چرا انسان‌های غول‌پیکر نمی‌توانند وجود داشته باشند؟ گالیله ۳۸۸ سال پیش پاسخ داد

خلاصه مقاله:

• گالیله نزدیک به چهار قرن پیش نشان داد بزرگ‌تر شدن یک جسم، استحکام و وزن آن را به یک نسبت افزایش نمی‌دهد. با بزرگ‌شدن ابعاد، سطح مقطع با توان دوم افزایش می‌یابد، اما حجم و جرم با توان سوم بیشتر می‌شوند.
• بنا به استدلال گالیله، انسان غول‌پیکر با همان نسبت‌های بدن انسان معمولی نمی‌تواند وزن خود را به‌راحتی تحمل کند. همین قانون توضیح می‌دهد چرا حیوانات بزرگ مانند فیل‌ها پاها و استخوان‌های ضخیم‌تری دارند.
• درمقابل، جانوران کوچک نسبت به وزن خود قدرت بیشتری دارند و نیروهایی مانند کشش سطحی و الکتریسیته ساکن برایشان مهم‌تر می‌شود. انسان‌های مینیاتوری در داستان‌ها و فیلم‌ها نیز نمی‌توانند دقیقاً مانند انسان‌های معمولی رفتار کنند.
• درنتیجه، اندازه بدن موجودات زنده حاصل محدودیت‌های فیزیکی و سازگاری‌های تکاملی است.

انسان‌های غول‌مانند هزاران سال است در افسانه‌ها، اسطوره‌ها و داستان‌های عامیانه حضور دارند؛ موجوداتی که مانند انسان راه می‌روند، می‌دوند، می‌جنگند و اجسام سنگین را جابه‌جا می‌کنند، اما چندین برابر بزرگ‌ترند. بااین‌حال، قوانین فیزیک می‌گویند چنین موجوداتی نمی‌توانند صرفاً نسخه بزرگ‌شده انسان باشند. گالیله نزدیک به چهار قرن پیش توضیح داد چرا و با این کار، یکی از مهم‌ترین اصول مقیاس در طبیعت را روشن کرد.

در «اودیسه» هومر، اودیسه با سیکلوپ، غول یک‌چشمی روبه‌رو می‌شود که انسان‌ها و گوسفندان را با یک دست بلند می‌کند. در افسانه‌های انگلیسی، «جک قاتل غول‌ها» با موجوداتی عظیم‌الجثه می‌جنگد و در داستان «جک و لوبیای سحرآمیز» نیز غولی در قلعه‌ای میان ابرها زندگی می‌کند.

ویژگی مشترک همه این موجودات روشن است: بدنشان تقریباً همان شکل بدن انسان را دارد، فقط در ابعادی بسیار بزرگ‌تر. اما آیا می‌توان بدن انسان را چند برابر بزرگ کرد و انتظار داشت همچنان به همان شکل کار کند؟

گالیله گالیله در سال ۱۶۳۸ در کتاب «گفت‌وگوهایی در باب دو علم جدید» نشان داد پاسخ منفی است. استدلال او بر رابطه‌ای ساده اما عمیق میان طول، سطح و حجم استوار بود؛ رابطه‌ای که هنوز هم برای توضیح اندازه و شکل جانوران، سازه‌ها و بسیاری از پدیده‌های طبیعی استفاده می‌شود.

گالیله برای توضیح مسئله از مثال تیر چوبی استفاده کرد. فرض کنید تیر محکمی از چوب بلوط داریم که می‌تواند وزن مشخصی از آجر یا سنگ را تحمل کند. حالا همان تیر را در ذهن خود بزرگ کنیم؛ به‌گونه‌ای که طول، عرض و ضخامت آن همگی ۱۰ برابر شوند، اما شکل و جنس چوب تغییری نکند. طبیعی است که تیر بزرگ‌تر از تیر کوچک قوی‌تر خواهد بود. اما نکته مهم این است که مقاومت و وزن آن با سرعت یکسانی افزایش پیدا نمی‌کنند.

توان تحمل بار تیر تا حد زیادی به سطح مقطع آن وابسته است. اگر ابعاد خطی جسم ۱۰ برابر شوند، سطح مقطع آن ۱۰ به توان دو، یعنی ۱۰۰ برابر، افزایش پیدا می‌کند. درنتیجه، تیر چوبی که ۱۰ برابر بزرگ‌تر شده است، تقریباً ۱۰۰ برابر قدرت بیشتری برای تحمل بار خواهد داشت.

اما وزن داستان متفاوتی دارد.

