بسمه تعالی
گذر از طبیعیات ارسطوئی به فیزیک امروز
نجوم به معنای بررسی احوال آسمان، تا زمان بطلیموس و ابرخس کم و بیش به صورت علم دقیق در آمده بود. انسان کنجکاو با مشاهده حرکات ثوابت و سیارات و خورشید و ماه به نظم حاکم بر آسمان پی‌برده بود و می‌توانست رخ‌دادهای نجومی، نظیر خسوف و کسوف و مقارنه‌ها و مقابله‌ها، را با دقت قابل تحسینی پیش بینی کند. هندسه نخستین نیز که زاده کاربردهای روزمره معماری و مساحی بود، از همان زمان‌ها دقیق و مبتنی براصول موضوعه شده بود و در چارچوب منطق خاص خود مسیر تکاملی آرامی را می‌پیمود. هندسه سده‌های اول تا پانزدهم میلادی از چنان استحکامی برخوردار بود که منجمین بدون آن نمی‌توانستند نظم حاکم بر احوال آسمان را بیان کنند .
در مورد طبیعیات که درک ماهیت اجسام و اجرام و حیوان و انسان و به طور کلی عالم و حتی ورای آن را وجهه همت خود قرار داده بود، وضع چنین نبوده است. طبیعیات ارسطوئی تا سده‌های 15و16 میلادی فکر و ذکر ریز بین‌ترین اندیشمندان شرق و غرب را به خود مشغول کرده بود. ولی هیچ وقت مانند نجوم و ریاضیات دقیق نشد و به صورت علوم مبتنی بر اصول موضوعه درنیامد. بخشهائی از آن که از جواهر و اعراض و اقسام و احکام آنها سخن می‌گفتند کلاً نازا بودند. راهی برای آزمودن درستی و نادرستی احکام خود نشان نمی‌دادند و اصولاً چنین هدفی هم نداشتند. بخشهای دیگری از آن، که از ماده و خواص آن سخن می‌گفتند، نشانه‌هائی از واقعیات قابل درک داشتند. ولی این نشانه‌ها بسیار اندک و تنگ دامن بودند. توانائی پیش بینی نداشتند. و بالاتر از همه فن آفرین نبودند.
چرا هندسه و نجوم، کم و بیش از دو هزار سال پیش، به صورت دانش‌های دقیق درآمدند ولی طبیعیات تا زمان‌های گالیله و نیوتن (قرن شانزدهم میلادی) چنین فرصتی نیافتند؟ به نظر نگارنده پاسخ ساده است. نجوم و هندسه مبانی تجربی و مشاهداتی داشتند. چنین تفکری در طبیعیات، اقلاً تا اواخر قرن شانزدهم میلادی پیدا نشد. دانشجوی امروزی ممکن است باور نکند، ولی واقعیت داشت که فیلسوفان عالی قدر گذشته شرق و غرب کسر شأن‌شان بود برای استدلالات عقلی خود تایید تجربی به‌جویند. آنچه در زیر می‌آید عمدتاً شرح و بسط همین نقطه نظر است[1]).
برای گشودن باب سخن، فیزیک به معنای وسیع کلمه را، شناخت نظم حاکم برطبیعت تعریف می‌کنم. تاریخ تحول و تکامل این شناخت فراز و نشیب‌های زیادی داشته و جدل‌های فراوانی به خود دیده است. ولی در زمان حاضر گمان می‌کنم فیزیک‌پیشه‌گان اتفاق نظر داشته باشند که کشف و فهم پدیده‌های فیزیکی باید مراحل زیر را به‌پیماید:
1. بررسی موضوع و جمع‌آوری داده‌های مشاهداتی مورد نظر
2. تشخیص نظم در داده‌ها و بیان آن به صورت قانون ریاضی
3. نتیجه‌گیری از قانون به کمک منطق ریاضی
4. زدن محک تجربه به نتیجه‌گیری‌ها و تعیین تقریب تطابق حکم صادره با واقعیات مشاهداتی. به عبارت دیگر تعیین "محدوده اعتبار قانون".
