بایگانی‌های مفاخر فیزیک - دکتر حامد پورجوادی

دستاوردهای مهم ابن هیثم

ابن هیثم پدر علم فیزیک نور و آغاز کننده تحولاتی است که بعدها به ساخت دوربین عکاسی، دوربین سینما و پروژکتور پخش فیلم منجر شد. از بزرگترین ریاضیدانان و بنا بر دائرة المعارف الاسلامیه بی‌گمان بهترین فیزیکدان مسلمان که اولین دانشمند فیزیک نور در جهان است که در زمینه شناخت نور و قانون ‌های شکست و بازتاب آن نقش مهمی ایفا کرده ‌است. او در طی دوران زندگی خود به دستاورد های مهمی نایل آمده که این دستاورد ها به قرار ذیل اند:

– نخستین کسی است که ۷۰۰ سال قبل از نیوتن به بررسی ویژگی ‌های نور پرداخت.
– رساله ‌ای درباره نور نوشت و نخستین آزمایش ها را درباره خواص نور را انجام داد.
– به نسبت زاویه تابش و زاویه انکسار پی برد (برخی از مورخان این علم بر این باورند که قانون اِسنل در واقع نشات گرفته از تحقیقات ابن سهل و ابن هیثم می ‌باشد).
– اصول تاریکخانه یا اتاقک تاریک (camera obscura) را شرح داد و ذره بین را ساخت (در سده پنجم هجری/یازدهم میلادی این ابزار را برای بررسی خورشید گرفتگی به کار برد، این ابزار در زمان جنگ‌ های صلیبی به اروپا راه یافت).
– قوانین شکست نور را کشف کرد.
– در مورد قسمت‌ های مختلف چشم بحث کرد.
– ذره ‌بین را ساخت و اصول تاریکخانه را شرح داد که منجر به ساخت دوربین عکاسی گردید.
– بررسی سایه ها، رنگین کمان، خورشیدگرفتگی و ماه گرفتگی و همچنین تخمین ارتفاع جو زمین از دیگر دستاورد های این محقق است.
– شهرت ابن هیثم در نجوم بیشتر به سبب تألیف رساله ‌ای به نام مقاله فی هیئته العالم است.
– نخستین دانشمند در عصر خود بود که برای بررسی تئوری‌ های خود، از شواهد عملی استفاده می‌کرد.
– ابن هیثم رنگ‌ ها را واقعی و متمایز از نور دانست و گفت که اجسام رنگین، نور خود را در خط مستقیم در همه جهات می ‌پراکنند.
– او گفت رنگ‌ ها همیشه با نور حضور دارند٬ در آن آمیخته‌ اند و بدون آن هرگز به چشم نمی‌آیند.
– به دید برخی پژوهشگران ابن هیثم نخستین دانشمند جهان است که سرعت صوت را محاسبه کرده ‌است.
– وی با معیار متعارف اندازه‌گیری طول در زمان خود؛ که واحد ذرع بود، سرعت نور و دور کره زمین را اندازه گرفت.
– او را اولین دانشمندی می ‌شناسند که از روش مبتنی بر آزمایش در کارهایش استفاده کرده است.
– سیارک شماره ۵۹۲۳۹ به افتخار این دانشمند ۵۹۲۳۹ ابن هیثم نامیده شده‌ است.
– بيش از ۲۰۰ كتاب از تأليفات او نام برده اند از جمله: كتاب المناظر، كيفيات الاظلال، كتاب فى المرايا المحرقه بالقطوع، كتاب فى المرايا المحرقه بالدوائر، كتاب فى مساحة المجسم المكافى، فقراتى از رسالة فى المكان، فى مسئلة عدديّة، فى شكل بنى موسى، فى اصول المساحه.

فیزیک نور

نظریه نور و بینایی ابن هیثم با هیچ یک از نظریه هایی که قبلاً در عهد باستان یا در اسلام وجود داشته است، یکسان نیست و همچنین برگرفته از آنها نیز نمی باشد. به نظر می رسد اولین درک واقعی از عملکرد یک عدسی، به ویژه توانایی یک شکل محدب برای ایجاد تصویر بزرگنمایی شده از یک جسم، به ابن هیثم نسبت داده شود. در اواخر قرن سیزدهم بود که عینک ها اختراع شدند که نشان دهنده اولین استفاده عملی از بزرگنمایی در جامعه بود.

ابن هیثم به بررسی کامل عبور نور از حالت های مختلف ماده پرداخت و قوانین شکست را کشف کرد. او همچنین اولین آزمایش‌ها را در مورد پراکندگی نور در تشخیص رنگ‌های تشکیل‌دهنده آن انجام داد. رساله هفت جلدی ابن هیثم در اپتیک، کتاب المناظر (کتاب اپتیک)، که او در حبس بین سال های 1011 تا 1021 نوشته است، در کنار کتاب فلسفه طبیعی اصول ریاضی اسحاق نیوتن به عنوان یکی از تأثیرگذارترین کتاب هایی که تا کنون نوشته شده است، قرار گرفته است. ابن هیثم، در فیزیک، درک نور و بینایی را به شدت متحول کرد.