جرم جسم با حجم آن ارتباط دارد و حجم با مکعب اندازه خطی افزایش پیدا می‌کند. بنابراین اگر جسمی در هر سه بعد ۱۰ برابر بزرگ‌تر شود، حجمش ۱۰ به توان سه یا ۱۰۰۰ برابر خواهد شد. پس سنگی که در همه ابعاد ۱۰ برابر بزرگ شده، نه ۱۰ برابر و نه ۱۰۰ برابر، بلکه حدود ۱۰۰۰ برابر سنگین‌تر خواهد بود.

اینجاست که مشکل ظاهر می‌شود. تیر بزرگ‌شده ۱۰۰ برابر قوی‌تر شده، اما باری که قرار است تحمل کند ۱۰۰۰ برابر سنگین‌تر است. بنابراین توان نسبی آن برای تحمل بار در مقایسه با نسخه کوچک‌تر به‌شدت کاهش پیدا می‌کند. اگر بزرگ‌کردن ادامه پیدا کند، در نقطه‌ای تیر حتی دیگر نمی‌تواند وزن خود را تحمل کند. به زبان ساده، استحکام با توان دوم اندازه افزایش می‌یابد، اما جرم با توان سوم. همین تفاوت کوچک در توان‌های ریاضی، پیامد بسیار بزرگی در جهان واقعی دارد.

حالا همین استدلال را درباره غول انسان‌نما به کار می‌بریم.

استخوان‌های بدن را می‌توان نوعی تیر سازه‌ای در نظر گرفت که باید وزن ماهیچه‌ها، اندام‌ها و سایر بافت‌ها را تحمل کند. اگر قد انسان را چند برابر کنیم، بدون اینکه نسبت ضخامت استخوان‌ها به بدن تغییر کند، جرم بدن بسیار سریع‌تر از استحکام استخوان‌ها افزایش پیدا می‌کند. مثلاً انسانی را تصور کنید که تمام ابعاد بدنش ۱۰ برابر شده است. سطح مقطع استخوان‌های او حدود ۱۰۰ برابر افزایش پیدا می‌کند، اما وزن بدنش تقریباً ۱۰۰۰ برابر می‌شود. درنتیجه، استخوان‌ها باید وزنی به‌مراتب بیشتر از ظرفیت نسبی خود تحمل کنند.

گالیله نتیجه گرفت اگر قرار باشد غولی دقیقاً همان نسبت‌های بدن انسان عادی را حفظ کند، فقط دو راه وجود دارد: یا استخوان‌هایش باید از ماده‌ای بسیار مقاوم‌تر ساخته شده باشند، یا باید پذیرفت که توان نسبی بدنش بسیار کمتر از انسان معمولی خواهد بود.

اگر اندازه بدن از حدی فراتر برود، آن موجود دیگر حتی قادر نخواهد بود وزن خود را تحمل کند. به بیان گالیله، غول انسانی با نسبت‌های معمول بدن، در نهایت زیر وزن خودش فرو خواهد ریخت.

حتی اگر فرض کنیم به نوعی بتوان غولی زنده و سالم ساخت، دنیای اطراف او نیز نمی‌تواند صرفاً نسخه بزرگ‌شده دنیای انسان‌ها باشد.

نردبان چوبی که متناسب با قد غول بزرگ شده باشد، ممکن است توان تحمل وزن او را نداشته باشد. شمشیر غول اگر دقیقاً با همان نسبت بزرگ شود، آن‌قدر سنگین خواهد بود که بلندکردنش بسیار دشوار می‌شود. همین مشکل درباره زره، صندلی، خانه و بسیاری از وسایل دیگر هم وجود دارد.

خانه چوبی غول اگر صرفاً نسخه چندبرابرشده خانه‌ای معمولی باشد، ممکن است سقف خود را تحمل نکند. صندلی بزرگ‌شده ممکن است زیر وزن خودش خم شود، چه رسد به زمانی که غولی روی آن بنشیند. بنابراین جهانی که در افسانه‌ها برای غول‌ها تصویر می‌شود، از دید قوانین مقیاس فیزیکی با مشکلات اساسی روبه‌رو است.

همان قانونی که نبود غول‌های انسان‌نما را توضیح می‌دهد، شکل جانوران واقعی را نیز قابل‌فهم‌تر می‌کند.

جانوران بزرگی مانند فیل، کرگدن و اسب‌آبی معمولاً بدن‌هایی تنومند و پاهایی بسیار ضخیم دارند. استخوان‌های آن‌ها نیز نسبت به اندازه بدن، به‌مراتب کلفت‌تر از استخوان‌های جانوران کوچک‌تر هستند. برای مثال، پاهای فیل در مقایسه با بدنش بسیار ضخیم‌تر از پاهای یک سگ یا گربه است.

