راهنمای جامع فیزیک/فیزیک در تمدن یونان

فیزیک ماقبل تاریخ

فیزیک در تمدن یونان

بن‌بست فیزیک در یونان

راهنمای جامع فیزیک

مقدمه

یونانیان با تقسیم بندی گنبدهای آسمان برای هر یک از سیارات گنبدی خاص قائل بودند. نخستین کشفیات فیزیکی هنگامی صورت گرفت که تلاش گسترده‌ای برای برهانی کردن ریاضیات آغاز شده بود. در این زمان الکتریسیته و مغناطیس جدا از یکدیگر کنجکاوی انسان را برانگیخت. ذرات تشکیل دهندهٔ جهان تقسیم بندی شد و نظریهٔ اتمی ماده مطرح و اتر به عنوان عنصر کامل، این تقسیم بندی را تکامل بخشید. کروی بودن شکل زمین بطور مستدلل اثبات و حرکت دوار کائنات به دور زمین که تصور می‌شد دایره منحنی کامل است، از بدیهیات محسوب می‌شد. منطق قیاسی کشف گردید و تمام افکار و نظریات علمی را تحت تأثیر خود قرار داد. استفاده از هندسه در نجوم آغاز شد. فاصلهٔ زمین تا تا ماه و خورشید محاسبه و نظریه زمین مرکزی زیر سئوال رفت. اما همچنان اعتقاد عموم بر آن بود که زمین مرکز جهان است. دستگاه زمین مرکزی تحت تأثیر تقدس دایره‌ها حرکت پیچیدهٔ سیاره‌ها را با استفاده از مدارهای تدویر توجیه کرد. مکانیک یونانی بر اساس نظریه زمین مرکزی بخوبی علت سقوط اجسام به طرف زمین را توجیه می‌کرد. یونانیان حرکت مستقیم نور را بیان و به تشریح خواص آینه‌ها پرداختند. اما منطق قیاسی چنان بر افکار علمی آنان تسلط داشت که فیزیک یونانی را به بن‌بست کشید.

نخستین اندیشه‌های علمی

انسان به دلیل ارتباط مستقیم و تنگاتنگی که با طبیعت دارد از همان آغاز تفکر و تعمق خویش به پدیده‌های طبیعی نظر داشت و برداشت‌های معینی از آنها به عمل می‌آورد. طبعاً آسمان که از آن باران، برف و نور به انسان می‌رسید و نیز ستارگان شفاف در آن دیده می‌شد، جزء نخستین برداشت‌های انسان بود و در نتیجه اولین اظهار نظرهای علمی در خصوص این پدیده لایتناهی بوسیله انسان به عمل آمده است. در این راستا اولین نظریه‌های علمی توسط یونانیان ارائه شده است. در آسمان هیچ چیزی نیست که در یک نگاه ساده، خیلی دور به نظر برسد؛ بنابراین در نخستین برداشتها از جهان، طبیعی است که گمان شود آسمان سایبان محکمی است که اجسام درخشان آن، همچون دانه‌های الماس، بر سقف آن چسبیده‌اند. این چنین بود که یونانیان باستان عقیده داشتند که آسمان بر شانه‌های اطلس رب النوع یونانی قرار دارد. اسطوره‌های یونانی دلالت بر آن داشت که که آسمان از یکی دو متری بالای قله کوه‌ها چندان بالاتر نیست. در قرن ششم تا چهارم پیش از میلاد، اخترشناسان یونانی بوجود تنها یک سایبان شک کردند. زیرا در اوضاع نسبی ستارگان ثابت که به برداشت آنان حول زمین حرکت می‌کردند، ظاهراً تغییری نمی‌دیدند، اما اوضاع نسبی خورشید، ماه و پنج سیاره عطارد، زهره، مریخ، مشتری و زحل تغییر می‌کرد؛ بنابراین مسلم بنظر می‌رسید که سیاره‌ها نمی‌توانند به گنبد ستارگان متصل باشند.

