| |
| |
|
|
Fizyka a filozofia
Empedokles i Anaksagoras(następna generacja filozofów)
Od niepamiętnych czasów ludzkość interesowała się otaczającym światem szukając rozwiązań i prostych odpowiedzi. Początki fizyki i nauk jej pokrewnych sięgają czasów starożytnych Greków. Wtedy to zaczęto interesować się prawami rządzącymi przyrodą. Był to typowy okres powstawania i rozwoju, poczynając od nielicznych zagadnień i niewyraźnych pojęć, stopniowo powiększając ich precyzję. Ze względu na brak umiejętności naukowego zapisu przemyśleń i udowodnienia ich w sposób doświadczalny nauka ta posługiwała się tylko teoriami. Były one jednak konieczne, do zaspokojenia ludzkiej ciekawości i oswojenia lęku przed nieznanymi wtedy prawami rządzącymi przyrodą. Najszerszy zakres obejmował dziedzinę zbliżoną do astronomii. W rozważania włączone były także motywy związane z religią. Na przestrzeni wieków ukształtowały się i wyraźnie zaznaczyły na kartach historii swoją działalność pewne grupy starożytnych filozofów, skupiska myśli przyrodniczej, zwane szkołami filozoficznymi, posiadające nazwy od ich założycieli, głównych przedstawicieli lub też krain geograficznych czy okresów historycznych w których działały. Pierwszą z grup stanowią jońscy filozofowie przyrody z Talesem na czele; ich poglądy były punktem wyjścia dla kolejnych grup, których poglądy były przeciwstawne (poglądy Heraklita oraz poglądy eleatów). Następna generacja filozofów dążyła do pogodzenia obu kierunków. Odmienny kierunek przyjęli pitagorejczycy. W późniejszych latach ośrodkiem kulturalnym Grecji zostały Ateny. Wtedy też z poprzednio filozoficznych teorii zaczęła się wyróżniać i oddzielac nowa dziedzina nauki. Na szczególną uwagę okresu ateńskiego zasługuje postać Arystotelesa. Duży wkład w naukę wniósł także Archimedes. Mniej tekstów i dokonań naukowych pozostawili po sobie inni uczeni okresu ateńskiego. W okresie starożytnego Rzymu były kontynuowane badania związane głównie z astronomią, w średniowieczu natomiast poznawanie nauk fizycznych zostało w Europie zahamowane (być może za sprawą przemian społecznych, które nie sprzyjały rozwojowi tychże nauk). Dopiero w XII wieku zaczęły w Europie powstawać pierwsze uniwersytety. Rozkwit i początki współczesnej fizyki przypadają dopiero na kolejną epokę, w której wiele spośród teorii została zapożyczona z pism uczonych islamskich jeszcze z czasów średniowiecza.
Interesowali się w znaczącym stopniu geografią, astronomią, matematyka. Utworzyli alternatywny do rzymskiego system zapisu liczb. Wprowadzili do zapisu cyfrę zero. Dzięki uczonym arabskim niemal na całym świecie ludzi stosują prosty w użyciu system dziesiętny. Przez dłuższy czas system dziesiętny stanowił alternatywę dla znacznie częściej stosowanego w dawnej Europie systemu rzymskiego.
Pitagoras urodził się na wyspie Samos. Założył w Krotonie związek o charakterze religijnym, który stał się także ośrodkiem badań naukowych. Naczelną ideą w filozofii pitagorejskiej było, że liczby nie tylko reprezentują relacje między zjawiskami, ale są substancją rzeczy, przyczyną każdego zjawiska w przyrodzie. Uważali oni liczby za rzecz pierwszą w całej naturze zamiast któregokolwiek spośród pierwiastków. Kładli duży nacisk na praktyczne zastosowanie matematyki w opisie całego świata. W arytmetyce pitagorejczycy zajmowali się głównie klasyfikacją liczb. Arytmetyka gracka była w zasadzie geometrią, toteż liczby przedstawiano układając na piasku odpowiednią liczbę kamyków. Pitagorejczycy dzielili liczby na "trójkątne", "kwadratowe" i "prostokątne", zależnie od kształtu figur jakie dało się ułożyć z danej liczby kamyków, i geometrycznie udowadniali różne związki arytmetyczne, np. przykład że suma dwóch kolejnych liczb "trójkątnych" jest liczbą "kwadratową" Pitagorejczycy zajmowali się także muzyką. Tradycja mówi, że sam pitagoras odkrył, że dźwięki harmonijne odpowiadają najprostszym stosunkom liczbowym długości strun: stosunek 1:2 daje oktawę, stosunek 3:4 - kwintę, a 2:3 - kwartę. Propagowali pirocentryczny układ, w którym to wokół tzw. ognia centralnego krążyło 9 ciał niebieskich (8 planet oraz Słońce). Jedną z planet była "Przeciw-Ziemia" - planeta wymyślona jedynie po to, żeby ilość wszystkich obiektów w układzie planetarnym była liczbą 10 - uznaną przez pitagorejczyków za najdoskonalszą spośród wszystkich
liczb.