این تفاوت تصادفی نیست. با افزایش اندازه جانور، وزن بدن براساس حجم سریع‌تر افزایش پیدا می‌کند، اما استحکام استخوان‌ها عمدتاً به سطح مقطع آن‌ها وابسته است. درنتیجه، جانور بزرگ نمی‌تواند صرفاً نسخه بزرگ‌شده جانور کوچک باشد. برای تحمل وزن بیشتر، استخوان‌ها و اندام‌های حمایتی باید به‌طور نسبی ضخیم‌تر شوند.

احتمالاً همین اصل درباره عضلات نیز صدق می‌کند؛ زیرا نیروی عضله تا حد زیادی به سطح مقطع آن وابسته است. به همین دلیل، جانوران بسیار بزرگ معمولاً ظاهر فشرده‌تر و اندام‌های حمایتی ضخیم‌تری دارند.

اثر قانون مقیاس در جهت مخالف نیز دیده می‌شود.

جانوران بسیار کوچک معمولاً اندام‌هایی باریک دارند و نسبت به وزن خود قدرت زیادی نشان می‌دهند. حشرات نمونه روشنی هستند. پاهای یک حشره ممکن است بسیار نازک به نظر برسند، اما وزن بدن آن‌قدر کم است که همین پاها به‌راحتی آن را تحمل می‌کنند.

برخی حشرات می‌توانند چندین برابر طول بدنشان بپرند. بعضی دیگر روی دیوار یا حتی سقف حرکت می‌کنند. یکی از دلایل این توانایی آن است که در مقیاس‌های بسیار کوچک، نیروهایی مانند نیروی الکترواستاتیک در مقایسه با وزن اهمیت بسیار بیشتری پیدا می‌کنند.

اما اگر مگسی را تصور کنیم که تمام ابعاد بدنش ۱۰ برابر شده‌اند، با مشکل مشابه غول انسانی روبه‌رو می‌شویم. جرمش تقریباً ۱۰۰۰ برابر می‌شود، درحالی‌که سطح مقطع پاها و عضلاتش فقط حدود ۱۰۰ برابر افزایش پیدا می‌کند. نیروهای کوچک الکترواستاتیک نیز دیگر برای نگه‌داشتن چنین موجود سنگینی روی دیوار کافی نخواهند بود. چنین مگسی احتمالاً نه می‌تواند پرواز کند و نه حتی روی پاهای ظریف خود به‌درستی بایستد.

برخی حشرات می‌توانند روی سطح آب حرکت کنند، زیرا کشش سطحی آب در مقایسه با جرم بسیار کم آن‌ها نیروی قابل‌توجهی محسوب می‌شود. اما اگر همین حشرات چندین برابر بزرگ شوند، وزنشان بسیار سریع‌تر از نیروهای مرتبط با سطح افزایش خواهد یافت. در آن حالت، کشش سطحی دیگر نمی‌تواند وزنشان را تحمل کند و حیوان در آب فرو می‌رود. این مثال نشان می‌دهد که قوانین فیزیکی در همه اندازه‌ها به یک شکل ساده «بزرگ» یا «کوچک» نمی‌شوند. با تغییر مقیاس، اهمیت نسبی نیروهای مختلف نیز تغییر می‌کند.

استدلال گالیله فقط غول‌ها را زیر سؤال نمی‌برد. انسان‌های کوچک‌شده‌ای که در داستان‌ها و فیلم‌ها می‌بینیم نیز از همین مشکل رنج می‌برند.

لی‌لی‌پوتی‌های «سفرهای گالیور» حدود ۱۵ سانتی‌متر قد دارند. شخصیت‌هایی مانند «مرد مورچه‌ای» یا انسان‌های کوچک‌شده در فیلم «عزیزم، بچه‌ها را کوچک کردم» نیز تقریباً مانند انسان عادی حرکت می‌کنند، فقط کوچک‌تر هستند.

اما اگر انسانی به یک‌دهم اندازه معمول کاهش پیدا کند، جرم بدنش تقریباً به یک‌هزارم می‌رسد، درحالی‌که استحکام استخوان‌ها و عضلاتش فقط حدود یک‌صدم می‌شود. درنتیجه، چنین انسانی نسبت به وزن بدن خود بسیار قوی‌تر از انسان معمولی خواهد بود. او احتمالاً می‌تواند نسبت به قد خود بسیار بلندتر بپرد و اجسامی را حمل کند که در مقایسه با وزن خودش بسیار سنگین هستند.

گالیله برای توضیح همین اصل به جانوران اشاره کرده بود. یک سگ کوچک ممکن است بتواند وزنی چند برابر وزن خود را حمل کند، اما یک اسب بزرگ معمولاً نمی‌تواند اسبی هم‌اندازه خودش را بر پشت بگیرد. هرچه جانور کوچک‌تر باشد، قدرت نسبی آن می‌تواند بیشتر شود.

