قوانین حرکت نیوتن چگونه کار می‌کنند؟

ارسطو، فیلسوف یونانی، سال‌های متمادی بر تفکر علمی تسلط داشت. دیدگاه‌های او در مورد حرکت، به طور گسترده پذیرفته شده بود زیرا به نظر می‌رسید آنچه را که مردم در طبیعت مشاهده می‌کردند، تأیید می‌کرد. به عنوان مثال، ارسطو فکر می‌کرد که وزن، بر اجسام در حال سقوط تأثیر می‌گذارد. او استدلال می‌کرد که یک جسم سنگین‌تر، سریع‌تر از یک جسم سبک‌تر که همزمان و از یک ارتفاع رها شده باشد، به زمین می‌رسد. او همچنین مفهوم لختی را رد کرد و در عوض ادعا کرد که برای حفظ حرکت هر چیزی، باید دائماً نیرویی اعمال شود. هر دوی این مفاهیم اشتباه بودند، اما سال‌های زیادی – و به اندازه عمر چندین متفکر جسور – طول کشید تا این عقاید را سرنگون کنند.

اولین ضربه بزرگ به ایده‌های ارسطو در قرن شانزدهم وارد شد، زمانی که نیکلاس کوپرنیک مدل خورشیدمرکزی جهان خود را منتشر کرد. ارسطو نظریه‌پردازی کرده بود که خورشید، ماه و سیارات همگی حول مجموعه‌ای از کره‌های سماوی (مدار) به دور زمین می‌چرخند. کوپرنیک پیشنهاد کرد که سیارات منظومه شمسی به دور خورشید می‌چرخند، نه زمین. اگرچه این موضوع مستقیماً به مکانیک مربوط نمی‌شود، اما کیهان‌شناسی خورشیدمرکزی که توسط کوپرنیک توصیف شد، آسیب‌پذیری علم ارسطو را آشکار کرد.

گالیلئو گالیله نفر بعدی بود که ایده‌های فیلسوف یونانی را به چالش کشید. گالیله دو آزمایش انجام داد که اکنون کلاسیک محسوب می‌شوند و جهت تمام کارهای علمی پس از آن را تعیین کردند. در آزمایش اول، او یک گلوله توپ و یک گلوله تفنگ را از برج کج پیزا رها کرد. نظریه ارسطویی پیش‌بینی می‌کرد که گلوله توپ، که بسیار سنگین‌تر بود، سریع‌تر سقوط کند و زودتر به زمین برسد. اما گالیله دریافت که این دو جسم با سرعت یکسانی سقوط می‌کنند و تقریباً همزمان به زمین می‌رسند.

برخی از مورخان در مورد اینکه آیا گالیله اصلاً آزمایش پیزا را انجام داده است یا خیر، تردید دارند، اما او آن را با کار دومی ادامه داد که این دومی به خوبی مستند شده است. این آزمایش‌ها شامل غلتاندن توپ‌های برنزی با اندازه‌های مختلف بر روی یک صفحه چوبی شیبدار بود. گالیله ثبت کرد که یک توپ، در یک بازه زمانی یک ثانیه‌ای، چه مسافتی را طی می‌کند. او دریافت که اندازه توپ مهم نیست – و سرعت پایین آمدن آن در امتداد سطح شیبدار ثابت می‌ماند. از این آزمایش، او نتیجه گرفت که اجسام در حال سقوط آزاد، صرف نظر از جرم، شتاب یکنواختی را تجربه می‌کنند، البته تا زمانی که نیروهای خارجی مانند مقاومت هوا و اصطکاک به حداقل رسانده شده باشند.

اما رنه دکارت (René Descartes)، فیلسوف بزرگ فرانسوی، کسی بود که عمق و بعد جدیدی به حرکت لختی افزود. دکارت در کتاب “اصول فلسفه” خود سه قانون طبیعت را پیشنهاد کرد. قانون اول بیان می‌کند که هر چیز، تا آنجا که در توان دارد، همیشه در همان حالت باقی می‌ماند؛ و در نتیجه، هنگامی که یک بار به حرکت درآید، همیشه به حرکت خود ادامه می‌دهد. قانون دوم بیان می‌کند که تمام حرکت، ذاتاً، در امتداد خطوط مستقیم است. این قانون دکارت در واقع همان قانون اول نیوتن است که به وضوح در کتابی که در سال 1644 منتشر شد – زمانی که نیوتن هنوز نوزاد بود! – بیان شده است.

واضح است که اسحاق نیوتن، نتایج دکارت را مطالعه کرده بود. او از آن مطالعه به خوبی استفاده کرد و به تنهایی عصر مدرن تفکر علمی را آغاز کرد. کار نیوتن در ریاضیات منجر به پیدایش حساب دیفرانسیل و انتگرال شد. کار او در نورشناسی منجر به ساخت اولین تلسکوپ بازتابی شد. و با این حال، مشهورترین موهبت او به بشر در قالب سه قانون نسبتاً ساده بود که می‌توانست با قدرت پیش‌بینی بسیار زیاد، برای توصیف حرکت اجسام روی زمین و در آسمان‌ها مورد استفاده قرار گیرد. اولین این قوانین، مستقیماً از دکارت گرفته شده بود، اما دو قانون دیگر متعلق به خود نیوتن است.

او هر سه قانون را در کتاب “اصول ریاضی فلسفه طبیعی” یا پرینسیپیا (Principia)، که در سال 1687 منتشر شد، شرح داد. امروزه، پرینسیپیا همچنان یکی از تأثیرگذارترین کتاب‌ها در تاریخ هستی انسان است. بخش عمده اهمیت آن در قانون دومِ به طرز ظریف و ساده آن، F = ma، نهفته است که موضوع بخش بعدی است.