Za pierwszego greckiego filozofa przyrody powszechnie uważany jest Tales z Miletu. Jednym z zagadnień poruszanych przez Talesa było pochodzenie świata. Pierwszy sformułował odpowiedź zrywającą mitologią. Uznał, że początkiem wszystkiego była woda. W uzasadnieniu swoich poglądów powoływał się na obserwację przyrody i faktu, że wszystkie żywe organizmy potrzebują do prawidłowego funkcjonowania i rozwoju właśnie wody. Swą wielką sławę zawdzięcza on przede wszystkim przepowiedni zaćmienia słońca. Jest jednak oczywiste, że Tales nie dysponował jeszcze wiedzą astronomiczną, która by mu umożliwiła przepowiednię całkowitego zaćmienia Słońca w dzisiejszym sensie, to znaczy w określonym dniu dla ustalonego miejsca obserwacji. Będąc w Egipcie, zadziwił faraona ty, że potrafił obliczyć wysokość piramidy na podstawie długości rzucanego cienia. Tak więc Tales znał właściwości trójkątów podobnych. Przypisuje się mu także, między innymi, dowód twierdzenia (noszącego dziś jego imię) o przecięciu ramion kąta przez dwie proste równoległe.
Anaksymander z Miletu uznał, że świat nie powstał z wody, ale z bliżej nieokreślonej materii, przy pomocy bliżej nieokreślonej siły sprawczej. Podał nawet kolejność wydzielania się poszczególnych elementów. Na początku wydzieliły się ciepło i zimno, a przez zimno i ciepło wytworzyły się różne stany skupienia, poczynając od ziemi, która jest najgęstsza, poprzez wodę i powietrze aż po lotny ogień. Posiadał on wiedzę astronomiczną, którą stosował do obliczeń rozmiarów planet i ich odległości od Ziemi oraz do rysowania map nieba.
Arystarch
Prowadził obserwacje położenia Słońca w 281 r. p.n.e. Był autorem traktatów, z których jeden, "O odległościach i rozmiarach Słońca i Księżyca", zachował się w całości. Arystarch sformułował w nim następujące postulaty, oparte na danych obserwacyjnych:
- Księżyc otrzymuje światło od Słońca.
- Ziemia jest punktem w środku sfery Księżyca.
- Kiedy Księżyc jest w kwadrze, wówczas wielkei koło rozdzielające jego część ciemną od jasnej leży w płaszczyźnie przechodzącej przez oko obserwatora.
- Kiedy Księżyc jest w kwadrze, wówczas jego odległość od Słońca jest mniejsza od czwartej części okręgu o 1/30 jego część.
- Szerokość cienia Ziemi obejmuje dwa Księżyce.
- Księżyc obejmuje 1/50 część Zodiaku.
Podał przybliżone wartości: średnicy Słońca, promienia orbity Księżyca, średnicy Ziemi, stosunku odległości Ziemia-Słońce i Ziemia-Księżyc. Na podstawie swych obliczeń Arystarch uznał, że to Słońce, znacznie większe od Ziemi, zajmuje centralne miejsce w świecie, mniejsza zaś Ziemia obiega go wraz z innymi planetami.
Eratostenes
Uczony znany głownie z wynalezienia metody wyznaczania liczb pierwszych spośród zbioru liczb naturalnych, nazwanej od jego imienia "sitem Eratostenesa", był także autorem dokładnego wyliczenia obwodu Ziemi.