اما قدرت بیشتر به این معنا نیست که زندگی یک انسان مینیاتوری ساده خواهد بود. در مقیاس کوچک، نیروهایی که در زندگی روزمره تقریباً نادیده می‌گیریم، اهمیت بسیار بیشتری پیدا می‌کنند. برای نمونه، نیروهای الکترواستاتیک می‌توانند باعث شوند اجسام کوچک راحت‌تر به سطوح بچسبند.

آب نیز برای موجودی بسیار کوچک رفتار متفاوتی خواهد داشت. کشش سطحی و نیروهای چسبندگی در آن مقیاس به‌قدری مهم می‌شوند که آب ممکن است بسیار «چسبناک‌تر» از چیزی به نظر برسد که ما تجربه می‌کنیم.

بنابراین انسان ۱۵ سانتی‌متری نمی‌تواند صرفاً مانند یک انسان معمولی کوچک‌شده زندگی کند. راه رفتن، نوشیدن آب، تعامل با سطوح و حتی حرکت در محیط برای او شرایط کاملاً متفاوتی خواهد داشت. به همین دلیل، انسان‌های مینیاتوری افسانه‌ها و فیلم‌های علمی‌تخیلی نیز از نظر فیزیکی به همان اندازه غول‌ها غیرواقع‌بینانه‌اند.

قانون مقیاس فقط محدودیت ایجاد نمی‌کند؛ می‌تواند توضیح دهد چرا تکامل در اندازه‌های مختلف، شکل‌های متفاوتی از بدن را به وجود آورده است.

اندازه بدن جانوران در طول تاریخ تکاملی بارها تغییر کرده است. نخستین پستانداران بسیار کوچک بودند. نیاکان اولیه اسب‌ها نیز جثه‌ای بسیار کوچک‌تر از اسب‌های امروزی داشتند و برخی از آن‌ها تقریباً به اندازه یک سگ کوچک بودند. در جهت مقابل، در دوره‌هایی از تاریخ زمین برخی حشرات بسیار بزرگ‌تر از گونه‌های امروزی بودند.

پیش از ظهور دایناسورها و پرندگان، سنجاقک‌هایی وجود داشتند که فاصله دو سر بال‌هایشان به چند ده سانتی‌متر می‌رسید. فسیل‌هایی از سوسک‌های بسیار بزرگ نیز پیدا شده است که طول بعضی نمونه‌ها به حدود ۱۰ سانتی‌متر می‌رسد.

بااین‌حال، وقتی اندازه یک جانور تغییر می‌کند، شکل بدن آن نمی‌تواند بدون هیچ تغییری فقط بزرگ یا کوچک شود. انتخاب طبیعی باید ساختار بدن، ضخامت استخوان‌ها، قدرت عضلات، شیوه حرکت و بسیاری از ویژگی‌های دیگر را با اندازه جدید هماهنگ کند. درواقع، هر اندازه مزایا و محدودیت‌های خاص خود را دارد و تکامل باید میان آن‌ها تعادل برقرار کند.

اهمیت استدلال گالیله فقط در توضیح غیرممکن‌بودن غول‌ها نیست. او متوجه شد ویژگی‌های مختلف جسم به ابعاد متفاوتی وابسته‌اند. استحکام یک ساختار ممکن است عمدتاً به سطح آن وابسته باشد، درحالی‌که جرمش به حجم وابسته است.

از آنجا که سطح با توان دوم اندازه و حجم با توان سوم افزایش می‌یابد، بزرگ‌کردن یا کوچک‌کردن یک جسم باعث نمی‌شود همه ویژگی‌های آن به یک نسبت تغییر کنند. این نتیجه کاملاً ریاضی است، اما پیامدهای آن در سراسر طبیعت دیده می‌شود. همین اصل توضیح می‌دهد چرا نمی‌توان موجودات زنده را مانند تصویر روی صفحه نمایش بزرگ و کوچک کرد و انتظار داشت همچنان همان رفتار قبلی را داشته باشند.

جهان در مقیاس‌های مختلف رفتار متفاوتی دارد. به همین دلیل، غول‌های انسان‌نما نمی‌توانند صرفاً انسان‌هایی چند برابر بزرگ‌تر باشند و انسان‌های مینیاتوری نیز نمی‌توانند نسخه کوچک‌شده ما باشند. اندازه‌ای که موجودات زنده دارند، نتیجه محدودیت‌های فیزیکی، ساختار بدن و میلیون‌ها سال تکامل است. حتی قد و ابعاد معمول بدن انسان نیز تا حد زیادی در همین چارچوب معنا پیدا می‌کند.