نیوتن بوده، تردیدی نیست.

عکسی از درخت سیب عمارت‌خانه نیوتن (۲۱ مارس ۱۹۹۸) که تقریباً از همان زاویه‌ نقاشی چارلز ترنور (۱۸۲۰) ثبت شده است

این درخت سیب از دهه‌ی ۱۷۵۰، تحت مراقبت چندین نسل‌ از خانواده وولرتون بوده که به‌عنوان مستأجر از سال ۱۷۳۳ تا ۱۹۴۷ در این خانه زندگی می‌کردند. اگرچه برای مراقبت از این درخت کهن در طول سال‌ها زحمت زیادی کشیده شد، توفانی در سال ۱۸۱۶ باعث شکسته شدن تنه‌ی آن شد که در طرح چارلز ترنور نیز قابل‌مشاهده است. دیوید بروستر، نویسنده‌ی زندگی‌نامه‌ی نیوتن که در سال ۱۸۳۰ از عمارت‌خانه‌ی نیوتن بازدید کرد، طرحی از این درخت شکسته را کشید. چندین سال بعد، جعبه‌ی کارتنی کوچکی به دست انجمن سلطنتی رسید که زمانی چندین تکه از این درخت سیب و یک نسخه از طرح بروستر از باغ نیوتن را در خود جای داده بود.

ظاهراً در پی شکسته شدن تنه‌ی این درخت، افرادی که برای بازدید از آن به عمارت وولزتورپ می‌آمدند، تکه‌هایی از چوبش را برای یادگاری و ساخت جعبه‌های کوچک بر‌می‌داشتند. ادموند ترنور نیز تکه‌ای از این درخت را داد تا با آن صندلی بسازند. طرح آبرنگی که برادر ترنور از این صندلی کشیده، اکنون در مجموعه‌ی انجمن سلطنتی نگه‌داری می‌شود.

علاوه‌بر‌این، در مجموعه‌ی انجمن سلطنتی تکه‌ای از چوب این درخت که حروف اول نام نیوتن روی آن حکاکی شده، نگه‌داری می‌شود. در مه ۲۰۱۰، این تکه چوب به مناسبت جشن‌های ۳۵۰ سالگی انجمن سلطنتی با شاتل ناسا طی مأموریت STS-132 به فضا رفت تا جاذبه‌ی صفر را تجربه کند. فضانورد ناسا، پیرز سلرز پیش از انجام این مأموریت گفت:

من این تکه چوب را با خودم به فضا می‌برم و می‌گذارم کمی در فضا معلق شود و آیزاک را گیج کند. زمانی که آن بالا است، شرایط جاذبه‌ی صفر را تجربه خواهد کرد. برای همین اگر سیبی روی آن بود، سیب دیگر نمی‌افتاد… آیزاک با‌ فرض اینکه «فضازده» نمی‌شد، مطمئناً دوست داشت چنین صحنه‌ای را از نزدیک ببیند. چون این درست بودن قانون اول حرکتش را به او نشان می‌داد.

تکه‌ای از چوب درخت سیب نیوتن که حروف اول اسم او روی آن حک شده و با شاتل ناسا به فضا رفته بود

توفانی که تنه‌ی این درخت تاریخی را شکست، می‌توانست پایان عمرش باشد و اگرچه برخی از منابع می‌گویند که همین‌طور بوده، طرح‌های معاصری از این درخت تأیید می‌کنند که درخت سیب نیوتن بعد از توفان دوباره ریشه دوانده و زنده مانده است. حالا این درخت ۴۰۰ ساله همچنان در عمارت‌خانه‌ی وولزتورپ نگه‌داری می‌شود و دست کم ۲۴۰ سال است که افراد از گوشه‌و‌کنار دنیا از آن بازدید می‌کنند.

جمع‌بندی

بین زمان مشاهده‌ی افتادن سیب از درخت و انتشار کتاب «اصول ریاضی فلسفه طبیعی» (۵ ژانویه ۱۶۸۷) که در آن نیوتن از قانون جهانی گرانش سخن گفت، ۲۱ سال فاصله وجود دارد؛ و با وجود روایت‌های بسیاری که از این واقعه از قول نیوتن بازگو شده و نسخه‌خطی برخی از آن‌ها نیز موجود است، هنوز عده‌ای حقیقت نقش داشتن افتادن سیب در کشف گرانش را به‌خاطر این فاصله‌ی زمانی زیر سؤال می‌برند. برخی معتقدند داستان سیب نیوتن ساخته‌ی ذهن او بوده تا بتواند نظریه‌ی گرانش را بهتر توصیف کند یا حتی از آن برای افزایش شهرتش بهره ببرد. در همین حال برخی بر این باورند که این سیب افسانه‌ای در ‌واقع نوعی استعاره است، چراکه سیب از دیرباز و با داستان آدم و حوا به‌عنوان میوه‌ی دانش شناخته می‌شده است.

در کل،‌ اگر بخواهیم به این روایت‌ها استناد کنیم و فرض کنیم نیوتن حقیقت ماجرا را برای دوستانش تعریف کرده، باید گفت داستان سیب نیوتن تا حدودی حقیقت داشته، هرچند در هیچ یک از آن‌ها به برخورد سیب به سر نیوتن اشاره نشده است و دقیقاً معلوم نیست این داستان از کجا سرچشمه می‌گیرد. البته کاملاً قابل درک است اگر همچنان ترجیح می‌دهید ماجرای کشف گرانش را با برخورد سیب به سر نیوتن تصور کنید. از آن سو، سه قرن و نیم بعد و با مطرح شدن نظریه‌ی نسبیت عام انیشتین، فیزیکدان‌ها هنوز هم به‌طور کامل از سازوکار گرانش سر درنیاورده‌اند. شاید این بار به افتادن سیب بزرگ‌تری نیاز داشته باشیم!

من نمی‌دانم دنیا مرا چگونه می‌بیند؛ اما من خودم را تنها شبیه پسری می‌بینم که مشغول بازی در ساحل است و هر از گاهی به‌دنبال تکه‌سنگی صیقلی‌تر یا صدفی زیباتر از معمول می‌گردد؛ درحالی‌که اقیانوس بزرگ حقیقت در‌ برابر من همچنان کشف‌نشده و گسترده است. – آیزاک نیوتن