Heron
Był autorem kilkunastu rozpraw z mechaniki i matematyki. W dziele "Mechanika", podany jest opis wszystkich maszyn prostych. W dziele "Pneumatyka" znajdują się szczegółowe rozważania dotyczące wykorzystywania siły wiatru, wody, podane są także opisy automatów, na przykład do sprzedaży wina i wody, do otwierania drzwi świątyni, organów wodnych, pijących ptaków. We wstępie do tego dzieła można znaleźć bardzo ciekawą argumentację na temat atomistycznej struktury powietrza i istnienia próżni. W dziele "Katoptryka" Heron podał pomysłowe uzasadnienie równości kątów padania i odbicia światła od płaskiej powierzchni jako konsekwencji biegu promieni światła po najkrótszej drodze.
Demokryt
Należał do atomistów. Ich zdaniem wszystkie substancje są złożone z atomów, niezniszczalnych, niezmiennych, niepodzielnych i wiecznych cząstek o różnych wielkościach i kształtach, poruszających się w próżni i nieustannie zderzających się z sobą. Był to naturalnie pogląd czysto filozoficzny, oparty na przesłankach teoretycznych, ponieważ nie znano wówczas jeszcze żadnych potwierdzających go danych eksperymentalnych. W teorii tej uczyniono wyraźny podział między właściwościami pierwszorzędnymi (obiektywnymi) i drugorzędnymi (subiektywnymi). Do pierwszych należą: wielkość, kształt, twardość i usytuowanie przestrzenne atomów, to one warunkują właściwości drugorzędne, takie jak barwa, smak, zapach, ciepło, zimno itd. Właściwością drugorzędną jest nawet ciążenie wywołane przez ruch atomów. Demokryt twierdził, że dusza ludzka także jest zbudowana z atomów, najlżejszych (podobnie jak ogień) i najbardziej ruchliwych.
Kontynuator jońskiej wizji świata. Jego początków dopatrywał się w ogniu. Według Heraklita Wszechświata nie stworzył żaden bóg ani żaden człowiek, lecz był on zawsze, jest i będzie zawsze żywym ogniem. Jako że filozof ten postrzegał wszystko jako stan chwilowy, ulegający ciągłej przemianie (jego słynne powiedzenie "panta rhei" - "wszystko płynie"), ogień, od którego wszystko miało się wywodzić nie był w tym znaczeniu elementem, budulcem świata, a jedynie jedną z faz jego rozwoju. W poglądach astronomicznych Heraklita dostrzegamy próbę racjonalnego wyjaśnienia zjawisk astronomicznych bez odwoływania się do bóstw odpowiedzialnych za poszczególne ciała niebieskie. Uważał, że w sklepieniu niebieskim są wydrążenia zwrócone ku nam otworami, w których gromadzą się świetlne opary, tworząc płomienie, które postrzegamy jako gwiazdy. Księżyc jako najbliższy Ziemi porusza się w mniej czystej przestrzeni niż bardziej odległe Słońce, które dostarcza nam więcej światła i ciepła. Najdalej natomiast są położone gwiazdy i wskutek tego słabiej świecą i grzeją. Zaćmienia Słońca i Księżyca powstają wtedy, gdy odpowiadające im wydrążenia obracają się ku górze, a miesięczne fazy Księżyca są spowodowane stałym odchylaniem się w bok jego wydrążenia.
Filozofia Empedoklesa była wyłącznie filozofią przyrody, pokrewną filozofii Jończyków. Jednakże Empedokles znał już zachodnie szkoły filozoficzne i próbował idee eleackie zaszczepić jońskiej tradycji. Przyjął więc za tezę "Nie ma powstawania czegokolwiek, co jest śmiertelne, ani nie jest końcem niszcząca śmierć. Jest tylko mieszanie się i wymiana tego, co pomieszane". Empedokles przyjął cztery jakościowo różne składniki świata, czyli cztery rodzaje materii. W doborze ich miał drogę wskazaną przez poprzedników. Wprawdzie z dotychczasowych "fizyków" każdy uznawał tylko po jednym rodzaju materii, ale każdy uznawał inny rodzaj. Były to cztery najbardziej rozpowszechnione w przyrodzie rodzaje ciał, różniące się między sobą stanem skupienia. Każdy odrębny stan skupienia Empedokles miał za odrębny rodzaj materii (stan ognisty wydawał się wówczas stanem czwartym obok stałego, ciekłego i gazowego). Owe cztery pierwotne rodzaje nazywał "korzeniami wszechrzeczy", potem utarły się nazwy takie jak: "żywioły", "elementy" czy "pierwiastki". Przygotował w ten sposób podstawę do rozważań natury chemicznej. Sam rozważania te zapoczątkował: próbował tłumaczyć wzajemne zachowanie się ciał przez ich powinowactwo, a różnice między ciałami traktował jako różnice ilościowe i strukturalne. Zastosowania były naiwne (mówił np., że mięso i krew mają równe ilości żywiołów, kość jest zaś w połowie ogniem, a w jednej czwartej ziemią i w jednej czwartej wodą), jednakże zawierały w początkowej postaci zasadnicze myśli chemii.