یونانیان فرض کرده بودند که هر سیاره در یک گنبد نامرئی اسقرار یافته است و گنبدها یکی روی دیگری جا گرفته است. بر این اساس نزدیکترین گنبد از آن ماه است که تندترین حرکت را دارد. پس از آن به ترتیب گنبدهای مربوط به عطارد، زهره... و خورشید قرار دارند. کاملاً طبیعی است که با چنین طبقه‌بندی پرسش‌هایی در مورد ابعاد جهان و موقعیت زمین و شکل و همچنین اجزای تشکیل دهنده آن پیش آید. احتمالاً این پرسش‌ها زمانی شکل گرفت که روشهای تجربی ریاضیات دیگر کفایت نمی‌کرد؛ بنابراین می‌توان حدس زد هنگامی که این سئوال پیش آمد که چرا قطر دایره آنرا نصف می‌کند، تفکر در مورد مسیر حرکت سیارات نیز اوج گرفت. شاید منطقی باشد که کوشش برای برهانی کردن ریاضیات را با پیدایش نخستین نظریه‌های فیزیکی همزمان بدانیم، این تصور زمانی قوت بیشتری می‌گیرد که می‌بینیم نخستین کشفیات ثبت شده ریاضی و فیزیکی متعلق به یک نفر است. تالس ملطی اولین فرد شناخته شده‌ای است که کشفیات ریاضی و فیزیک به او نسبت داده شده است.

الکتریسیته و مغناطیس

در حدود ۶۰۰ سال قبل از میلاد تالس ملطی متوجه شد که هرگاه صمغ فسیل شده‌ای که در سواحل بالتیک یافته بود، که ما امروز آنرا کهربا می‌نامیم و در آنروز الکترون Electron نامیده می‌شد، با یک قطعه پوست مالش داده شود، می‌تواند پر، نخ یا کرک را بخود جذب کند. همچنین کلمهٔ ماگنت Magnet به معنی آهنربا از یک شهر قدیمی یونان بنام ماگنیا Magnesia که در نزدیکی آن نخستین سنگ آهنربا کشف شده بود، گرفته شده است. آهنربا اکسیدی از آهن است که خواص مغناطیسی یعنی آهنربایی دارد. گفته شده است که تالس نخستین کسی بود که خواص آنرا تشریح کرده است. گفته‌اند که تالس در سال ۵۸۵ قبل لز میلاد وقوع کسوفی را پیشگویی کرد و کسوف به وقوع پیوست.

نگاره‌ای از تالس، ۱۸۷۵ میلادی.

عناصر تشکیل دهندهٔ جهان - اتم

امیدوکس در حدود سال ۴۸۰ قبل از میلاد نظر داد که زمین از چهار عنصر خاک، هوا، آّ و آتش تشکیل شده است. یونانیان در بارهٔ این موضوع بحث می‌کردند که آیا می‌توان ماده را به اجزایی کوچکتر و هر جزء را به جزء کوچکتر و باز هم کوچکتر تقسیم کرد و این عمل تجزی را تا بینهایت ادامه داد؟ یا اینکه این عمل تجزیه محدود است؟ دوموکریتوس در حدود ۴۵ قبل از میلاد محدود بودن عمل تجزیه را بیان کرد. وی اظهار داشت همهٔ اجسام از ذرهٔ غیرقابل تجزیه‌ای به نام اتم Atom تشکیل شده است. اتم در یونانی به معنی غیرقابل تقسیم است. وی حتی نظر داد که مواد متفاوت از اتمهای مختلف یا ترکیبات آنها ساخته شده است و با تغییر آرایش اتمها می‌توان ماده‌ای را به مادهٔ دیگر تبدیل کرد. ارسطو و سایر فلاسفه رواقی نظریه دموکریتوس را نپذیرفتند، ایشان اعتقاد داشتند که فضا و ماده بصورت پیوسته است، یعنی می‌توان یک قطعه از ماده را بدون حد و مرز به قطعه‌های کوچک و باز هم کوچکتر تقسیم کرد، بی آنکه به ذرهٔ غیرقابل تقسیمی برسیم. در مورد عناصر تشکیل دهندهٔ جهان ارسطو تصور می‌کرد، در آنسوی لایه‌های آب، هوا، خاک و آتش، عنصر کامل و غیر زمینی دیگری وجود دارد که وی آنرا اتر Ether در یونانی به معنی پنجم نامید. در این تقسیم بندی جایی برای عدم وجود نداشت. در ضمن انتهای هیچکدام از لایه‌ها مشخص نبود.