او به طور طولانی مدت به تحقیق در رابطه با پدیده های فیزیکی مختلف مانند سایه ها، کسوف و رنگین کمان پرداخت و در مورد ماهیت فیزیکی نور اندیشید. او همچنین سعی کرد دید دوچشمی (binocular vision) را توضیح دهد و توضیح درستی از افزایش ظاهری اندازه خورشید و ماه در نزدیکی افق ارائه کرد. او به خاطر اولین استفاده از دوربین ابسکورا (obscura) و دوربین پین هول(pinhole) شناخته شده است. همانطور که گفته شد، او با نظریه بطلمیوس و اقلیدس در مورد بینایی که اجسام توسط پرتوهای نوری که از چشم ها ساطع می شود، دیده می شوند، مخالفت کرد. به گفته ابن هیثم پرتوها از یک منبع نشات می گیرند نه از چشم. با این تحقیقات گسترده در زمینه اپتیک، او را پدر اپتیک مدرن دانسته اند.

او در کتاب المناظر دو شیوه انتشار نور را اینگونه بیان کرده است که بازتاب از سطحی صاف و شکست نور هنگام عبور از یک جسم شفاف به جسم شفاف دیگر است. وی برای اثبات نظریه خود درباره بازتاب و شکست نور و نور تابیده از جسم منیر و غیرمنیر با استفاده از ابزاری، چون لوله دیدگر، رشته و اتاقک تاریک آزمایش‌های فراوانی انجام داد.

علاوه بر اینها، وی بر آن بود که رنگ هم مانند نور واقعی است، ولی با آن تفاوت دارد و در آخر با آزمایش نشان داده که رنگ همیشه همراه نور و آمیخته با آن است و بدون وجود نور به چشم نمی‌آید. وی در مورد ماهیت نور نظریه‌ای عرضه کرده که در آن مفهوم کمترین نور را بیان کرده است به این صورت که کمترین نور، تک پرتوی است که فقط در امتداد خط راستی انتشار می‌یابد که در طول آن گسترش دارد و نور در تمام راستا چه موازی، چه متقاطع گسیل می‌شود. او چنین نتیجه گرفت که هر روزنه‌ای یا آن‌قدر گشاد است که به نور امکان انتشار مستقیم می‌دهد یا به قدری تنگ است که نور به هیچ‌وجه از آن نمی‌گذرد.از کار‌های دیگر او تشریح ساختار چشم است. وی با دقتی بسیار ساختار چشم را چنان توصیف کرد که با توضیح وی درباره دید سازگار باشد و پس از آن نظریه خود را درباره دید و علت دیده شدن اجسام بیان کرده است.

برخلاف پیشینیانش او بر آن بود که نور از اشیا به چشم می‌رسد و علت دیده شدن اجسام همین موضوع است. او در این‌باره پژوهش‌های علوم طبیعی خود را با ریاضی ترکیب کرد. با آوردن مثال‌هایی مانند احساس درد در چشم هنگام خیره شدن به نور شدید، بیان کرد که در نور خاصیتی است که بر چشم اثر می‌گذارد و چشم نیز خاصیتی دارد که از آن تأثیر می‌پذیرد و به همین سبب تنها راه توضیحِ “دیدن” این است که بپذیریم نور از جسم به چشم می‌رسد. او در ادامه تلاش کرد تا بیان کند چه شرایطی لازم است که تصویر سالم و کامل اجسام به چشم برسد و در آنجا تأثیر دیداری بگذارد و در واقع با این کار، وی نخستین کسی بود که توانست رابطه شکل اجسام مرئی و چشم را توصیف کند. ابن هیثم در پایان کتابش علت دیدن شکل کامل اجسام را نور‌هایی دانسته که از اجسام به خط راست به چشم می‌رسد یا شکسته می‌شود، اما در نهایت تصویر کاملی به ما ارائه می‌دهد.