W poglądach Anaksagorasa oryginalne było przeświadczenie, że ciała niebieskie mają taką samą strukturę jak Ziemia. Wszechświat był początkowo chaosem niezliczonych zarodków, z których Rozum zrobił porządek i nadał materii szybki ruch obrotowy. "Całe niebo - głosił Anaksagoras - jest złożone z kamieni, które trzymają się tylko dzięki szybkości z jaką się obracają i spadłyby wszystkie, gdyby ich ruch był wolniejszy." Słońce, Księżyc, planety i gwiazdy świecą, ponieważ rozgrzewają się wskutek tego szybkiego ruchu. Słońce jest rozżarzoną masą większą od Peloponezu. Na poglądy Anaksagorasa wpływ miał zapewne spadek w 467 r. p.n.e. wielkiego meteorytu w Ajgospotamoj na Chersonezie Trackim.
Parmenides z Elei Występował przeciw jońskim filozofom przyrody, zwłaszcza Heraklitowi. Był typowym metafizykiem, nie interesowały go "pozory", poznawalne przez zawodne zmysły, lecz ukrywająca się za nimi prawda, którą można odkryć przez czyste rozumowanie. Parmenides odrzucał zatem, jako nierealne, ruch i wszelką zmianę i uznawał, iż byt jest jeden, wieczny, nieruchomy i niezmienny. Jako pierwszy spośród starożytnych filozofów zastosował dedukcyjną metodę uzasadniania swoich teorii. Jego naśladowców nazwano eleatami, chociaż właściwym założycielem szkoły eleackiej był mniej znany Ksenofanes z Kolofonu. Aktywna opozycja wobec większości greckich filozofów przyrody przyczyniła się do rozwoju tej filozofii.
Jednym z następców Parmenidasa przedstawiającym bardzo ciekawe teorie był Zenon z Elei. Oto kilka paradoksów tego filozofa:
- Przedmiot, gdy znajduje się w ruchu i ma przebyć jakąś drogę, musi przebyć najpierw połowę tej drogi, potem połowę drogi pozostałej, potem połowę reszty i tak w nieskończoność. Jakkolwiek tedy mała jest droga, którą przedmiot ma przejść, zawsze musi przejść nieskończoną ilość odcinków, a tego w skończonym przeciągu czasu dokonać niepodobna, więc ruch jest niemożliwy.
- Najszybszy biegacz nigdy nie dogoni najwolniejszego. Achilles nie dogonie żółwia, jeśli ten choć cokolwiek go wyprzedzi. Goniący bowiem musi dojść najpierw do miejsca, z którego wyszedł goniony, ten zaś posunął się naprzód, i tak będzie zawsze.
- Lecąca strzała w chwili teraźniejszej nie porusza się, lecz spoczywa w powietrzu i nie przebiega żadnej przestrzeni; i tak samo jest w każdej innej chwili. Ale czas składa się z chwil, więc strzała nie może posuwać się naprzód w powietrzu, lecz spoczywa.
- Ziarno rzucone na ziemię nie wydaje dźwięku; nie powinien więc wydać go i worek ziarna, bo skądże ma wydawać dźwięk całość, jeśli nie wydaje go żadna z części? Tymczasem worek ziarna, wysypany na ziemię, wydaje dźwięk.