دموکریتوس

نجوم

یونانیان عقیده داشتند که زمین به شکل کره است. فیثاغورس اولین کسی بود که کروی بودن زمین را در سال ۵۲۵ قبل از میلاد بیان کرد. اما نخستین استدلال‌ها در مورد کروی بودن زمین منصوب به ارسطو است. وی در کتاب در بارهٔ افلاک نوشت، زمین جسمی کروی است و نه یک سطح صاف و برای این ادعا دو دلیل آورد. نخست آنکه او دریافته بود که ماه گرفتگی به دلیل قرار گرفتن زمین بین ماه و خورشید است، چون سایه زمین بر روی ماه همواره گرد است، پس زمین باید کروی باشد که سایه اش دایره می‌شود. دومین دلیل این بود که یونانیان طی سفرهای خود متوجه شده بودند که ستاره شمال، در مناطق جنوبی پائین تر از نواحی شالی در آسمان ظاهر می‌شود، و چ. ن ستاره شمال بر فراز زمین ظاهر می‌شود، این جابجایی تنها در صورتی می‌تواند رخ دهد که زمین کروی باشد. ارسطو به محاسبه محیط دایره استوا پرداخت و رقم چهارصد هزار استادیم را به دست آورد که با احتساب هر استادیوم یکصد و هشتاد متر، رقم به دست آمده تقریباً دو برابر رقم پذیرفته شدهٔ کنونی است. ارسطو عقیده داشت که زمین ثابت و مرکز جهان است و خورشید، ماه و سیارات و ستارگان در مدارهای کروی دور زمین می‌چرخند و بیش از پیش به تثبیت این عقیده یونانیان پرداخت که کره شکل کامل است. آریستاخوس، ریاصیات را در نجوم به کار برد. وی با استفاده از ابزاهای ابتدائی در حدود ۲۸۰ قبل از میلاد به محاسبه فاصلهٔ زمین و خورشید پرداخت. آریستاخورس متوجه شد که انحنای سایه زمین، وقتی از ماه می‌گذرد می‌بایستی ابعاد نسبی زمین و ماه را نشان دهد. وی پس از محاسبهٔ فاصله زمین و ماه و تشکیل مثلث قائم الزاویه فرضی، هنگامیکه ماه در تربیع اول بود، فاصله زمین تا خورشید را تعیین کرد. بنظر وی خورشید تقریباً بیست برابر دور تر از ماه قرار داشت. هرچند ارقام به دست آمده درست نبود، ولی آریستاخورس نتیجه گرفت که خورشید باید حداقل هفت برابر بزرگتر از زمین باشد. وی با غیر منطقی بودن گردش خورشید بزرگ به دور زمین کوچک، نظر داد که زمین باید به دور خورشید بگردد. البته نظر آریستاخورس پذیرفته نشد. چون وی نظریه خورشید مرکزی منظومه شمسی را ارائه داد، امروزه به عنوان کپرنیک عهد باستان شناخته می‌شود. اراتستن در حدود ۲۴۰ قبل از میلاد متوجه شد که روز اول تابستان در آسوان، خورشید در بالای سر است و در اسکندریه که ۸۰۰ کیلومتر با آن فاصله دارد، در بالای سر نیست. وی نظر داد که سطح زمین باید نسبت به خورشید، انحنا داشته باشد. وی با استفاده از طول سایه‌ای که هنگام ظهر اول تابستان در اسکندریه تشکیل می‌شود، و مقایسهٔ آن با طول سایه در روز اول تابستان در آسوان و با استفاده از هندسه خطوط مستقیم، انحنای زمین را با فرض کروی بودن آن حساب کرد. در نتیجه محیط و قطر زمین را تعیین کرد. ارقامی که آراتستن به دست آورد، ۱۲۸۰۰ کیلومتر برای قطر زمین و چهل هزار کیلومتر برای محیط زمین بود که تقریباً با اعداد مورد قبول امروزی مطافقت دارد. هیپارخوس در حدود ۱۵۰قبل از میلاد و با استفاده از روش آریستارخوس به محاسبه فاصلهٔ زمین و ماه پرداخت. وی فاصله زمین تا ماه را سی برابر قطر زمین به دست آورد. اگر قطر زمین را مطابق رقم اراتستن در نظر بگیریم، فاصله زمین تا ماه که هیپارخوس حساب کرد برابر ۳۸۴۰۰۰ کیلومتر می‌شود که تقریباً درست است. همچنین هیپارخوس گزارشی از انحراف ماه و خورشید از حرکت دایره‌ای داد است. چون ماه در مدار خود به دور زمین گاهی در شمال استوا و گاهی در جنوب استوا است، سبب این انحراف می‌گردد. هیپارخوس با اشاره به این امر بدون ذکر دلیل، اظهار داشت که این انحراف سبب می‌شود که خورشید در هر سال حدود پنجاه ثانیه قوسی در سمت راست مشرق به نقطه اعتدال می‌رسد. چون به این ترتیب در هر سال نقطه اعتدال جلوتر می‌آید، هیپاهرخوس این تغییر مکان را تقدیم اعتدالیون نامید که هنوز هم به همان نام شناخته می‌شود. اخترشناسان بعدی از هیپارخوس تا بطلمیوس حرکات اجرام آسمانی را بر مبنای این نظر مورد مطالعه قرار دادند که زمین ساکن و مرکز جهان است. ماه در ۳۸۴۰۰۰کیلومتری آن و اجسام دیگر آسمانی دورتر و در فاصله‌ای نامعین از آن هستند. چون دایره را منحنی کامل می‌پنداشتند، نتیجه می‌گرفتند که تمام اجرام آسمانی بایستی در مسیرهای دایره‌ای به دور زمین بچرخند. اما مشاهدات آنها که از کشتیرانی و تدوین تقویم برخاسته بود، نشان می‌داد مسیر سیاره‌ها دایره‌های کاملی و ساده‌ای نیستند؛ بنابراین هنگامیکه بطلمیوس دستگاه زمین مرکزی خود را تنظیم کرد، مسیر سیاره‌ها را در ترکیبی از دایره‌های پیچیده نشان داد.