شرح اصول اتاقک تاریک و اختراع ذره‌بین از کارهای برجستهٔ ابن هیثم می باشد که در نهایت منجر به ساخت دوربین عکاسی گردید. او ابزاری را به نام جعبه تاریک (camera obscura) را برای بررسی خورشیدگرفتگی به کار برده بود. این ابزار در زمان جنگ‌های صلیبی به اروپا راه یافت. اتاقک تاریک، عبارت بود از جعبه یا اتاقکی که فقط بر روی یکی از سطوح آن روزنه‌ای ریز، وجود داشت. عبور نور از این روزنه باعث می‌شد که تصویری نسبتاً واضح اما به صورت وارونه در سطح مقابل آن تشکیل شود.این وسیله به شدت مورد توجه نگارگران قرار گرفت و همهٔ نگارگران به‌ویژه نگارگران ایتالیایی سدهٔ شانزدهم از آن برای طراحی دقیق چشم‌اندازها و دیدن دورنمایی صحیح بهره می‌بردند، به این ترتیب که کاغذی را بر روی سطح مقابل روزنه قرار می‌دادند و تصویر شکل گرفته را ترسیم می‌کردند. این تصاویر بسیار واقعی و از ژرفانمایی (پرسپکتیو) صحیحی برخوردار بود.

ابن هیثم علاوه بر کتاب اپتیک، مقاله ای با عنوان رساله فی الدّوع نوشت. این مقاله حاوی تحقیقات بیشتر در مورد خواص شدت روشنایی و پراکندگی تابشی آن از طریق مواد مختلف شفاف و نیمه شفاف بود. ابن هیثم در رساله خود به نام میزان الحکمه، تراکم جو را مورد بحث قرار داده و آن را به ارتفاع مربوط می کند. او همچنین انکسار اتمسفر را مطالعه کرد. نوشته های نوری وی بر بسیاری از روشنفکران غربی مانند راجر بیکن، جان پچام، ویتلو و یوهانس کپلر تأثیر زیادی گذاشت.

نجوم

ابن هیثم، در حالی که در زمره بزرگترین منجمان عرب به حساب نمی آید، اما آثار او نشان می دهد که بر تکنیک های نجوم بطلمیوسی تسلط داشته است. برخی از این آثار وی همچنین توانایی او در حل مسائلی که مورد توجه منجمان عرب بوده، مانند تعیین قبله (جهت نماز) را آشکار می کند. به نظر می‌رسد انتقاد او از مدل‌های سیاره‌ای بطلمیوسی(Ptolemaic planetary models)، همانطور که در فرضیه‌های Almagest و Planetary ارائه شده است، الهام‌بخش تحقیقاتی باشد که منجر به جایگزینی آنها شد.

این اثر نجومی بین سال‌های 1025 تا 1028 با عنوان «الشکوک الا بطلمیوس» ( Al-Shukūk alā Batlamyūs) نوشته شد و سپس به‌عنوان شبهاتی درباره بطلمیوس یا آپوریاس ترجمه شد. کتاب مدل حرکات هر یک از هفت سیاره ابن هیثم که در سال 1038 نوشته شد، کتاب مهمی در زمینه نجوم بود. نسخه خطی بازمانده از این اثر به تازگی کشف شده است و قسمت های بسیاری از آن هنوز مفقود است. اصلاحات او کیهان شناسی را مستثنی می کرد، زیرا او مطالعه سیستماتیک حرکتی اجرام آسمانی را توسعه داد که کاملاً هندسی بود و این امر به نوبه خود منجر به تحولات نوآورانه در هندسه در ابعاد کوچک شد.

پروفسور جیم الخلیلی درباره ابن هیثم می گوید: هنگامی که در خاورمیانه برای ساخت فیلمم سفر می‌کردم، با متخصصی در دانشگاه اسکندریه مصر گفت‌وگو کردم که به من پاره‌ای از کارهای تازه کشف شده ‌ابن ‌هیثم را در اخترشناسی نشان داد. به نظر می‌رسد او آن‌چه را که امروز مکانیک سماوی نامیده می‌شود و اصول حرکت مداری سیارات را توضیح می‌دهد، بنیان نهاده باشد؛ همان علمی که بعدها توسط دانشمندان غربی چون کوپرنیک، گالیله، کپلر و نیوتن ادامه پیدا کرد. این باورنکردنی است که ما تازه امروز به دِین علم فیزیک به یک دانشمند مسلمان که هزار سال پیش می‌زیسته، پی می‌بریم.

ابن هیثم نخستین کسی است که ذره بین را اختراع کرد که در نهایت منجر به اختراع عینک توسط راجر بیکن و تلسکوپ توسط گالیله که آثار او را مطالعه میکردند شد.

ریاضیات

ابن هیثم در ریاضیات، بر اساس کارهای ریاضی اقلیدس و ثابت ابن قره پیش رفت و پس از پیوند جبر به هندسه، مقاطع مخروطی، نظریه اعداد و هندسه تحلیلی را نظام‌بندی کرد. سهم او در ریاضیات گسترده بود. او هندسه تحلیلی را با ایجاد پیوند بین جبر و هندسه توسعه داد.

او مکانیک حرکت یک جسم را مطالعه کرد و اولین کسی بود که معتقد بود یک جسم دائما حرکت می کند مگر اینکه نیروی خارجی آن را متوقف کند یا جهت حرکت آن را تغییر دهد. این نظریه به طرز شگفت انگیزی شبیه قانون اول حرکت است که قرن ها بعد توسط اسحاق نیوتن توصیف شد.