Twórca wielu pism poświęconych nie tylko filozofii naturalnej, lecz także logice, metafizyce, etyce, polityce, sztuce, retoryce, psychologii i biologii. Stworzył spójny system wiedzy tłumaczący wszystkie aspekty świata ożywionego i nieożywionego. System ten przetrwał w niewiele zmienionej postaci przez niemal dwa tysiące lat. Swoje poglądy fizyczne wyłożył Arystoteles przede wszystkim w traktatach: "Fizyka", "O niebie", "Meteorologika", "O powstawaniu i ginięciu", "Mechanika", "Metafizyka", przy czym nie jest pewne czy rzeczywiście był on jedynym autorem wszystkich tych dzieł.
Najuważniejszym zagadnieniem badanym przez niego był ruch, "albowiem nieznajomość istoty ruchu mogłaby doprowadzić w konsekwencji do nieznajomości przyrody." Trzeba jednak zdawać sobie sprawę z tego, że pojęcie ruchu u Arystotelesa było znacznie szersze niż w dzisiejszej fizyce, a mianowicie obejmowało każdą zmianę: "Nie ma ruchu poza rzeczami; bo to, co się zmienia, zmienia się zawsze albo substancjonalnie, albo ilościowo, albo jakościowo, albo zmienia swe położenie." U podstaw systemu Arystotelesa leżał dychotomiczny podział świata na dwie części, rządzone odmiennymi prawami fizyki. Wszystkie substancje na Ziemi i w jej najbliższym otoczeniu, w tzw. świecie podksiężycowym, składają się z czterech elementów: ognia, powietrza, wody i ziemi, połączonych z sobą w różnych proporcjach. Ruchy ciał ziemskich dzielą się na naturalne, wynikające z samej natury substancji tych ciał, oraz wymuszone przez działanie zewnętrzne jakiegoś czynnika poruszającego. Pewne ciała przez swą naturę spadają w dół, dążąc do środka świata i te nazywają się ciałami ciężkimi. Inne ciała, nazywane lekkimi, przez swą naturę unoszą się do góry. To są właśnie ruchy naturalne, wynikające z naturalnej dążności ciał do zajęcia właściwego dla nich miejsca w świecie; zachodzą one wobec tego tylko czasowo. W przeciwieństwie do naturalnych ruchów spadania w dół i unoszenia się do góry ciał ziemskich, wśród ciał niebieskich występuje wieczny ruch kołowy. Wobec tego ciała te nie mogą składać się z czterech elementów ziemskich, lecz z czegoś innego; ten piąty element, eter (łac. quinta essentia) jest niezmienny, a wieczny ruch kołowy wynika też z jego natury. Świat ma zatem strukturę geocentryczną, gdyż ciężka Ziemia, przez swą naturę znajduje się w jego środku (nawet gdyby kiedyś jej tam nie było, to znalazłaby się tam już dawno dzięki swemu ruchowi naturalnemu): "Wszystkie rzeczy przestają się poruszać, skoro osiągnęły swoje właściwe miejsce. Lecz dla ciała poruszającego się ruchem kołowym miejsce, w którym kończy ono ruch, jest miejscem, z którego wyrusza." Wokół Ziemi znajdują się koncentryczne sfery trzech pozostałych elementów w porządku ich wzrastającej lekkości: najpierw woda, potem powietrze, wreszcie najwyżej sfera ognia. Wyżej rozciąga się świat ciał niebieskich, tj. obracające się wokół nieruchomej Ziemi koncentryczne sfery, unoszące kolejno: Księżyc, Merkurego, Wenus, Słońce, Marsa, Jowisza i Saturna; ostatnią sferą jest sfera gwiazd stałych (firmament), będąca granicą kosmosu. Za Ptolemeuszem przyjęto potem, że znajduje się ona w odległości 20 000 promieni Ziemi, mniejszej niż obecnie znana odległość Ziemi od Słońca, równa 23 455 promieni Ziemi (ryc. 2.13). Komety, meteory i inne zjawiska przejściowe (np. zorze) nie mogły należeć do świata ciał niebieskich, wiecznego i niezmiennego z definicji, umieścił je więc Arystoteles w świecie podksiężycowym. Dla wyznawcy systemu Arystotelesa było oczywiście niedorzeczne sądzić, że Ziemia może być