دستگاه زمین مرکزی بطلمیوس

بطلمیوس در حدود ۱۵۰ میلادی رسالهٔ پر نفوذی به نام سونتارکنس ماتماتیکا یا مجموعهٔ ریاضی نوشت. هر چند این رساله بر نوشته‌های هیپارخوس مبتنی است، اما به خاطر فشردگی و زیبایی چشمگیرش مورد توجه قرار گرفت. شارحین بعدی برای متمایز ساختن آن از آثار کم اهمیت تر صفت مجیسته یا مجسطی به معنی بزرگترین را به آن منسوب کردند. مترجمین عرب زبان حرف تعریف ال را پیشوند کردند و آنرا المجسطی نامیدند. بطلمیوس در المجسطی پدیده‌هایی را بررسی می‌کند که بستگی به کرویت زمین دارند. سپس دستگاه زمین مرکزی نجوم را طرح ریزی می‌کند که قریب به ۱۵۰۰ سال مورد پذیرش عموم بود. المجسطی قدیمی ترین کوشش مجدانه در راه تبیین حرکت شناسی منظومه شمسی است. اما در توجیه حرکتهای پیچیدهٔ سیاره‌ها که فاصله ثابتی با زمین ندارند، روی مدارهای دایره‌ای عاجز بود؛ بنابراین مفهموم مدارهای تدویر را بکار گرفت. طبیق این نظریه هم سیاره روی دایره‌ای حرکت می‌کند که مرکز آن به نوبهٔ خود روی دایره‌ای به مرکز زمین حرکت می‌کند. بطلمیوس مجبور شد به انواع دیگر مدار هم توسل جوید، اما هر کدام از اینها نیز دایره تقدس خود را به عنوان شکل اصلی حرکات سیاره‌ها حفظ کرد.