مثال:
1. اگر به سنگ نیرو وارد شود شتاب می‌گیرد.
2. شتاب با اندازه نیرو و باعکس جرم سنگ متناسب است(مرحله تشخیص نظم و وضع قانون F=ma).
3. حل معادله حرکت یک پرتابه با استفاده از قانون F=maو نتیجه گرفتن که مسیر پرتابه سهمی است.
4. مشاهدات مسیر سهمی سنگ در گنجشک‌زنی را تایید می‌کنند. ولی گلوله توپ‌های دور برد در نیم کره شمالی زمین همیشه به طرف راست نقطه هدف می‌خوردند و مسیر سهمی درست و حسابی نداشتند.
بنابراین حکم براین که مسیر پرتابه‌ها سهمی است تقریبی است. باید صبر می‌کردیم تا کوریولیس از راه به‌رسد و به‌گوید که دقت قانون F=ma برای پرتابه‌ها در روی زمینی که حرکت دورانی دارد g/?? است که در آن ? سرعت پرتابه، ? سرعت زاویه‌ای دوران زمین و g شتاب جاذبه زمین است. قانون F=ma ، برای گنجشک‌زنی به خاطر ? کوچک سنگ ، دقت لازم را دارد . ولی برای زدن کشتی جنگی دشمن به خاطر سرعت زیاد گلوله توپ کافی نیست. لازم است نیروهای کوریولیس به آن افزوده شود.(لازم است یادآوری شود که مثال یاد شده تنها برای بیان منظور در این مقال انتخاب شده و استنباط تاریخی از آن روا نیست).
به‌نظر می‌رسد اکثر قوانین فیزیک در فرآیند تکوین خود همین مراحل را پیموده‌اند، اعم از این که کاشفین نابغه آنها به‌این نحوه تکامل یافته‌های‌شان وقوف داشته‌اند، یا این‌که راه پرپیچ و خم آزمون و خطا را رفته‌اند. قانون جمع سرعت‌های گالیله در سرعت‌های کم از بوته آزمایش بی‌غش بیرون می‌آید. ولی برای الکترونهائی که سرعت‌های نزدیک به نور دارند بی‌عیب نیست. تبدیلات گالیله جایش را به تبدیلات لورنتز می‌دهد و دینامیک نیوتنی به نفع دینامیک نسبیتی انیشتن کنار می‌کشد. ولی لازم است تاکید شود که با آمدن نسبیت انیشتن، مکانیک نیوتن باطل نمی‌شود. تنها محدوده اعتبار آن تعیین می‌شود که از مرتبه
(?/c)2 است که در آن c سرعت نور و ? سرعت در مسئله مورد نظر است. برای پرتاب ماهواره‌ای با سرعت 15 کیلومتر بر ثانیه به فضا دقت محاسبات نیوتنی9-10*5/2= 2(000 300/15) است. اگر چنین دقتی برای طراح ماهواره کافی است لازم نیست سراغ محاسبات نسبیتی به‌رود.
مثال دیگر: موضوع بحث مکانیک نیوتنی، ذرات و حرکات آنهاست. برای این منظور به هر ذره مختصات مکان نسبت داده می‌شود. ولی الکترونها در عبور از شبکه‌های بلوری الگوهای تداخلی دارند و خاصیت موجی بروز می‌دهند. موج را در یک نقطه نمی‌توان متمرکز دانست. بنابراین برای موجی بودن ذرات مادی لازم است اندیشه شود. مکانیک نیوتنی باردیگر کنار می‌کشد و جا برای مکانیک کوانتومی باز می‌شود. هنوز جای نگرانی نیست و مکانیک نیوتنی باطل نشده است. طول موج منسوب به ذرات متناسب باعکس تکانه آنهاست، (
مثال دیگر: اگر با ذره سریعی سروکار داریم که آثار کوانتمی هم از خود بروز می‌دهد، هنوز باید سراغ مکانیک دقیقتر، مکانیک کوانتمیِ نسبیتی را بگیریم که هر دو اثر کوانتمی و نسبیتی را در نظر می گیرد.