ciałem. niebieskim. gdyż nie można było stosować praw fizyki świata podksiężycowego do ciał niebieskich. Podstawowe prawa mechaniki arystotelesowskiej można sformułować w dzisiejszej terminologii następująco: 1) Ciało nie poddane wpływom zewnętrznym znajduje się w spoczynku; ta starożytna zasada bezwładności jest konsekwencją przyjętych własności ruchów naturalnych; 2) Prędkość ciała wprawianego w ruch przez zewnętrzną przyczynę jest proporcjonalna do działającej siły (dynamis) i odwrotnie proporcjonalna do oporu, jaki stawia ośrodek. Konsekwencją przyjętych zasad mechaniki była niemożliwość istnienia próżni. Wynikało to chociażby stąd, że opór próżni wynosiłby zero, co dawałoby nieskończoną prędkość ciał. Trzeba pamiętać, że Arystoteles bardzo dogłębnie zastanawiał się nad właściwościami hipotetycznej próżni, której istnienie w końcu odrzucił. Pisał więc: "Próżnią jest to, co nie jest wypełnione dotykalnym ciałem, a dotykalnym jest takie ciało, które ma ciężar lub lekkość (tutaj jednak rodzi się trudność, co mianowicie można by powiedzieć o rozciągłości, która zawiera w sobie tylko barwę lub dźwięk? Czy mianowicie jest próżnią, czy nie?...)." Jest też w Fizyce Arystotelesa bardzo ciekawy fragment, świadczący o tym, że uczony ten był bliski sformułowania nowoczesnej zasady bezwładności. Rozważając ruch w próżni, pisał on mianowicie, że: ".nikt nie potrafi wyjaśnić, wskutek czego ciało wprawione w ruch gdzieś musi się zatrzymać; dlaczego zatrzyma się raczej w tym niż w innym miejscu? A zatem ciało albo się będzie znajdować w spoczynku, albo się będzie poruszać w nieskończoność, jeżeli tylko nie stanie mu na drodze jakieś inne silniejsze ciało." Ale w skończonym kosmosie Arystotelesa nie było miejsca na ruch nieskończony. Ze swego rozumowania wyciągnął zatem Arystoteles tylko jeszcze jeden dowód niemożliwości istnienia próżni. Wszechświat Arystotelesa był kulisty i skończony, poza ostatnią sferą nie było niczego: "Jest jasne, że poza niebem nie ma ani miejsca, ani próżni, ani czasu."
Łącząc geometrię z obiektami fizycznymi Archimedes osiągnął to, co zarówno Platon, jak Arystoteles uznawali za niemożliwe. Większość jego zachowanych dzieł jest poświęcona czystej matematyce, o czym świadczą tytuły: "O kuli i walcu", "Kwadratura paraboli", "O liniach spiralnych", "O konoidach i sferoidach", "O wymierzaniu koła", "O liczbie piasku". Za swe największe osiągnięcie Archimedes uważał dowód, że stosunek objętości kuli i opisanego na niej walca wynosi 2/3. Zażyczył sobie, aby ten wynik został wyryty na jego nagrobku. Innym osiągnięciem Archimedesa było wyznaczenie, na podstawie analizy 96-kąta foremnego, granic na wartość niewymiernej liczby ?. Archimedes nie zajmował się dynamiką ani kinematyką, nie interesowała go także budowa świata. Dwa dzieła: "O równowadze płaszczyzn" i "O ciałach pływających", są związane z fizyką. W pierwszym z nich podane są zasady statyki, drugie to początek hydrostatyki (jest tam słynne prawo Archimedesa). Prawo nazywane dziś jego nazwiskiem odkrył podobno, kiedy król Syrakuz Hieron polecił mu zbadać, czy świeżo wykonana korona jest rzeczywiście z czystego złota, czy też ma domieszkę srebra wskutek nieuczciwości złotnika. Według legendy Archimedes wpadł na rozwiązanie podczas kąpieli w wannie, z której wyskoczył i biegł nago ulicami Syrakuz, wołając eureka - znalazłem. To słowo zrobiło potem wielką karierę. Sławę przyniosły mu wynalazki machin do obrony Syrakuz podczas oblężenia miasta przez Rzymian. Po zdobyciu miasta Archimedes poniósł śmierć, przebity mieczem przez rzymskiego żołnierza.
|