کره‌های آسمانی زمین-مرکز؛ کیهان‌نگاری پیتر اپیان (آنتورپ، ۱۵۳۹)

مکانیک یونانی

هرچند مکانیک یونانی به اندیشه‌های ارسطو خلاصه نمی‌شود، اما نظریه‌های وی تاثیری بس عمیق بر افکار اندیشمندان برای قرون متمادی داشت. ارسطو ادعای ریاضیدان بودن نداشت، اما تسلطی خارق العاده بر روشهای ریاضی داشت و سازمان دهندهٔ منطق قیاسی بود. هراکلیدس در ۳۵۰ سال قبل از میلاد گفت: تصور اینکه زمین به دور خورشید می‌گردد بسیار ساده‌تر از این تصور است که تمامی گنبد آسمان به دور زمین می‌چرخد. اما این گفته مورد پذیرش ارسطو واقع نشد. ارسطو بیش از هر کی دیگری اسیر دستگاه منطق قیاسی که خود بوجود آورنده اش هست بود. با توجه به اینکه ارسطو اعتقاد داشت زمین مرکز جهان است، بخوبی می‌توان دیدگاهش را در بارهٔ علت سقوط اجسام بر سطح زمین توجیه کرد. به اعتقاد ارسطو هر شئی به اصل خویش باز می‌گردد و مکان واقعی خود را جستجو می‌کند. چ. ن سنگ از جنس خاک است به طرف زمین سقوط می‌کند و چون دود از جنس آتش است به طرف هوا صعود می‌کند. در مورد سقوط آزاد اجسام گفته است که اگر دو جسم با سنگینی مختلف را از فاصلهٔ معینی رها کنیم، جسم سنگین تر زودتر به زمین می‌رسد. این برداشت نمی‌توانست علت همه حرکت‌ها را توجیه کندّ اما دلیل سکون اجسامرا توجیه می‌کرد. به اعتقاد ارسطو نیروی خارجی عامل حرکت بود. وی در این مورد چنین گفته است: جسم متحرک هنگامی به حالت سکون در می‌آید که نیرویی که آنرا در امتداد خود به حرکت واداشته است، دیگر نتواند بر آن اثر کند و آنرا براند؛ بنابراین به برداشت ارسطو نیروی خارجی عامل حرکت بود و در غیاب نیروی خارجی همهٔ اجسام به حالت سکون در می‌آمدند.

نور

فلاسفهٔ یونان اعتقاد داشتند همانگونه که چوب دستی یک نا بینا به مانعی برخورد می‌کند و آنرا برای وی مشخص می‌کند، پرتوهای نور نیز از چشم خارج شده به اجسام برخورد می‌کنند و با بازگشت به چشم آنها را نمایان می‌سازد. اما نظریه دیگری نیز در مورد حرکت و منشاء آن وجود داشت. برخی اعتقاد داشتند نور از اجسام فروزان منتشر می‌شود و به چشم می‌رسد افلاطون از خمیدگی ظاهری اجسام در خالیکه که بخشی از آن در آب فرو رفته، سخن گفته است. اقلیدس انتشار مستقیم نور و قانون بازتابش آن را بیان کرده است. ارشمیدس از خواص آینه‌ها سخن گفته است. هرون نیز به تشریح خواص آینه‌ها پرداخته و مسائلی راجع به ساختن آینه‌ها با خواص معین را بیان کرده است. وی حتی طرز ساختن آینه‌هایی را که بوسیله آن شخص بتواند پشت سر خود را ببیند، و یا وارونه دیده شود ارائه کرده است. همچنین هرون به تشریح این امر پرداخته که نور کوتاهترین مسیر بین دو نفطه را می‌پیماید. بطلمیوس شکست نور را مورد بررسی قرار داد و به اندازه‌گیری زاویه تابش و باز تابش همت گماشت.

منابع

۱- کتاب فیزیک از آغاز تا امروز نوشته حسین جوادی چاپ دوم شهریور ۱۳۸۷ فصل اول و دوم

۲- هندبوک فیزیک ترجمه بهرام معلمی و فریبرز محمدی چاپ اول ۱۳۹۰

۳-مجله علمی هوپا

۴-وب گاه ایران فردا