تحقیقات او در مورد منعکس کننده ها (catoptrics) در کتاب پنجم از مجموعه کتاب اپتیک حاوی مسئله مهمی است که به عنوان مسئله آلهازن (Alhazen’s problem) شناخته می شود و شامل ترسیم خطوط از دو نقطه در صفحه یک دایره است که در نقطه ای از محیط دایره به هم می رسند و زوایایی برابر با حالت عادی در آن نقطه ایجاد می کنند و منجر به معادله درجه چهارم می شود. این امر سرانجام باعث شد که ابن هیثم اولین فرمول را برای مجموع توان های چهارم (sum of fourth powers) بدست آورد و با استفاده از یک اثبات اولیه توسط استقراء ریاضی، روشی را برای تعیین فرمول کلی برای مجموع انتگرال ها ایجاد کرد که برای توسعه انتگرال ها قدمی اساسی بود.

در واقع این مسئله در سال ۱۵۰ میلادی توسط بطلمیوس طرح شده بود و ابن هیثم نخستین کسی بود که آنرا پس از قریب ۷ سده در مسیر تحقیقات خود بر روی جهت نور در یک کره حل کرد. مسئله از اینقرار است که نور را به کدام نقطه از سطح یک کره (یا دایره) پرتاب کنیم تا انعکاس آن (که طبق قانون انعکاس با زاویه مساوی رخ می‌دهد) به نقطه مورد نظر ما برخورد کند. این مسئله را در بیلیارد نیز طرح کرده‌اند که توپ را به کجا بزنیم تا انعکاس آن به توپ حریف برخورد کند.ابن هیثم برای حل مسئله مجبور شد به حل معادلات درجه چهارم و ایجاد نوعی حساب انتگرال روی بیاورد. محاسبات ابن هیثم بقدری پیچیده و طولانی بودند که برای فهم آنها لازم شد چند سده بعد به کمک روشهایی که دکارت ابداع کرد دوباره به آنها رجوع کنند تا آنها را بفهمند. سر انجام در ۱۹۶۵ میلادی جک الکین یک روش ریاضی برای حل مسئله پیدا کرد.

ابن هیثم هندسه تحلیلی را با ایجاد پیوند بین جبر و هندسه توسعه داد. ابن هیثم همچنین فرمولی برای جمع 100 عدد طبیعی اول کشف کرد. سهم او در نظریه اعداد شامل نظریه های وی در مورد اعداد کامل است. ابن هیثم در تحلیل خود اولین کسی بود که متوجه شد هر عدد کامل(perfect number) زوج به شکل 2ⁿ^-1 (2ⁿ-1)است که در آن 2ⁿ-1 عدداول است، اما او نتوانست این نتیجه را با موفقیت ثابت کند و بعداً در قرن 18 توسط اویلر ثابت شد. در تئوری اعداد، یک عدد کامل، یک عدد صحیح مثبت است که با مجموع مقسوم علیه های مثبت آن، بدون احتساب خود عدد، برابر است.

> وی برای نخستین بار معادلات کوشی-ریمان را در ریاضیات مطرح کرد.

> قانون کتانژانتها نخستین بار توسط ابن هیثم مطرح شد.

پزشکی و روانشناسی

ابن هیثم اولین کسی بود که قسمت های مختلف چشم را به طور دقیق توصیف کرد و در مورد روند بینایی توضیح علمی داد. ابن هیثم در پزشکی و چشم پزشکی به پیشرفت های مهمی در جراحی چشم دست یافت و برای اولین بار روند بینایی و ادراک بصری را مطالعه و توضیح داد. “چشم، نور و رنگ موجود در سطح جسم مورد نظر را درک می کند. چشم لزوماً همه اشیاء را از طریق خطوط مستقیم فرضی که بین جسم و نقطه مرکزی دید پخش می شوند، درک می کند”.

برخی ابن هیثم را بنیانگذار روان فیزیک (psychophysics) و روانشناسی تجربی می دانند، زیرا او را پیشگام در روانشناسی ادراک بصری می دانند.

یادبودها

سیارک شماره ۵۹۲۳۹ به افتخار این دانشمند ۵۹۲۳۹ ابن هیثم نامگذاری شده‌است.
سال ۲۰۱۵ که سال جهانی نور نامگذاری شده بود مصادف با هزارمین سالگرد انتشار کتاب المناظر نیز بود که توسط یونسکو از خدمات ابن هیثم تجلیل شد.
یک دهانه آتشفشانی در کره ماه، Alhazen (نام لاتین ابن هیثم) نامگذاری شده‌است.

Posts in category: مفاخر فیزیک

ابن هیثم: پدر فیریک نور

آشنایی با ابن هیثم